单机片电子时钟的设计方案

1 单机片电子时钟的设计方案 题研究的背景及意义 时间的宝贵是个亘古不变的真理，然而 工作的忙碌性和繁杂 性很 容易 让 人忘记当前的时间 或是工作中不能及时方便地知晓时间 。 交通上，火车汽车要准时到达，航班要准时起飞；在日常生活中，学校要求上学准时，公司召开的会议要求参加准时，重要约会要求到达准时；在工业生产中，许多工作环节都规定了精准的时间、间隔以及次序。所以说，随时准确地知道时间并且利用时间是学习、工作、生活的必要要求。 单片机是一种集成电路芯片， 它将各种功能 集成到一块硅片上 并且内含 完善的微型计算机系统。 单片机 自推出到现在已经发展了二十多年，应用领域有工业生产、通讯以及交通设备，还有办公自动化、 围器件、汽车电子器件以及网络通讯等。单片机的优点有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等，所以本设计讨论的电子时钟系统就是利用单片机制成。 电子时钟与机械时钟相比具有很多优越性，首先，其主要特点是直观性，电子时钟可以通过数字显示反映出当前的时间。其次在使用寿命方面，因为电子钟不是机械驱动，所以使用寿命更长。然后在准确度方面，由于应用了电子集成电路和石英晶体振荡器，数字时钟的精准度远远超过了 老式石英钟的石英机芯驱动。最后，电子时钟还能大大扩展老式钟表的功能，在准确显示时间得基础上，还可借助单片机实现诸如闹铃、定时、自动报警等功能。电子时钟的意义不仅仅在于反应时间本身，这个时间系统还可以当做一个单位模块应用于其他设备中，比如定时广播、定时开关烤箱、定时关闭路灯，以及其他各种定时电气的自动启用等设备，都是内嵌了电子时钟而实现其时间功能的。因此，研究电字时钟及其拓展电路的应用，将会对以后研究其他自动化设备产生积极意义。 内外研究 时间计时的历史要从 公元 1300 年前 开始追溯 ， 那时 人 们 主要是利 用天文现象 或 流动物质的连续 性 运动来计时。 我国 天文学 家张衡制造 的 漏水转浑天仪是最早出现的机械钟。 公元 1350年，意大利的丹蒂制造出第一台机械打点塔钟， 这是最简单的钟表。公元 1582 年 左右 ，意大利物理学家伽利略发明了重力摆。 18 世纪到 19 世纪，钟表制造 行 业已逐步实现工业化 大规模 生产， 并且已经 达到 了 相当高的水平。 20世纪， 随着资本主义工业化国家的高速发展，电 2 子行业逐渐展露锋芒 ， 尤其在 20世纪末，电子技术飞速发展，使全球进入一个信息化新时代 ，在这个趋势下，新兴的 电子产品几乎渗透 到我们生产生活的各个部分。与此 同时 ， 现 代电子产品 的 性能 一步步提升 ， 电子 产品更新换代的 速度 也越来越快。 我 国 钟表行业的发展则经历了 古代、近代、现 当 代。 1949年以前，我国 还 没有手表制造业 ， 1949年以后开始了我国钟表行业的发展 ； 六十年代时，我国还是 计划经济模式， 全国化大生产，由 国家投资 ， 生产 的全都是 机械表； 到了七十年代到八十年代，随着国际电子技术的发展，我国电子表也跟上步伐，猛烈冲击了传统的机械钟表所占的全国垄断的形势； 九十年代 ， 石英钟表 发展已基本完善，基本统一了我国的 钟表市场。 时至今日，石英技术在计时领域大放异彩，各种 计时工具大多 采用了 石英晶体 振荡器 。而单片机的概念提出后，电子行业高速发展，各种芯片的研发层出不穷， 这种实时时钟芯片与单片机技术结合就可以很容易就实现走时间的功能，时间可以方便地显示在 子时钟概述 如今，电子时钟形态各异，种类繁多，有微型、嵌入型的电子时钟，也有悬挂在公共场合的大型电子表，这些电子表大都外形美观，而且拓展了不少功能。由于单片机可以很容易实现芯片的智能化，所以在电子钟的基础上，人们可以根据自己的需要以及场合要求添加不同的附加功能。需要整点报时可添加蜂鸣器， 需要测量环境温度可以添加温度传感器，或者检测空气质量、空气湿度等，也可以设置定时闹铃功能甚至还可以添加 口读取其他设备数据。 日常生活中的手表钟表等都是靠石英真晶体振荡器实现，因此走字精准，类似的，本设计所利用的实时时钟芯片需要外接石英晶振，采用石英技术，而且不需要经常调试，使用起来很方便。由于采用了实时时钟芯片 将代替传统的钟表的机械传动。 文章节构成及安排 本设计是以 片机 核心，以实时时钟芯片 主要器件，以液晶屏 功能。 3 2、电子时钟设计方案 种设计方案的选择 实现电子钟就是实现“走时间”，即实现秒信号的产生，由秒信号才能进而产生分钟信号、小时信号。关于秒信号的产生，有两种设计方案供选择。 第一种是采用专用的实时时钟芯片。时下常用的时钟芯片有 些 芯片可以完成秒 计时 工作，进而计出小时、年月日等。实时时钟芯片大都 价格 实惠而且学习起来容易上手，所以 被广泛地采用。本 设计 介绍的实时时钟 芯片 要特点是数据传输 方式为串行通信并且由于芯片内部自带锂电池，所以掉电也 可以工作所以不必担心耗电这点很方便。 第二种是完全用软件方法实现计时，需要利用单片机中断功能，具体操作是：设置几个字节分别存放秒、分、时、日、周、月、年等信息。利用定时器实现 1 秒定时中断，这便是秒信息，每一次中断都使秒字节加 1；软件设置当秒字节累计到 60时，分字节加 1,同时秒字节清零；当分字节累计加到 60 时，时字节加 1，同时分字节清零；时字节累计加到 24 时，日字节加一，时字节清零。以此类推，再实现周、月、年的计时。这种设计方案的硬件电路更加简单，单片机自己即可完成计时，但缺点是每次执行 时器都 需要重新赋值，每当单片机断电时，程序即停止，也就无法继续完成计时工作。 对比以上两种设计方案，由于笔者对实时时钟芯片比较感兴趣，希望研究单片机控制其他芯片完成工作，所以决定选择第一种方案，将单片机与时钟芯片作为计时的硬件电路基础。 对于第一种设计方案，先用板块化思想将其各部分功能划分。经过分析可知，整个系统由核心控制板块，秒计时板块，显示板块以及一些辅助板块如按键、温度采集等板块组成。核心控制由单片机及其最小系统构成，秒计时由实时时钟芯片 两块已经完成电子时钟的基本功能，显示板块决定选用液 晶屏 成。 统电路 一款画电路图的软件，由 产 ， 这款 件上手容易，使用简单，功能齐全，所以 在电子行业的 电子设计者的首选软件， 故本设计选用 4 图 2钟电路图 图中右侧是本系统的核心控制芯片 左侧引脚分别连接液晶屏 间的 3、硬件系统设计 本设计系统 采用 板块 化的设计思想将整个 设计系统 分为 核心控制板块，秒计时板 块，显示板块以及按键、温度采集板块。 并将所要实现的功能分配给相应的 板块 ，通过软件与硬件相结合的方式实现每个 板块 的功能之后，再通过调整将所有 板块 有机地 整合 成为一个电路完整 、 功能齐全 、使用方便 的时钟系统。 心控制电路 本设计的核心控制电路采用单片机控制，由 片机 一款高性能、低功耗的八位 于所有寄存器都 5 和运算逻辑总单元 接连接，所以运行一条指令时，这条指令 可以在单位时钟周期内同时访问两个独立的工作寄存器。正是这种结构才使得 且使得 杂指令系统计算机）微控制器更高的数据吞吐率，最高可达十倍。 片有许多令人惊喜的特点，主要包括 16K 字节的 512 字节的 1K 字节的 片具有 32 个通用 I/O 口，并且几乎每个 I/O 都有第二功能。 片支持片内编程与调试，具有可编程串行 用同步 /异步串行接收 /发送器， 异步串行收发模块，该接口是一个高度灵活的串行通信设备 )。 引脚大都有第二功能，这是比 51 系列单片机先进的地方，需要第二功能时可以直接连在该引脚上便可方便使用。本设计系统主要使用了 B 区引脚即完成了电子钟的基本功能。其中， 做 晶屏背景灯光使能引脚， 接实时时钟芯片 时钟引脚 接实时时钟芯片 数据引脚 I/O， 接实时时钟芯片 接液晶屏 脚， 接液晶屏 总线主 机输出 / 从 机 输入 引脚，此处应用了单片机引脚的第二功能， 接液晶屏 数据或命令引脚 D/C#， 外部复位输入引脚 图 3脚图 6 计时电路 本设计系统选择 美国 司 生产 的实时时钟电路 完成秒计时板块工作。实时时钟芯片 时准确，带充电功能，使用方便，低功耗以及工作电压范围宽等优点，得到了广泛的应用。 实时时钟芯片 、日、周、时、分、秒进行计时， 还 具有闰年补偿功能。 芯片内部集成了可编程日历时钟和 31个字节大小的静态 有一个 318 的用于临时性存放数据的 存器 。芯片 采用三线接口与 行同步通信， 还可以 用突发 的 方式 一次性传输不止一 字节的 据或时钟信号。 片有主电源和备份电源双引脚，还具有对备份电池进行 涓细电 流充电的能力 ，可有效延长备份电池的使用寿命，备份电源可由大容量电容（ 1F）来替代。需要特别指出的是， 片的工作需要使用 晶振。 各个引脚的功能是： 图 3脚 电源输入引脚，单电源供电时接 ，双电源供电时用于接备份电源。 ：电源输入引脚，双电源供电时用于接主电源。 地引脚。 制移位寄存器 /复位引脚 行时钟输入引脚 振输入引脚 振输出 引脚 I/O：数据输入 /输出引脚 实时时钟芯片 脚用于外接 赫兹的石英晶振，产生的振荡 7 源提供给芯片内部电路计时使用。实时时钟芯片 用三线串行接口方式。外部控制电路可以通过 I/O 引脚来实现数据传输。其中， 脚为通信允许信号，低电平有效，即 允许通信， 时禁止通信。 脚为串行数据的位同步脉冲信号，I/O 引脚为双向串行数据传输信号。实时时钟芯片 备份电池可选用可充电 镍镉电池或者 1 上的超容量电容。 部的涓流充电器在主电压工作正常时向备份电池充电，理论上说，系统主电源的工作电压应该稍微高于备份电池电压，否则无法充电。本设计系统中，整个电路使用了两种电源，主电源将为整个电路供电，还有 主电源被切断后， 用备用电源，可以保持 续工作。当主电源恢复供电，晶屏可以依旧显示当前时间，而不会因为断电使系统复位到初始化时间，避免了重新校时的麻烦。 实时时钟芯片 受从外部位处理器的命令来完成功能设定以及控制数据传输。外部处理器通过命 令字节完成操作，首先向实时时钟芯片 着是数据字节。 表 3令字节的格式表 位序 6 4 2 0 定义 1 K 3 1 D/W 其中，实时时钟芯片 令字节各位的含义如下。 命令字节的最高位 . K 位（ ）： 内随机存储器 /时钟选择位，当 K=1 时，为随机存储器操作， 30；当 K=0 时，为时钟操作，定义时钟和 其他寄存器的地址。 6，由低到高位分别为秒、分、时、日、月、星期、年的寄存器。 5 片内日历时钟寄存器或随机存储器的地址选择位。 位（ 写控制位。当 =1 时，为读操作；当 =0 时，为写操作。 时钟操作时， 有秒寄存器、分寄存器、小时寄存器、日寄存器、月寄存器、星期寄存器、年寄存器，这些寄存器与日历、时间相关，保存了时钟信息，存放的数据格式为 8 形式。有两点值得注意，第一是秒寄存器的第七位定义为暂停标志，当该位设 置为 1时，芯片将停止振荡时钟；当该位置 0 时，始终开始运行。第二是小时寄存器的第七位用于定义 该位置 1时，选择十二小时模式，当该位置 0时，选择二十四小时模式。 片内 选择片内 令字节中 0 位用于表示片内 址范围为 00H 1时可自由调用。 示电路 早用于手机屏幕，后来也广泛应用于各类便携式的显示系统，本设计即采用液晶屏 成显示时间工作 。该芯片的特点是：是 84 48 的点阵 48 行， 84 列输出），可以显示 4行汉字；与主控芯片的通信方式为串行传输，所以仅有少量传输线；支持多种串行通信协议（本设计采用 片机， 持 数据传输速率最高可到 4电电压低，且具有掉电模式，低功耗。 图 3脚图 连接 5 钟上升沿有效。 D/命令切换引脚，低电平时选择命令功能，高电平 时选择数据功能。 电平有效。 9 液晶屏为 84 48 点阵 味着有 84 48 点，每个像素点的亮灭状态即对应于需要显示的信息，在 模软件就是针对 晶屏所开发的可以方便显示点阵的工具，只要将所需显示的信息先在字模软件中生成对应代码，就能方便地能利用其对应代码。 图 3模软件 液晶屏的显示原理比较复杂，但是现在产品大都附带驱动程序，所以结合字 模软件，可以很轻松利用 4、软件系统设计 由于本设计系统核心控制芯片为 以软件开发工具选用 设计利用 s 为编写器，用双龙下载器下载程序。由于安装了 件夹 以在用 s 要将这些头文件包含在内。 图 4个字节写入时序图 10 以上是 一个字节是地址字节，第二个字节是数据字节。号必须拉高，否则输入无效，结束时， 址字节和数据字节的读取是上升沿有效，而且是由 最低有效位 开始读入。以下是向 入一个字节数据 (没有 作 )。 i; i=0;i=1; /数据右移 1 位，为送出新数据位做准备 图 4个字节读入时序 图 以上是 写一个字节不同，这是先写地址字节，然后再读数据字节，而且是下降沿有效，前提是 号必须拉高，写字节也是由 最低有效位 开始写入。以下是从 没有 作 )的代码。 i,; /设置数据端口输入 /去除上拉电阻 11 i=0;i8;i+) /8位 /上升沿有效 0); /输出数据下降沿有效 0); /等待数据变化 (1i); /如果是高电平就将返回数据位置为 1 (1i); /如果是低电平就将返回数据位置为 0 /设置数据端口为输出 /返回读出的数据 完成 基本写字节和读字节操作后，对 行设置初始时间操作，读取时间操作以及初始化操作，即可完成时间工作。 程序 液晶屏 厂自带驱动程序，自带二十六个字母显示以及常用符号，函数及 已写好，故本设计再利用字模软件生成电子时钟所需的初始化 汉字或字符即可。 程序 主程序首先初始化液晶屏 后初始化实时时钟芯片 三根数据线以及启动 振荡器，使 始秒计时工作，再设置好时间初始值为当前实时时间。接着设置一个无限循环函数，即获取当前时间和显示当前时间即可。 图 4程序流程图 12 5、设计系统的调试 本设计的软硬件完成后，还需要进行系统调试，分为硬件调试和软件调试两部分，现分别介绍如下。 件调试 硬件调试即在硬件电路完成后，用万能表等工具对电路进行 检查。本设计将各个器件焊接在万能板上完成，焊接过程中难免出现焊接错误或者虚焊等不应出现的情况，所以硬件检测需要在熟悉系统电路原理的基础上进行，硬件调试是一项很需要细心和耐心的工作。调试时有几点需要注意。第一，查看电源是否连接正确，是否按照芯片要求连接了正确伏安的电压源，本设计中， 主电源和备用电源都连接在 电压源上。第二， 须严格对照电路图检查。第三，用万能表仔细检查每个焊点是否虚焊，本系统用双排针做单片机的 焊接时很容易使相邻管脚连接到一块，这种情况尤其要注意，一经发现，必须用工具将其断路。 在烧入代码时完成以上硬件检测工作后，烧入代码仍然不能正常运行，此后则需要结合软件调试来分析是否是硬件问题，如果将代码烧入其他设备可正常运行，则说明本设计的硬件依然有问题，则需要继续排查。 本设计系统板子焊好后接通电源无法通电，经万用表检测，发现 片管脚有焊连错误并且指示灯连接错误，改正后问题解决。 件调试 用双龙下载器将代码烧写进本设计系统，在液晶屏上观测运行结果。最开始，液晶屏完全无显示，仅有背 景灯光。于是从硬件、软件两部分分别排查，用以上硬件检测方法后，再进行软件检测。软件检测需要分模块进行。笔者及小组成员首先检测液晶屏，向液晶屏烧入一段简单的显示程序，结果正常，排除了液晶屏的硬件问题，经过继续的排查，考虑是实时时钟芯片 代码编写不正确。经过仔细阅读芯片手册，发现 读写操作需要提高注意，在写一个字节的时候， 片机的 I/O 口应该一直保持输