多功能電子時(shí)鐘

冉秦翠，蒲利春，彭厚德，汪海軍

（1.重慶理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，重慶400054；2.長江師范學(xué)院，重慶400010；3.伍爾特電子（重慶）有限公司，重慶400010）

1 引 言

鐘表的發(fā)展歷史，大致可以分為3個(gè)演變階段：第一類，機(jī)械鐘，這種鐘表采用全機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過發(fā)條提供動(dòng)力以維持鐘表運(yùn)轉(zhuǎn)，需要隨時(shí)上發(fā)條，相對(duì)電子鐘而言，體積大、隨身攜帶不方便且走時(shí)不精確.第二類，半機(jī)械鐘，這種鐘表用電池代替了發(fā)條提供動(dòng)力，由石英晶體電路提供時(shí)間，相比機(jī)械鐘走時(shí)更準(zhǔn)確，不需要上發(fā)條，體積也大大減小，日常生活中所見到的腕表都屬于這種.第三類，電子表，這種鐘表采用全電子結(jié)構(gòu)，采用電子電路或軟件程序提供時(shí)間，精確度大大提高，同時(shí)體積也大大減小，而且用數(shù)字顯示代替了指針顯示，更直觀，同時(shí)具有鬧鐘、日期或溫度顯示功能等.本文所介紹的多功能電子時(shí)鐘就屬于第三類.多功能電子時(shí)鐘是以單片機(jī)為核心的數(shù)字計(jì)時(shí)電路，利用液晶屏實(shí)現(xiàn)了時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)顯示，除了具有讀取時(shí)間直觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn)外，還具備鬧鐘、溫度檢測等功能.它與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘和半機(jī)械鐘相比，具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動(dòng)裝置、電路結(jié)構(gòu)簡明、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)時(shí)鐘.多功能電子時(shí)鐘的出現(xiàn)，給現(xiàn)代人生活帶來了革命性的變化，因而得到廣泛應(yīng)用.單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的多功能電子時(shí)鐘具有編程靈活，電路結(jié)構(gòu)清晰、簡明、功率損耗小、容易實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)［1］.其基本原理是由單片機(jī)作為電子時(shí)鐘的核心控制器，通過它的時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，將其時(shí)間數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)輸出，通過液晶顯示器顯示出來，且通過按鍵可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、校時(shí)、設(shè)置鬧鐘等功能［2］.目前市場上以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的“多功能電子時(shí)鐘”存在體積較大、成本較高等問題，而且多采用軟件延時(shí)或定時(shí)器的方式產(chǎn)生時(shí)間，不精確，系統(tǒng)一旦斷電時(shí)間就會(huì)消失.

針對(duì)以上不足，筆者設(shè)計(jì)了“多功能電子時(shí)鐘”.該時(shí)鐘采用STC89C52單片機(jī)讀取時(shí)鐘芯片DS1302內(nèi)部的時(shí)間并顯示在LCD1602液晶上，由于DS1302時(shí)鐘芯片可以用內(nèi)部備份電池供電，故采用USB接口為時(shí)鐘供電，系統(tǒng)時(shí)間并不會(huì)因外部斷電而消失，隨時(shí)接通電源都顯示的是當(dāng)前準(zhǔn)確的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)在需要時(shí)才接通電源以達(dá)到省電的目的.在滿足時(shí)間精度的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)還加入了定時(shí)鬧鐘和溫度顯示等功能.

2 多功能電子時(shí)鐘總體設(shè)計(jì)方案

2.1 功能框圖

硬件電路包括STC89C52最小系統(tǒng)電路、DS1302時(shí)鐘模塊、LCD1602液晶顯示模塊、按鍵模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、鬧鐘模塊.功能框圖如圖1所示.

圖1 多功能電子時(shí)鐘功能框圖

2.2 工作原理

基本原理：主要是在STC89C52單片機(jī)的控制下，調(diào)用各個(gè)功能模塊來采集日期、時(shí)間、溫度等信息，并通過LCD1602液晶顯示器顯示.

溫度讀?。合到y(tǒng)的溫度信息及其顯示主要通過DS18B20溫度傳感器采集獲得，且其測溫范圍較大，在-10～＋85℃溫度范圍內(nèi)精度可以達(dá)到±0.5℃，有效溫度范圍-55～＋125℃.

鬧鐘功能：具有鬧鐘功能，其功能是通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)的.設(shè)置好鬧鐘時(shí)間后就自動(dòng)開啟了鬧鐘，時(shí)間到了之后就會(huì)有提示（本系統(tǒng)采用LED燈閃爍提示方式［3］），需要手動(dòng)關(guān)閉鬧鐘才會(huì)停止提示.

2.3 軟件編程

多功能電子時(shí)鐘的軟件編程是在Keil uVision3集成開發(fā)環(huán)境上進(jìn)行的，設(shè)置好工作環(huán)境后，編寫軟件，編譯調(diào)試成功之后即可生成HEX文件燒錄到單片機(jī)內(nèi).多功能電子時(shí)鐘把整個(gè)系統(tǒng)分成一個(gè)個(gè)的模塊分別進(jìn)行編寫與調(diào)試，先編寫調(diào)試硬件驅(qū)動(dòng)程序，然后再編寫功能函數(shù)，最后綜合.在確保單片機(jī)能正常工作之后，首先編寫的是液晶顯示器LCD1602的驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)試成功之后再編寫時(shí)鐘芯片DS1302的驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)試成功之后再編寫溫度傳感器DS18B20的驅(qū)動(dòng)程序.在這些都完成之后再編寫幾個(gè)功能函數(shù)，最后進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)時(shí)間日期調(diào)整與顯示、溫度顯示等功能.

2.4 按鍵模塊功能設(shè)計(jì)

多功能電子時(shí)鐘系統(tǒng)中，按鍵模塊包含4個(gè)按鍵，分別是“鬧鐘”鍵、“設(shè)置”鍵、“＋”鍵和“-”鍵.按下“設(shè)置”鍵隨著顯示屏上標(biāo)識(shí)位的改變，按動(dòng)“＋”鍵和“-”鍵就可以分別設(shè)置年、月、日、星期、時(shí)、分、秒等.在動(dòng)態(tài)顯示情況下，標(biāo)識(shí)位顯示“0”，若只按下“設(shè)置”鍵，標(biāo)識(shí)位顯示“1～8”，即按1次“設(shè)置”鍵，標(biāo)識(shí)位顯示“1”，按2次“設(shè)置”鍵，標(biāo)識(shí)位顯示“2”，且“1～7”對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒，“8”是確定時(shí)間情況輸入.長按鬧鐘鍵，再按設(shè)置鍵，按動(dòng)“＋”鍵和“-”鍵就可以設(shè)置鬧鐘.鬧鐘設(shè)置時(shí)，標(biāo)識(shí)位會(huì)變?yōu)椤癆～H”等字母，調(diào)節(jié)方式與時(shí)間調(diào)節(jié)一致.在該電路中，鬧鐘鍵接STC89C52的P1.1接口，設(shè)置鍵接P1.2接口，“＋”鍵和“-”鍵分別接AT89C52的P1.3和P1.4接口，按鍵低電平有效，按鍵的消抖則由軟件來實(shí)現(xiàn).按鍵模塊如圖2所示.

圖2 按鍵模塊圖

3 多功能電子時(shí)鐘硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路外觀實(shí)物圖如圖3所示.

圖3 “新時(shí)鐘”硬件電路外觀實(shí)物圖

多功能電子時(shí)鐘硬件電路主要由STC89C52單片機(jī)、時(shí)鐘電路、按鍵模塊、USB傳輸線、溫度傳感器電路組成.設(shè)計(jì)選用DS1302時(shí)鐘芯片.秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，它直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精度，用石英晶體振蕩器加分頻器來實(shí)現(xiàn).譯碼顯示電路將計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)用LCD1602液晶顯示器顯示.

3.1 STC89C52系統(tǒng)模塊外接電路設(shè)計(jì)

在電路中，按鍵模塊與STC89C52的P1.1～P1.4接口和GND相連接；DS18B20溫度傳感器模塊與P0.0接口、GND和VCC相連接；鬧鐘指示燈則與P1.0接口相連接；晶振、復(fù)位電路連接如圖4左上部份所示.多功能電子時(shí)鐘電路原理圖如圖4所示.

圖4 多功能電子時(shí)鐘電路原理圖

3.2 LCD1602液晶顯示模塊外接電路設(shè)計(jì)

由于多功能電子時(shí)鐘界面需要顯示的功能較多，顯示內(nèi)容不僅有數(shù)字，還有字母，所以選用LCD1602顯示模塊.系統(tǒng)采用5×7點(diǎn)陣字符位.模塊采用數(shù)字式接口，能夠方便地與單片機(jī)進(jìn)行通信.LCD1602液晶顯示模塊與STC89C52的P0.5～P0.7，P2.0～P2.7接口相連接，且P0.5～P0.7接口是液晶顯示器的控制接口.具體連接如圖5所示.

圖5 液晶模塊圖

3.3 DS18B20溫度傳感器模塊外接電路設(shè)計(jì)

在多功能電子時(shí)鐘電路中，DS18B20溫度傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境的實(shí)時(shí)溫度變化情況并及時(shí)把信息傳遞給單片機(jī).在本系統(tǒng)中DS18B20溫度傳感器模塊與STC89C52的P0.0接口相連接.具體連接如圖6所示.

圖6 溫度模塊圖

3.4 DS1302時(shí)鐘模塊外接電路設(shè)計(jì)

在多功能電子時(shí)鐘電路中，為了保證時(shí)鐘的精度，選用了DS1302模塊.DS1302與單片機(jī)之間的通信，僅需3根I／O 線：復(fù)位（RST）、I／O 數(shù)據(jù)線、串行時(shí)鐘（SCLK）［4］.串行時(shí)鐘（SCLK）與STC89C52的P1.5接口相連接，I／O數(shù)據(jù)線與STC89C52的P1.6接口相連接，復(fù)位（RST）與STC89C52的P1.7接口相連接，并且需把時(shí)鐘模塊與STC89C52的地和電源相連接.具體連接如圖7所示.

圖7 時(shí)鐘模塊圖

4 多功能電子時(shí)鐘性能調(diào)試

多功能電子時(shí)鐘性能調(diào)試分為電路調(diào)試和軟件調(diào)試.

4.1 電路調(diào)試

電路常見故障主要來源于元器件引腳接錯(cuò)、元器件損壞及其參量誤差、連線接錯(cuò)、電源故障、測試儀器誤差、引入噪聲、干擾［4］等.電路調(diào)試步驟如下：檢查電路、通電觀察、靜態(tài)調(diào)試、動(dòng)態(tài)調(diào)試等［5］.

在完成硬件制作后，把HEX文件燒錄進(jìn)單片機(jī).首先是檢查電路，根據(jù)信號(hào)的流通過程，使用萬用表檢查電路的漏焊、虛焊、錯(cuò)誤焊接等問題.其次是通電觀察，觀察液晶屏上的顯示結(jié)果，如發(fā)現(xiàn)溫度不能動(dòng)態(tài)顯示而其他數(shù)據(jù)都能正常顯示，檢查結(jié)果是把溫度傳感器方向接反了從而導(dǎo)致傳感器被燒毀，換了新的傳感器并正確連接之后，溫度動(dòng)態(tài)顯示就正常了.靜態(tài)調(diào)試，接通電源（使用USB供電），打開液晶顯示開關(guān)，調(diào)節(jié)液晶顯示的清晰度.如發(fā)現(xiàn)液晶顯示不明顯，看不清楚，就新接電位器來調(diào)節(jié)對(duì)比度，達(dá)到正常顯示目的.動(dòng)態(tài)調(diào)試是使用萬用表測試相關(guān)接點(diǎn)的電流情況以及回路、通路的電壓和主要元件的電阻參量等，確定它們是否正常工作并調(diào)到最佳范圍內(nèi).如實(shí)驗(yàn)分析了在較大電流區(qū)間內(nèi)復(fù)合電流對(duì)硅二極管伏安特性的影響［7］.

4.2 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試時(shí)，首先調(diào)試STC89C52模塊的功能，接著調(diào)試LCD1602液晶顯示情況，即通過編寫液晶顯示的驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能，使其能實(shí)時(shí)地顯示單片機(jī)接收到的時(shí)間、溫度等數(shù)據(jù)，并動(dòng)態(tài)顯示在屏幕上.然后調(diào)試DS1302模塊的功能，單片機(jī)通過同步串行通訊與DS1302通訊，每次通訊都必須由單片機(jī)發(fā)起，無論讀還是寫操作，單片機(jī)都必須先向DS1302寫入1個(gè)命令幀.在正常顯時(shí)狀態(tài)下，單片機(jī)讀取DS1302中的程序；在設(shè)置時(shí)間和鬧鐘程序時(shí)，需將內(nèi)容寫入DS1302中.接著調(diào)試DS18B20程序，觀察其能否動(dòng)態(tài)的顯示溫度變化情況.最后，調(diào)試按鍵模塊，即在主函數(shù)中判斷按鍵狀態(tài).主程序流程圖如圖8所示.

圖8 多功能電子時(shí)鐘主程序流程圖

5 多功能電子時(shí)鐘計(jì)時(shí)顯示與功能

首先連接好各模塊，將USB接口與電源相連接，按下LCD1602液晶顯示器的開關(guān)按鍵，LED屏幕被點(diǎn)亮.當(dāng)屏幕點(diǎn)亮后，可在屏幕上看到2排字符，上排左邊顯示時(shí)、分、秒，右邊顯示溫度；下排依次分別顯示年、月、日、星期以及標(biāo)識(shí)位.在按鍵模塊中，按下設(shè)置鍵，標(biāo)識(shí)位發(fā)生變化，然后就可以調(diào)節(jié)時(shí)間、日期、星期等.

長按按鍵模塊上的鬧鐘鍵，同時(shí)按下設(shè)置鍵，就可以設(shè)置鬧鐘，待鬧鐘到達(dá)設(shè)定時(shí)間，多功能電子時(shí)鐘板上的綠色LED燈就會(huì)由原來的1s閃爍1次變?yōu)榭焖匍W爍，按任意鍵可以結(jié)束鬧鐘.多功能電子時(shí)鐘選擇的DS1302時(shí)鐘芯片內(nèi)含有鋰電池，斷電重啟多功能電子時(shí)鐘系統(tǒng)，無需重置時(shí)間.

多功能電子時(shí)鐘計(jì)時(shí)顯示、鬧鐘設(shè)置模式如圖9所示.屏上標(biāo)識(shí)位顯示情況及其功能表如表1所示.

圖9 多功能電子時(shí)鐘計(jì)時(shí)顯示、鬧鐘設(shè)置模塊

表1 標(biāo)識(shí)位顯示情況及其內(nèi)容表

6 多功能電子時(shí)鐘特征與應(yīng)用討論

多功能電子時(shí)鐘主要特征：a.是基于51單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多功能電子時(shí)鐘能夠在LCD1602液晶顯示器上顯示時(shí)間、日期、星期、溫度以及調(diào)試標(biāo)識(shí)位，并可以設(shè)置鬧鐘，具有到時(shí)提醒的功能；b.是采用按鍵來設(shè)置時(shí)間、鬧鐘等，操作簡單、方便，且采用 USB供電；c.是采用DS1302時(shí)鐘芯片提取時(shí)間日期信息，該芯片獨(dú)立于單片機(jī)運(yùn)行，有自己的備份電源系統(tǒng)，第一次設(shè)置之后就可以長期自動(dòng)運(yùn)行，即使系統(tǒng)掉電也不用重新設(shè)置，可以有效的節(jié)約能源.

多功能電子時(shí)鐘解決了傳統(tǒng)機(jī)械時(shí)鐘因使用石英機(jī)芯等驅(qū)動(dòng)帶來的讀時(shí)不準(zhǔn)確，以及因使用機(jī)械傳動(dòng)裝置而造成的使用壽命較短等缺點(diǎn)，也解決了數(shù)碼管顯示功能不足的缺點(diǎn).多功能電子時(shí)鐘的應(yīng)用范圍非常廣，給人們的生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)等帶來方便，且其能耗較小.若能在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，將鬧鐘提醒功能改為報(bào)時(shí)功能，增加濕度顯示功能以及讓本設(shè)計(jì)更加美觀大方、攜帶方便的話，多功能電子時(shí)鐘將更加完美.

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