基于51單片機(jī)的LCD數(shù)字鐘設(shè)計與制作

丁春霞

江蘇城市職業(yè)學(xué)院張家港辦學(xué)點(diǎn),江蘇 張家港 215600

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們不僅對于時鐘的精度要求越來越高，而且對于時鐘功能的要求也越來越多。本文基于51單片機(jī)設(shè)計了一款帶有鬧鐘設(shè)置、溫度顯示、背光時間設(shè)置的數(shù)字鐘，它具有走時準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械走動的聲音、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于人們的日常生活。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，本系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為核心，外圍電路包括鍵盤電路、溫度檢測電路、DS1302時鐘電路、LCD1602液晶顯示電路和蜂鳴器驅(qū)動電路。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，單片機(jī)首先對內(nèi)部資源和LCD1602進(jìn)行初始化，隨后從DS1302時鐘芯片和DS18B20溫度傳感器分別讀取時間和溫度傳輸給LCD1602顯示，并對鍵盤電路進(jìn)行循環(huán)掃描，通過鍵盤電路完成系統(tǒng)時間、鬧鐘時間和背光持續(xù)時間的設(shè)置。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路如圖2所示：

圖2 硬件電路圖

2.1 單片機(jī)主電路

系統(tǒng)采用的單片機(jī)為STC89C52RC，該單片機(jī)在傳統(tǒng)51單片機(jī)基礎(chǔ)上增加了內(nèi)部資源、提高了處理能力，在使用上完全兼容傳統(tǒng)51單片機(jī)，方便系統(tǒng)升級。

單片機(jī)主電路除了單片機(jī)本身外還需包含晶振電路和復(fù)位電路。晶振電路作用是配合單片機(jī)內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生固有的時鐘信號，在該時鐘信號的作用下，單片機(jī)完成指令的操作，數(shù)據(jù)的讀寫。而復(fù)位電路作用則是初始化單片機(jī)，在單片機(jī)上電后使得RST（9腳）保持持續(xù)兩個機(jī)器周期的高電平使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，復(fù)位后單片機(jī)PC指針指向0000H單元，從該單元向下執(zhí)行指令。

2.2 鍵盤電路

鍵盤電路由4個微動開關(guān)組成，分別為“設(shè)置”鍵、“+”鍵、“–”鍵和“保存”鍵，連接到單片機(jī)的P1.0-P1.3接口進(jìn)行控制。

2.3 DS1302時鐘電路

由于單片機(jī)采用定時器中斷或查詢方式計時，占用硬件資源和CPU時間，存在時鐘精度不高，不能用于對時鐘精度要求較高的場合。本系統(tǒng)采用DS1302時鐘芯片，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。芯片外接32.768kHz晶振，由該晶振單獨(dú)提供時鐘輸入，精度較高，計時準(zhǔn)確，同時芯片還提供兩個電源管腳，其中VCC1為后備電源，VCC2為主電源，在主電源掉電的情況下，由備用電源供電，保證時鐘的持續(xù)運(yùn)行。

2.4 溫度檢測電路

本系統(tǒng)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，提供9～12位分辨率，測溫范圍在-55℃到+125℃之間，精度為±0.5℃。它具有獨(dú)特的單總線結(jié)構(gòu)方式，與單片機(jī)連接時僅需一條口線，即可實現(xiàn)雙向通訊。

2.5 LCD1602液晶顯示電路

電路采用LCD1602作為顯示器件，它能夠同時顯示16×2個字符，是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，其驅(qū)動電路較為簡單，除了必要的數(shù)據(jù)和控制總線外本系統(tǒng)還采用了背光驅(qū)動電路，該電路在單片機(jī)控制下可以實現(xiàn)對液晶背光點(diǎn)亮?xí)r間進(jìn)行控制，當(dāng)沒有操作時液晶背光處于關(guān)閉狀態(tài)，有利于降低系統(tǒng)的功耗，提高電能利用率，延長使用壽命。

2.6 蜂鳴器驅(qū)動電路

由于單片機(jī)I/O驅(qū)動能力有限，電路通過兩個NPN型三極管組成達(dá)林頓管形式驅(qū)動蜂鳴器。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文采用單片機(jī)C語言編寫程序，對整個硬件系統(tǒng)進(jìn)行管控，通過鍵盤電路來設(shè)置系統(tǒng)時間、鬧鐘時間、LCD1602的背光時間，利用DS18B20檢測環(huán)境溫度、DS1302向系統(tǒng)提供精確時間，并將上述參數(shù)通過LCD1602顯示，當(dāng)系統(tǒng)時間與設(shè)定的鬧鈴時間相同時，蜂鳴器發(fā)出短促的“嘀嘀嘀……”聲音，而當(dāng)單片機(jī)由于特殊原因沒有正常工作時則發(fā)出連續(xù)的長鳴聲。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

3.1 按鍵程序設(shè)計

鍵盤電路共有四個按鈕S1～S4。S1為設(shè)置鍵，默認(rèn)狀態(tài)下LCD1602顯示系統(tǒng)時間和溫度，當(dāng)按下S1時，進(jìn)入系統(tǒng)時間設(shè)置狀態(tài)，當(dāng)再次按下S1時，進(jìn)入鬧鐘和背光時間設(shè)置狀態(tài)，第三次按下S1時，系統(tǒng)恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)。S2、S3為參數(shù)設(shè)置鍵，每個按鍵有兩種功能，按下按鈕的時間小于1秒為短按，超過1秒為長按，短按對參數(shù)進(jìn)行增減設(shè)置，長按為切換參數(shù)。S4為保存鍵，當(dāng)按下S4則保存參數(shù)值。

3.2 DS1302程序設(shè)計

DS1302與單片機(jī)的連接需要三條線，即SCLK（7腳）、I/O（6腳）、RST（5腳），采用三線制SPI總線接口，該接口是一種半雙工通信方式，只能分時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)與DS1302數(shù)據(jù)傳輸時，首先將RST置位，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進(jìn)行操作，在SCLK同步時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)從I/O（6腳）最低位開始寫入，在SCLK同步時鐘的下升沿時，數(shù)據(jù)從I/O（6腳）最低位開始讀取，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完畢，將RST復(fù)位。

3.3 DS18B20程序設(shè)計

DS18B20與單片機(jī)通訊的時序極為嚴(yán)格，首先對其進(jìn)行初始化，初始化的步驟為：由單片機(jī)拉低總線至少480μs來產(chǎn)生復(fù)位脈沖，然后單片機(jī)釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)，當(dāng)總線釋放后上拉電阻把總線上的電平拉回高電平，當(dāng)DS18B20檢測到上升沿后等待15～60μs，然后以拉低總線60～240μs的方式發(fā)出響應(yīng)脈沖。

在對DS18B20讀取時從單片機(jī)拉低總線開始，隨后單片機(jī)釋放總線進(jìn)入讀取狀態(tài)。DS18B20拉高總線表示“1”，拉低總線表示“0”。在對DS18B20寫入數(shù)據(jù)時由單片機(jī)首先拉低總線，產(chǎn)生寫時序，單片機(jī)將數(shù)據(jù)放置總線以高電平表示“1”，低電平表示“0”，數(shù)據(jù)由低位開始傳輸。

DS18B20溫度數(shù)值有兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，高字節(jié)的低3位和低字節(jié)的高4位表示溫度數(shù)據(jù)的整數(shù)部分，低字節(jié)的低4位為小數(shù)部分，高字節(jié)的高5位用來表示讀取溫度的正負(fù)。

3.4 鬧鐘程序設(shè)計

該部分程序是為了實現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)時間和設(shè)定的鬧鐘時間相同時使得蜂鳴器發(fā)出鳴叫。其設(shè)計思路為：單片機(jī)將DS1302讀取的時間和設(shè)置的鬧鐘時間進(jìn)行比較，當(dāng)“小時”與“分鐘”均相同時視為鬧鐘時間到，通過控制與蜂鳴器電路相連接的I/O口翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)短促的“嘀嘀嘀……”叫聲，叫聲時間持續(xù)一分鐘。

3.5 LCD1602程序設(shè)計

作為顯示器件，LCD1602的主要任務(wù)是將系統(tǒng)的時間等參數(shù)直觀方便地顯示出來，同時為了體現(xiàn)出節(jié)能，低功耗的特點(diǎn)，在本程序設(shè)計時還加入了對液晶背光點(diǎn)亮持續(xù)時間的控制。

單片機(jī)通過P0口與LCD1602的D0-D7實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，通過RS、RW、E三條控制線實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的控制。RS為數(shù)據(jù)/指令選擇線，RS=1表示D0-D7輸入數(shù)據(jù)，RS=0表示D0-D7輸入指令。RW為讀/寫選擇線，RW=1表示單片機(jī)對LCD1602進(jìn)行讀操作，RW=0表示單片機(jī)對LCD1602進(jìn)行寫操作。E為使能端，E=1表示LCD1602使能，即可以對其操作，E=0時任何對其操作都將視為無效。

為了方便修改系統(tǒng)時間、鬧鐘時間等參數(shù)，在程序設(shè)計時設(shè)置了Condition狀態(tài)參數(shù)。通過按鍵S1可以改變Condition值，當(dāng)Condition=0時LCD1602顯示系統(tǒng)時間、溫度，當(dāng)Condition=1時LCD1602顯示系統(tǒng)時間設(shè)置界面，當(dāng)Condition=2時LCD1602顯示鬧鐘和背光持續(xù)時間設(shè)置界面，當(dāng)Condition>2時，Condition清零。

4 裝配與調(diào)試

經(jīng)過焊接裝配后進(jìn)行調(diào)試。接通電源，測量各個關(guān)鍵點(diǎn)電壓是否在合理范圍，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)20管腳（GND）電壓不是0V，查明為20管腳虛焊。將程序燒錄到單片機(jī)中，插入底座，接通電源，發(fā)現(xiàn)LCD1602顯示存在亂碼現(xiàn)象，經(jīng)過檢查VSS管腳沒有接地，補(bǔ)焊后LCD1602顯示正常。調(diào)節(jié)各項參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鬧鐘時間到后蜂鳴器聲音很小，分析電路由于采用一個NPN型三極管驅(qū)動蜂鳴器，單片機(jī)I/O拉出電流較小不足以使三極管導(dǎo)通，改進(jìn)電路，采用兩個NPN型三極管組成達(dá)林頓管形式，使得蜂鳴器正常發(fā)音。經(jīng)過上述調(diào)試過程該系統(tǒng)可以正常工作，調(diào)試完成。實物圖如圖4所示。

圖4 實物圖

[1]張寧丹，金桂. 基于STC89C52單片機(jī)DS1302時鐘芯片定時開關(guān)的設(shè)計與仿真[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2013,36(8):4-6.

[2]王靜霞，楊宏麗，劉俐.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)（C語言版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]彭偉.單片機(jī)C語言程序設(shè)計實訓(xùn)100例：基于8051+Proteus仿真[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.