基于單片機(jī)的電子鬧鐘的設(shè)計(jì)第1頁共24頁基于單片機(jī)的電子鬧鐘的設(shè)計(jì)作者：指導(dǎo)老師：(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院07級(jí)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)合肥230036)摘要：本設(shè)計(jì)主要為實(shí)現(xiàn)一款可正常顯示時(shí)鐘/日歷、帶有定時(shí)鬧鈴功能的電子鬧鐘。當(dāng)前電子鐘開發(fā)手段采用了較多的分立元器件，不僅占用很大空間而且利用率比較低。單片機(jī)是集CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種接口于一體的微控制器。它體積小、成本低、功能強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于智能產(chǎn)品和工業(yè)自動(dòng)化上。本設(shè)計(jì)應(yīng)用單片機(jī)STC12C5A16AD芯片作為核心，由LCD1602液晶屏顯示，使用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片完成時(shí)鐘/日歷的基本功能。這種實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，性能可靠，實(shí)時(shí)性好，時(shí)間精度高，操作簡(jiǎn)單，編程容易。關(guān)鍵詞：電子鬧鐘，單片機(jī)，C語言編程1緒論單片機(jī)是微型機(jī)的一個(gè)主要分支，就其組成和功能而言，一塊單片機(jī)芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：1集成度高、體積小、有很高的可靠性；有優(yōu)異的性能價(jià)格比；2控制功能強(qiáng)；3低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；4外部總線增加了I2C、SPI等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)；5單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。所以單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，在智能儀表、機(jī)電一體化、實(shí)時(shí)控制、分布式多機(jī)系統(tǒng)以及人們的生活中均有用武之地。單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。這種用軟件代替硬件的控制技術(shù)，是對(duì)生產(chǎn)控制技術(shù)的一次革命。利用單片機(jī)的智能性，可方便地實(shí)現(xiàn)具有智能的電子鐘設(shè)計(jì)。單片機(jī)均具有時(shí)鐘振蕩系統(tǒng)，利用系統(tǒng)時(shí)鐘借助微處理器的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可實(shí)現(xiàn)電子鐘功能。然而系統(tǒng)時(shí)鐘誤差較大，電子鐘的積累誤差也可能較大，所以可以通過誤差修正軟件加以修正，或者在設(shè)計(jì)中加入高精度時(shí)鐘日歷芯片，以精確時(shí)間。另外很多功能不同的單片機(jī)是兼容的，這就更便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多功能性。由于單片機(jī)具有貨源充足、價(jià)格低廉，可軟硬件結(jié)合使用，能夠較方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多功能性，性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，故采基于單片機(jī)的電子鬧鐘的設(shè)計(jì)第2頁共24頁用單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)。2基于單片機(jī)的電子鬧鐘硬件設(shè)計(jì)2.1IC芯片選擇2.1.1微處理器選擇STC12系列單片機(jī)簡(jiǎn)要介紹：1.STC12系列單片機(jī)為增強(qiáng)型8051芯片，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)。2.工作電壓：STC12C5410AD系列工作電壓：5.5V-3.8V（5V單片機(jī)）/3.8V-2.4V（3V單片機(jī)）STC12C2052AD系列工作電壓：5.5V-3.4V（5V單片機(jī)）/3.8V-2.4V（3V單片機(jī)，可到2V）3.工作頻率范圍：0-35MHz，相當(dāng)于普通8051的0420MHz.實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz4.用戶應(yīng)用程序空間12K/10K/8K/6K/4K/2K/1K字節(jié)5.片上集成512字節(jié)RAM(STC12C5410AD系列),STC12C2052AD系列單片機(jī)為256字節(jié)RAM6.通用I/O口（27/23/15個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不得超過55mA7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片8.EEPROM功能9.看門狗10.內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體20M以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路）11.時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.2MHz6.8MHz精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，應(yīng)認(rèn)為是4MHz8MHz12.共2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，但可用PCA模塊再產(chǎn)生4個(gè)定時(shí)器(2052系列只有兩路PCA)13.外部中斷2路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,PowerDown模式可由外部中斷喚基于單片機(jī)的電子鬧鐘的設(shè)計(jì)第3頁共24頁醒14.PWM(4路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,4路）,5410系列是4路，2052系列只有兩路-也可用來當(dāng)4路D/A使用-也可用來再實(shí)現(xiàn)4個(gè)定時(shí)器-也可用來再實(shí)現(xiàn)4個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持)15.A/D轉(zhuǎn)換,10位精度ADC，共8路。STC12C2052AD系列只有8位精度16.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，也可再用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多串口17.SPI同步通信口，主模式/從模式18.工作溫度范圍：0-75/-40-+8519.封裝：PLCC-32,PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，TSSOP-20(超小封狀6.4mm6.4mm，定貨)PLCC-32有27個(gè)I/O口，PDIP28/SOP28有23個(gè)I/O口，PDIP20/SOP20/TSSOP20有15個(gè)I/O口，I/O口不夠時(shí)，可用74HC595/74HC165串行擴(kuò)展I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。STC12C5410AD系列及STC12C2052AD系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。4路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換,針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。STC12C2052AD系列只有2路PWM,8路高速8位A/D轉(zhuǎn)換。圖2.1STC12C5A16AD芯片PDIP封裝引腳圖基于單片機(jī)的電子鬧鐘的設(shè)計(jì)第4頁共24頁2.1.2常用時(shí)鐘日歷芯片比較在電子鬧鐘設(shè)計(jì)中，常用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片有DS12887、DS1216、DS1643、DS1302。每種芯片的主要時(shí)鐘功能基本相同，只是在引腳數(shù)量、備用電池的安裝方式、計(jì)時(shí)精度和擴(kuò)展功能等方面略有不同。DS12887與DS1216芯片都有內(nèi)嵌式鋰電池作為備用電池；X1203引腳少，沒有嵌入式鋰電池，跟DS1302芯片功能相似，只是相比較之下，X1203與AT89S51搭配使用時(shí)占用I/O口較多。DS1643為帶有全功能實(shí)時(shí)時(shí)鐘的8K8非易失性SRAM，集成了非易失性SRAM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、晶振、電源掉電控制電路和鋰電池電源，BCD碼表示的年、月、日、星期、時(shí)、分、秒，帶閏年補(bǔ)償。同樣，DS1643擁有28只管腳，硬件連接起來占用微處理器I/O口較多，不方便系統(tǒng)功能拓展和維護(hù)。故而從性價(jià)比和貨源上考慮，本設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片DS1302。2.1.3DS1302簡(jiǎn)介DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。工作電壓寬達(dá)2.55.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。有主電源和備份電源雙引腳，而且備份電源可由大容量電容（1F）來替代。此外，DS1302需要使用32.768KHz的晶振。2.1.4DS1302引腳說明DS1302引腳圖參照?qǐng)D2.2。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-Jun-2008SheetofFile:C:DocumentsandSettingsAdministrator桌面常亮畢業(yè)設(shè)計(jì)電路圖多功能電子時(shí)鐘畢業(yè)設(shè)計(jì)電路圖.ddbDrawnBy:VCC11X12X23GND4VCC28SCLK7I/O6RST5DS1302圖2.2DS1302芯片引腳圖其引腳功能參照表2.1?；趩纹瑱C(jī)的電子鬧鐘的設(shè)計(jì)第5頁共24頁表2.1DS1302引腳功能說明引腳號(hào)名稱功能1VCC1備份電源輸入2X132.768KHz晶振輸入3X232.768KHz晶振輸出4GND地5RST控制移位寄存器/復(fù)位6I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出7SCLK串行時(shí)鐘8VCC2主電源輸入2.1.5DS1302控制字說明在編程過程中要注意DS1302的讀寫時(shí)序。DS1302是SPI總線驅(qū)動(dòng)方式。它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。要想與DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。DS1302的控制字如表2.2。表2.2DS1302控制字（即地址及命令字節(jié)）BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT01RAMA4A3A2A1A0RDCKWR控制字的作用是設(shè)定DS1302的工作方式、傳送字節(jié)數(shù)等。每次數(shù)據(jù)的傳輸都是由控制字開始?？刂谱指魑坏暮x和作用如下：BIT7：控制字的最高有效位，必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入到DS1302中。BIT6：如果為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)；BIT5至BIT1（A4A0）：用A4A0表示，定義片內(nèi)寄存器和RAM的地址。定義如下：當(dāng)BIT6位=0時(shí)，定義時(shí)鐘和其他寄存器的地址。A4A0=06，順序?yàn)槊搿⒎?、時(shí)、日、月、星期、年的寄存器。當(dāng)A4A0=7，為芯片寫保護(hù)寄存器地址。當(dāng)A4A0=8，為慢速充電參數(shù)選擇寄存器。當(dāng)A4A0=31，為時(shí)鐘多字節(jié)方式選擇寄存器。當(dāng)BIT6=1時(shí)，定義RAM的地址，A4A0=030，對(duì)應(yīng)各子地址的RAM，地址31對(duì)應(yīng)的是RAM多字節(jié)方式選擇寄存器。4BIT0（最低有效位）：如為0，表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作。2.2電子鬧鐘硬件電路設(shè)計(jì)電子鬧鐘至少要包括秒信號(hào)發(fā)生器、時(shí)間顯示電路、按鍵電路、供電電源、鬧鈴基于單片機(jī)的電子鬧鐘的設(shè)計(jì)第6頁共24頁指示電路等幾部分。硬件電路框圖參照?qǐng)D2.3。該系統(tǒng)使用STC12C5A16AD單片機(jī)作為核心，通過讀取時(shí)鐘日歷芯片DS1302的數(shù)據(jù)，完成此電子鬧鐘的主要功能時(shí)鐘/日歷。使用LCD1602液晶屏顯示。圖2.3電子鬧鐘硬件系統(tǒng)框圖鍵盤是為了完成時(shí)鐘/日歷的校對(duì)和顯示功能。由于此電子鬧鐘要求具有鬧鈴功能，所以設(shè)計(jì)有鬧鈴電路，進(jìn)行聲音響鈴。鬧鈴電路中的鬧鈴音樂可以直接采用蜂鳴器鬧鈴，如當(dāng)前時(shí)刻與鬧鈴時(shí)間相同，單片機(jī)向蜂鳴器送出高電平，蜂鳴器發(fā)聲。采用蜂鳴器鬧鈴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，但是發(fā)出的鬧鈴聲音單一。也可以在編程的時(shí)候編寫一段音樂程序，待鬧鈴時(shí)間到時(shí)，調(diào)用該音樂程序給揚(yáng)聲器，便響起音樂。