摘要：近年來，隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，人們對數(shù)字時鐘的要求越來越高，本文針對人們的這一需求，設(shè)計了一種有單片機控制的智能化數(shù)字時鐘，功能強大，界面友好，更好的滿足了人們對它的智能化要求。 0 引言 現(xiàn)在是一個知識爆炸的新時代。新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮，電子技術(shù)的發(fā)展更是日新月異。可以毫不夸張的說，電子技術(shù)的應(yīng)用無處不在，電子技術(shù)正在不斷地改變我們的生活，改變著我們的世界。在這快速發(fā)展的年代，時間對人們來說是越來越寶貴，在快節(jié)奏的生活時，人們往往忘記了時間，一旦遇到重要的事情而忘記了時間，這將會帶來很大的損失。因此我們需要一個定時系統(tǒng)來提醒這些忙碌的人。數(shù)字化的鐘表給人們帶來了極大的方便。 近些年，隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對數(shù)字鐘的要求也越來越高，傳統(tǒng)的時鐘已不能滿足人們的需求。多功能數(shù)字鐘不管在性能還是在樣式上都發(fā)生了質(zhì)的變化，有電子鬧鐘、數(shù)字鬧鐘等等。單片機在多功能數(shù)字鐘中的應(yīng)用已是非常普遍的，人們對數(shù)字鐘的功能及工作順序都非常熟悉。但是卻很少知道它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理。由單片機作為數(shù)字鐘的核心控制器，可以通過它的時鐘信號進(jìn)行計時實現(xiàn)計時功能，將其時間數(shù)據(jù)經(jīng)單片機輸出，利用顯示器顯示出來。通過鍵盤可以進(jìn)行定時、校時功能。輸出設(shè)備顯示器可以用液晶顯示技術(shù)和數(shù)碼管顯示技術(shù)。 1 系統(tǒng)方案的確定 單片機芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，它除了具備微機CPU的數(shù)值計算功能外，還具有靈活強大的控制功能，以便實時檢測系統(tǒng)的輸入量、控制系統(tǒng)的輸出量，實現(xiàn)自動控制。在本次設(shè)計中采用單片機技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字鐘的功能。方案的設(shè)計可以從以下幾個方面來確定。微處理器的選擇，AT89S51、52是2003年ATMEL推出的新型品種，除了完全兼容8051外，還多了ISP編程和看門狗功能。但是AT89S52的存儲器容量比AT89S51的大。在本次設(shè)計中采用AT89S52單片機；顯示電路的設(shè)計，隨著科技的發(fā)展，液晶顯示的使用越來越方便，已被普遍的使用。由于液晶顯示與驅(qū)動都集成在一個芯片上，因此使用起來很方便。在這里采用液晶顯示；校時和定時電路的設(shè)計；實時控制電路是時鐘電路的一個重要組成部分，采用的是一個時鐘芯片，單片機從中讀取數(shù)據(jù)送到顯示器上顯示，從而實現(xiàn)數(shù)字鐘的功能；還有一些其他控制電路如復(fù)位電路、時鐘電路等。通過這些控制電路的連接構(gòu)成了完整的電路，系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。 2 硬件電路的設(shè)計 硬件電路是一個系統(tǒng)的重要部分，在本次設(shè)計中主要是以AT89S52為核心控制器，外加一些控制電路來實現(xiàn)數(shù)字鐘的基本功能。下面分別介紹各個控制電路的功能及其工作原理。 2.1 AT89S52的介紹 單片機是微機的一個分支，在原理和結(jié)構(gòu)上，單片機與微型機之間不但沒有根本性的差別，而且微型機的許多技術(shù)與特點都被單片機繼承下來了。 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。它具有串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 2.2 時鐘電路的設(shè)計 AT89S52單片機有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構(gòu)成自激振蕩器。從外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2可以不接，而從XTAL1接入，由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有其它要求，最長低電平持續(xù)時間和最少高電平持續(xù)時間等還是要符合要求的。反相放大器的輸入端為XTALl，輸出端為XTAL2，兩端連接石英晶體及兩個電容形成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容通常取30PF左右。振蕩頻率范圍是1.2～12MHz。如圖2-2（a）所示。 晶體振蕩器的振蕩信號從XTAL2端輸出到片內(nèi)的時鐘發(fā)生器上。時鐘發(fā)生器為二分頻器。向CPU提供兩相時鐘信號P1和P2。每個時鐘周期有兩個節(jié)拍（相）P1和P2，CPU就以兩相時鐘P1和P2為基本節(jié)拍指揮AT89S52單片機各部件協(xié)調(diào)工作。圖2-2（b）給出片內(nèi)時鐘發(fā)生器原理。在本次設(shè)計中取石英晶體的振蕩頻率為12MHz。 2.3 復(fù)位電路的設(shè)計 單片機復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，例如復(fù)位后PC＝0000H，使單片機從第一個單元取指令。無論是在單片機剛接通電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位，所以我們必須弄清楚MGS-51型單片機復(fù)位的條件、復(fù)體電路和復(fù)位后狀態(tài)。該電路除具有上電復(fù)位功能外,對系統(tǒng)的可控性是很有幫助的。 2.4 實時控制電路的設(shè)計 在本次設(shè)計中采用DS1302為實時控制芯片，并接備用電源以使在外接電源斷電時其控制電路仍在計時。 2.5 LCD顯示模塊 在實際應(yīng)用中，用戶很少直接設(shè)計LCD顯示器驅(qū)動接口，一般是直接使用專用的LCD顯示驅(qū)動器和LCD顯示模塊。其中，LCD顯示模塊LCM（Liquid Crystal Display Module）是把LCD顯示器、背景光源、線路板和驅(qū)動集成電路等部件構(gòu)成一個整體，作為一個獨立的部件使用，具有功能較強、易于控制、接口簡單等優(yōu)點，在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用較多。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-8所示。LCD顯示模塊只留一個接口與外部通信。顯示模塊通過這個接口接收顯示命令和數(shù)據(jù)，并按指令和數(shù)據(jù)的要求進(jìn)行顯示。外部電路通過這個接口讀出顯示模塊的工作狀態(tài)和顯示數(shù)據(jù)。LCD顯示模塊一般帶有內(nèi)部顯示RAM和字符發(fā)生器，只要輸入ASCII碼就可以進(jìn)行顯示。LCD顯示模塊按功能顯示可分為：LCD段式顯示模塊、LCD字符型顯示模塊、LCD圖形顯示塊三類。 液晶顯示器因其功耗低、重量輕而成為便攜式應(yīng)用中的主流顯示技術(shù)。這里所用的字符型液晶模塊是一種用5x7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等等。液晶顯示有點振式和字符式兩種，在這里采用字符式液晶顯示器1602來實現(xiàn)顯示電路的功能。 由于1602液晶顯示器是本身帶有驅(qū)動模塊的液晶屏，它只有并口線和一些控制線，與單片機的連接有兩種不同的方法，直接訪問方式和間接訪問方式。直接訪問方式就是微處理器把液晶顯示模塊當(dāng)作存儲器或I/O設(shè)備直接掛在總線上，模塊8位數(shù)據(jù)總線與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連，用讀操作 或?qū)懖僮?信號與地址信號共同產(chǎn)生控制信號。 2.6 校時、定時電路的設(shè)計 校時、定時電路主要靠鍵盤來控制。鍵盤是一組按鍵的集合。它是嵌入式計算機系統(tǒng)中不可缺少的外圍電路。是實現(xiàn)人機對話的紐帶，借助鍵盤可以向計算機輸入程序、置數(shù)、邏輯操作以及寫入程序和程序檢測等。 2.7 報時器的設(shè)計 報時是數(shù)字鐘的一個重要功能，報時器可用蜂鳴器和揚聲器來實現(xiàn)，為了使其報時效果更好這里采用揚聲器播放音樂來實現(xiàn)其報時功能。要使揚聲器能在整點報時必須要有音頻放大器來驅(qū)動揚聲器才能工作。在這里采用LM386音頻放大器。 2.8 電源的設(shè)計 穩(wěn)壓電源是單片機系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為系統(tǒng)提供多路電壓源，還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和抗干擾性能。一個穩(wěn)壓電源輸出電壓和最大輸出電流決定于所選三端穩(wěn)壓器。在本次設(shè)計中采用+5V電壓所以選用H7805穩(wěn)壓器。 系統(tǒng)的硬件電路如圖2 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 單片機的程序設(shè)計有其自身的特點。在單片機系統(tǒng)中，硬件與軟件緊密結(jié)合，由于硬件電路的設(shè)計不具有通用性，所以必須根據(jù)具體的硬件電路來設(shè)計對應(yīng)的軟件，硬件設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到軟件設(shè)計的難易，軟件設(shè)計的優(yōu)劣又直接影響到硬件的發(fā)揮。在很多時候，軟件可以替代硬件的功能，當(dāng)然，需要付出額外占用CPU時間的代價。 軟件程序的設(shè)計是根據(jù)硬件電路圖的連接和各個元器件的功能進(jìn)行設(shè)計。在編寫軟件時，可以按各個程序的功能將軟件細(xì)分為各個功能模塊，再通過主程序的調(diào)用來實現(xiàn)整個軟件系統(tǒng)。而一般編寫的程序都是根據(jù)事前所用的流程圖來編寫的，而且，流程圖中也包含了對設(shè)計所得結(jié)果的要求，因此，流程圖的設(shè)計直接影響到源程序的設(shè)計。其源程序見附錄D。 主程序是軟件設(shè)計的總體框架，因此主程序流程圖的設(shè)計決定了程序編寫的好壞，主程序的功能主要是讀DS1302的時間將時間數(shù)據(jù)送到液晶顯示，并與鬧鐘的設(shè)定時間比較，再判斷是否有按鍵按下，從而進(jìn)行校時、定時功能。其流程圖如圖3所示。 4 結(jié)論與展望 本次設(shè)計采用單片機作為核心控制器，實現(xiàn)具有定時、校時功能的數(shù)字鐘。隨著人們生活水平的提高，人們對數(shù)字鐘的要求越來越高，有單一的計時功能到發(fā)展到現(xiàn)在有溫度檢測、濕度檢測等多功能數(shù)字鐘。這些多功能數(shù)字鐘多用在工業(yè)里作為檢測元件，因此需要能夠在惡劣的環(huán)境下工作。利用單片機作為數(shù)字鐘的控制核心可以做到硬件電路簡單穩(wěn)定，減小電磁干擾和其他環(huán)境干擾，充分發(fā)揮軟件編程的優(yōu)點，減少因元器件精度不夠引起的誤差。設(shè)計中了解到數(shù)字鐘的迅猛發(fā)展，它已經(jīng)普遍應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活之中了。數(shù)字鐘有很強的發(fā)展空間，因此我們有理由相信將來數(shù)字鐘會與我們的生產(chǎn)和生活更加緊密相連。 參考文獻(xiàn) [1] 付家才．單片機控制工程實踐技術(shù). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004 [2] 孫育才，王榮興，孫化芳.新型AT89S52系列單片機及其應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，2005. 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