基于单片机的多功能数字钟系统设计分析

引言

随着科技的发展，电子技术也在不断地向前飞速发展。本设计是制作一款多功能数字钟，其具有显示年、月、日，时、分、秒、星期及闹钟功能，而且秒、分、时、日、月、年可自动关联进位。秒具备清零功能，分、时、日、月、年可自动修改、手动设置等功能。它是以一块AT89S52芯片作为主控模块，采用DS1302作为定时来源的多功能数字钟。多功能数字钟结构较简单，因此便于操作使用。它具有高度的智能化和集成化，是现代人办公、生活、学习的好帮手，具有广阔的市场前景。同时，它具有闹铃和播放音乐等功能，由于这些完善的功能，它必将越来越受到社会各界人士的欢迎。

1 系统方案的论证与选择

1．1 各模块方案的论证与选择

1．1．1 主控模块的论证与选择

方案一：采用8031芯片。8031芯片内部无ROM，需要外扩程序存储器，由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，从而造成成本较高，性价比低。

方案二：采用89C51芯片。80C51芯片内部有ROM，且片内ROM全部采用FLASH ROM，它能在3V的超低压工作，与MCS-51系列单片机完全兼容，但是其不具备ISP在线编程技术，需把程序编写好以后再放到编程器中烧写，才可以进行硬件电路的调试，倘若程序编写出现问题，调试电路就较麻烦，而且其芯片内存也只有4kB。

方案三：采用AT89S52芯片。该芯片内部既有Flash ROM，又与MCS-51兼容，而且ISP在线编程技术适用于AT89S52芯片，这样既降低了成本也无需反复插拔芯片，可避免损坏芯片；而且它的性能稳定，且内存达8kB。

经过三种方案的比较，方案三主要容量较大，具有成本低的优点。因此主模块采用AT89S52。

1．1．2 显示模块的论证与选择

方案一：点阵显示。是由八行八列的LED管集成在一块电路上组成，主要用来显示汉字，同时也能显示数字和少量图象，但它的焊接较麻烦，价格高，鉴于所设计的内容要求用它不切实际，所以排除此方案。

方案二：LED数码管静态显示。此方案电路容易理解且驱动的程序简单，但需多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还占用单片机多个I／O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用此方案。

方案三：采用LED数码管动态扫描显示。此方案价格低廉，不仅减少了对I／O口的浪费，而且能够同时驱动多个数码管。但其驱动程序不容易编写和理解。

方案四：采用LCD液晶显示。由ks0108驱动，能显示大量数据、文字、图形，显示的位数多，字体清晰多样、美观，而且外部接线较简单。

经过四种方案的比较，本设计主要显示字体较多，因此，最后选择了方案四。

1．1．3 控制按键的论证与选择

方案一：选取阵列式按键，减少了I／O口的使用，且扫描M×N个按键只需占用M+N个I／O口即可实现，但给编程带来了一定的困难，虽然节省了很多的口线，降低了成本，但在此设计中所用的按键要尽量少，因此排除此方案。

方案二：独立式按键，每个按键实现一个功能，易于控制且编写程序简单，容易理解，虽然会占用一定的单片机I／O口资源，但是题目中要求使用的按键要尽量少。

通过以上两种方案比较，采用方案二。

1．2 系统各模块的最终方案

经过以上对本系统各模块的方案进行论证与实际应用相比较，本设计电路最终选用AT89C52作为主控系统来控制时钟的准时运转，采用独立试按键控制本设计系统将要实现的全部功能，选用LCD动态扫描来显示时间。本设计选择最优的方案，并设计出如图1所示的系统框图。

如图1所示，系统的整个控制流程是：由单片机AT89C52的内部程序定时控制LCD使之显示出本文所要实现的效果，当计时到整点时单片机发出一条命令去控制喇叭进行整点报时，若出现特殊状况，比如突然断电则单片机将会停止工作，从而会造成时间的不准确，所以加一组键盘便于随时修正时间使时间能够准时计时。此外，为了使所设计的数字钟秒表更为准确，本系统电路又添加了时钟芯片DS1302，此芯片计时精度非常高，一个星期误差只有3s。添加了此芯片使本系统更具实用性。

2 系统的硬件设计与实现

本设计的多功能时钟主要由四个模块组成，其核心元件是一块单片机AT89C52，并采用了误差小的时钟芯片DS1302作时钟定时，它一星期的误差只有为3s。

系统主要通过单片机AT89C52对各个模块进行实时控制，其中P3．1＼P3．1＼P3．2用来接独矩阵式按键，此模块用于控制电路以便于实现预期要实现的各个功能：P1和P2口用来接LCD进行动态显示，利用AT89C52单片机直接控制LCD来实现对LCD的动态扫描显示，其中驱动LCD用芯片KS0108；P2．0＼P2．1＼P2．2还接了时钟芯片DS1302的第5、7、6脚作定时用；本系统还有一部分是闹铃，闹铃用普通蜂鸣器即可，外加三极管电阻对其声音进行放大。

2．1 主控制模块电路的设计

主控模块电路的电路如图2所示。

如图2所示，本次设计的多功能数字钟采用一块AT89C52作为主控模块，还用到了转换芯片DS1302，主要是对实现定时电路进行信号交换。在单片机工作之前，我们必须给它一个电源(5V)和连接一些需要连接的地方。比如第18、19引脚之间要给它接上一个12MHz的晶振和两个33pF的电容。第31引脚要接上电源，第9引脚要接上复位电路。第20引脚要接地，第40引脚要接上电源。DS1302芯片主要用于电路的转换。单片机剩下的P0口、P3口、和P2口分别用于其他功能。同时要指出的是在使用P0口时要给它接上上拉电阻，这样单片机的驱动能力就会大大增强。P3口是复用功能，可以用做数据的传输和地址线。特别要强调的是这里只能用高8位做数据线。P2口内部已经具备了上拉电阻，因此不用再加上拉电阻了。这些都是上电之前要做好的一些前提条件，如果忽视了哪一点，都可能使单片机不能正常工作，或者说容易烧坏单片机。

2．2 LCD显示模块电路的设计

显示电路图如图3所示。从图3中可以观察到，单片机P1口连接LCD的D0-D7， LCD的第1、2脚分别接电源和地，然后由单片机AT89C52载入程序用以控制LCD，由此来显示相应的文字。

为了线路的简便，本显示模块只用到一块LCD(128×64)的液晶显示器。另外，为了使程序更简单，还使用了一块液晶的控制器芯片KS0108来驱动LCD，这样当编写程序时就省去了编写LCD的驱动程序，大大减少了设计的时间段，这样既省时间又不会使电路变复杂。

2．3 闹铃与按键模块电路的设计

闹铃电路如图4所示。本电路比较简单，只用普通的蜂鸣器接至AT89C52由它进行控制，从图4可以看出单片机P3．0口接喇叭的正极，为了使蜂鸣器的声音大些，P3．0口信号输出端接上一个电阻和一个三极管用于放大声音信号，蜂鸣器的负极直接接地，按键模块用到了三个按钮和三个电阻。单片机的P3．1＼P3．2＼P3．3与三个按钮相连。按钮的另一端接喇叭的 负极。其中按钮的功能是随时调整时间以及调

整闹钟。

2．4 DS1302时钟模块的设计

2．4．1 引脚功能及结构

图5所示为DS1302的引脚图。其中VCC1为后备电源，Vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1正0．2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32．768kHz晶振。RST是复位／片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址／命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I／O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc大于或等于2．5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I／O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。

2．4．2 DS1302与CPU的连接
DS1302与CPU的连接电路如图6所示。DS1302与CPU的连接需要三条线，即SCLK(7)、I／O(6)、RST(5)。时钟的显示用LCD。实际上，在调试程序时可以不加电容器，只加一个32．768kHz的晶振即可。只是选择晶振时，不同的晶振，误差也较大(还可以在上面的电路中加入DS18 B20，同时显示实时温度)。只要占用CPU一个口线即可。LCD还可以换成LED，因为LED无法显示较复杂的字符而本设计有用到字符显示，因此系统选用LCD，其特点是可显示任意字段笔划(比如星期)而且显示清晰。

为了初始化任何数据的传输，引脚信号应由低变高，并且应将具有地址和控制信息的8位数据(控制字节)装入芯片的移位寄存器内，数据的读写可以用单字节或多字节的突发模式方式进行。所有的数据应在时钟的下降沿变化，而在时钟的上升沿，芯片或与之相连的设备进行输入。

3 系统的软件设计
3．1 系统软件概述
3．1．1 DS1302的命令字节
命令字节的格式如图7所示，每次数据的传输都是由命令字节开始的，这里的最高有效位必须是1。D6是RAM(为1)或时钟／日历(为0)的标识位。D1～D5定义片内寄存器的地址。最低有效位(D0)定义了写操作(为0时)或读操作(为1时)。命令字节的传输始终从最低有效位开始。