1、基于DS12C887的多功能電子鐘設計的說明書摘要本系統名為基于DS12C887的多功能電子鐘，以STC公司的STC89C5xRC系列單片機作為主控芯片。采用了實時時鐘芯片DS12C887，走時精確，具有鬧鐘等多種功能。采用12864 LCD作為顯示輸出，可以同時顯示時間、日期、室溫、節日等內容，可視化的圖形菜單便于操作。同時采用了ISD4002語音芯片，實現了語音報時功能。一、方案的設計與選擇方案一：DS1302+數碼管這屆電子設計大賽其實在暑假前就已經開始，當時決定參賽的我在大賽的指定課題中選擇了電子鐘這個題目，并嘗試制作。我當時選擇的方案就是DS1302+數碼管。在暑假中我完成了這個設計

2、。基于數碼管+DS1302設計的多功能電子鐘應該說這個方案在電子鐘制作中應用最多。DS1302的使用非常方便，而且價格也不貴。而數碼管顯示的也很清楚，特別是顯示時間時很直觀。但在制作過程中我發現了這個方案的一些問題。DS1302是不自帶電池，雖然可以通過外接紐扣電池來達到斷電走時繼續的目的，但在實際調試中會發現這是比較困難的。因為DS1302上電需要復位，而復位就會把正確的走時清零。如果不復位，DS1302會出現各種各樣的問題，如不走時、讀出亂碼等。要解決這個問題需要增加如2402等存儲器，上電后先存儲時間值，再復位。這么做無疑增加了電路設計和軟件設計的復雜度。而使用數碼管顯示，雖然價格便宜，

3、顯示效果好，但多位的數碼管在動態掃描的時候會出現閃爍。如果少用幾位，用切換的方法查看日期，溫度等信息又顯得麻煩。方案二：DS12C887+液晶屏采用DS12C887作為實時時鐘芯片，12864 LCD作為顯示輸出。DS12C887不僅自帶鋰電池而且內部帶有晶振，無需外接，使用方便。走時精度較高，帶有自動閏年補償功能。12864 LCD顯示的信息量很大，可以同時顯示時間、日期、室溫、節日等信息，而且和單片機的接口簡單。但DS12C887價格較高，管腳多，占用的IO口較多，不適合IO口數量緊缺的系統。而12864液晶屏的顯示響應較慢，編程較為復雜。方案三：單片機定時器+數碼管這種設計如今基本已被淘

4、汰，最大的問題在于一旦斷電就無法繼續走時。而且由于是依靠軟件編程利用定時器實現走時，所以走時精度不高。當然這個方案也有它的優點，就是價格便宜。為了達到最好的走時顯示的效果，同時為了鍛煉自己我選擇了方案二實現多功能電子設計鐘。二、硬件設計1.總體方案為了實現精確時鐘走時，室溫顯示，語音報時功能，系統運用了DS12C887，DS18B20,ISD4002等芯片。采用了51內核的STC89C5xRC作為控制芯片，應用12864液晶顯示屏作為顯示輸出。系統硬件原理框圖如下：單片機實時時鐘電路室溫采集電路鍵盤輸入語音報時電路顯示電路2.單元電路設計2.1 控制模塊電子鐘對控制器的要求并不高，51系列的單

5、片機完全可以勝任?？紤]到下載程序的方便和價格等因素，我這次選擇了STC公司的51單片機作為系統的控制芯片。STC的STC89C5x系列全面兼容51單片機，價格便宜，抗干擾強。與其他51單片機相比它最大的特色是具有ISP下載功能，通過一片MAX232就可以很方便的實現程序的下載?？紤]到程序較大的問題最后我使用了STC89C54RC。單片機最小系統：2.2 液晶顯示模塊本設計采用了12864 點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊作為顯示輸出。此模塊的控制器為ST7920，可顯示漢字及圖形，內置 8192 個中文漢字（1616 點陣）、128 個字符（816 點陣）及64256點陣顯示RAM（GDRAM）

6、。可與 CPU 直接接口，提供兩種界面來連接微處理機：8-位并行及串行兩種連接方式。為了節省接口，我這次采用了串行連接方式，和單片機連接總共只需3根線，使用非常方便。此外，我還在對比度調整端加上了電位器，可以根據需要調節屏幕的對比度。液晶顯示模塊連接圖：2.3 實時時鐘模塊本設計采用DS12C887作為實時時鐘模塊芯片。DS12C887是美信公司生產的一鐘精確的實時時鐘芯片。在+25攝氏度的環境下運行每月誤差不超過1分鐘。內部集成了鋰電池和晶振，在沒有外部電源的情況下可工作10年。可計算到2100年前的秒、分、小時、星期、日期、月、年七種日歷信息并帶閏年補償。用二進制碼或BCD碼代表日歷和鬧鐘

7、信息。定時鬧鐘中斷輸出可以直接與單片機外部中斷相連，方便實現硬件鬧時中斷。此外DS12C887還有12和24小時兩種制式，12小時制式有AM和PM提示。而IO口支持MOTOROLA和INTEL兩種總線模式。本次設計采用MOTOROLA總線時序與單片機進行連接。使用時需將1腳懸空或接+5。實時時鐘模塊連接圖：2.4 室溫采集模塊室溫采集模塊中我們使用DS18B20來采集溫度信息。DS18B20應該說在如今的簡單溫度測量，溫度控制中使用最為廣泛的器件。它不同于普通的傳感器，輸出的是模擬量，需要通過ADC轉換來接口控制器。它是數字傳感器，可以直接輸出數字量，直接輸出溫度值給單片機，無需轉換和計算。相

8、比其他器件，DS18B20適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。測量溫度范圍55125，在-10+85時精度為0.5可編程的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現高精度測溫。在9位分辨率時最多在 93.75ms內把溫度轉換為數字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字，速度更快。此外DS18B20具有獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。室

9、溫采集模塊連接圖：2.5 語音報時模塊為了實現語音報時功能，使用的語音芯片就必須可以和控制器配合使用實現尋址錄放功能。而且還要滿足一定的存儲容量和分段數目的要求。在查閱了大量資料，做了大量比較、篩選的基礎上，我選擇了ISD4002這款語音芯片。美國ISD公司生產的4002系列單片語音錄放芯片采用直接模擬量存貯技術，音質好，信息存放在芯片內部FLASHRAM中，抗斷電，無需專用語音開發工具，能隨意更改內容。采用2.73.3V電源，耗電量低，具有120s的錄放時間，可以和單片機通過SPI串行接口通訊。ISD4002是2.73.3V供電，所以我用了一片KIA1117-3.3對輸入的5V電壓進行穩壓。

10、又由于ISD4002音頻輸出端的驅動能力較弱，所以我用L386在輸出端加了級語音放大電路，以驅動一個4W的小喇叭。而為是實現音頻的錄入，我在輸入端又加了咪頭以及相應的放大電路。語音報時模塊連接圖：三、軟件設計1.主程序本次設計以STC89C54RC單片機為控制器，在Keil uVision2開發環境中，采用C語言對單片機進行編程。主程序主要起導向和決策的作用，它控制整個系統協調穩定的運作。系統各種功能主要通過調用具體的底層驅動函數和子程序來實現。系統程序流程圖：開始鬧鐘提示，蜂鳴器響語音報時系統初始化有無按鍵按下時間調整按鍵1讀取時間、溫度、鬧鐘時間、溫度顯示判斷鍵值NOYES菜單按鍵6判斷選

11、項日歷鬧鐘設置返回定時器2外部中斷12.底層驅動函數2.1 12864 LCD底層驅動程序本次使用的12864 液晶模塊采用的控制器為ST7920，自帶漢字庫。支持并行、串行兩種數據傳輸方式。為了減少管腳的使用數量，我們采用了串行傳輸方式和單片機進行通訊。一個完整的串行傳輸周期由一下部分組成：首先送入啟動字節，送入 5 個連續的“1”用來啟動一個周期，此時傳輸計數被重置，并且串行傳輸被同步。緊接的兩個位指定傳輸方向（RW，確定讀還是寫）和傳輸性質（RS，確定是命令寄存器還是數據寄存器） ，最后的第八位是一個“0” 。 送完啟動字節之后，可以送入指令或是顯示數據（或是字型代碼） 。指令或者代碼是

12、以字節為單位的，每個字節的內容（指令或數據）在被送入時分為兩個字節來處理： 高四位放在第一個字節的高四位， 低四位放在第二個字節的高四位。無關位都補“0” 。串行通訊時序圖：12864 LCD的底層驅動分為驅動子函數和功能子函數（需要說明的是，后面的驅動程序都可以分成這兩種類型。前一種是最底層，硬件層，根據相應的協議，時序編程控制單片機引腳實現和單片機的通訊。后一種是功能層，是在前一種的基礎上加上相應的指令使之具有具體功能）。驅動子程序根據時序嚴格編寫就可以。功能子程序根據液晶模塊控制器ST7920的指令編寫，可以供主程序直接調用。ST7920控制器的指令分為基本指令和擴充指令兩種，不同指令的

13、組合既可以實現相應的功能。液晶模塊底層驅動的功能子函數共有以下7個。LcmInit(void)；/液晶復位函數LcmClearTXT(void)；/文字清除函數LcmClearBMP(void)；/圖片清除函數WriteCommand(unsigneg int);/ 寫命令函數PutStr(unsigned char row,unsigned char col,unsigned char *puts)；/字符顯示函數PutStrone(unsigned char row,unsigned char col,unsigned char *puts)；/字節顯示函數PutBMP(unsigned

14、char n,unsigned char m,unsigned char z,unsigned char y,unsigned char *put)；/圖片顯示函數在主程序中調用這些子程序，實現時鐘、溫度、圖標、菜單、文字提示信息在液晶屏上的顯示。部分代碼如下： /鬧鐘頁面LcmClearBMP();LcmClearTXT();PutBMP(16,2,0x90,0x82,Temp_Alarm);PutBMP(16,2,0x90,0x84,Temp_Alarm);PutStr(0,0,Show_alarm1);PutStr(2,0,Show_alarm2);PutStr(3,0,Show_bac

15、k);PutStr(3,6,Show_next);2.2 DS12C887底層驅動程序DS12C887是一款非常好用的時鐘芯片，由于數據是并行傳輸方式，所以操作十分簡單，對時序的要求也不是很嚴格。DS12C887與單片機的通信支持MOTOROLA和INTEL兩種總線模式。我們使用了MOTOROLA模式。共需AS、CS、DS、R/W四個端口。AS為地址選通輸入，CS為片選信號輸入，DS為數據選通脈沖，R/W為讀/寫輸入。對四個端口的具體操作要求如下：根據操作要求編寫相應的寫數據、讀數據函數就可以用單片機操作DS12C887了。DS12C887部分底層驅動代碼如下：void write_ds(uc

16、har add,uchar date)/在DS12C887相應地址寫入命令或數據cs=0;as=1;ds=1;rw=1;P1=add;as=0;rw=0;P1=date;rw=1;as=1;cs=1;uchar read_ds(uchar add)/讀出DS12C887的數據，如時、分、秒uchar ds_date;cs=0;ds=1;as=1;rw=1;P1=add;as=0;ds=0;P1=0xff;ds_date=P1;ds=1;as=1;cs=1;return ds_date;DS12C887的時鐘、日歷信息存放在對應的寄存器中，共有BCD和二進制兩種數據模式，根據需要對其進行讀寫操作

17、即可。在實際應用我們讀取的是二進制模式下的數據。DS12C887上電即可自動走時，不需要對其進行初始化。但必須注意的是，在首次使用DS12C887時，即使A、B寄存器的默認設置滿足使用要求也必須對其重新設置一遍，以后就不必了。2.3 DS18B20底層驅動程序DS18B20是一款單總線結構的數字傳感器，和單片機連接時僅需要一條口線即可實現單片機與DS18B20的雙向通訊。所以對DS18B20的操作時序要求就比較高了。根據DS18B20的通訊協議，單片機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位操作，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令

18、，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉500微秒，然后釋放，當DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。DS18B20的ROM、RAM指令如下：ROM指令表指 令 約定代碼功 能讀ROM33H讀DS1820溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址） 符合 ROM55H發出此命令之后，接著發出 64 位 ROM 編碼，訪問單總線上與該編碼相對應的 DS1820 使之作出響應，為下一步對該 DS1820 的讀寫作準備。 搜索 ROM0FOH用于確定掛接在同一總線上 DS1820 的個數和識別 64

19、位 ROM 地址。為操作各器件作好準備。 跳過 ROM0CCH忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 發溫度變換命令。適用于單片工作。告警搜索命令0ECH執行后只有溫度超過設定值上限或下限的片子才做出響應。RAM指令表溫度變換44H啟動DS1820進行溫度轉換，12位轉換時最長為750ms（9位為93.75ms）。結果存入內部9字節RAM中。 讀暫存器0BEH讀內部RAM中9字節的內容 寫暫存器4EH發出向內部RAM的3、4字節寫上、下限溫度數據命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節的數據。 復制暫存器48H將RAM中第3 、4字節的內容復制到EEPROM中。 重調EEPROM0B8H

20、將EEPROM中內容恢復到RAM中的第3 、4字節。讀供電方式0B4H讀DS1820的供電模式。寄生供電時DS1820發送“ 0 ”，外接電源供電 DS1820發送“ 1 ”。DS18B20共有9位、10位、11位、12位四種溫度精度，默認12位，我們使用了默認的12位。從DS18B20高速暫存存儲器讀取到的數據的第0個，第1個字節分別對應溫度值的低位和高位，處理后即可得到實際溫度值。DS18B20底層驅動部分代碼如下：/讀一個字節unsigned char ReadOneChar(void)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i0

21、;i-) DQ = 0; / 給脈沖信號 dat=1; DQ = 1; / 給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; delay2(5); return(dat);/寫一個字節void WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; delay2(5); DQ = 1; dat=1; delay2(5);2.4 ISD4002底層驅動程序ISD4002與單片機按SPI總線方式進行連接。由于51單片機不帶SPI總線接口。所以需要通過模擬SPI總線接口進行通

22、訊。SPI通訊時序如下：在實際編程中，為了降低程序復雜度，我沒有使用MISO來進行校驗，只是通過延時來控制時序。從應用效果來看，程序的穩定性還是很高的。ISD4002底層驅動部分代碼如下：void delayus(unsigned int t) /延遲n毫秒 int i; for(i=0;it;i+); /*/ISD4002 spi串行發送子程序，8位數據/*void spi_send(unsigned char isdx) unsigned char isx_counter;SS=0; /ss=0,打開spi通信端SCLK=0;for(isx_counter=0;isx_counter1;

23、SCLK=1; delayus(25); SCLK=0; delayus(25); 由于ISD4002里的語音信息需要錄制，所以我另外編寫了一段ISD4002燒寫程序，這段代碼不在單片機中。需要更改ISD4002內的語音信息時，單獨燒寫使用。為了實現語音報時功能，我把時間信息分成了15段分別錄制在ISD4002中，它們分別是：“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“十”“點”“分”“整”“北京時間”。報時時根據時間計算出相應的地址組合，調出ISD4002中對應的語音信息。部分報時代碼如下：switch (shi1) case 0: break; case 1: isd_pu(); isd_setplay(0x64,0x00); delayus(5); /發送0x0000h地址的setplay指令 isd_play(); /發送rec指 delayms(190); isd_stop(); delayms(25); break; case 2: isd_pu(); isd_setplay(0x14,0x00); delayus(5); /發送0x0000h地址的setplay指令 isd_play(); /發送rec指 delayms(190);