多功能电子钟设计

成都信息工程学院“星云杯”嵌入式大赛多功能电子钟设计（第4题）【低年级组】队长任晓玥2012073082队员张德勇2012073070摘要本设计是以STC公司生产的单时钟/机器周期（1T）的STC12C5A60S2单片机，为控制核心。使用高精度串行实时时钟芯片PCF8563提供时钟功能，YF017时钟语音芯片进行语音报时，NOKIA5110屏作为显示器，和单片机内部10位A/D转换器组成的具有时钟功能和电阻测量功能于一体的多功能电子钟设计。关键字STC12C5A60S2；PCF8563；YF017；电子时钟ABSTRACTTHISDESIGNISBASEDONSTCCOMPANYPRODUCESTHESINGLECLOCKCYCLE/MACHINESTC12C5A60S2MICROCONTROLLER1T,ASTHECONTROLCOREUSESERIALREALTIMECLOCKCHIPPCF8563CLOCKFUNCTION,HIGHPRECISIONYF017SPEAKINGVOICECHIP,CLOCKNOKIA5110SCREENASAMONITOR,ANDSINGLECHIPMICROCOMPUTERINTERNALCONSISTINGOF10BITA/DCONVERTERHASTHEFUNCTIONOFCLOCKANDRESISTANCEMEASUREMENTSINONEOFTHEMULTIFUNCTIONELECTRONICCLOCKDESIGNKEYWORDSSTC12C5A60S2PCF8563YF017RTC目录1系统方案111DAC输出控制模块的论证与选择112ADC采样模块的论证与选择113MOSFET驱动模块的论证与选择114显示模块的论证与选择215键盘输入模块的论证与选择216电源模块的论证与选择22系统理论分析与计算221PI调节器的分析222电压采样电路的分析423电流采样电路的分析53电路与程序设计531电路的设计5311系统总体框图5312硬件调节子系统框图与电路原理图6313单片机子系统框图与电路原理图7314电源832程序的设计9321程序功能描述与设计思路9322程序流程图104测试方案与测试结果1041测试方案1042测试条件与仪器1043测试结果及分析10431测试结果数据10432测试分析与结论12附录1电路原理图13附录2源程序15MAINC15IRH20IRC20LCDDRIVERH25LCDDRIVERC28ADS1115H31ADS1115C32IICH34IICC38DAC8554H43DAC8554C451系统方案本系统主要由实时时钟模块、语音报时模块，电阻测量模块，电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。11实时时钟模块的论证与选择方案一DS1302方案。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为25V55V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。缺点是DS1302控制协议不是标准的协议，调试复杂，不易控制。方案二PCF8563方案。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。综合以上二种方案，选择方案二。12ADC采样模块的论证与选择方案一ICL7135方案。4位半双积分芯片，功能丰富，价格合理，性能稳定，但是占用IO口多。价格昂贵。方案二ADS1115方案。ADS1115是业界最小16位AD芯片，精度高，速度快，使用简单，可测量负电压，并有低功耗设计，外围电路简单，宽幅供电，I2C协议编程，简单易用，但是其价格昂贵。方案三STC12C5A60S2内部集成A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHZ（25万次/秒）。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型IO口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不须作为A/D使用的口可继续作为IO口使用。单片机ADC由多路开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTER构成。该单片机的ADC是逐次比较型ADC。主次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。采用此方案不需要额外增加芯片。综合以上三种方案，选择方案三。13语音报时模块的论证与选择方案一采用思修电子TTS中文语音合成SX6288A语音播报模块语音模块语音开发板。此模块由串口控制，超快速合成文字语音，并具有八级音量控制。价格昂贵。方案二YF017系列语音芯片是技针对市场推出的一款具有PWM输出的OTP语音标准芯片。共有3个IO口，外围最低仅需要一个104电容就可以稳定的工作，产品方案成本极低。YF017系列语音芯片内置电阻，没有外围元件，外围电路只需要一个104电容就能工作。综合以上两种方案，选择方案二。14显示模块的论证与选择方案一MINI无字库12864。屏幕分辨率高，亮度高，液晶IO口简易，但是能耗偏高不利于这个系统的低功耗设计。方案二320240彩屏。画质清晰，色彩艳丽，但是成本较高，功耗较高，而且连线复杂，不适合本题目。方案三NOKIA5110屏。屏幕分辨率合适，连线简易，功耗低，使用方向广，数据输简单，适合本题。综合以上三种方案，选择方案三。15键盘输入模块的论证与选择方案一矩阵键盘。矩阵键盘的使用是多方面的，以其成本低廉，程序控制简单，按键丰富，可实现调节功能多而被人们常用。但是整个方案要求程序响应速度要快，若使用矩阵键盘，检测按键，消抖等操作，会严重影响程序运行速度，并且其占用IO口多，浪费单片机资源。方案二触摸屏操作。触摸屏是时下流行的，运用在手机，工业设备，医疗设备等的，较为直观，操作方便，外观时尚。但是必须使用320240彩屏。方案三独立按键，以其成本低廉，程序控制简单，按键丰富。并不会太占用单片机资源，使用非常方便。综合以上三种方案，选择方案三。16电源模块的论证与选择方案一开关电源。开关电源体积小，重量轻，效率高，特点鲜明；但是输出波纹达，有尖峰脉冲干扰，故障时输出电压失控升高，容易烧毁设备。方案二线性电源。反应速度快，输出纹波较小；工作噪声低；但是体积大，重量大，效率较低，发热量大。综合以上二种方案，使用开关电源加线性电源的方案，使系统供电非常稳定。2系统理论分析与计算21电阻测量的分析本系统采用分压方式测量电阻，如图所示RL5V/UAD1XR由于使用的是10位AD，所以单片机测得的AD值ADC_RESVIN/VCCX1024。单片机为5V供电，所以ADC_RESVIN/5VX1024RL1024/ADC_RES1XR；22电阻测量电路的分析图23电阻测量电路电阻测量电路中，由于使用一个基准电阻R测量范围小，所以这里使用了四个继电器进行基准电阻R的切换。分别是100，5K，100K，500K。理论测量范围达到11M。由于继电器数量较多，并且每次只需一个继电器接入，所以使用了一块三八译码器，通过两根线控制四个继电器工作。在电阻分压值送入单片机之前添加了一个电压跟随器，如图没有放大作用，输出电压与输入电压相同，提高了输入阻抗，对电路进行缓冲，起到承上启下的作用。同时取到隔离作用，减小了电磁干扰的影响。3程序设计31单片机子系统框图1、单片机子系统框图语音报警报时按键电阻测量液晶显示STC12C5A60S2图34单片机子系统框图322程序流程图开始系统初始化主菜单显示ENTER键按下光标指向TELLTIMEY语音报时Y光标指向TIMESET光标指向RESISTANCEY进入时间设置菜单Y进入电阻测量子菜单ENTER键按下ENTER键按下Y光标指向SETALARMN写入时间设置闹钟ENTER键按下Y光标指向R电阻测量设置报警电阻阻值ENTER键按下YNY图32电源电路程序流程图4测试结果万用表读数液晶显示值百分误差50249182031873996998902911654645464950096878616862025055933919868200293081185804930K50235318971609844K974329098282519663K1957K04729723827K2378K019725529672K2963K014154832597K3258K00521524594K4606K0261215063K5059K00790056082K6106K03946077495K7518K03068719068K9105K040802815126K15237K0733836阻值相同报警测试设定电阻值实际电阻值液晶显示值百分误差是否报警500050249162031873否1000099699890291165是200000198682002930811858是9000K9068K9105K0408028是附录1电路原理图33VY2CRYSTALC1722PFC1622PFX1X2X1X2S2SWPBC1110UFR1310KRSTRSTP00P01P02P03P04P05P06P07P30P31SDA2SCL25V5VC21045V5V1VCC2GND3SCE4RST5D/C6MOSI7SCLK8LED9LEDCZ2LCD_5110D84148D74148OSCI1OSCO2INT3VSS4SDA5SCL6CLKOUT7VDD8D6PCF8563D532768KHZC115P5VSCL1SDA1INT0BT1BATTERYRST2/P4629ECI/P4128ALE/P4527NA/P4426P2725P0730P2624P2422P2523P2220P2321P2119P0532P0334P0433P0235P0136P0037VCC38P0631P4239P1040P1141P1242P1343P1444P151P162P173RST4P30/RXD5P43/RXD26P2018P3410P3511INT19INT08P37/RD13XTAL214P36/WR12XTAL115GND16P40/SS17P31/TXD7STC12C5A60S2C12STC12C5A60S2TAD_0AD_133VR1220RP30P31SCL1SDA1K1K2K3K4K5VL1PWM02PWM13VDD4GND5REST6DATA7BUSY8R19YF017C181045V1OUT2IN3R141117C1322UFC1410UF5V33VK6123J7CON3INT0BUSYBUSYDATADATARESTRESTP00P01P02P03P041234J8CON4S11KEY1S12KEY2S13KEY3S14KEY4S15KEY5S16KEY6R1610KR1710KR1810KR2010KR2110KR2210K5VK1K2K3K4K5K6S10SWDPDT12J10CON212J11CON212J12CON25V5V12J9CON2P14P15P16P17P14P15P16P17附录2源程序MAINCINCLUDE“NOKIA_5110H“INCLUDE“PCF8563H“INCLUDE“IICH“INCLUDE“STDIOH“INCLUDE“R_MH“INCLUDE“MENUH“INCLUDE“YF017H“SBITKEY0P20SBITKEY1P37SBITKEY2P36SBITKEY3P35SBITKEY4P34SBITKEY5P33CHARFLAG_ALARM0VOIDSHOW_SETTIMEVOIDSHOW_SET_ALARMSTATICVOIDDELAYU16DELU16I,JFORI0I6FLAG_MENU_NUM3IFKEY20WHILEKEY20FLAG_MENU_NUMIFFLAG_MENU_NUMDELAY100WHILEKEY40IIFI8I0LCD_WRITE_ENGLISH_STRING0,1,“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING0,3,“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING0,5,“LCD_WRITE_ENGLISH_STRINGSET_XYI,1,“IFI3DAYS30IFDAYS290DAYS20DAYS30BREAKCASE1DAYS6IFDAYS690DAYS5DAYS60IFDAYS510DAYS61BREAKCASE2DAYS_JUDGE_TEMP_YEARDAYS2010DAYS30DAYS_JUDGE_TEMP_MONTHDAYS5010DAYS60DAYS9IFDAYS_JUDGE_TEMP_MONTH1|DAYS_JUDGE_TEMP_MONTH3|DAYS_JUDGE_TEMP_MONTH5|DAYS_JUDGE_TEMP_MONTH7|DAYS_JUDGE_TEMP_MONTH8|DAYS_JUDGE_TEMP_MONTH10|DAYS_JUDGE_TEMP_MONTH12IFDAYS990DAYS8DAYS90IFDAYS83DAYS91ELSEIFDAYS_JUDGE_TEMP_MONTH4|DAYS_JUDGE_TEMP_MONTH6|DAYS_JUDGE_TEMP_MONTH9|DAYS_JUDGE_TEMP_MONTH11IFDAYS990DAYS8DAYS90IFDAYS83DAYS91ELSEIFDAYS_JUDGE_TEMP_YEAR40IFDAYS990DAYS8DAYS90IFDAYS83DAYS80DAYS91ELSEIFDAYS990DAYS8DAYS90IFDAYS82DAYS91BREAKCASE3/TIME_NOW1IFTIME_NOW190TIME_NOW0TIME_NOW10IFTIME_NOW02TIME_NOW10BREAKCASE4/TIME_NOW4IFTIME_NOW490TIME_NOW3TIME_NOW40IFTIME_NOW35TIME_NOW30TIME_NOW40BREAKCASE5/TIME_NOW7IFTIME_NOW790TIME_NOW6TIME_NOW70IFTIME_NOW65TIME_NOW60TIME_NOW70BREAKCASE6/WEEK_NUMIFWEEK_NUM6WEEK_NUM0LCD_WRITE_ENGLISH_STRING59,2,WEEKWEEK_NUMBREAKDEFAULT/KEY2/KEY1/IFKEY10/DELAY100WHILEKEY10SWITCHICASE0DAYS3IFDAYS3DELAY100WHILEKEY40IIFI1I0LCD_WRITE_ENGLISH_STRING0,3,“LCD_WRITE_ENGLISH_STRINGSET_XYI,3,“IFKEY30/90ALARM_NOW0ALARM_NOW10IFALARM_NOW02ALARM_NOW10BREAKCASE1/ALARM_NOW4IFALARM_NOW490ALARM_NOW3ALARM_NOW40IFALARM_NOW35ALARM_NOW30ALARM_NOW40BREAKDEFAULT/KEY2/KEY1/IFKEY10/DELAY100WHILEKEY10SWITCHICASE0/ALARM_NOW1IFALARM_NOW1INCLUDE“IICH“SBITSCLP27SBITSDAP26/SBITSCLP37/SBITSDAP36/ICECSTATICVOIDDELAYU8TENUSU8I,JFORI0IINCLUDEINCLUDEINCLUDE“NOKIA_5110H“INCLUDE“BMP_PIXELH“DEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTXDATAU8WEEK75“MON“,“TUES“,“WED“,“THUR“,“FIR“,“SAT“,“SUN“UCHARTAB_T0X31,0X06,0X10,0X13,0X01,0X07,0X08/秒,分,时,日,星期,月,年UNSIGNEDCHARTIME_NOW9“UNSIGNEDCHARDAYS13“20“VOIDWRITE8563UCHARUCADDR,UCHARUCDATAIIC_STARTIIC_WR_B0XA2IIC_WR_BUCADDRIIC_WR_BUCDATAIIC_STOPUCHARREAD8563UCHARUCADDRUCHARUCDATAIIC_STARTIIC_WR_B0XA2/写器件地址IIC_WR_BUCADDR/写字节地址IIC_STARTIIC_WR_B0XA3/写器件地址,最低为1表示读UCDATAIIC_RE_B/写字节地址IIC_STOPRETURNUCDATA/读数据VOIDINIT8563VOIDUCHARI,UCADDR0X02WRITE85630X00,0X00WRITE85630X01,0X11FORI0IINCLUDE“NOKIA_5110H“INCLUDE“R_MH“INCLUDE“PCF8563H“INCLUDEINCLUDE“YF017H“INCLUDESBITKEY0P20SBITKEY1P37SBITKEY2P36SBITKEY3P35SBITKEY4P34SBITKEY5P33STATICVOIDDELAYU16DELU16I,JFORI0I1000SPRINTFSHOW_VAL_R_TEMP,“3F“,VAL_R/1000LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,4,SHOW_VAL_R_TEMPLCD_WRITE_ENGLISH_STRING74,4,“K“IFVAL_R_SET_DATA1000SPRINTFSHOW_VAL_R_TEMP,“3F“,VAL_R_SET_DATA/1000LCD_WRITE_ENGLISH_STRING0,3,“SET“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,3,SHOW_VAL_R_TEMPLCD_WRITE_ENGLISH_STRING74,3,“K“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING6,5,“ER“SPRINTFSHOW_VAL_R_TEMP,“3F“,FABSVAL_R_SET_DATAVAL_R/VAL_R_SET_DATA100LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,5,SHOW_VAL_R_TEMPELSESPRINTFSHOW_VAL_R_TEMP,“3F“,VAL_R_SET_DATALCD_WRITE_ENGLISH_STRING0,3,“SET“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,3,“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,3,SHOW_VAL_R_TEMPLCD_WRITE_ENGLISH_STRING74,3,“R“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING6,5,“ER“SPRINTFSHOW_VAL_R_TEMP,“3F“,FABSVAL_R_SET_DATAVAL_R/VAL_R_SET_DATA100LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,5,SHOW_VAL_R_TEMPELSESPRINTFSHOW_VAL_R_TEMP,“3F“,VAL_RLCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,4,SHOW_VAL_R_TEMPLCD_WRITE_ENGLISH_STRING74,4,“R“IFVAL_R_SET_DATA1000SPRINTFSHOW_VAL_R_TEMP,“3F“,VAL_R_SET_DATA/1000LCD_WRITE_ENGLISH_STRING0,3,“SET“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,3,SHOW_VAL_R_TEMPLCD_WRITE_ENGLISH_STRING74,3,“K“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING6,5,“ER“SPRINTFSHOW_VAL_R_TEMP,“3F“,FABSVAL_R_SET_DATAVAL_R/VAL_R_SET_DATA100LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,5,SHOW_VAL_R_TEMPELSESPRINTFSHOW_VAL_R_TEMP,“3F“,VAL_R_SET_DATALCD_WRITE_ENGLISH_STRING0,3,“SET“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,3,“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,3,SHOW_VAL_R_TEMPLCD_WRITE_ENGLISH_STRING74,3,“R“LCD_WRITE_ENGLISH_STRING6,5,“ER“SPRINTFSHOW_VAL_R_TEMP,“3F“,FABSVAL_R_SET_DATAVAL_R/VAL_R_SET_DATA100LCD_WRITE_ENGLISH_STRING24,5,SHOW_VAL_R_TEMPIFFABSVAL_R_SET_DATAVAL_RDELAY100WHILEKEY40IIFI7I0IFI0BREAKCASE1SET_R_VAL1IFSET_R_VAL19SET_R_VAL10BREAKCASE2SET_R_VAL2IFSET_R_VAL29SET_R_VAL20BREAKCASE3SET_R_VAL4IFSET_R_VAL49SET_R_VAL40BREAKCASE4SET_R_VAL5IFSET_R_VAL59SET_R_VAL50BREAKCASE5SET_R_VAL6IFSET_R_VAL69SET_R_VAL60BREAKCASE6R_UNIT_CHOOSEIFR_UNIT_CHOOSE1R_UNIT_CHOOSE0LCD_WRITE_ENGLISH_STRING70,1,SET_R_UNITR_UNIT_CHOOSEBREAKDEFAULTIFKEY10DELAY100WHILEKEY10SWITCHICASE0SET_R_VAL0IFSET_R_VAL0/LCD_INIT3310LCD初始化编写日期2004810最后修改日期2004810/VOIDDELAY_1USVOID/1US延时函数UNSIGNEDINTIFORI0IJRETURNJELSERETURNIUNSIGNEDCHARMAXUNSIGNEDCHARI,UNSIGNEDCHARJIFIXLCD_DRAW_XPOINTX,YVOIDLCD_DRAW_FRAMEUNSIGNEDCHARX0,UNSIGNEDCHARY0,UNSIGNEDCHARX1,UNSIGNEDCHARY1LCD_DRAW_LINEX0,Y0,X1,Y0LCD_DRAW_LINEX0,Y1,X1,Y1LCD_DRAW_LINEX0,Y0,X0,Y1LCD_DRAW_LINEX1,Y0,X1,Y1/R_MCINCLUDEINCLUDE“STDIOH“INCLUDE“MATH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