论简易数字时钟设计

韩刘宇

（天津工业大学 电子与信息工程学院通信工程专业 300384）

1 设计要求

基本设计要求

（1）单片机控制日历时钟芯片实现年份、月份、日期、星期、时间信息的获取。

（2）在LCD上对年份、月份、日期、星期、时间信息进行显示。

（3）可以对年份、月份、日期、星期、时间进行修改。

（4）具有掉电后时间信息不丢失的功能。

发挥部分

（1）具有闹钟功能。可设置闹铃时间，当闹铃时间到时，进行闹铃。通过按键可解除闹铃。

（2）具有整点报时功能。

（3）程序固化到单片机中，并且可直接进行程序下载和更新。

2 总体设计

2.1 系统组成及工作原理

本电子钟由单片机、定时、显示、按键、定时提醒、ISP在线编程6部分组成。产品以AT89S52单片机、DS12C887时钟芯片为核心，显示部分采用LCD1602，使用4个按键和1蜂鸣器，加上ISP在线编程模块。DS12C887时钟芯片产生时钟信号和存放闹铃数据，其精度和可靠性高，在单片机掉电状态下能正确走时、保存闹铃数据长达10年，故能实现停电重起后定时设计不变的关键设计指标。AT89S52单片机实时获取DS12C887的时间和闹铃数据，驱动LCD和蜂鸣器。显示部分的LCD有高亮度，低成本等诸多优点。蜂鸣器作闹铃提示切合实际、直观。按键方面采用软件消抖，减少硬件电路的同时增加了可靠性。本产品完全达到设计要求，辅助的ISP在线编程让产品具有强大的扩展功能，使其不仅仅是一个电子钟，更是一个单片机试验平台。

2.2 DS12C887时钟芯片原理

DS12C887时钟芯片能够产生世纪、年、月、日、时、分、秒等信息，同时 DS12C887时钟芯片中自带有锂电池，外部掉电时，通过锂电池的作用其内部时间信息还能够保持相当长的时间；时间记录分为十二小时制和二十四小时制两种方式。在十二小时制模式中，AM和PM用来分别表示上午和下午；时间的表示方法也有两种，利用二进制数表示或利用BCD码表示；DS12C887时钟芯片带有 128字节的 RAM，其中有113字节通用 RAM用来给用户使用，11字节的RAM是用来存储时间信息的，4字节 RAM是用来存储 DS12C887的控制信息的，被我们称之为控制寄存器。

3 硬件设计

3.1 硬件组成

3.2 单片机核心模块

3.2.1 主要特性

单片机AT89S52是ATMEL公司生产的低电压、高性能COMS 8位单片机，它有128Byte RAM、8KByte可编程FLASH ROM，指令系统与MCS-51系列兼容。采用KEILC51编译软件，PROTUES仿真平台，能方便实现程序的仿真。ISP在线编程，能方便的更新程序。可对选用的单片机特点进行描述，可画出单片机最小系统并描述电路连接。

3.2.2 单片机引脚说明

AT89S52是采用40个引脚封装的双列直接 DIP结构，40个引脚中，外置石英振荡器的时钟线有两根，正电源和地线有两根，还有32个 I/O口，中断口线与P3口线是复用的。我们对引脚的功能加以说明：

·Pin20：是接地脚。

·Pin40：是正电源脚，接+5V电源，用来正常工作或对片内EPROM烧写程序时。

·Pin19：是时钟XTAL1脚，为片内振荡电路输入端。

·Pin18：是时钟XTAL2脚，为片内振荡电路输出端。时钟有两种方式，方式一为片内时钟振荡方式，但需在18和19两个引脚外接石英晶体和振荡电容。方式二为外部时钟方式，即将XTAL1接地，将外部时钟的信号从XTAL2脚输入。

·输入输出 (I/O)Pin32-Pin39引脚是 P0.0-P0.7的输入输出脚，Pin1-Pin8引脚是 P1.0-P1.7的输入输出脚，Pin21-Pin28引脚为 P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17引脚为P3.0-P3.7输入输出脚，上述的输入输出脚的功能是：

P3口（10脚～17脚）：为8位准双向 I/O口，由于高阻状态不能在这种接口输出中产生，输入也不能锁存，故不是真正的双向 I/O口。 P3口能驱动 （吸收或输出电流）4个TTL负载。P除了作为一般的准双向通用I/O口使用外，p3口每个引脚还有第二功能。P3口的八条线都被我们定义有第二功能[6]，如表4.1所列。

P2口（21脚～28脚）：为8位准双向 I/O口。当我们访问外部存储器时，它可以被我们作为高8位地址总线 送出高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个TTL的负载。

P1口（1脚～8脚）：为 8位准双向 I/O口。P1口能驱动4个TTL负载。

P0口（32脚～39脚）：不同于其他的三个端口，它为双向8位三态I/O口，外接存储器与地址总线的低八位及数据的总线进行复用，8个TTL负载能以吸收电流的方式被驱动。

P3引脚第二功能：3.0 RXD（串行口的输入端）

3.1 TXD（串行口的输出端）

3.2 INT0（外部中断0请求输入端，低电平的时候有效）

3.3 INT1（外部中断0请求输入端，低电平的时候有效）

3.4 T0（定时器/计数器0的技数脉冲输入端）

3.5 T1（定时器/计数器0的技数脉冲输入端）

3.6 WR（片外数据存储器写选通信号输出端，低电平的时候有效）

3.7 RD（片外数据存储器写选通信号输出端，低电平的时候有效）

·Pin9：RESET/Vpd为复位信号复用脚，单片机通电时，时钟电路就开始工作，在RESET引脚上产生24个时钟周期以上的高电平，则系统即会初始复位。初始化后，程序计数器 PC会指向 0000H，P0-P3输出口都为高电平时，则堆栈指钟就会写入 07H，而其它专用的寄存器被清“0”。当RESET从高电平下降为低电平后，系统就会从 0000H开始执行程序。然而，初始复位并不使RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态发生变化，当单片机复位后它的状态为：

·P0～P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入；

·SP=07H，第一个入栈内容将写入08H单元；

·IP、IE和 PCON的有效位为 0，各中断源处于低优先级且均被关断，串行通讯的波特率不加倍；

·PSW=00H，当前工作寄存器为0组。

·Pin30：ALE/PROG是访问外部程序器时，ALE输出的用来锁存地址的低位字节。当访问内部程序存储器的时候，ALE端将会有个 以1/6时钟频率为周期的正脉冲信号，此信号是用于识别单片机工作与否的，我们也可以把它当作一个时钟向外输出。还有一个特点就是，当我们访问外部程序存储器，ALE会自动跳过一 个脉冲。而如果单片机是EPROM的话 ，在其编程的时候，PROG会用于输入编程的脉冲。

·Pin29：PESN是访问外部程序存储器时，输出负脉冲选通信号的引脚，PC其16位的地址数据会出现在P0和P2中，外部程序存储器会把其指令数据放到P0口的上面，而CPU负责读入执行。

·Pin31：EA/Vpp是程序存储器内外部选通线，8051和8751单片机中，其内部有 4kB的程序存储器，当EA是高电平而且程序地址不大于4kB时，读取的就是内部程序存储器的指令数据，而超过4kB地址则读取的就是外部指令的数据。但是如果EA是低电平，不管地址的大小，都是读取外部程序存储器的指令。显而易见，对于内部没有程序存储器 8031,EA端就必须要接地。

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3.3 晶振电路

振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。

3.4 显示电路

本电路采用1602LCD，由于数码管只能显示数字数码管显示内容单一，液晶则比较丰富，而这个实验中，要求功能较多，为了使电路显示的更清晰明了，本实验最终决定采用1602LCD 显示。且液晶显示已占居社会主流，优势明显。

模块引脚功能表：

3.5 时钟电路

3.6 独立按键电路

鉴于使用中断电路会增加硬件电路的复杂度，本电路采用独立按键的方法，只需在程序中加入扫描程序即可。其中P1.4接按键1，P1.5接按键2，P1.6接按键3，P1.7接按键4。其中按键1为选择键，通过按键1可以将光标移动到要调节的选项；按键2为加键，通过按键2可以调整时间和闹钟的各项数值加一；按键3为减键，通过按键3可以调整时间和闹钟的各项数值减一；按键4为闹钟，通过按键4可以调节闹钟。

3.7 蜂鸣器电路

3.8 ISP下载口电路

4程序设计

4.1 主程序设计

void main()//主函数

{

init();//调用初始化函数

while(1)

{

keyscan();//按键扫描

if(flag_ri==1)//当闹钟中断时进入这里

{

di();

delay(100);

di();

delay(500);

}

if(flag==0&&flag1==0)//正常工作时进入这里

{

keyscan();//按键扫描

year=read_ds(9);//读取12C887数据

month=read_ds(8);

day=read_ds(7);

//week=read_ds(6);

shi=read_ds(4);

fen=read_ds(2);

miao=read_ds(0);

if(fen/10==0&&fen%10==0&&miao/10==0&&miao%10==0)di();

week=GetWeekFromDay(year,month,day);

write_sfm(10,miao);//送液晶显示

write_sfm(7,fen);

write_sfm(4,shi);

write_week(week);

write_nyr(3,year);

write_nyr(6,month);

write_nyr(9,day);

}

}

}

4.2 程序流程图

5 调试及结果

本数字时钟采用ISP下载线进行下载和供电。首先将程序下载到AT89S52芯片中。打开开关将看到开机初始画面，左侧四个按键依次设为 K1、K2、K3、K4，按K1键，将会看到光标依次挪动到秒、分、时、日、月、年，当光标移动到某个选项，例如“分”选项：按下K2，该项数值则加一，按下K3，该项数值则减一；若调节年月日选项时，调节完毕后会自动计算出该日为星期几，并且显示在LCD屏幕上。当时钟处于正常运行状态时，按下K4键，界面将转到闹铃调节界面，此时按照时钟的调节方法，设定闹铃。每当有按键按下时，蜂鸣器将会伴随响声，当时中达到整点时，蜂鸣器也将会有提示音(整点报时功能)，当时钟的时间到达设定的闹铃时间，蜂鸣器将会发出连续的鸣叫声，直至按下任意键来解除此闹铃。实物效果图：

整体电路图：

[1] 倪云峰.单片机原理与应用【M】.西安：西安电子科技大学出版社,2009.

[2] 梁洁婷.单片机原理与应用【M】.北京：高等教育出版社,2002.

[3] 林国清,李见为,王崇文.一种新型日历时钟芯片[J].国外电子元器件,2002(3)：61-62.