2018年01月27日 | 基于DS1307的多功能时钟系统设计方案

以AT89S52单片机为控制核心，通过实时时钟芯片DS1307和数字温度传感器DS18B20构成了一个多功能的数字时钟系统。详细介绍了整个系统的硬件组成结构、工作原理和系统的软件程序设计。系统采用液晶LCD1602作为显示器，具有实时时间与日历显示、环境温度显示、按键调时、闹铃定时等功能。软件程序采用均采用C语言编写，便于移植与升级。

0 引言

目前家用的数字电子钟，多数只能显示小时、分钟等信息，功能单一，而且大都采用LED数码管作为显示器件，功耗大，不能令消费者满意。为此，笔者开发了一款多功的数字式电子钟，它可以显示年、月、日、小时、分钟等时间信息，同时可以显示环境的温度信息。还具有按键调时、设定闹铃等功能。时钟采用LCD作为显示器，界面友好，功耗低。

1 系统的硬件构成

系统以AT89S52单片机作为核心控制器件，外围主要有实时时钟芯片DS1307、温度传感器DS18B20等，均为串行通信器件，使得系统线路简单可靠性高。系统结构框图1所示。

图1 系统结构框图

1.1 单片机主控模块

系统采用AT89S52单片机作为控制核心。AT89S52单片机与MCS_51系列单片机产品兼容，采用了Flash存储器结构，可以在线下载程序，易于日后的升级。它主要负责各个模块的初始化工作；设置定时器、寄存器的初值；读取并处理时间、温度等信息；处理按键响应；控制液晶实时显示等。

硬件电路连接如图2所示。系统采用12M晶振；P0_Up为P0口上拉电阻，P0口为单片机与液晶显示器通信的数据端口；C_reset和R_reset组成系统上电复位电路；P1.0~P1.2为液晶显示器的控制信号端口；P1.3和P1.4为单片机与时钟芯片DS1307通信的端口； P1.5为闹铃的控制端口；P1.6为单片机与温度传感器DS18B20的通信端口；P2.4~P2.7为按键模块的接口。

1.2 实时时钟日历模块

系统采用DS1307实时时钟芯片。它是一款 总线接口的时钟日历芯片，片内含有8个特殊功能寄存器和56bit的SRAM，是一种低功耗的实时时钟芯片。

它的主要技术性能指标：具有秒、分、时、日、星期、月、年的计数功能，并且具有12小时制和24小时制的计数模式，可自动调整每月的天数，具有闰年调整的功能，具有自动掉电保护和上电复位的功能。同时它独立于CPU工作，不受CPU主晶振及其电容的影响，而且计时准确，月累计误差小于10秒。

电路连接如图3。CRY2为32.768kHz的晶振，为时钟芯片提供计时脉冲；Vbat为DS1307的备用电源，以便在没有主电源的情况下能够保存时间信息和一些重要的数据；两个电阻为 总线的上拉电阻。

1.3 温度传感器模块

系统采用DS18B20作为温度传感器。它是美国DSLLAS公司推出的单总线数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易匹配处理器等优点。处理器与DS18B20通信只需要一根数据线即可，同时该数据线还可以向挂接的DS18B20供电。它可以直接将温度转化成串行数字信号处理，与模拟温度传感器相比，DS18B20省去了信号调理、A/D转换等前向通道处理电路，从而使得系统线路简单，成本低廉。

它的主要技术性能指标：

（1） 电压范围：+3.0~+5.5V（可用数据线供电）

（2） 测温范围：－55℃~＋125℃

（3） 通过编程可实现9～12位的数字读数方式，测温分辨率可达0.0625℃

（4） 可自设定非易失性的报警上下限值。

电路连接如图4所示。其中DQ为数据输入/输出端口，R_Up 为数据线的上拉电阻，确保数据传输的可靠性。

1.4 闹铃模块

系统采用蜂鸣器作为闹铃输出。

电路连接如图5所示。电路中采用PNP管9012来控制蜂鸣器的开关，由图可以看出当Bell引脚为高电平时，PNP管截止，蜂鸣器不工作；当Bell引脚为低电平时，PNP管导通，蜂鸣器工作。其中R_Bell为限流电阻。

1.5 键盘模块

键盘模块设置了四个按键：Menu_A、Menu_B、Up、Reset。其中用Menu_A来控制菜单的主模式；用Menu_B来控制菜单的副模式；Up键用来修改时间信息；Reset键返回。

电路连接如图6所示。四个上拉电阻可以保证在没有按键输入时，进入单片机四个I/O口的按键状态均为高电平，防止干扰产生；当有按键按下时，相应的口线被拉低。软件上采用查询的方式，用定时器定时对按键状态进行扫描，确保系统的实时性。

1.6 液晶显示模块

系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。LCD1602可以显示2行16个字符，具有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、E三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光设置。

管脚功能简介：

VL：LCD对比度调节端，电压调节范围为0－5V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，可以用一个5K的电位器来调整对比度；

RS：数据或者指令选择端。处理器写入指令时，RS为低电平，写入数据时，RS为高电平

R/W：读写控制端。R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据

E：LCD模块使能信号控制端。写数据时，需要下降沿触发模块

D0－D7：8位数据总线，三态双向

BLA： LED背光正极。需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VCC

BLK： LED背光负极

2 系统的软件设计

系统的软件设计可以分为几个部分，首先是各个模块的底层驱动程序编写，而后是系统联机调试，编写上层系统程序。建议在编写和调试一个大的项目软件程序时，先编写各个子模块的驱动程序，保证每个模块都可以正常工作，做好备份工作，之后再来编写整机程序。本系统软件程序主要包括：液晶LCD1602的底层驱动模块、时钟芯片DS1307的底层驱动模块、传感器DS18B20的底层驱动模块、定时器0定时检查系统变量模块、定时器1按键扫描模块等。鉴于篇幅，这里不作一一介绍了。系统的软件流程图如图8。

几点说明：

1 DS1307 是基于 总线接口的时钟芯片，软件上完全与 总线完全兼容。

2 DS18B20 是One-wire总线接口的芯片，软件上对时序的要求特别高。

3 键盘处理模块，可以设定成边沿触发或者电平触发方式。

整个系统的软件设计均采用C语言开发，因此这些器件的底层程序均可以移植到其它系统中，这就是采用C语言开发的最大的优点。

3 总结

系统经组装、调试后，可以稳定运行，目前正在笔者寝室作为时钟日历。采用串行器件具有线路简单、体积小、价格低等优点。同时该系统稍加改造，就可以作为工业实时采集中的一个模块。系统软件设计均采用C语言编写，具有模块化的思想，可以方便的移植到其它的系统中。采用AT89S52单片机，方便系统升级。