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1、引 言现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。在这快速发展的年代，时间对人们来说是越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦遇到重要的事情而忘记了时间，这将会带来很大的损失。因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人。数字化的钟表给人们带来了极大的方便。近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等。单片机在多功能数字钟中的
2、应用已是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘可以进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。在当今社会中，数字钟已发展到具有环境检测等多功能时钟。它为人们在生产、生活中提供了很大的帮助。因此我们要好好利用单片机来研究设计功能更强的数字闹钟。第1章 概 述时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，人们对它的功能又提出了新的要求，怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让它焕发青
3、春呢？这就要求人们不断设计出新型时钟。1.1 数字钟的发展背景及实现形式 随着人们生活节奏的加快，数字钟已成为人们生活中不可缺少的物品。现代的数字钟不仅需要数字电路技术而且需要模拟电路技术和单片机技术，增加了数字钟的功能。其电路可以由实时时钟模块、环境温度检测模块、人机接口模块、报警模块等部分组成。利用软件编程尽量做到硬件电路简单稳定，减小电磁干扰和其他环境干扰，充分发挥软件编程的优点，减小因元器件精度不够引起的误差，但是数字钟还是可以改进和提高如选用更精密的元器件。但与机械式时钟相比已经具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命。目前市场销售的数字钟品种较多，如用数字电路、单
4、片机等技术实现。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。但是在单片机技术日趋成熟的今天，其灵活的硬件电路的设计和软件的设计，让单片机得到了广泛的应用，几乎是从小的电子产品，到大的工业控制，单片机都起到了举足轻重的作用。单片机小的系统结构几乎是所有具有可编程硬件的一个缩影，单片机的学习和研究是对微机系统学习和研究的简捷途径。用单片机技术实现具有基本数字钟功能，还能在各种恶劣环境下工作。可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。数字闹钟既可以通过纯硬件实现，也可以通
5、过软硬件结合实现，根据数字闹钟的核心部件秒信号的产生原理，通常采用NE555时基电路、石英钟专用芯片、基于微处理器的三种实现形式。1.1.1 采用NE555时基电路的实现形式图1-1 基于555的秒脉冲发生器采用NE555时基电路或其他振荡电路产生秒脉冲信号，作为秒加法电路的时钟信号或微处理器的外部中断输入信号，可构成数字钟。由555构成的秒脉冲发生器电路见图1-1所示。输出的脉冲信号V的频率F1.443（RA2RB）C，可通过调节这3个参数，使输出V的频率为精确的1Hz。1.1.2 采用石英钟专用芯片的实现形式采用石英钟专用计时芯片实现的数字钟，具有实现简单、计时精度高的特点。石英计时芯片（
6、简称“机芯”）比较多，常见型号的有STP5512F、SM5546A和D60400等。现结合康巴丝石英钟常用的5512F型为例作简单介绍。利用5512F的秒输出信号作为秒加法电路的计数脉冲，可实现数字钟。STP5512F的引脚图如图1-所示.12345678V+AKM0M1GNDBPSC1SC0图1-2 5512F的引脚图其中，引脚7、8为外接晶振及振荡电路，引脚1接电源正极，电源为1.5V，引脚3、4原为指针用步进电机线圈的输出驱动，这里可用3脚作为脉冲输出，频率决定于外接晶振的频率。其连接图如图1-3所示.图1-3 基于5512F的秒脉冲发生电路1.1.3 采用基于微处理器的实现形式利用微处
7、理器的智能性，可方便实现具有智能的数字闹钟。由于微处理器均具有时钟振荡系统，利用系统时钟借助微处理器的定时计数器可实现数字钟功能。也可以使用外部时钟芯片进行计时，再通过微处理器传送到显示器显示。在本次设计中采用的就是这种实现形式。1.2 系统方案的确定单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备微机CPU的数值计算功能外，还具有灵活强大的控制功能，以便实时检测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至腐蚀性气体，在太空中工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力，因而决定了单片机CPU与通用微机CPU具有不同的技术特征和
8、发展方向：(1)抗干扰性强，工作温度范围宽。(2)可靠性高。(3)控制功能往往很强，数值计算能力较差。(4)指令系统比通用微机系统简单。(5)更新换代速度比通用微处理器慢得多。因此在本次设计中采用单片机技术来实现数字钟的功能。方案的设计可以从以下几个方面来确定：1.微处理器AT89S51、52是2003年ATMEL推出的新型品种，除了完全兼容8051外，还多了ISP编程和看门狗功能。但是AT89S52的存储器容量比AT89S51的大。在本次设计中采用AT89S52单片机。2.显示电路就时钟而言，通常可采用液晶显示或数码管显示。随着科技的发展，液晶显示的使用越来越方便，已被普遍的使用。由于液晶显
9、示与驱动都集成在一个芯片上，因此使用起来很方便。在这里采用液晶显示。3.校时和定时电路考虑到校时和设定闹铃时间这两种操作的使用频率不是很高，为了精简系统和节省成本，本时钟系统只设五个按键，用它们来校时和定时。可以实现以下具体功能：（1）K1：校准时间键，校准后的确认键，在复位后的待机状态下，用于启动设定时间参数。（2）K2：校时键，用于对时位进行加1操作。（3）K3：校分键，用于对分位进行加1操作。（4）K4：校秒键，用于对秒位进行加1操作。 （5）K5：定时确认键，用来确定闹钟设定的时间。4.实时控制电路 实时控制电路是时钟电路的一个重要组成部分，在本次设计中采用的是一个时钟芯片，通过它进行
10、计时，然后单片机从中读取数据送到显示器上显示。从而实现数字钟的功能。还有一些其他控制电路如复位电路、时钟电路等。通过这些控制电路的连接构成了完整的电路，系统的方框图如图1-4所示。图1-4 系统的方框图由于在本次设计中采用单片机为核心控制器，下面对单片机的概况进行介绍以便使人们能更多的了解单片机的功能以及使用单片机做核心控制器的好处。1.3 单片机的介绍单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。片内含有CPU、ROM、RAM、并口I/O、定时/计算机、A/D、D/A、中断控制、系统时钟及系统总线等。它的体积
11、小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的主要区别。 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。为了适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机有多种衍生产品，每种产品的处理器内核都是一样的，知识存储器和接口的配置及封装不同。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 目前单片机渗透到我们
12、生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用；2.在工业控制中的应用；3.在家用电器中的应用；4.在计算机网络和通信领域中的应用；5.单片机在医用设备领域中的应用。 第2章 硬件电路的设计硬件电路是一个系统的重要部分，在本次设计中主要是以AT89S52为核心控制器，外加一些控制电路来实现数字钟的基本功能。下面分别介绍各个控制电路的功能及其工作原理。2.1 AT89S52的介绍2.1.1 AT89S52的性能特点单片机是微机的一个分支，在原理和结构上
13、，单片机与微型机之间不但没有根本性的差别，而且微型机的许多技术与特点都被单片机继承下来了。所以可以用微型机的眼光来看待单片机，用微型机的思路学习单片机。在本次的设计中所用的AT89S52单片机其主要性能如下：l(1)与MCS-51单片机产品兼容；l(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器；l(3)1000次擦写周期； (4)全静态操作：0Hz33Hz； (5)三级加密程序存储器；l(6)32个可编程I/O口线； (7)三个16位定时器/计数器；l(8)八个中断源； (9)全双工UART串行通道； (10)低功耗空闲和掉电模式；l(11)掉电后中断可唤醒； (12)看门狗定时器；l(13)双
14、数据指针； (14)掉电标识符；AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。它具有串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结
15、，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.1.2 AT89S52的外部引脚及功能单片机的引脚有多种，如40脚封装的双列直插式DIP结构、44脚封装的PLCC结构、44脚封装的TQFP结构，在这里使用的是40脚封装的双列直插式DIP结构的单片机，40个引脚中，正电源和地线2个引脚，外置石英震荡器的时钟线2个引脚，4组8位共32个I/O接口，中断口线与P3口线复用，控制引脚4个，其引脚图如2-1所示。下面对这些引脚的功能加以说明。图2-1 AT89S52的引脚图VCC：电源GND：地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写
16、“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2E
17、X），具体如表2-1所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表2-1 P1口引脚的第二功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存
18、储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表2-2所示。在
19、flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表2-2 P3口引脚的第二功能引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2（外部中断0）P3.3 (外部中断1)P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7(外部数据存储器写选通)RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期，高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（A
20、LE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN：是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部
21、代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.2 时钟电路的设计AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟源驱动器件，XTAL
22、2可以不接，而从XTAL1接入，由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。反相放大器的输入端为XTALl，输出端为XTAL2，两端连接石英晶体及两个电容形成稳定的自激振荡器。电容通常取30PF左右。振荡频率范围是1.212MHz。如图2-2(a)所示。（a）振荡电路 (b)AT89S52的时钟芯片图2-2 时钟电路晶体振荡器的振荡信号从XTAL2端输出到片内的时钟发生器上。时钟发生器为二分频器。向CPU提供两相时钟信号P1和P2。每个时钟周期有两个节拍(相)P1和P2，CPU就以两相
23、时钟P1和P2为基本节拍指挥AT89S52单片机各部件协调工作。图2-2(b)给出片内时钟发生器原理。在本次设计中取石英晶体的振荡频率为12MHz。2.3 复位电路的设计单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC0000H，使单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚接通电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以我们必须弄清楚MGS-51型单片机复位的条件、复体电路和复位后状态。 单片机复位的条件是：必须使RST引脚(9)加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，每个机器周期为1s，则只需2
24、s以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位电路如图2.3所示。图2-3(a)图为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RST端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RST的电位逐渐下降。只要保证RST为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。上电复位电路的特点是很方便，当有电源接通给单片机时，此电路就可以自动产生复位信号。图2-3(b)图为按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图 (b)中的RST键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平。按键复位电路的特点就是上电以后，可以随时通过按
25、键来发出复位信号。该电路除具有上电复位功能外。这对系统的可控性是很有帮助的。在本次设计中采用上电复位。 （a）上电复位电路 （b）按键复位电路图2-3 复位电路2.4 实时控制电路的设计 在本次设计中采用DS1302为实时控制芯片，并接备用电源以使在外接电源断电时其控制电路仍在计时。2.4.1 DS1302的介绍 DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24或12小时格式
26、。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线(复位)、I/O (数据线)、SCLK(串行时钟)。时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302 是由DS1202改进而来增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供应，VCC1为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。下面将主要的性能指标作综合介绍：1.实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力还有闰年调整的能力；2.
27、 318位暂存数据存储RAM；3.串行I/O口方式使得管脚数量最少；4.宽范围工作电压：2.05.5V；5.工作电流：2.0V时，小于300nA；6.读/写时钟或RAM 数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式；7.8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配；8.简单3线接口；9.与TTL兼容Vcc=5V；10.可选工业级温度范围：-40V+85V；11.与DS1202兼容；12.在DS1202基础上增加的特性；（1）对VCC1有可选的涓流充电能力；（2）双电源管脚用于主电源和备份电源供应；（3）备份电源管脚可由电池或大容量电容输入；（4）附加的7字节暂存存储器。2.4.2
28、 DS1302的结构 DS1302是8引脚的DIP封装，它的管脚排列和引脚描述如图2-4和表2-3所示 。表2-3 DS1302引脚功能引脚功能X1 X232.768KHz 晶振管脚GND地/RST复位脚I/O数据输入/输出引脚SCLK串行时钟VCC1,VCC2电源供电管脚（a）DS1302 8-PIN DIP（300MIL）(b) DS1302内部结构图图2-4 DS1302的引脚及内部结构图2.4.3 DS1302的工作原理1. DS1302的控制字节DS1302的控制字节如图2-5所示。DS1302的一次数据传送是从发送控制字节开始的。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果该位为
29、0，则无法把数据写入到DS1302中；位6表示要读写的数据类型，为0表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示要操作单元的地址；最低有效位(位0)表示命令类型，为0表示要进行写操作；为1表示要进行读操作。控制字节总是从最低位开始输出。1RAM A4A3A2A1A0RD 图2-5 DS1302的控制字节2. DS1302 的复位特征和时钟控制要求复位() 输入有两种功能：首先，用于接通控制逻辑，允许地址/ 命令序列送入移位寄存器；其次，用于终止单字节或多字节数据的传送。当为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302 进行操作。如果在传送过程中置为低电平,则会终止此次数
30、据传送，并且I/ O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC 2.0之前，必须保持低电平。另外，当为高电平时，SCLK必须为低电平。向DS1302 写入数据时，数据在控制字节输入后的下一个SCLK周期的上升沿被写入，多余的SCLK将被忽略。数据写入时从低位(位0)开始；同样，从DS1302读取数据时，数据在紧跟控制字节后的下一个SCLK的下降沿读出，读出数据时也是从低位(0位)到高位(7位)，只要保持高电平，额外的SCLK将导致数据字节的持续读出，这个特性用于实现该芯片的突发读模式。数据读写时序如图2-6所示。突发模式下，可以一次性读出所有日历时钟数据或RAM数据。图2-6 DS1302 的读写时
31、序2.4.4 实时控制电路图 DS1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码格式。还有控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM 单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为COHFDH，其中奇数为读操作,偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。如图2-7所示，只需要3根线就可以实现和微控制器的接口，控制相
32、对比较容易。为了使时钟在掉电状态下继续工作，则要在实时控制系统中加备用电源。其备用电源为3.6V。图2-7 实时控制电路2.5 显示电路设计显示电路是整个电路的输出部分，显示电路有数码管显示和液晶显示，数码管显示需要专门的驱动，增大了硬件电路，调试不易。而且用数码管表示不够直观。而单片机控制液晶显示，控制部分集成在单片机内，使用软件调试，硬件集成度大。因此在本次设计中采用液晶显示。LCD是液晶显示器（Liquid Crystal Display）的缩写，液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，而达到白底黑字或黑底白字显示目的。液晶显示
33、器具有功耗低、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用。2.5.1 LCD显示模块在实际应用中，用户很少直接设计LCD显示器驱动接口，一般是直接使用专用的LCD显示驱动器和LCD显示模块。其中，LCD显示模块LCM（Liquid Crystal Display Module）是把LCD显示器、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构成一个整体，作为一个独立的部件使用，具有功能较强、易于控制、接口简单等优点，在单片机系统中应用较多。其内部结构如图2-8所示。LCD显示模块只留一个接口与外部通信。显示模块通过这个接口接收显示命令和数据，并按指令和数据的要求进行显示。外部电路通过这个接口读出显示模块的工作状
34、态和显示数据。LCD显示模块一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以进行显示。LCD显示模块按功能显示可分为：LCD段式显示模块、LCD字符型显示模块、LCD图形显示块三类。液晶显示器因其功耗低、重量轻而成为便携式应用中的主流显示技术。这里所用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等。液晶显示有点振式和字符式两种，在这里采用字符式液晶显示器1602来实现显示电路的功能。图2-8 LCD显示模块的内部结构2.5.2 1602的引脚功能1602是一个集成芯片，它内部集成了液晶显示的驱动电路
35、，因此在使用该芯片时不要再用外部驱动电路。它是一个有16个引脚的芯片，其引脚图如图2-9所示。引脚功能如表2-4所示。图2-9 1602的引脚图1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形。它的内部控制器有十一条指令，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。表2-4 1602显示器引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2双向数据口2VDD电源正极10D3双向数据口3VL对比度调节11D4双向数据口4RS数据/命令选择12D5双向数据口5R/W读/写选择13D6双向数据口6E模块使能端14D7双向数据口7D0双向数据口
36、15BLK背光源地8D1双向数据口16BLA背光源正极指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置。I/D：表示光标移动方向，高电平右移，低电平左移；S：表示屏幕上所有文字是否左移或者右移；高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示；C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位。S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令6：功能设置命令。DL：高电平时
37、为4位总线，低电平时为8位总线；N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示；F：低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。 指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址。BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令10：写数据。指令11：读数据。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。2.5.3 显示电路的原理图 由于1602液晶显示器是本身带有驱动模块的
38、液晶屏，它只有并口线和一些控制线，与单片机的连接有两种不同的方法，直接访问方式和间接访问方式。1.直接访问方式就是微处理器把液晶显示模块当作存储器或I/O设备直接挂在总线上，模块8位数据总线与微处理器的数据总线相连，用读操作或写操作信号与地址信号共同产生控制信号。2.间接控制方式是指把液晶显示模块作为外接设备接在并行接口上，通过对并行接口的操作间接控制液晶显示模块，适用于片内含存储器而又不需要扩展的单片机系统。在本次设计中采用间接控制方式，模块数据总线与单片机的P0口相连，用P2口作其控制线，则显示电路如图2-10所示。图2-10 显示电路2.6 校时、定时电路的设计校时、定时电路主要靠键盘来
39、控制。键盘是一组按键的集合。它是嵌入式计算机系统中不可缺少的外围电路。是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机输入程序、置数、逻辑操作以及写入程序和程序检测等。2.6.1 键盘的工作原理常用的键盘有译码方法，分为编码式键盘和非编码式键盘两种。按连接方式，可分为独立式和矩阵式两种。编码式键盘其键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生相应的编号或键值。常见的有ASCII码键盘、BCD码键盘等。而非编码式键盘闭合键的识别是由软件来实现，主处理器由软件控制周期性地对键盘进行扫描，查询是否有键闭合，有闭合则跳至相应的软件处去执行，无闭合则继续执行。这样一来，难免处理器在此浪费时间而降低了工作效
40、率。由于编码式键盘的价格低，所以目前小型的嵌入式系统常常使用非编码式键盘。目前无论是按键还是键盘，绝大部分是利用了机械触点的合、断作用。机械触点由于弹性作用的影响在闭合和断开瞬间均有抖动过程，而使电压信号出现抖动，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510ms。因此，按键与按钮电路设计中关键要考虑的就是按键去抖动问题（简称“去抖”），一般有硬件去抖和软件去抖两种方式。过去硬件去抖电路通常采用分立元件或触发器实现，目前市场上已有硬件去抖专用接口芯片，例如：MAXIM公司MAX68166818，均为单电源供电，电压为2.75.5，分别为单输入、双输入和八输入，输出端具有欠压锁定功能。这里考虑
41、到系统的硬件简化和成本没有采用硬件去抖，而采用软件去抖。2.6.2 校时、定时电路设计根据运用场合不同，按键的多少不定，一般情况下当按键不大于5个时，采用独立连接方式，所谓独立就是每一个按键都有一根独立的数据线连接至单片机的一个I/O口。在按键较多的情况下为了节省单片机I/O口的使用，通常采用矩阵式键盘。由于在本次设计中只用了5个按键，则采用独立连接方式，连接图如图2-11所示。图2-11 校时和定时电路2.7 报时器的设计报时是数字钟的一个重要功能，报时器可用蜂鸣器和扬声器来实现，为了使其报时效果更好这里采用扬声器播放音乐来实现其报时功能。要使扬声器能在整点报时必须要有音频放大器来驱动扬声器
42、才能工作。在这里采用LM386音频放大器。 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地为参考，同时输出端电压为电源电压的一半，在5V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。引脚图如图2-12所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；对增益要求不高时可以去掉不接，此时的增益内置为20。使用时在引脚7和地
43、之间接旁路电容，通常取547F。工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半，在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。增大这个电容的容量，能减缓直流基12345678Gain-Input-InputGNDGain BypassVccOutputLM386图2-12 LM386的引脚图准电压的上升、下降速度，可有效抑制噪声。它的电子特性如下： 1.静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电； 2.工作电压范围宽：412V或518V。LM386-1和LM386-3的电源电压为412V，LM386-4的电源电压为518V； 3.外围元件少；
44、4.电压增益可调范围为：20200； 5.低失真度；在这里的采用增益为20的电路，其输入端与单片机的P3.7口相连，输出端接内阻为8欧姆的扬声器，则报时器的连接图如图2-13所示。图2-13 报时器电路图2.8 电源的设计稳压电源是单片机系统的重要组成部分，它不仅为系统提供多路电压源，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。一个稳压电源输出电压和最大输出电流决定于所选三端稳压器。在本次设计中采用+5V电压所以选用H7805稳压器。它的主要特点如下：1.输出电流可达1A 2.输出电压有：5V 3.过热保护 4.短路保护 5.输出晶体管SOA保护光靠一个稳压器还不行，还需要有电融或电阻与其连接才能
45、得到较稳定的+5V电压。220V电压必须经过整流才可接到稳压器的输入端，则整个电源电路可分整流、滤波、稳压三部分。电路图如图2-14所示。图2-14 电源电路整流部分为桥式整流电路，其桥式整流电路的工作原理如下：E为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成E、Dl、后接负载、D3通电回路，在后接负载上形成上正下负的半波整洗电压，E为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成E、D2、D4通电回路，同样在后接负载上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，结果在后接负载上便
46、得到全波整流电压。从图2.14中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。滤波部分为带极性的电容，如图2.14中电容E2即为滤波电容其值取2200uF。稳压部分接三端稳压集成芯片H7805，能输出5V稳压电源， 电容C0来抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，一般小于1uF。用E3消除输出电压中的高频噪声，并有滤波的作用。另外，二极管D5起保护作用。第3章 系统软件设计单片机的程序设计有其自身的特点。在单片机系统中，硬件与软件紧密结合，由于硬件电路的设计不具有通用性，所以必须根据具体的硬件电路来设计对应的软件，硬件设计的优劣直接影响到软件设计的难易，软件设计的优劣又直接影响到硬件的发挥。在很多时候，软件可以替代硬件的功能，当然，需要付出额外占用CPU时间的代价。软件程序的设计是根据硬件电路图的连
