基于单片机的多功能数字钟系统设计.pdf

电子世界2005年4期29单片机与可编程器件目前市售的电子钟品种较多，一般只能显示时间信息，功能单一。在电子钟基础上有必要开发一种适用于特殊行业如电力部门使用的多功能数字钟。笔者采用几种新型芯片，利用单片机技术，设计了一种具有基本的电子时钟、闹钟功能，并能显示环境温度、电网电压、电网频率及实现过压欠压报警的多功能数字钟。系统充分挖掘了单片机的资源和运算控制能力，具有功能多、显示全、成本低的特点。系统结构多功能数字钟组成框图如图1所示。主要包括时钟模块，键盘显示模块，温度、电压、频率测量模块，电源模块等。单片机分时进行时间、温度、电压、频率等信号的测量和读取。利用汉字液晶显示器显示相关信息，并通过键盘方便地校对时钟、设定闹铃时间和过欠压报警值。利用不同声光信息实现闹铃和报警。硬件电路多功能数字钟系统采用AT89C52作为中央处理芯片，用于数据处理、初值设定、显示控制等。单片机P0口用于时钟芯片时间信息读取；P1口用于液晶显示器显示数据的传送；P2口用作控制信号和握手联络信号，其中P2.3输出闹铃信号，P2.4输出过压欠压报警信号，分别驱动外部声光报警电路；P3口主要是第二功能的应用。因此，单片机系统资源已得到充分利用。系统主电路如图2所示。1键盘显示(1)键盘电路多功能数字钟按键主要有设置、增、减、闹铃开关键，以实现时间调整、设置等功能。为节省口线，采用并行输入、串行输出移位寄存器74LS165扩展接口，一片74LS165最多可实现8个按键输入。键盘数据读入由单片机P3.0、P3.1、P3.2控制，其中P3.2作数据封锁信号，P3.0为数据输入，P3.1为时钟信号。(2)显示电路多功能数字钟需要显示信息较多，如年、月、日、时、分、秒、闹钟设定时间等时间信息以及温度、电源电压、频率等值。为充分明确显示数据，采用OCMJ48中文液晶显示模块，该模块内含GB231216*16点阵国标一级简体汉字和ASC码，可实现文本显示。OCMJ48中文模块不需初始化，设置初始化的工作都在上电时自动完成，实现了“即插即用”。其用户硬件接口采用REQ/BUSY握手协议，简单可靠。BUSY高电平有效，表示OCMJ忙，不能接受命令；BUSY=0时，表示OCMJ空闲。同时REQ=1时通知OCMJ处理当前数据线上的数据。我们选P2口的P2.6和P2.7作为其联络口。基于单片机的多功能数字钟系统设计山东交通学院信息工程系张吉卫王晓红摘要：设计了一款能够显示时间信息、环境温度、电网电压、电网频率的多功能数字钟。并介绍了系统组成以及硬件电路和软件设计。图2图1电子世界2005年4期30单片机与可编程器件2.温度测量电路DS18B20是单总线温度传感器，与单片机通信只要一根I/O线，因而使用方便。本系统中利用P2.3口作为I/O口线直接读取温度值。这种方式比其他温度传感器省却了信号调理、标度转换、A/D转换等前向通道电路，使得电路简化，编程容易；另外它采用低电压供电，测温范围为-55+125，在-10+85范围内误差为0.5，这些特点满足在测量室温方面的要求。3.时钟电路时钟电路选用时钟芯片DS12C887，它将晶体振荡电路、充电电路和可充电锂电池等一起封装在芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块。电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电，充足一次电可供芯片运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据10年内不会丢失。使用此芯片首先要对其进行初始化，为芯片内部寄存器设立标志位并赋初值，同时加载时钟计数初值。初始化完成后，即可以从该芯片中读取时间。该芯片的口地址为0FF00H0FF09H，分别是DS12C887的年、月、日、星期以及时间等的时标寄存器。通过相应口地址将实时时间值读出后，存入相应显示缓冲单元，供显示子程序调用，即实现了时钟显示功能。利用键盘输入闹铃时间并写入闹钟寄存器，定时时间到时产生中断信号，引起单片机中断，输出闹铃信号。由于本芯片有掉电保护功能，停电时，仍能正常走时。来电后，正常显示，不需重新设定初值，使用方便。4.电源电压、频率测量电路电压、频率信号测量电路如图3。利用电压互感器得到的交流信号，经过半波整流、电容滤波得到直流信号。为实现模拟电压信号转换为数字信号，采用V/F转换器，将电压信号转换为频率可变的脉冲信号。脉冲信号的频率与交流电压有效值和直流电压值呈线性正比关系。交流电压越高，V/F转换器的频率值越高。这种A/D变换方法，接口简单，占用单片机硬件资源少；有良好的精度、线性以及抗干扰性能。适当选择电压互感器变比、滤波电容值，使交流电源电压为220V时，V/F变换器输入电压Vin等于10V。根据V/F变换器输出信号频率计算公式：此时输出脉冲信号频率约为20kHz。另外，电压互感器接一电阻与电容串联电路，在电容两端取得正弦交流信号，经过由LM311组成的过零电压比较器得到频率为50Hz的方波信号，经过电阻、稳压二极管限幅整形后，送入后级电路。我们采用模拟开关CD4051进行两路数字输入信号通道的转换，利用单片机送出不同的地址信号给A、B、C选择不同通道，将脉冲信号和方波信号送到AT89C52的T1定时器计数，从而实现了模数转换、信号采样。软件设计多功能数字钟主程序流程图见图4。有关DS12C887时间信息的读取，闹铃时间的设定，DS18B20温度数据的读取相关程序在单片机丛书中多可看到。而利用T1定时计数器对脉冲信号计数C语言程序见本刊网站（）。由程序可知，测量过程是在定时器T0定时时间内，利用计数器T1记录脉冲个数。计数器的计数值和频率之间的关系是：，其中D是计数值，DS是定时计数器计数初值，fS是基准频率。可见只要知道了D值就可以通过计算求出V/F转换器的输出频率，进一步通过插值计算的方法可得到电源电压值，实现了A/D转换。而另一路方波信号因为频率只有50Hz左右，不能采用脉冲计数方式测量，可采用测周期方式，然后计算频率。多功能数字钟制作完成后，经过试验测试以及实际应用证明：时间信息显示全并且具有掉电功能；温度、电源电压、电源频率值测量准