智能数字时钟的设计方案研究

摘要：近年来，随着电子产品的发展，人们对数字时钟的要求越来越高，本文针对人们的这一需求，设计了一种有单片机控制的智能化数字时钟，功能强大，界面友好，更好的满足了人们对它的智能化要求。0 引言 现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。在这快速发展的年代，时间对人们来说是越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦遇到重要的事情而忘记了时间，这将会带来很大的损失。因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人。数字化的钟表给人们带来了极大的方便。 近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等。单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘可以进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。1 系统方案的确定 单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备微机CPU的数值计算功能外，还具有灵活强大的控制功能，以便实时检测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。在本次设计中采用单片机技术来实现数字钟的功能。方案的设计可以从以下几个方面来确定。微处理器的选择，AT89S51、52是2003年ATMEL推出的新型品种，除了完全兼容8051外，还多了ISP编程和看门狗功能。但是AT89S52的存储器容量比AT89S51的大。在本次设计中采用AT89S52单片机；显示电路的设计，随着科技的发展，液晶显示的使用越来越方便，已被普遍的使用。由于液晶显示与驱动都集成在一个芯片上，因此使用起来很方便。在这里采用液晶显示；校时和定时电路的设计；实时控制电路是时钟电路的一个重要组成部分，采用的是一个时钟芯片，单片机从中读取数据送到显示器上显示，从而实现数字钟的功能；还有一些其他控制电路如复位电路、时钟电路等。通过这些控制电路的连接构成了完整的电路，系统的方框图如图1所示。2 硬件电路的设计 硬件电路是一个系统的重要部分，在本次设计中主要是以AT89S52为核心控制器，外加一些控制电路来实现数字钟的基本功能。下面分别介绍各个控制电路的功能及其工作原理。2.1 AT89S52的介绍 单片机是微机的一个分支，在原理和结构上，单片机与微型机之间不但没有根本性的差别，而且微型机的许多技术与特点都被单片机继承下来了。 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。它具有串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.2 时钟电路的设计 AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟源驱动器件，XTAL2可以不接，而从XTAL1接入，由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。反相放大器的输入端为XTALl，输出端为XTAL2，两端连接石英晶体及两个电容形成稳定的自激振荡器。电容通常取30PF左右。振荡频率范围是1.2～12MHz。如图2-2（a）所示。 晶体振荡器的振荡信号从XTAL2端输出到片内的时钟发生器上。时钟发生器为二分频器。向CPU提供两相时钟信号P1和P2。每个时钟周期有两个节拍（相）P1和P2，CPU就以两相时钟P1和P2为基本节拍指挥AT89S52单片机各部件协调工作。图2-2（b）给出片内时钟发生器原理。在本次设计中取石英晶体的振荡频率为12MHz。2.3 复位电路的设计 单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚接通电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以我们必须弄清楚MGS-51型单片机复位的条件、复体电路和复位后状态。该电路除具有上电复位功能外,对系统的可控性是很有帮助的。2.4 实时控制电路的设计 在本次设计中采用DS1302为实时控制芯片，并接备用电源以使在外接电源断电时其控制电路仍在计时。2.5 LCD显示模块 在实际应用中，用户很少直接设计LCD显示器驱动接口，一般是直接使用专用的LCD显示驱动器和LCD显示模块。其中，LCD显示模块LCM（Liquid Crystal Display Module）是把LCD显示器、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构成一个整体，作为一个独立的部件使用，具有功能较强、易于控制、接口简单等优点，在单片机系统中应用较多。其内部结构如图2-8所示。LCD显示模块只留一个接口与外部通信。显示模块通过这个接口接收显示命令和数据，并按指令和数据的要求进行显示。外部电路通过这个接口读出显示模块的工作状态和显示数据。LCD显示模块一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以进行显示。LCD显示模块按功能显示可分为：LCD段式显示模块、LCD字符型显示模块、LCD图形显示块三类。 液晶显示器因其功耗低、重量轻而成为便携式应用中的主流显示技术。这里所用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等。液晶显示有点振式和字符式两种，在这里采用字符式液晶显示器1602来实现显示电路的功能。 由于1602液晶显示器是本身带有驱动模块的液晶屏，它只有并口线和一些控制线，与单片机的连接有两种不同的方法，直接访问方式和间接访问方式。直接访问方式就是微处理器把液晶显示模块当作存储器或I/O设备直接挂在总线上，模块8位数据总线与微处理器的数据总线相连，用读操作 或写操作 信号与地址信号共同产生控制信号。2.6 校时、定时电路的设计 校时、定时电路主要靠键盘来控制。键盘是一组按键的集合。它是嵌入式计算机系统中不可缺少的外围电路。是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机输入程序、置数、逻辑操作以及写入程序和程序检测等。2.7 报时器的设计 报时是数字钟的一个重要功能，报时器可用蜂鸣器和扬声器来实现，为了使其报时效果更好这里采用扬声器播放音乐来实现其报时功能。要使扬声器能在整点报时必须要有音频放大器来驱动扬声器才能工作。在这里采用LM386音频放大器。2.8 电源的设计 稳压电源是单片机系统的重要组成部分，它不仅为系统提供多路电压源，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。一个稳压电源输出电压和最大输出电流决定于所选三端稳压器。在本次设计中采用+5V电压所以选用H7805稳压器。 系统的硬件电路如图23 系统软件设计 单片机的程序设计有其自身的特点。在单片机系统中，硬件与软件紧密结合，由于硬件电路的设计不具有通用性，所以必须根据具体的硬件电路来设计对应的软件，硬件设计的优劣直接影响到软件设计的难易，软件设计的优劣又直接影响到硬件的发挥。在很多时候，软件可以替代硬件的功能，当然，需要付出额外占用CPU时间的代价。 软件程序的设计是根据硬件电路图的连接和各个元器件的功能进行设计。在编写软件时，可以按各个程序的功能将软件细分为各个功能模块，再通过主程序的调用来实现整个软件系统。而一般编写的程序都是根据事前所用的流程图来编写的，而且，流程图中也包含了对设计所得结果的要求，因此，流程图的设计直接影响到源程序的设计。其源程序见附录D。 主程序是软件设计的总体框架，因此主程序流程图的设计决定了程序编写的好坏，主程序的功能主要是读DS1302的时间将时间数据送到液晶显示，并与闹钟的设定时间比较，再判断是否有按键按下，从而进行校时、定时功能。其流程图如图3所示。4 结论与展望 本次设计采用单片机作为核心控制器，实现具有定时、校时功能的数字钟。随着人们生活水平的提高，人们对数字钟的要求越来越高，有单一的计时功能到发展到现在有温度检测、湿度检测等多功能数字钟。这些多功能数字钟多用在工业里作为检测元件，因此需要能够在恶劣的环境下工作。利用单片机作为数字钟的控制核心可以做到硬件电路简单稳定，减小电磁干扰和其他环境干扰，充分发挥软件编程的优点，减少因元器件精度不够引起的误差。设计中了解到数字钟的迅猛发展，它已经普遍应用到人们日常生产和生活之中了。数字钟有很强的发展空间，因此我们有理由相信将来数字钟会与我们的生产和生活更加紧密相连。参考文献 [1] 付家才．单片机控制工程实践技术. 北京：化学工业出版社,2004 [2] 孙育才，王荣兴，孙化芳.新型AT89S52系列单片机及其应用. 北京：清华大学出版社，2005. [3] 朱定华.单片机原理及接口技术实验.北京：北方交通大学出版社，2002. [4] 张鑫，华臻，陈书谦.单片机原理及应用.北京：电子工业出版社，2005. [5] 何立民.MCS—51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999. [6] 李维諟，郭强.液晶显示应用技术.北京：电子工业出版社.2005. [7] 陈小忠，黄宁，赵小侠编著.单片机接口技术实用子程序.北京：人民邮政出版社，2005 [8] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993 [9] 胡学海.单片机原理及应用系统设计[M].北京：北京电子工业出版社，2005. [10] 林凌,李刚,丁茹,李小霞.新型单片机接口器件与技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005. [11] 胡汉才. 单片机原理及其接口技术（第2版）[M]. 北京：清华大学出版社，2003. [12] 蒋延彪.单片机原理及应用（MCS-51）.重庆：重庆大学出版社，2003. [13] 韩志军.单片机应用系统设计：入门向导与设计实例[M].北京：机械工业出版