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基于单片机的定时闹钟设计
基于单片机的定时闹钟设计
摘要：
随着科技的快速发展和生活水平的不断提高，人们对时钟的精确度和实用性要求越来越高。
本定时时钟系统使用单片机AT89S52为主控芯片，由时钟芯片DS1302提供实时时间，采用LCD1602显示日期、时间和星期等信息；系统提供4个按键供人机交互，用户可根据需要修改时间和设置定时闹钟；实时时间和定时闹钟设置的时间一致时，系统会通过蜂鸣器发出警报声。
单片机数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化。
关键字：
定时闹钟；DS1302；LCD1602；AT89S52；蜂鸣器
DesignofAlarmClockBasedontheAT89S52
Abstract:
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyandthecontinuousimprovementoflivingatandards,therequirementforprecisionandpracticabilityoftheclockishigherandhigher.Thetimingalarmclockusessingle-chipmicrocomputerAT89S52asmaincontrolchip.TimeisprovidedbyclockchipDS1302,andLCD1602displayinformationsuchandate,time,andweek.Thesystemprovidesfourbuttonsforhuman-computerinteraction.Theusercanmodifythetimeandsetthealarmclocktimerwhentheyneed.Thesystemwillsendoutalarmthroughthebuzzerwhenrealtimeisthesameastimingalarm.SCMdigitalclockhavebeengreatlyimprovedinperformanceandstyle.
Keywords:
timingalarmclock,DS1302,LCD1602,AT89S52,buzzer
第1章绪论
1.1选题背景
随着大规模、超大规模集成电路技术的发展和计算机微型化的需要，把微型计算机的基本功能部件：
中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、定时器/计数器、中断系统等多种资源集成在一个半导体芯片上，使得一块集成电路芯片就能构成一个完整的微型计算机，这种集成电路芯片被称为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer），简称单片机[1]。
单片机技术发展十分迅速，产品种类也非常多。
自从1975年美国德克萨斯仪器公司的第一个单片机TMS-1000问世以来，迄今为止单片机技术已成为计算机技术的一个独特分支，在众多领域尤其是在智能仪器仪表、检测和控制系统中有着广泛的应用[1]。
随着科技的快速发展和生活水平的不断提高，人们对时钟的精确度和实用性要求越来越高。
单片机数字时钟具有设置时间、日期、星期的基本功能，并且能够显示年、月、日、时、分、秒、星期。
单片机数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，实践证明单片机数字时钟具有更加准确性、精密性等功能。
单片机具有集成度高、功能强、通用性好、特别是它能耗低、价格便宜、可靠性高、抗干扰能力强和使用方便等独特的优点，所以单片机现在广泛的应用到家用电器、机电产品、儿童玩具、机器人、办公自动化产品等领域。
1.2选题的目的和意义
定时闹钟设计可采用数字电路实现，也可以采用单片机来完成。
定时闹钟是用数字集成电路构成的，用数码管显示“时”，“分”，“秒”的现代计时装置。
若用数字电路完成，所设计的电路相当复杂，大概需要十几片数字集成块，其功能也主要依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现，焊接的过程比较复杂，成本也非常高。
若用单片机来设计制作完成，由于其功能的实现主要通过软件编程来完成。
那么就降低了硬件电路的复杂性，而且其成本也有所降低。
1.3论文主要内容
该论文研究的是基于单片机的定时闹钟设计。
设计的主要内容有以下3点：
1．能正确显示年、月、日、时、分、秒和星期的信息。
2．能够校正当前时间。
3．能够设置闹铃时间，并在设定时间发出警报声。
论文分别叙述从硬件和软件上实现该设计的过程。
第3章主要介绍设计实现需要解决的硬件问题。
依次介绍所使用的各种硬件的使用方法，并附上仿真电路图和文字说明。
第4章从软件的角度说明实现该设计需要解决的问题。
第2章系统总体设计
2.1系统设计需求
系统要求实现以下功能：
1．当电源接通时，系统能正确显示当前时间。
2．当前时间和日期与实时时间和日期有误差时，可以通过键盘调整当前时间和日期。
3．系统允许进行闹钟设置，开启闹钟功能时，当设置的闹钟时间与当前时间一致的时候，系统通过蜂鸣器发出警报声。
2.2系统设计思想
1．主控芯片选择
方案一：
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes
的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
方案二：
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系
统可编程Flash存储器。
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在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
另外，AT89S52可在线擦写，AT89C52不能。
综上所述，选择AT89S52作为本设计的主控芯片。
2．时钟电路选择
方案一：
采用AT89S52芯片内部时钟为系统提供时间，但从长远计时来看，
误差较大，走时不够精确，且不能提供日期星期等信息。
方案二：
采用DS1302实时时钟为系统提供准确的时间，以及星期和日期等
信息。
长时间的走时比较精确，且编程简单。
综上所述，采用方案二中的DS1302实时时钟芯片为系统提供时间、日期和星期等信息。
3．显示方式的选择
方案一：
LED数码管由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，
引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
主要用于楼体墙面，广告招牌，高档的DISCO、酒吧、夜总会、会所的门头广告牌等。
方案二：
液晶显示器，或称LCD，为平面超薄的显示设备，它由一定数量
的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。
液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐。
LCD显示比LED显示更加美观。
综上所述，采用显示友好的LCD为系统显示时间等信息。
2.3系统软件设计
本设计在Keil编程环境下，使用C语言进行编程的编辑。
编辑成功后，通过仿真软件Proteus进行仿真测试。
系统从实时芯片DS1302指定地址中读取时间，并将数据发送至AT89S52，然后编写显示指令并将数据发送至液晶显示屏LCD1602显示。
系统带有一个定时中断，定时中断每秒刷新液晶显示。
当有按键被按下时，系统的外中断被触发。
当设置闹钟的时候，系统持续从日历芯片DS1302读取时间但不在LCD上显示，而显示的是闹钟设置界面；当修改当前时间的时候，系统停止从DS1302读取时间。
当系统时间重新设置完毕或闹钟时间设置完毕后，确定刚才操作，系统将修改后的时间从AT89S52写入DS1302，并将闹钟时间存入缓存区，系统显示修改后的时间和日期。
2.4系统硬件需求
由章节2.2可知系统的主要硬件，另外，系统需要额外一些硬件，详细硬件清单如下：
主控芯片：
AT89S52
时钟芯片：
DS1302
液晶显示屏：
LCD1602
闹钟提示：
蜂鸣器
人机交互：
按键×4
晶振：
12KHz×1,32.678KHz×1
排阻：
7408
电容：
30pf×2,10uf×1
第3章系统硬件设计
3.1系统硬模块及功能
系统硬件模块主要分为以下几个模块：
1．主控模块：
控制其他子模块。
2．实时时钟模块：
为系统提供实时时间。
3．液晶显示LCD模块：
显示系统日期、时间和星期等信息。
4．控键模块：
用户通过控键进行人机交互，修改实时时间和设置闹钟时间。
5．闹钟模块：
在所设闹钟时间发出警报声。
3.2主控模块
AT89S52功能特性描述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k在系统可编程Flash存储器。
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。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，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内容被保护，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52的主要特性是：
1．与MCS-51单片机产品兼容
2．8k字节在系统可编程Flash存储器
3．1000次插写周期
4．全静态操作：
0Hz～33Hz
5．三级加密程序存储器
6．32个可编程I/O口线
7．3个16位定时器/计数器
8．8个中断源
9．全双工UART串行通道
10．低功耗空闲和掉电模式
11．掉电后中断可唤醒
12．时器
13．指针
14．掉电标识符
AT89S52引脚图如图3-1所示。
图3-1AT89S52引脚图
包括时钟电路和复位电路。
1．.时钟电路
利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡。
定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，如图3-2所示。
晶振可以在1.2～12MHZ之间任选，甚至可以达到24MHz，但是频率越高功耗也就越大。
和晶振并联的电容C1、C2的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。
当采用石英晶振时，电容可以在20～40pF之间选择[2]。
在设计印刷电路板（PCB）时，晶体和电容应尽可能与单机片芯片靠近，以减少引线的寄生电容，保证振荡器可靠工作[2]。
2．.复位电路
复位是单片机的初始化操作。
单片机启动运行时，都需要先复位，作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
因此，复位是一个很重要的操作方式。
但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。
单片机通电时，从初始态开始执行程序，称为上电复位。
单片机死机时，通过手工按“重启”键使其从初始态开始执行程序，称为手工复位。
复位条件：
复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作；但如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
图3-2振荡电路仿真
如图3-2所示，将一个手动开关与电阻串联后再和复位电容并联起来，当系统上电后，由于开关没有导通，还是一个基本的阻容复位电路，系统会可靠地复位。
如果在调试过程中需要对系统进行复位，这时不需要断电再接通电源，只需要按一下复位开关即可。
当复位开关按下后，电容被短路，在RESET脚上由于电阻分压会得到一个复位的高电平，达到复位效果。
3.3时钟电路模块
DS1302芯片是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的适时时钟芯片。
它的实时时钟电路提供秒、分、时、日、月、周和年的信息。
每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过指令设定为24或12小时格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信[1]。
DS1302的性能特性[11]：
1．实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数。
2．用于高速数据暂存的31×8RAM。
3．最少引脚数的串行I/O。
4．2.5～5.5V电压工作范围。
5．2.5V时耗电小于300nA。
6．用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节（脉冲方式）数据传送方式。
7．8引脚DIP或可选的用于表面安装的8引脚SOIC封装。
8．简单的3线接口。
9．TTL兼容。
DS1302的引脚排列如图3-3所示。
图3-3DS1302引脚图
DS1302引脚说明如表3-1。
表3-1DS1302引脚说明
引脚号
名称
功能
1
Vcc2
电源输入2
2
X1
32.768kHz晶振输入
3
X2
32.768kHz晶振输出
4
GND
地
5
RST
复位
6
I/O
数据输入/输出
7
SCLK
串行时钟
8
Vcc1
电源输入1
DS1302慢速充电时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM，它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。
实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。
对于小于31天的月，月末的日期自动进行调整，还包括了闰年校正的功能。
时钟的运行可以采用24小时或带AM（上午）/PM（下午）的12小时格式。
使用同步串行通信，简化了DS1302与微处理器的通信[2]。
与时钟/RAM通信仅需要3根线：
1．RST复位（实际上是当作片选线使用）。
2．I/O数据线。
3．SCLK串行时钟。
数据可以以每次一个字节或多达31字节的多字节形式传送至时钟/RAM或从其中送出。
DS1302设计成能在非常低的功耗下工作，消耗小于1uW的功率便能保存数据和时钟信息[2]。
时钟仿真电路图如图3-4所示。
图3-4时钟仿真电路
时钟仿真电路接口说明：
1．Vcc1：
与+5V电压输入端相连作为DS1302工作时的供电电源。
2．Vcc2：
接地。
3．晶振：
X1和X2直接和32.768kHz的晶振两端相连。
4．数字部分：
SCLK、I/O、RST分别与AT89C52的P2.0、P2.1、P2.2引脚相连。
3.4液晶显示LCD
3.4.11602字符型LCD简介
字符型LCD专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号。
这类显示器把LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器等做在一块板上，再与液晶屏一起组成一个显示模块。
因此，这类显示器的安装与使用都非常简单。
显示原理：
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对显示区域进
行控制，只要输入所需的控制电压，就可以显示出字符。
LCD能够显示字符的关键在于其控制器，目前大部分点阵型LCD都使用日立公司的HD44780集成电路作为控制器。
HD44780是集驱动器与控制器于一体，专用于字符显示的液晶显示控制驱动集成电路。
主要特点：
1．显示缓冲区及用户定义区的字符发生器CGRAM全部全部内藏在片内。
2．接口数据传输有8位和4位两种传输模式。
3．具有简单而功能很强的指令集，可以实现字符的移动、闪烁等功能。
HD44780的工作原理较为复杂，但它的应用却非常简单。
只要将待显示字符的标准ASCII码放入内部数据显示用存储器（DDRAM），内部控制线路就会自动将字符传送到显示器上。
例如，要LCD显示字符“A”，则只需将A的ASCII码41H存入DDRAM，控制线路就会通过HD44780的另一个部件字符产生器（CGROM）将A的字型点阵数据找出来显示在LCD上。
1602型LCD的主要技术参数如下：
1．显示容量：
16×2个字符
2．芯片工作电压：
4.5～5.5V
3．工作电流：
2.0mA（5.0V）
4．模块最佳工作电压：
5.0V
5．字符尺寸：
2.95×4.35（W×H）mm
1602型LCD引脚如图3-5所示：
图3-51602型LCD引脚图
引脚说明：
引脚1（GND）：
电源地
引脚2（VCC）：
电源正极
引脚3（VL）：
反视度调整，使用可变电阻调整，通常接地
引脚4（RS）：
寄存器选择，RS=1，选择数据寄存器；RS=0，选择指令寄存器
引脚5（R/W）：
读/写选择。
R/W=1，读；R/W=0，写
引脚6（E）：
模块使能端，当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令
引脚7～引脚14（D0～D7）：
双向数据总线的第0～7位
引脚15（BL+）：
背光显示器电源+5V（也可接地，此时无背光但不易发热）
引脚16（BL-）：
背光显示器接地
LCD仿真电路如图3-6所示。
图3-6LCD1602仿真电路图
时钟仿真电路接口说明：
1．LCD1602的双向数据总线第0～7位（D0～D7）分别与AT89S52的引脚P0.0～P0.7相连。
2．脚RS接P2.7，RW接P2.6，E接P2.5
3．引脚VDD接电源，引脚VSS和VEE均接地。
3.5键控模块
键盘的常用类型有独立式键盘，行列式键盘。
方案一：
采用独立式键盘
独立式键盘指每个按键按一对一的方式直接连接到I/O输入线上所构成的键
盘。
每一个按键对应AT89S52芯片的一个引脚，各键是相互独立的。
应用时，由
软件来识别键盘上的键是否被按下。
当某个键被按下时，该键所对应口线将由高电平变为低电平。
反过来，如果检测到某口线为低电平，则可判断出该口线对应的按键被按下。
所以，通过软件可判断出各按键是否被按下。
对于按键直接编码的独立式键盘，单片机可以直接读取I/O口的工作状态，
以获取键盘接口的直接状态值，根据状态值，就可以进行按键的识别。
独立式键盘的结构简单，按键的识别比较容易[10]。
独立式键盘的缺点是需要占用较多的I/O口线，当单片机应用系统中需要的
按键比较少或者I/O口线比较富余时，可以采用这种类型的键盘[10]。
方案二：
采用行列式键盘
行列式键盘是使用n条I/O线作为行线，m条I/O线作为列线，组成的键盘。
在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。
这样，键盘中按键的个数是m×n个。
它适合于构成按键数目比较多的键盘。
这种形式的键盘结构，能够有效地提高单片机系统中I/O引脚的利用率[10]。
由于行列式键盘的输入口的每条输入线都对应若干个按键，所以，不能像独立式键盘那样，靠键盘输入口的输入状态直接编码去识别按键，而需要更加复杂的按键编码[10]。
结合系统需求，由于系统只涉及4个按键，按键数量较少，加上独立式键盘编程灵活的优点，所以本系统采用独立式键盘为用户提供人机交互。
独立式键盘中，键盘有几个按键，键盘接口就需要相应的使用几根I/O口线。
在图3-7中，键盘接口使用了4根I/O口线，该键盘有4个按键。
这种类型的键盘，由于键盘的按键比较少，且键盘中各个按键的工作互不干扰。
因此，可以根据实际需要对键盘中的按键进行灵活的编程。
图3-7键盘仿真电路图
键盘仿真电路接口说明：
K1与AT89S52的引脚P1.0相连，K2接P1.1，K3接P1.2，K4接P1.5。
3.6闹钟模块
3.6.1蜂鸣器简介
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
市场上出售的一种小型蜂鸣器因其体积小（直径只有11mm）、重量轻、价格低、结构牢靠，而广泛地应用在各种需要发声的电器设备、电子制作和单片机等电路中。
有源蜂鸣器，高度9mm，而无源蜂鸣器的高度为8mm。
蜂鸣器实物图如图3-8所示。
长引脚为正极，短引脚为负极。
图3-8蜂鸣器实物图
3.6.2蜂鸣器仿真电路
图3-9蜂鸣器仿真电路
仿真电路接口说明：
蜂鸣器长引脚接P1.3，短引脚接地。
第4章系统软件设计
4.1系统软件设计概述
该部分主要分为实时时钟模块、液晶显示模块、键盘中断模块、闹钟模块。
实时时钟部分主要包括实时时间的读写，时间和日期的修改。
液晶显示模块主要包括显示屏的初始化，显示的命令字。
键盘中断模块包括各键的定义和作用，按键的消抖，各按键跳转的子程序分配。
闹钟模块包括闹钟时间的设置，以及对蜂鸣器启动和停止条件的设置和处理。
4.2主程序设计
主程序包含三个部分。
一是主函数部分，负责系统的初始化操作；从DS1302取得实时时间；判断闹钟时间是否与实时时间相等并在相等时发出警报声。
第二部分是定时中断部分，分两种情况：
负责处理从DS1302获得的时间数据并送至LCD1602显示缓冲显示，或者显示闹钟设置界面并显示闹钟时间的设置过程。
第三部分是外部中断，主要定义4个按键的作用，分配每一个按键跳转的子程序。
第三部分负责时间和日期的修改，闹钟时间的设置，停止蜂鸣器鸣叫的功能。
4.3单机片的中断系统
中断系统在单片机应用系统中起着十分重要的作用，是现代嵌入式控制系统广泛采用的一种适时控制技术，能对突发事件进行及时处理，从而大大提高系统对外部事件的处理能力。
正是有了中断技术，单片机才得以能够普及。
因此，中断技术是单片机的一项重要技术，掌握中断技术能开发出灵活、高效的单机片应用系统。
4.3.1中断源
要让单机片停止当前的程序去执行其他程序，需要向它发出请求信号，CPU接收到中断请求信号后才能产生中断。
让CPU产生中断的信号称为中断源（又称中断请求源）[4]。
单片机提供5个中断源，其中两个为外部中断请求源INT0（P3.2）和INT1（P3.3），两个片内定时器/计数器T0和T1的溢出请求中断源TF0和TF1，1个片内串行口发送或接收中断请求源T1和R1[4]。
4.3.2中断的优先级别
单片机内的CPU工作时，如果一个中断源向它发出中断请求信号，它就会产生中断。
但是，如果同时有两个中断源发出中断请求信号，CPU就会优先接收级别高的中断请求源，然后再接收优先级别低的中断请求。
表4-1列出5个独立中断请求源由其硬件结构决定的自然优先级排列顺序[4]。
表4-1单片机中断源的自然优先级、入口地址及中断编号
中断源
自然优先级
中断入口地址
中断编号
外部中断INT0
高
↓
低
0003H
0
定时器T0
000BH
1
外部中断INT1
0013H
2
定时器T1
001BH
3
串行口通信中断R1或T1
0023H
4
对应于单片机的5个独立中断源，应有相应的中断服务程序。
这些中断服务程序有专门规定的存放位置，即表4-1的中断入口地址。
当有了中断请求后，CPU可以根据入口地址迅速找到中断服务程序并开始执行，大大提高执行效率[4]。
4.4实时时钟模块
4.4.1DS1302数据操作原理
DS1302在任何数据传送时必须先初始化，把RST脚置为高电平，然后把8位地址和命令字装入移位寄存器，数据在SCLK的上升沿被输入。
无论是读周期还是写周期，开始8位指定40个寄存器中哪个将被访问到。
在开始8个时钟周期，把命令字节装入移位寄存器后，另外的时钟周期在读操作时输出数据，
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