以AT89S52單片機(jī)為控制核心，通過實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1307和數(shù)字溫度傳感器DS18B20構(gòu)成了一個(gè)多功能的數(shù)字時(shí)鐘系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)、工作原理和系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用液晶LCD1602作為顯示器，具有實(shí)時(shí)時(shí)間與日歷顯示、環(huán)境溫度顯示、按鍵調(diào)時(shí)、鬧鈴定時(shí)等功能。軟件程序采用均采用C語言編寫，便于移植與升級(jí)。

0 引言

目前家用的數(shù)字電子鐘，多數(shù)只能顯示小時(shí)、分鐘等信息，功能單一，而且大都采用LED數(shù)碼管作為顯示器件，功耗大，不能令消費(fèi)者滿意。為此，筆者開發(fā)了一款多功的數(shù)字式電子鐘，它可以顯示年、月、日、小時(shí)、分鐘等時(shí)間信息，同時(shí)可以顯示環(huán)境的溫度信息。還具有按鍵調(diào)時(shí)、設(shè)定鬧鈴等功能。時(shí)鐘采用LCD作為顯示器，界面友好，功耗低。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)作為核心控制器件，外圍主要有實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1307、溫度傳感器DS18B20等，均為串行通信器件，使得系統(tǒng)線路簡單可靠性高。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 單片機(jī)主控模塊

系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心。AT89S52單片機(jī)與MCS_51系列單片機(jī)產(chǎn)品兼容，采用了Flash存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，可以在線下載程序，易于日后的升級(jí)。它主要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的初始化工作；設(shè)置定時(shí)器、寄存器的初值；讀取并處理時(shí)間、溫度等信息；處理按鍵響應(yīng)；控制液晶實(shí)時(shí)顯示等。

硬件電路連接如圖2所示。系統(tǒng)采用12M晶振；P0_Up為P0口上拉電阻，P0口為單片機(jī)與液晶顯示器通信的數(shù)據(jù)端口；C_reset和R_reset組成系統(tǒng)上電復(fù)位電路；P1.0~P1.2為液晶顯示器的控制信號(hào)端口；P1.3和P1.4為單片機(jī)與時(shí)鐘芯片DS1307通信的端口； P1.5為鬧鈴的控制端口；P1.6為單片機(jī)與溫度傳感器DS18B20的通信端口；P2.4~P2.7為按鍵模塊的接口。

圖2 單片機(jī)主控電路

1.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷模塊

系統(tǒng)采用DS1307實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。它是一款 總線接口的時(shí)鐘日歷芯片，片內(nèi)含有8個(gè)特殊功能寄存器和56bit的SRAM，是一種低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。

它的主要技術(shù)性能指標(biāo)：具有秒、分、時(shí)、日、星期、月、年的計(jì)數(shù)功能，并且具有12小時(shí)制和24小時(shí)制的計(jì)數(shù)模式，可自動(dòng)調(diào)整每月的天數(shù)，具有閏年調(diào)整的功能，具有自動(dòng)掉電保護(hù)和上電復(fù)位的功能。同時(shí)它獨(dú)立于CPU工作，不受CPU主晶振及其電容的影響，而且計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，月累計(jì)誤差小于10秒。

電路連接如圖3。CRY2為32.768kHz的晶振，為時(shí)鐘芯片提供計(jì)時(shí)脈沖；Vbat為DS1307的備用電源，以便在沒有主電源的情況下能夠保存時(shí)間信息和一些重要的數(shù)據(jù)；兩個(gè)電阻為 總線的上拉電阻。

圖3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷電路

1.3 溫度傳感器模塊

系統(tǒng)采用DS18B20作為溫度傳感器。它是美國DSLLAS公司推出的單總線數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易匹配處理器等優(yōu)點(diǎn)。處理器與DS18B20通信只需要一根數(shù)據(jù)線即可，同時(shí)該數(shù)據(jù)線還可以向掛接的DS18B20供電。它可以直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)處理，與模擬溫度傳感器相比，DS18B20省去了信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換等前向通道處理電路，從而使得系統(tǒng)線路簡單，成本低廉。

它的主要技術(shù)性能指標(biāo)：

（1） 電壓范圍：+3.0~+5.5V（可用數(shù)據(jù)線供電）

（2） 測溫范圍：－55℃~＋125℃

（3） 通過編程可實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式，測溫分辨率可達(dá)0.0625℃

（4） 可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。

電路連接如圖4所示。其中DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，R_Up 為數(shù)據(jù)線的上拉電阻，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.4 鬧鈴模塊

系統(tǒng)采用蜂鳴器作為鬧鈴輸出。

電路連接如圖5所示。電路中采用PNP管9012來控制蜂鳴器的開關(guān)，由圖可以看出當(dāng)Bell引腳為高電平時(shí)，PNP管截止，蜂鳴器不工作；當(dāng)Bell引腳為低電平時(shí)，PNP管導(dǎo)通，蜂鳴器工作。其中R_Bell為限流電阻。

1.5 鍵盤模塊

鍵盤模塊設(shè)置了四個(gè)按鍵：Menu_A、Menu_B、Up、Reset。其中用Menu_A來控制菜單的主模式；用Menu_B來控制菜單的副模式；Up鍵用來修改時(shí)間信息；Reset鍵返回。

電路連接如圖6所示。四個(gè)上拉電阻可以保證在沒有按鍵輸入時(shí)，進(jìn)入單片機(jī)四個(gè)I/O口的按鍵狀態(tài)均為高電平，防止干擾產(chǎn)生；當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的口線被拉低。軟件上采用查詢的方式，用定時(shí)器定時(shí)對(duì)按鍵狀態(tài)進(jìn)行掃描，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1.6 液晶顯示模塊

系統(tǒng)中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)，而且不需要外加驅(qū)動(dòng)電路，現(xiàn)在液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的顯示器件了。LCD1602可以顯示2行16個(gè)字符，具有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7，和RS、R/W、E三個(gè)控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑?duì)比度調(diào)節(jié)和背光設(shè)置。

管腳功能簡介：

VL：LCD對(duì)比度調(diào)節(jié)端，電壓調(diào)節(jié)范圍為0－5V。接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，可以用一個(gè)5K的電位器來調(diào)整對(duì)比度；

RS：數(shù)據(jù)或者指令選擇端。處理器寫入指令時(shí)，RS為低電平，寫入數(shù)據(jù)時(shí)，RS為高電平

R/W：讀寫控制端。R/W為高電平時(shí)，讀取數(shù)據(jù)；R/W為低電平時(shí)，寫入數(shù)據(jù)

E：LCD模塊使能信號(hào)控制端。寫數(shù)據(jù)時(shí)，需要下降沿觸發(fā)模塊

D0－D7：8位數(shù)據(jù)總線，三態(tài)雙向

BLA： LED背光正極。需要背光時(shí)，BLA串接一個(gè)限流電阻接VCC

BLK： LED背光負(fù)極

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為幾個(gè)部分，首先是各個(gè)模塊的底層驅(qū)動(dòng)程序編寫，而后是系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試，編寫上層系統(tǒng)程序。建議在編寫和調(diào)試一個(gè)大的項(xiàng)目軟件程序時(shí)，先編寫各個(gè)子模塊的驅(qū)動(dòng)程序，保證每個(gè)模塊都可以正常工作，做好備份工作，之后再來編寫整機(jī)程序。本系統(tǒng)軟件程序主要包括：液晶LCD1602的底層驅(qū)動(dòng)模塊、時(shí)鐘芯片DS1307的底層驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器DS18B20的底層驅(qū)動(dòng)模塊、定時(shí)器0定時(shí)檢查系統(tǒng)變量模塊、定時(shí)器1按鍵掃描模塊等。鑒于篇幅，這里不作一一介紹了。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖8。

幾點(diǎn)說明：

1 DS1307 是基于 總線接口的時(shí)鐘芯片，軟件上完全與 總線完全兼容。

2 DS18B20 是One-wire總線接口的芯片，軟件上對(duì)時(shí)序的要求特別高。

3 鍵盤處理模塊，可以設(shè)定成邊沿觸發(fā)或者電平觸發(fā)方式。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)均采用C語言開發(fā)，因此這些器件的底層程序均可以移植到其它系統(tǒng)中，這就是采用C語言開發(fā)的最大的優(yōu)點(diǎn)。

3 總結(jié)

系統(tǒng)經(jīng)組裝、調(diào)試后，可以穩(wěn)定運(yùn)行，目前正在筆者寢室作為時(shí)鐘日歷。采用串行器件具有線路簡單、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)稍加改造，就可以作為工業(yè)實(shí)時(shí)采集中的一個(gè)模塊。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)均采用C語言編寫，具有模塊化的思想，可以方便的移植到其它的系統(tǒng)中。采用AT89S52單片機(jī)，方便系統(tǒng)升級(jí)。