赵亮 尹书杨
（大连理工大学 电信学院 116023）
摘要：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。
关键词：实时时钟日历 单片机 DS1307 DS18B20 LCD1602
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。
图2 单片机主控电路
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。
图3 实时时钟日历电路
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。
图4 温度传感器电路
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。
图5 闹铃电路
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。
图6 键盘电路
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
电路连接如图7。
图7 液晶显示电路
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。
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图8 系统软件流程图
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。
参考文献：
[1] DS1307 datasheet http://www.maxim-ic.com.cn/pdfserv/en/ds/DS1307.pdf
[2] DS18B20 datasheet http://www.maxim-ic.com.cn/pdfserv/en/ds/DS18B20.pdf
[3] 谢瑞和. 串行技术大全. 北京：清华大学出版社,2003
[4] 求是科技. 单片机典型模块设计实例导航. 北京: 人民邮电出版社,2004
Multifunctional Digital Clock Based on DS1307
Zhao liang
(Dalian University of Technology Telecommunication. Institute 116023)
Abstract：This paper uses AT89S52 MCU as the control unit and real time clock chip DS1307 compose a multifunctional digital clock system and adopt digital thermometer DS18B20 to get temperature. Introduced the whole hardware compose framework principle and the design of software. The system can display real time calendar and temperature information and adopt LCD1602 as display component. The software program is compiled by C language convenient for replant and upgrade.
Keywords：Real-Time Clock MCU DS1307 DS18B20 LCD1602
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