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第二章电子时钟设计方案分析
电子闹钟既可以通过纯硬件实现，也可以通过软硬件结合实现，根据电子时钟里的核心部件——秒信号的产生原理，通常有以下两种形式：
二.1NE555时基电路设计方案
555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5KΩ的电阻而得名。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555。
目前，流行的产品主要有4种：
BJT两个：
555，556（含有两个555）；
CMOS两个：
7555，7556（含有两个7555）。
555定时器的电源电压围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等领域[5]。
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，可构成电子钟。
由555构成的秒脉冲发生器电路见图2.1。
输出的脉冲信号V0的频率F为：
式（2.1）
可通过调节式2.1中的3个参数，使输出V0的频率为精确的1Hz。
图2.1基于５５５的秒脉冲发生器
采用555定时器设计电子时钟，成本低，容易实现。
但是受芯片引脚数量和功能限制，不容易实现电子时钟的多功能性。
二.2单片机设计方案
单片机（常用英文字母的缩写MCU表示）是微型机的一个主要分支，它在结构上的最大特点使把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。
就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。
单片机具有如下特点：
有优异的性能价格比；
1集成度高、体积小、有很高的可靠性；
2控制功能强；
3低功耗、低电压，便于生产便携式产品；
4外部总线增加了I2C、SPI等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构；
5单片机的系统扩展、系统配置较典型、规，容易构成各种规模的应用系统。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应于仪器仪表、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传统。
利用单片机的智能性，可方便地实现具有智能的电子钟设计。
单片机均具有时钟振荡系统，利用系统时钟借助微处理器的定时器/计数器可实现电子钟功能。
然而系统时钟误差较大，电子钟的积累误差也可能较大，所以可以通过误差修正软件加以修正，或者在设计中加入高精度时钟日历芯片，以精确时间。
另外很多功能不同的单片机是兼容的，这就更便于实现产品的多功能性。
第三章基于单片机的电子时钟硬件设计
在比较了第二章的两种实现方案之后，考虑单片机具有体积小、质量轻、价格便宜、功耗低、控制能力强以及运算速度快速等优点，故采用单片机作为本设计的硬件基础。
由于该部分是由另一同学负责完成，我将只在这部分介绍各器件选择和简单的电路，不进行详细的解释。
三.1主要IC芯片选择
三.1.1微处理器选择
目前在单片机系统中，应用比较广泛的微处理器芯片主要为8XC5X系列单片机。
该系列单片机均采用标准MCS-51核，硬件资源相互兼容，品类齐全，功能完善，性能稳定，体积小，价格低廉，货源充足，调试和编程方便，所以应用极为广泛。
AT89S52单片机是一款低功耗，低电压，高性能CMOS8位单片机，片含8KB（可经受1000次擦写周期）的FLASH可编程可反复擦写的只读程序存储器（EPROM），器件采用CMOS工艺和ATMEI公司的高密度、非易失性存储器（NURAM）技术制造，其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。
片的FLASH存储器允许在系统可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。
因此，AT89S52是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用在各个控制领域[6]。
AT89S52具有以下主要性能：
1.8KB可改编程序Flash存储器；
2.全静态工作：
0——24Hz；
3.256×
8字节部RAM；
4.32个外部双向输入/输出（I/O）口；
5.8个中断优先级；
3个16位可编程定时计数器；
6.可编程串行通道；
7.片时钟振荡器。
此外，AT89S52是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式——空闲方式（IdleMode）和掉电方式（PowerDownMode）。
在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。
在掉电方式中，片振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片RAM中的容，直到下一次硬件复位为止。
图3.1AT89S52芯片PDIP封装引脚图
AT89S52为适应不同的产品需求，采用PDIP、TQFP、PLCC三种封装形式，本系统采用双列直插PDIP封装形式，如图3.1。
3.1.1.1常用时钟日历芯片比较
在电子时钟设计中，常用的实时时钟芯片有DS12887、DS1216、DS1643、DS1302。
每种芯片的主要时钟功能基本相同，只是在引脚数量、备用电池的安装方式、计时精度和扩展功能等方面略有不同。
DS12887与DS1216芯片都有嵌式锂电池作为备用电池；
X1203引脚少，没有嵌入式锂电池，跟DS1302芯片功能相似，只是相比较之下，X1203与AT89S52搭配使用时占用I/O口较多。
DS1643为带有全功能实时时钟的8K×
8非易失性SRAM，集成了非易失性SRAM、实时时钟、晶振、电源掉电控制电路和锂电池电源，BCD码表示的年、月、日、星期、时、分、秒，带闰年补偿。
同样，DS1643拥有28只管脚，硬件连接起来占用微处理器I/O口较多，不方便系统功能拓展和维护。
故而从性价比和货源上考虑，本设计采用实时时钟日历芯片DS1302。
3.1.1.2DS1302简介
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟日历芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI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和RAM数据。
实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。
工作电压宽达2.5～5.5V。
采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
有主电源和备份电源双引脚，而且备份电源可由大容量电容（＞1F）来替代。
需要强调的是，DS1302需要使用32.768KHz的晶振。
3.1.1.3DS1302引脚说明
DS1302引脚如图3.2。
图3.2DS1302芯片引脚图
其的引脚功能参照表3.1。
表3.1DS1302引脚功能说明
引脚号
名称
功能
1
VCC1
备份电源输入
2
X1
32.768KHz晶振输入
3
X2
32.768KHz晶振输出
4
GND
地
5
RST
控制移位寄存器/复位
6
I/O
数据输入/输出
7
SCLK
串行时钟
8
VCC2
主电源输入
三.1.2环境温度传感器选择
3.1.2.1常用温度传感器比较
在日常生活中和工农业生产中常要用到温度检测及控制，传统的测温元件有热电偶和热电阻，一般用来测量中高温，输出的是电压，将其转换成对应的二进制温度码值，需要较多的硬件支持，硬件电路复杂，软件调试较为复杂，制作成本高。
另外，采集环境的温度也可采用IC化的温度传感器。
常用的此类温度传感器有AD590和DS18B20。
AD590测量到不同温度之后，将把应温度转化为线性电流输出，为1μA/K，正比于热力学温度。
该传感器宽量程，为-55～+150℃；
精度高，激光校准精度到±
0.5℃；
电源围宽：
+4～+30V。
AD590优点很多，但是由于它只能将采集来的温度转化为电流输出，所以在实际应用中，需要先将AD590输出的电流转化为电压，再利用A/D转换元件进行模/数转换，将模拟量转化为数字量，最后送入单片机中[12]。
与AD590不同的是，DS18B20数字温度传感器能直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理，既节省了硬件，又有效避免了模拟方式的干扰问题。
它还具有微型化、低功耗、高性能、等优点。
通过编程，DS18B20可以实现9～12位温度读数，信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从单片机到DS18B20仅需要连接一条线。
读、写和完成温度变换所需的电源可由数据线本身提供，而无需外部电源。
测量围为-55～+125℃，增量值为0.5℃。
电源电压围为+3.0～+5.5V。
通过编程，用户还以自行设定告警上下限温度，告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出预设告警界限的器件。
3.1.2.2DS18B20简介
DS18B20是美国Dallas公司生产的基于单线（1-wire）技术的数字温度传感器芯片。
其管脚分布如图3.3。
图3.3DS18B20引脚分布图
每片DS18B20在出厂时都设有唯一的产品序列号，此序列号存放在它的部ROM中，微处理器通过简单协议，就能识别这些序列号，因此多个DS18B20可以挂接于同一条单总线上，这允许在许多不同的地方放置温度传感器，特别适合于构成多点温度测控系统。
所以DS18B20多应用与HVAC环境控制，建筑物、设备或机械的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。
管脚功能描述参见表3.2。
表3.2DS18B20详细引脚功能描述
序号
引脚功能描述
地信号
DQ
数据输入/输出引脚；
开漏单总线接口引脚；
当被用在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
VDD
可选择的VDD引脚；
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
3.1.2.3DS18B20部结构
DS18B20的部结构主要由4部分组成：
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
配置寄存器为高速暂存存储器中的第5个字节。
DS18B20在工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值，其各位定义如表3.3所示。
其中，TM为测试模式标志位，出厂时被写入“0”，不能改变；
R0、R1是温度计分辨率设置位。
表3.3DS18B20配置寄存器结构表
BIT7
BIT6
BIT5
BIT4
BIT3
BIT2
BIT1
BIT0
TM
R1
R0
MSBLSB
其对应四种分辨率如表3.4所示，出厂时R0、R1被置为“1”，默认设置是12位分辨率，用户可根据需要给写配置寄存器以获得合适的分辨率。
表3.4配置寄存器与分辨率关系表
温度计分辨率/bit
最大转换时间/ms
9
93.75
10
187.50
11
375
12
750
温度信息的低位、高位字节容还包括了符号位S（是正温度还是负温度）和二进制小数部分，其具体形式如图3.4。
图3.4DS18B20温度值格式表
图3.3所示是12位分辨率的情况，如果配置为低分辨率，则其中无意义位为“0”。
在DS18B20完成温度变换之后，温度值与存储在TH和TL的告警触发值相比较。
由于这些是8位寄存器，所以9～12位在比较时忽略。
TH或TL的高位直接对应于16位温度寄存器的符号位。
如果温度测量的结果高于TH或低于TL，那么器件告警标志将置位，每次温度测量都会更新此标志位。
只要告警标志置位，DS18B20就将响应告警搜索命令，这也就允许单线上多个DS18B20同时进行温度测量，即使某处温度越限，也可以识别出正在告警的器件。
三.1.3显示器选择
3.1.3.1常用显示方式比较
时钟的显示方式有两种，即LCD液晶显示和LED数码管显示。
其中，数码管虽通过设置可以完成制作任务，但显示不够直观、提供信息量少，所以不采用此方式。
液晶LCD12864具有汉字显示功能的液晶显示器，来实现显示功能，能实现基本的显示信息，可以显示丰富的符号信息及文字提示信息。
3.1.3.2LCD12864简介
LCD12864是一种图形液晶显示器，它主要由行驱动/列驱动和128*64全点阵液晶显示器组成。
可完成图形显示，也可显示8*4个（16*16点阵）汉字。
具有以下特点：
1、电源：
VDD+5V，模块自带-10V负压，用于LCD的驱动。
2、显示容：
128（列）*64（行）点。
3、七种指令。
4、与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线。
5、工作温度：
0-60，
三.2电子时钟硬件电路设计
设计中以AT89S52芯片作为控制核心，采用LCD12864作为显示介质，DS1302实时时钟日历芯片完成时钟、日历的基本功能，ISD4004完成语音报时功能，同时利用DS18B20温度传感器测量环境温度；
另外，系统中还引用了红外遥控技术对相关参数进行控制。
整体框图参照图3.5。
图3.5多功能电子时钟硬件系统框图
三.2.1时钟电路设计
如图3.6，AT89S52单片机P2.6直接接DS1302的RST端，上电后，AT89S52的P2.6脚自动输出高电平。
P2.4作为串行时钟接口，P2.5作为时钟数据的I/O。
特别需要注意X1和X2两端连接的晶振Y1，该晶振频率为32.768KHz。
图3.6系统时钟电路
三.2.2环境温度采集电路设计
本设计中使用DS18B20温度传感器进行环境温度采集和转化。
如图3.7所示，AT89S52单片机的P2.7脚接DS18B20的I/O脚，作为数据的读入和写出口。
电阻R7作为DS18B20的I/O口的上拉电阻，在读时隙结束时，I/O引脚将通过此上拉电阻拉回至高电平。
图3.7系统环境温度采集电路
三.2.3显示电路
本设计中采用了LCD12864液晶显示屏为介质进行各种显示功能。
如图3.8。
图3.8显示电路图
三.2.4按键电路设计
根据功能需要，本时钟需要设置以下功能键：
设置键，加1操作键，减1操作键，退出键。
由于本设计中最多需要5个按键，若采用矩阵式键盘时会有按键浪费，故采用的是独立式键盘
其中K1、K2、K7为带自锁按键，每次按下后，其对应的P2.7、P2.6、P2.1管脚接地，从高电平被拉至低电平。
只有再次按下，按键弹出，与之连接的单片机管脚才会重新被拉回高电平。
K3、K4、K5、K6键为自动复位按键。
每次按下后，会自动弹出。
单片机管脚只有在按键按下时为低电平，按键弹出后重新恢复高电平。
按键功能参见表3.5。
表3.5按键功能表
按键
键名
属性
K1
SET
功能选择设置
自动复位
K2
UP
数值加一操作
K3
DOWN
数值减一操作
K4
OUT
退出
按键操作说明如下：
K1键：
在正常显示时间状态下，第一次按下后，开始校对秒，以后每次按下都会分别进入对分、时、闹铃分、闹铃时、日、月、年的校对状态。
K2键：
在校对状态下，每次按动该键，都会使相应校对位进行加1操作。
例如：
校对小时状态，每按一下，小时位加1，当加至小时最高值23时，再按K4键，小时位回0。
调分、秒、年、月、日与皆之相同，只是各位最高值不同。
K3键：
与K4键类似，不同之处是该键每次按下将使相应校对位进行减1操作。
K4键：
按下该键，返回时间显示状态并且不做任何改变。
三.2.5报时电路设计
该模块采用了ISD4004语音芯片。
电路如图3.9。
图3.9报时电路
三.2.6闹铃电路设计
闹铃音乐可以直接采用蜂鸣器闹铃，如当前时刻与闹铃时间相同，单片机向蜂鸣器送出高电平，蜂鸣器发声。
采用蜂鸣器闹铃结构简单，控制方便。
三.2.7复位电路设计
复位是单片机的初始化操作，以便使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
除了进入系统的正常初始化之外，当单片机系统在运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，也可按复位键重新启动。
RST端的外部复位电路有两种操作方式：
上电自动复位和按键手动复位。
上电自动复位是利用电容储电来实现的，如图3.10（a）所示。
上电瞬间，RC电路充电，RST端出现正脉冲，随着充电电流的减少，RST的电位逐渐下降。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
按键电平复位是相当于RST端通过电阻接高电平，如图3.10（b）所示；
按键脉冲复位，利用RC微分电路产生正脉冲，如图3.10（c）所示。
出于应用方便，本设计采用按键电平复位电路。
实际电路请参见附录，复位按键为K5。
表3.6单片机寄存器的复位状态表
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
TH0
PSW
TL0
SP
07H
TH1
DPTR
TL1
P1、P3
FFH
SCON
IP
×
000000B
SBUF
不定
IE
0×
00000B
PCON
B（NMOS）
TMOD
0000B（CHMOS）
a、上电复位b、按键电平复位c、按键脉冲复位
图3.13上电复位和按键复位电路
第四章电子时钟软件设计
C51单片机可以应用汇编语言和C语言进行编程。
，汇编语言与机器指令一一对应所以用汇编语言编写的程序在单片机里运行起来效率较高。
C语言程序可读性高，更便于理解。
本设计应用C语言进行编程。
该部分设计由我负责完成。
电子时钟的系统软件设计采用模块化设计方法。
整个系统由主模块、实时时钟模块、环境温度采集模块、显示模块、键盘扫描模块、红外遥控模块、语音报时模块和闹钟模块等各种功能模块组成。
四.1主程序设计
第一次上电，系统先进行初始化，LCD12864显示主画面初始画面问日期为“2007年07月10日星期三”，初始时间“23：
59：
30”，并开始走时。
主程序流程图如图4.1。
图4.1多功能电子钟主程序流程图
四.2子程序设计
四.2.1实时时钟日历子程序设计
该程序主要实现对DS1302写保护、充电，对年、月、日、时、分、秒等寄存器的读写操作。
在读写操作子程序中都执行了关中断指令，因为在串行通信时对时序要求比较高，而且在此是用I/O口软件模拟串行时钟脉冲，所以在通信过程中最好保证传输的连续性，不要允许中断。
其流程图如图4.2。
图4.2实时时钟日历子程序流程图
DS1302每次上电时自动处于暂停状态，必须把秒寄存器的位7置位0，时钟才开始计时。
如果DS1302一直没有掉电，则不存在此问题。
在进行写操作时，需要先解除写保护寄存器的“禁止”状态。
当用多字节模式进行操作时，必须写够8字节。
在编写此段程序前，必须对DS1302的控制字和读写时序,以及片寄存器进行了解。
4.2.1.1DS1302的控制字和读写时序说明
在编程过程中要注意DS1302的读写时序。
DS1302是SPI总线驱动方式。
它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。
要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。
DS1302的控制字如表4.1。
表4.1DS1302控制字（即地址及命令字节）
BIT3
BIT2
BIT1
BIT0
RAM
A4
A3
A2
A1
A0
RD
控制字的作用是设定DS1302的工作方式、传送字节数等。
每次数据的传输都
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