摘要：近年來，隨著電子產品的發(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。新產品、新技術層出不窮，電子技術的發(fā)展更是日新月異。可以毫不夸張的說，電子技術的應用無處不在，電子技術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部結構以及工作原理。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行計時實現(xiàn)計時功能，將其時間數(shù)據(jù)經單片機輸出，利用顯示器顯示出來。通過鍵盤可以進行定時、校時功能。輸出設備顯示器可以用液晶顯示技術和數(shù)碼管顯示技術。
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。在本次設計中采用單片機技術來實現(xiàn)數(shù)字鐘的功能。方案的設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。在本次設計中采用AT89S52單片機；顯示電路的設計，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位電路、時鐘電路等。通過這些控制電路的連接構成了完整的電路，系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。
2硬件電路的設計
硬件電路是一個系統(tǒng)的重要部分，在本次設計中主要是以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。
2.1AT89S52的介紹
單片機是微機的一個分支，在原理和結構上，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與特點都被單片機繼承下來了。
AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產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?？臻e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。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。
2.2時鐘電路的設計
AT89S52單片機有一個用于構成內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成自激振蕩器。從外部時鐘源驅動器件，XTAL2可以不接，而從XTAL1接入，由于外部時鐘信號經過二分頻觸發(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)調工作。圖2-2（b）給出片內時鐘發(fā)生器原理。在本次設計中取石英晶體的振蕩頻率為12MHz。
2.3復位電路的設計
單片機復位是使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)生故障后都要復位，所以我們必須弄清楚MGS-51型單片機復位的條件、復體電路和復位后狀態(tài)。該電路除具有上電復位功能外,對系統(tǒng)的可控性是很有幫助的。
2.4實時控制電路的設計
在本次設計中采用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。
2.5LCD顯示模塊
在實際應用中，用戶很少直接設計LCD顯示器驅動接口，一般是直接使用專用的LCD顯示驅動器和LCD顯示模塊。其中，LCD顯示模塊LCM（LiquidCrystalDisplayModule）是把LCD顯示器、背景光源、線路板和驅動集成電路等部件構成一個整體，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)中應用較多。其內部結構如圖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部顯示RAM和字符發(fā)生器，只要輸入ASCII碼就可以進行顯示。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用中的主流顯示技術。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作存儲器或I/O設備直接掛在總線上，模塊8位數(shù)據(jù)總線與微處理器的數(shù)據(jù)總線相連，用讀操作或寫操作信號與地址信號共同產生控制信號。
2.6校時、定時電路的設計
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)的技術指標和抗干擾性能。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)軟件設計
單片機的程序設計有其自身的特點。在單片機系統(tǒng)中，硬件與軟件緊密結合，由于硬件電路的設計不具有通用性，所以必須根據(jù)具體的硬件電路來設計對應的軟件，硬件設計的優(yōu)劣直接影響到軟件設計的難易，軟件設計的優(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，當然，需要付出額外占用CPU時間的代價。
軟件程序的設計是根據(jù)硬件電路圖的連接和各個元器件的功能進行設計。在編寫軟件時，可以按各個程序的功能將軟件細分為各個功能模塊，再通過主程序的調用來實現(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計所得結果的要求，因此，流程圖的設計直接影響到源程序的設計。其源程序見附錄D。
主程序是軟件設計的總體框架，因此主程序流程圖的設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，并與鬧鐘的設定時間比較，再判斷是否有按鍵按下，從而進行校時、定時功能。其流程圖如圖3所示。
4結論與展望
本次設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。設計中了解到數(shù)字鐘的迅猛發(fā)展，它已經普遍應用到人們日常生產和生活之中了。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和生活更加緊密相連。
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