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基于单片机的智能电子钟系统设计
摘要
随着电子技术的快速发展，智能电子钟已经越来越受欢迎。我们通过以MSC—51单片机为核心控制芯片，结合DS12887时钟芯片、DS18B20温度传感器，利用74LS138译码器及7段数码管进行动态显示时间和温度，在调时模块中利用按键进行控制调时调分（先调时再调分）、在设置闹钟模块中利用按键进行设置闹钟，当时间到点利用蜂鸣器发声，同时可通过按键取消响声，根据数码管显示的时间，利用两个LED灯指示上下午，同时利用两个LED灯每隔半秒闪烁进行半秒提示。
关键词 MSC-51 DS12887 DS18B20 74LS138
前言
智能电子时钟是采用数字电路实现对时,分,秒及温度数字显示的装置，广泛用于个人家庭，车站，码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可或缺的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，智能时钟的精度远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能.例如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电器的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此,研究智能时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义
电子时钟的设计方法有多种，可用中小规模集成电路组成电子钟，也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟,还可以利用对单片机编程来实现电子钟。其中,利用单片机实现的电子时钟具有硬件结构简单、编程灵活、便于功能扩展等特点。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或者数码管显示技术.
1。系统总体设计思路
本次设计完成电子时钟时、分、秒的显示及环境温度测量等功能的基础上完成定时闹钟的功能，并利用LED灯指示上下午和半秒指示，硬件电路包括单片机最小系统电路、DS12887实时时钟芯片电路模块、74LS138和七段数码管显示模块、按键模块、DS18B20温度传感器模块、蜂鸣器报警电路模块，并利用keil2软件和proteus软件进行仿真。
图1系统基本结构框图
2. 单片机控制模块
本项目是基于MSC-51单片机为核心的智能电子钟系统的设计，通过MSC-51单片机控制各个模块,P0口一部分用来接独立式按键，当按键按下时系统产生中断，从而调用中断子程序控制实现各个功能，P0的一部分用来接74LS138译码器,用于控制点亮哪一位数码管，P3口用于接数码管的段码端，从而实现动态显示，P2口接了时钟芯片DS12887芯片作为定时作用，同时用P1口一部分接温度传感器DS18B20芯片作为温度测量，用P1口一部分接蜂鸣器,当闹钟到时发出声响.在MSC—51单片机外部还需加上晶振电路，复位电路和电源等一些基本电路。
图2 单片机组成结构及引脚图
图3 MSC-51单片机接线图
3. 定时模块
3。1实时时钟芯片DS12887
3.1。1 DS12887芯片的功能
(1) 内含一个锂电池，断电可以运行十年，并且不会丢失数据,时间功能正常运行。
(2) 可计时至2100年前的秒、分、时、星期、日、月、年等日历信息并带有闰年补偿功能。
(3) 可通过编程选择BCD码或者二进制数表示日历和定时闹钟.
(4) 可通过编程选择12小时或24小时制，12小时时钟模式带有PM和AM提示，此外还有有夏令时功能.
(5） 可选择MOTOROLA和INTEL总线时序。
(6) 内部共有128个RAM单元，这在常用的实时时钟中属于较大的。其中14个字节作为时钟和控制寄存器，114字节为通用RAM，所有ARAM单元数据都具有掉电保护功能。
(7) 可编程并选择的方波信号输出。
(8) 中断信号输出(IRQ）和总线兼容，定时闹钟中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。
（9）三种可供选择的中断方式 -时间性中断 —周期性中断 -时钟更新结束中断。
3。1.2 DS12887芯片的结构及原理
图6 DS12887引脚图
MOT（模式选择）：接VCC（+5V）时，芯片在MOTOROLA时序下工作，接GND(地)时，芯片在INTEL时序下工作。
SQW（方波信号）：通过15个分频器抽头中的13个提供方波输出。 AD0～AD7（双向地址/数据复用线)：数据和控制指令都通过此8个引脚来于单片机等控制器传输。
AS(地址选通输入):地址锁存引脚。
DS（数据选通或读输入）：该引脚有两种操作模式，视该芯片是出于MOTOROLA模式或者INTEL模式，当使用MOTOROLA时序时，DS是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；若为INTEL时序，DS称作（RD），RD与典型存贮器的允许信号（OE）的定义相同。
R/W（读/写输入）：R/W管脚同样也有两种操作模式.此引脚的两种模式与DS相似.
CS（片选输入）：在访问DS12887的总线周期内，片选信号必须保持为低。
IRQ（中断申请输入）：低电平有效,可作微处理的中断输入。没有中断条件满足时，IRQ处于高阻态。IRQ线是漏极开路输入，要求外接上拉电阻。
RESET（复位输出)：若要保证DS12887有效复位，必须让该脚保持低电平时间大于200ms.
3。1。3 DS12887芯片的寄存器
寄存器A
UIP：更新位。若UIP为1，实时时钟的更新转换发生的很快，而当UIP为0,更新转换至少在244µs内不会发生.
DV0，DV1，DV2：用于晶振和复位分频链的开启.
RS3，RS2，RS1，RS0：频率选择位，通过这四个位用户可以：
a 用PIE位允许中断；
b 用SQWE位允许SQAW输出；
c 二者同时允许并用相同的频率；
d 二者都不允许。
寄存器B
SET：此位为0，时间更新正常进行,每秒计数走时一次,当此位为1，时间更新被禁止,程序可对芯片进行初始化的操作和编程。 PIE：周期中断允许位,PIE为1，则允许以选定的频率拉低IRQ管脚，PIE为0，则禁止中断。
AIE：定时闹钟中断允许位，AIE为1，允许中断,否则禁止中断. UIE：更新结束中断允许位，AIE为1，允许中断，否则禁止中断. SQWE：方波允许位，置1选定频率方波从SQW脚输出；为0—时，SQW脚为低。
DM：数据模式位,DM为1表明为十进制数据，而0表明是BCD码的数据。
24/12:小时格式位，1表明24小时制,而0表明12小时制。 DSE:夏令时允许位,当DSE置1时允许两个特殊的更新，在四月份的第一星期日,时间从1:59：59AM时改变为3：00:00AM；在十月的最后一个星期日的1:59：59AM时改变为1：00：00AM.当DSE位为0,这种特殊修正不发生。
3。2时钟模块
本设计中的DS12887芯片AD0—AD7引脚与STC89C52芯片的P2口相连接。MOT引脚接地，为INTEL总线时序方式.因此R/W和DS引脚也为对应INTEL的操作模式。
4. 按键模块
独立按键K1-K4调节不同功能，K4键切换时分秒和闹铃时间的显示；K1键按一下调节时，再按一下调节分，再按一下结束,时间走动，K2键加一，K3键减一。
5-1键盘子程序流程功能是扫描按键，判断按下的是哪个键，然后具体调用该键的程序。如图所示4—3（其中50H里存储的是所需修改的时钟项)
（1） K4键程序主要完成定时模块和闹钟模块的切换,通过中断程序控制.
（2） K1键程序主要完成选位功能，通过判断（50H)单元中的内容取值，经过操作，具体判断出选中了那位。K1键对应的位选地址如表4-1所示，程序流程图如图4-4所示。
(3）K2键和K3键:
我们在K2键和K3键功能程序里设一个标志允许位，将该标志位置1表示K2键有效,完成加一功能，而将该标志位清零表示K3键有效，完成减一功能(如图4—5所示），跳到修改程序入口地址(如图4-6所示)，再将该位信号赋给累加器A，然后对该位时钟信号进行修改操作.
4。1修改时分位的流程
此处的退出指的是退出该修改程序，每按一次K2和K3键修改一次就退出判断有无键按下，当第二次按下K2或K3键后在第一次修改程序后的结果上进行累加或累减
（1） “时"修改程序
选中时位说明（51H)+03H是00H，然后判断是K2键有效还是K3键有效，如果是K2键有效,则对取出的十位内容进行加一操作，在将结果存入00H单元去显示（00-24），按下一次加一次，退出后等待第二次按下K2键进行累加(加到24重新赋0再加,依次循环）；如果是K3键有效，则对取出的十位内容进行减一操作，再将结果存入00H单元去显示(00—24）,按下一次减一次，退出后等待第二次按下K2键进行累减(减到0重新赋24再减，依次循环)如图4-7
(2）“分"修改程序
选中时位说明（51H）+03H是01H，然后判断是K2键有效还是K3键有效，如果是K2键有效，则对取出的十位内容进行加一操作，在将结果存入01H单元去显示（00-60),按下一次加一次，退出后等待第二次按下K2键进行累加(加到60重新赋0再加，依次循环）；如果是K3键有效，则对取出的十位内容进行减一操作，再将结果存入01H单元去显示(00—60），按下一次减一次，退出后等待第二次按下K2键进行累减（减到0重新赋60再减,依次循环）如图4-8
4.2闹钟报警系统
由于蜂鸣器的工作电流较大，所以利用一个三极管放大电流，蜂鸣器驱动原理图如图5—1所示，当单片机的P3。6引脚为高电平时，三极管截止，无电流通过蜂鸣器；反之导通，蜂鸣器响.在定时过程中，使P3.6输出高电平，蜂鸣器不响；当定时结束时，使P3.6输出低电平,蜂鸣器响，按下K4键,给一个脉冲,送到中断程序中，使P3.6输出高电平。
5。温度显示模块
DS18B20结构及原理
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻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
DS18B20结构框图
DS1820用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于—55℃的一个值.如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器(同样被预置到—55℃）的值增加，表明所测温度大于—55℃。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定,斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性.然后计数器又开始计数直到0,如果门周期仍未结束，将重复这一过程，DS1820 测温范围-55℃～+125℃,以0。5℃递增。
DS18B20工作原理图
DS18B20外接电源图
温度显示工作方式
温度传感器DS18B20的接法很简单，它的DQ引脚与MSC—51芯片的P1。7引脚相连接.这里只用到一个温度传感器,若要使用多个则只需将所有的DS18B20的I/O口接在一起即可,在具体操作时,通过读取每个芯片的内部序列号来识别
温度传感器模块
6. 项目总结
本次三片机三级项目,本小组对MSC-51单片机为核心的控制芯片，DS12887时钟芯片、DS18B20温度传感器，74LS138译码器及7段数码管进行了大量的资料查阅和研究工作，熟悉并掌握了上述芯片的基本功能和使用方法，将课本学习到的理论知识用于实践操作，熟悉了各种芯片之间的协同工作，和各种工作模块的组合思路.让我们对系统的应用单片机进行功能设计有了更深的体会。设计人员分工明确，培养了小组成员的团队协作意识和能力,期间也遇到了一些困难，例如我们在定时模块关于累加后如何实现单位的循环上遇到困难而最后我们运用计数重置成功解决了这一问题。普通的仿真软件的安装和学习也让我们耗费了大量的时间.本次三级项目让我们检验了课堂学习的成果,是一次很好的锻炼。
7.程序附录
＃include<reg51.h〉
＃include<absacc.h>
＃define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
/*七段共阴管显示定义＊/
//此表为 LED 的字模， 共阴数码管 0-9  -
uchar code dispcode［] = ｛0x3f，0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d，0x07，0x7f，0x6f，0x40｝；  //段码控制
/＊定义并初始化变量＊/
uchar seconde=0；//秒
uchar minite=0；//分
uchar hour=12； //时
uchar mstcnt=0；//定时器计数，定时100ms，mstcnt满10，秒加1
uchar shi=0；//闹铃功能
uchar fen=0；
uchar bjcs；//报警次数
sbit P1_0=P1^0;                 //second 调整定义
sbit P1_1=P1^1；                 //minite调整定义
sbit P1_2=P1^2;                 //hour
调整定义
sbit P1_3=P1^3;     //闹铃功能，调整时间
sbit L1=P1^6；     //调整半秒闪烁灯L1
sbit L2=P1^7；     //调整半秒闪烁灯L2
sbit P1_4=P1^4;    //关闭闹铃
sbit L3=P2^0； //调整上午指示灯L3
sbit L4=P2^1; //调整下午指示灯L4
/＊函数声明＊/
void delay(uint k ）；  //延时子程序
void time_pro( ）;      //时间处理子程序
void display( );       //显示子程序
void keyscan( ）;       //键盘扫描子程序
/*延时子程序*/
void delay (uint k）
｛
uchar j； //k=1,t=0。125ms
while（（k——)！=0)
   ｛
    for(j=0；j〈125；j++)
     ｛;}
   ｝
｝ 
/＊时间处理子程序＊/
void time_pro(void)
｛
 if（seconde==60）
 ｛
  seconde=0；
  minite++;
  if（minite==60）
  ｛
   minite=0;
   hour++；
   if（hour==24）
   ｛
    hour=0；
   }
  ｝
 ｝
}
/＊半秒延迟子程序＊/
void delay30s （void）
{
unsighed char i,j，k;
 for（i=50，i〉0，i—-) //1us＊50*100*100=0.5s
for（j=100，i>0，i-—）
for（k=100，i>0，i——）;
｝
/*半秒闪烁子程序＊/
void shanshuo30s （void）
{
L1=0； //P1^6 为低电平,点亮LED灯
delay30s（)；
L1=1； //P1^7 为高电平，灭LED灯
delay30s（）；
L2=0; //P1^6 为低电平，点亮LED灯
delay30s（）;
L2=1； //P1^7为高电平，灭LED灯
delay30s（）;
｝
/＊显示子程序*/
void display(void）
{
 if（P1_3==1）
 ｛
 P2=0XFE；
 P0=dispcode[seconde％10］；//秒个位
 delay(1)；
 P2=0XFD；
 P0=dispcode［seconde/10];//秒十位
 delay（1）；
 P2=0XFB；
 P0=dispcode［10]；//间隔符 —
 delay（1)；
 P2=0XF7；
 P0=dispcode［minite％10]；//分个位
 delay(1）；
 P2=0XEF;
 P0=dispcode［minite/10］；//分十位
 delay（1）；
 P2=0XDF；
 P0=dispcode[10］；//间隔符 -
 delay（1)；
 P2=0XBF；
 P0=dispcode［hour%10];//时个位
 delay（1）;
 P2=0X7F；
 P0=dispcode［hour/10];//时十位
 delay（1）；
 ｝
}
/*键盘扫描子程序＊/
void keyscan(void）
｛
 if(P1_0==0)//秒位的调整
 {
  delay(30);
  if(P1_0==0）
  {
   seconde++；
   if(seconde==60）
   {
    seconde=0;
   ｝
  }
  delay（250);
 ｝
 if（P1_1==0)//分位的调整
 ｛
  delay（30)；
  if（P1_1==0)
  ｛
   minite++;
   if（minite==60）
   {
    minite=0；
   }
  ｝
  delay（250)；
 ｝
 if（P1_2==0）//时位的调整
 ｛
  delay(30）；
  if（P1_2==0)
  {
   hour++;
   if(hour==24)
   ｛
    hour=0；
   }
  ｝
  delay(250）；
 ｝
}
/*上下午指示子程序＊/
void shangxia12h （void）
{
If(shi〈12）
L3=0； //P2^0为低电平，点亮LED灯
L4=1； //P2^1为高电平,灭LED灯
else
L3=1; //P2^0 为低电平，点亮LED灯
L4=0； //P2^1 为高电平，灭LED灯
/*定时闹钟＊/
void dingshi（void)
｛
 if（P1_3==0）    　　　　//按住P1_3BU不松，显示闹铃设置界面，分别按P1_2、P1_1设置闹铃时间.
 {
  P2=0XFE； // FE=1111 1110
  P0=dispcode［0］；//秒个位
  delay（1)；
  P2=0XFD; //FD=1111 1101
  P0=dispcode[0]；//秒十位
  delay（1）；
  P2=0XFB； //FB=1111 1011
  P0=dispcode[10］；//间隔符 —
  delay（1)；
  P2=0XF7； //F7=1111 0111
  P0=dispcode［fen%10］；//分个位
  delay（1)；
  P2=0XEF； //EF=1110 1111
  P0=dispcode[fen/10];//分十位
  delay(1）；

  P2=0XDF； //DF=1101 1111
  P0=dispcode[10］；//间隔符 —
  delay（1);

  P2=0XBF； //BF=1011 1111
  P0=dispcode［shi％10］；//时个位
  delay（1）；
  P2=0X7F； //7F=0111 1111
  P0=dispcode[shi/10]；//时十位
  delay（1）;
 ｝
 if(P1_2==0）//设定时
 ｛
  delay(30)；
  if(P1_2==0)
  {
   shi++；
   if（shi==24）
   ｛
    shi=0;
   ｝
  }
  delay(250)；
 }
 if（P1_1==0）//设定分
 ｛
  delay（30）;
  if（P1_1==0）
  {
   fen++;
   if(fen==60)
   ｛
    fen=0;
   ｝
  ｝
  delay(250）；
 ｝
 if（（hour==shi）＆(minite==fen)＆(seconde==0）)//闹铃时间到，报警十次。
 ｛
  for（bjcs=0;bjcs〈10；bjcs++）
  {
   P1_5=0；
   delay（500);
   P1_5=1；
   delay（500）;
  }
 ｝
}
/*主函数*/
void main（void)
｛
 P1=0XFF；
 TMOD = 0x11; //time0为定时器,方式1
 TH0=0x3c;    //预置计数初值，100ms
 TL0=0xb0；
// 3cb0=15536,(65536—15536）＊2us=100ms
 EA=1;    //总中断开
 ET0=1；    //允许定时器0中断
 TR0=1；    //开启定时器0
    while (1）
 {  
  keyscan（)；  //按键扫描
  dingshi（);//定时闹钟
  Shanshuo30s(）;//半秒闪烁
shangxia12h ()；//上下午指示
 ｝
}
void timer0（void） interrupt 1  //定时器0方式1，100ms中断一次
    ｛
  TH0=0x3c；   //手动加载计数脉冲次数
  TL0=0xb0;
  TMOD=0x11；
  mstcnt++；   //用于计算时间，每隔100ms加1
  if(mstcnt==10)//mstcnt满10即为一秒
  ｛
   seconde++；//秒+1
   time_pro（ ); //时间处理
   mstcnt=0; //对计数单元的清零，重新开始计数
  ｝      
  ｝