點(diǎn)

(1)使用廉價(jià)的單片機(jī)STC90C52RC;

(2)時(shí)間源使用性能好、價(jià)格低、接線簡(jiǎn)單的RTC集成電路PCF8563;

(3)LCD1602字符液晶顯示;

(4)DS18B20溫度傳感器帶4位溫度顯示;

(5)與簡(jiǎn)單的上位機(jī)程序配合，通過(guò)電腦校正時(shí)間;

(6)可以精準(zhǔn)校正時(shí)間源的頻率，誤差很小。

數(shù)字時(shí)鐘種類(lèi)很多，雖然它的作用就是——顯示時(shí)間，但是具體實(shí)現(xiàn)起來(lái)，方法卻多種多樣。通過(guò)制作電子時(shí)鐘，我們可以附帶學(xué)到很多東西，所以大家也喜歡制作它。圖11.1所示是本次制作的電子時(shí)鐘。

電路原理

電路原理圖如圖11.2所示，硬件接線比較簡(jiǎn)單。字符液晶1602通過(guò)插針和排針座與電路板連接，MAX232和9孔D型串口插座J2用于STC單片機(jī)的程序下載以及和計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)上時(shí)間的同步。IC3是實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路PCF8563，它的電源串接有二極管VD2，總電源接通時(shí)，通過(guò)它給PCF8563供電。斷電過(guò)程中，后備電池GB通過(guò)R5以很小的電流(0.25μA)維持PCF8563繼續(xù)工作，同時(shí)，二極管可防止BAT向其他電路供電，以免電池很快耗盡。電阻R6、R7是I2C總線的上拉電阻，單片機(jī)通過(guò)程序模擬I2C的動(dòng)作，通過(guò)P1.6、P1.7讀寫(xiě)PCF8563。C13是時(shí)鐘電路的振蕩電容，通過(guò)它可以微調(diào)振蕩頻率。JP2是用于校正的跳線塊，調(diào)校時(shí)接通，配合程序使PCF8563的引腳連接10kΩ上拉電阻R9，通過(guò)編程使該引腳輸出32768Hz的振蕩頻率，以便外接頻率計(jì)調(diào)校快慢。IC4是測(cè)溫芯片DS18B20，讀寫(xiě)是通過(guò)單片機(jī)的P1.5引腳控制。電源使用的是5V/2A的開(kāi)關(guān)型墻插電源，適用交流電壓范圍寬，發(fā)熱低，也省掉了穩(wěn)壓集成電路，只要加一個(gè)濾波電容C1和一個(gè)旁路電容C2即可。RP1可用于液晶顯示屏的對(duì)比度調(diào)節(jié)。液晶1602的數(shù)據(jù)線有8線和4線兩種接法，前者要多接4根線，但程序稍微簡(jiǎn)單，速度也快一點(diǎn)，后者雖然接線簡(jiǎn)單，但編程比較復(fù)雜。本制作使用8線接法：液晶的數(shù)據(jù)線DB0~DB7對(duì)應(yīng)接到MCU的P0.0~P0.7引腳，液晶的控制線RS、RW、E分別接到P2.3、P2.4、P2.5。控制按鍵S1、S2、S3互相配合用來(lái)人工校對(duì)時(shí)鐘，S1用來(lái)改變校對(duì)項(xiàng)目，S2用來(lái)調(diào)整對(duì)應(yīng)項(xiàng)目數(shù)據(jù)，S3用來(lái)確認(rèn)新設(shè)定值。如果單獨(dú)使用S3則是啟動(dòng)單片機(jī)的串口通信，準(zhǔn)備接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的時(shí)、分、秒數(shù)值，并用它設(shè)置PCF8563，使它和北京時(shí)間同步運(yùn)行。開(kāi)關(guān)S的作用是控制鬧鐘，它若斷開(kāi)，則鬧鐘功能有效;它若接地，則鬧鐘功能禁止，但設(shè)置的鬧鐘時(shí)間仍然有效。

電路材料和元件

帶電源座、串口座和USB插座預(yù)留孔的萬(wàn)用板1塊，尺寸10cm×10cm;

LCD1602字符液晶模塊1個(gè),黃綠或藍(lán)白不限;

STC90C52RC單片機(jī)1個(gè)，配40針插座;

MAX232集成電路1個(gè)，配16針插座;

PCF8563集成電路1個(gè)，配8針插座;

11.0592MHz晶體和32768Hz晶體各1個(gè);

直腳排針座1條，用來(lái)連接液晶模塊;

40線直排針1條，用于給液晶模塊焊引腳以及跳線等;

5mm孔徑同軸電源插座1個(gè);

小型自鎖開(kāi)關(guān)1個(gè)，用作電源開(kāi)關(guān);

微型輕觸按鈕4個(gè)，用作時(shí)間調(diào)校以及單片機(jī)人工復(fù)位;

小型撥動(dòng)開(kāi)關(guān)1個(gè)，用于設(shè)定鬧鐘;

9孔D型插座1個(gè);

5V/2A墻插式開(kāi)關(guān)電源1個(gè);

其他阻容元器件按照電路圖中的要求購(gòu)買(mǎi)，引腳元件或貼片元件均可以使用。

安裝制作

首先安裝電源插座、串口插座，然后按照它們的位置定位安裝電源和MAX232插座，再定位安裝LCD插座、單片機(jī)插座和PCF8563插座。最后安裝每個(gè)插座周邊的元件，焊接連線。盡管洞洞板接線比較自由，也要盡量做到安全、合理、方便、美觀。焊好元器件的電路板背面如圖11.3所示。實(shí)際接線也可按照自己的安排布局，就近選擇，也可以修改現(xiàn)有原理圖的引腳連接，但程序就得作相應(yīng)修改，總的功能不會(huì)改變。本圖使用的LCD1602液晶的數(shù)據(jù)線采用8線接法，其實(shí)4線接法也可以。不過(guò)改變接法后，液晶的驅(qū)動(dòng)程序和初始化要作相應(yīng)修改，我在程序中將兩種方法都列了出來(lái)，可以根據(jù)需要開(kāi)啟其中一種，注釋掉另一種程序。初學(xué)者注意：LCD1602使用4線接法時(shí)，多余的4個(gè)引腳不可作液晶的控制線，但可以用作程序控制的輸出線。

全部接線完成后，仔細(xì)檢查確認(rèn)連接無(wú)誤，就可以先不插芯片，輸入5V電壓，檢查IC插座上的電壓是否正常，如有問(wèn)題就進(jìn)行檢查處理，直到正常為止。然后插上單片機(jī)和MAX232，接好串口電纜，編一個(gè)最簡(jiǎn)單的程序，使用STC的新版下載軟件，嘗試能否正常下載，直接用串口最好，如果電腦沒(méi)有串口，可以使用USB轉(zhuǎn)串口線，總之要確保程序可以正常下載。完工后的板子如圖11.4所示。

編程要點(diǎn)

1. LCD1602的驅(qū)動(dòng)程序

編寫(xiě)LCD1602的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，需注意程序開(kāi)始要包含一個(gè)intrins.h的頭文件，在C編程時(shí)就可以使用_nop_( )空操作功能，以便得到1μs左右的延時(shí)。另外，現(xiàn)在生產(chǎn)銷(xiāo)售的LCD1602比起前些年的產(chǎn)品有所改進(jìn)，使用更加方便，例如，以前液晶的初始化首先需要強(qiáng)制寫(xiě)入0X38共3次，每5ms1次，現(xiàn)在只需要1次甚至不寫(xiě)入也可以。

如果發(fā)現(xiàn)使用正確的驅(qū)動(dòng)程序后液晶屏還是不能顯示，在排除了硬件接線問(wèn)題后，著重檢查以下3個(gè)方面：

(1)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP1，增大對(duì)比度;

(2)檢查硬件連接是按照4線接法還是8線接法，與程序設(shè)計(jì)是否一致，不一致就不能顯示;

(3)少數(shù)情況中，有些液晶模塊的讀忙指令會(huì)因無(wú)法讀出而陷入死循環(huán)，可以把讀忙改為“RS=0;RW=1;”，再延時(shí)20μs。

本文所附的驅(qū)動(dòng)函數(shù)全部經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和改進(jìn)，包括對(duì)于不能讀忙的液晶模塊也能正確顯示。

LCD1602允許使用自己定義的8個(gè)符號(hào)，存放在具有8個(gè)字節(jié)的專(zhuān)用存儲(chǔ)器GCRAM中。為了利用這個(gè)資源，程序中使用了自編的一、二、三、四、五、六、日以及表示攝氏度的符號(hào)“℃”(圖示中四使用草書(shū)字體表示)，如圖11.5所示。

首先畫(huà)出一個(gè)5×8點(diǎn)陣方格，在上邊畫(huà)出點(diǎn)陣字型，我們以“五”為例介紹，顯示點(diǎn)為1，不顯示點(diǎn)為0。從上到下，顯示點(diǎn)可用8個(gè)十六進(jìn)制編碼表示，因?yàn)樗椒较蛑挥?位，故高3位以0補(bǔ)全，所以“五”的表示編碼是：0X00，0X1E，0X08，0X1E，0X0A，0X0A，0X1F，0X00。依此類(lèi)推，按照點(diǎn)陣圖寫(xiě)出8個(gè)符號(hào)的十六進(jìn)制編碼，構(gòu)成一個(gè)存放在ROM中的8行8列的二維數(shù)組。

設(shè)置GCRAM起始地址為0，開(kāi)機(jī)后先把以上數(shù)組存入GCRAM中，以后用給LCD1602寫(xiě)數(shù)據(jù)的方法就可以把自編的符號(hào)顯示出來(lái)了，具體操作見(jiàn)源程序。

2. PCF8563的驅(qū)動(dòng)程序

PCF8563是一款使用I2C總線控制的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，和常用的DS1302一樣，也是8腳的小集成電路，接線簡(jiǎn)單，但通信方式就不一樣了。讀寫(xiě)完全按照I2C時(shí)序要求進(jìn)行，它的寫(xiě)入地址是0XA2，讀出地址是0XA3。它內(nèi)部有16個(gè)寄存器，寄存器0和1號(hào)分別用來(lái)控制它的工作，寄存器2~15號(hào)用來(lái)讀寫(xiě)具體時(shí)間、日期、鬧鐘及倒計(jì)數(shù)等。通過(guò)編程還可以引出時(shí)鐘脈沖，加上它的時(shí)鐘頻率可通過(guò)振蕩電容(C13)微調(diào)，這樣就能夠調(diào)整出比較準(zhǔn)確的時(shí)間。它的驅(qū)動(dòng)是以正確的預(yù)置1值寫(xiě)入以上寄存器，特別是對(duì)于新器件，必須把秒、分、時(shí)、日、月、年以及需要的報(bào)警時(shí)間等逐一寫(xiě)入寄存器0X02到0X0C，然后給寄存器0X00發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)(第5位置0)，它就開(kāi)始工作了。因?yàn)橛泻髠潆姵兀ｋ娨矔?huì)繼續(xù)走時(shí)。需要注意的是，在上述預(yù)置值寄存器中存入的是BCD碼，關(guān)于它的具體編程，請(qǐng)參照源程序。

3. DS18B20的程序部分

DS18B20是單線總線器件，它以脈沖寬度判斷0和1，因此對(duì)延時(shí)時(shí)間要求比較嚴(yán)格，不可隨意增減。對(duì)它的編程就是根據(jù)它的控制指令，寫(xiě)出51的模擬時(shí)序，然后執(zhí)行必要的操作。具體的驅(qū)動(dòng)已在源程序中列出。啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換到讀出溫度數(shù)值是需要時(shí)間的，對(duì)于12位分辨率的轉(zhuǎn)換時(shí)間達(dá)750ms，因此需要設(shè)計(jì)在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后1s再進(jìn)行讀數(shù)，讀出的數(shù)值除了進(jìn)行正負(fù)判斷外，還要乘以分辨率系數(shù)0.0625，得到10進(jìn)制的顯示值。

總體編程

總體編程還是按照前、后臺(tái)方式進(jìn)行。后臺(tái)在啟動(dòng)后進(jìn)入一系列初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)就是以查詢(xún)方式了解S1、S2、S3和S的狀態(tài)以及是否從串口接收到數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)有按鍵按下，進(jìn)行簡(jiǎn)單延時(shí)消抖就進(jìn)入按鍵處理。如果已經(jīng)從串口接收到時(shí)間數(shù)據(jù)，就把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼存入PCF8563寄存器，實(shí)現(xiàn)和電腦的時(shí)間數(shù)據(jù)同步。

按鍵S3的處理中包括3種情況。

(1)在S1按動(dòng)(次數(shù)不限)后按動(dòng)S3，不改變PCF8563寄存器;

(2)在S1、S2按動(dòng)后按動(dòng)S3，這時(shí)需要把S2設(shè)定出的新值寫(xiě)入PCF8563，實(shí)現(xiàn)人工設(shè)置，主要用于年、月、日和鬧鐘時(shí)間等數(shù)值的設(shè)置;

(3)S1、S2未按動(dòng)直接按下S3，這時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)的串口中斷，準(zhǔn)備接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的時(shí)間數(shù)據(jù)。

前臺(tái)程序包括串口接收中斷和T2定時(shí)器中斷。單片機(jī)的串口中斷用來(lái)接收電腦發(fā)送過(guò)來(lái)的時(shí)間數(shù)據(jù)，格式是“hh:mm’ss”，hh、mm、ss分別是時(shí)、分、秒的十位和個(gè)位字符碼，連同冒號(hào)和引號(hào)一共有8個(gè)字節(jié)，每接收1個(gè)字節(jié)就觸發(fā)1次接收中斷，把收到的數(shù)據(jù)存入接收數(shù)組receiv[8]中，收到8個(gè)字節(jié)就置位接收完畢標(biāo)志，等待主循環(huán)去查詢(xún)此標(biāo)志，然后處理。這就是串口中斷的任務(wù)。

T2是單片機(jī)的一個(gè)16位定時(shí)器，它具備自動(dòng)重載功能。使用它的中斷處理執(zhí)行兩個(gè)任務(wù)：一是如果S1不按下，就定時(shí)刷新液晶1602的顯示，S1按下說(shuō)明在調(diào)校時(shí)間，這時(shí)不按時(shí)鐘刷新而按設(shè)定值刷新液晶屏，以免顯示混亂。二是設(shè)定時(shí)間測(cè)溫，按照每5s一次向DS18B20發(fā)出測(cè)溫請(qǐng)求，在接下來(lái)的1s回收測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)并加以處理。為此，主程序初始化時(shí)就設(shè)定T2工作于自動(dòng)重載模式，按照40ms中斷一次，設(shè)定TH2和TL2。中斷時(shí)就不必管它設(shè)置值的加載了，由它自己處理，但是中斷標(biāo)志TF2是不能自動(dòng)清除的，一定要編程清除。另外設(shè)置中斷次數(shù)計(jì)數(shù)，以達(dá)到計(jì)秒的目的。

調(diào)試校準(zhǔn)

1. PCF8563的校準(zhǔn)

前面說(shuō)過(guò)，可以通過(guò)修正振蕩電容的方法使得PCF8563達(dá)到準(zhǔn)確的時(shí)鐘振蕩頻率。在理想情況下，石英晶體振蕩器以32768.0Hz的頻率振蕩，經(jīng)過(guò)內(nèi)部電路進(jìn)行15次2分頻就得到1Hz，也就是秒信號(hào)。實(shí)際上，如果振蕩頻率有少許誤差，分頻結(jié)果不是準(zhǔn)確的1Hz，走時(shí)就不準(zhǔn)確。這時(shí)我們可以通過(guò)調(diào)整振蕩電容來(lái)微調(diào)振蕩頻率，電容減小則振蕩頻率升高。把頻率調(diào)整到32768.0Hz，這樣時(shí)鐘就比較準(zhǔn)確了。由于計(jì)時(shí)是個(gè)累積的過(guò)程，32768.0Hz石英晶體可能會(huì)有誤差而導(dǎo)致時(shí)鐘頻率不準(zhǔn)，但是要發(fā)現(xiàn)明顯的偏差(如幾秒鐘)還是需要較長(zhǎng)時(shí)間的，因此最方便的辦法是利用頻率計(jì)校準(zhǔn)時(shí)鐘頻率。PCF8563可以通過(guò)寫(xiě)入寄存器0X0D來(lái)引出或不引振蕩頻率：把它的最高位FE設(shè)置為1，就可在PCF8563的7腳(CLOCKOUT)引出時(shí)鐘頻率，把它的低2位FD1和FD0分別設(shè)置為00、01、10和11就可以選擇引出的頻率是32768Hz、1024Hz、32Hz或1Hz，它們都設(shè)置為0就輸出32768Hz。不過(guò)該引腳是開(kāi)漏輸出，為了用儀器測(cè)量頻率，應(yīng)在電路原理圖中加入10kΩ的上拉電阻R9。具體方法是：通過(guò)手工設(shè)置使得PCF8563走起來(lái)，特別對(duì)于第一次工作，要全面設(shè)置一遍。先取振蕩電容為較小數(shù)值(如22pF)，然后將頻率計(jì)接好電源，開(kāi)機(jī)預(yù)熱穩(wěn)定后，選低頻擋，閘門(mén)時(shí)間取10s，把測(cè)試夾分別夾在地線和PCF8563的7腳(有外引插針)上，如圖11.6所示。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的穩(wěn)定(10min以上)，看頻率計(jì)顯示。實(shí)測(cè)結(jié)果為32.7684kHz，時(shí)鐘頻率高了。取下測(cè)試夾，單片機(jī)斷電，并聯(lián)一個(gè)5.6pF電容，測(cè)試結(jié)果為32.7681kHz，雖有所降低，但還是高一點(diǎn)。再斷電，更換為8.2pF，穩(wěn)定后測(cè)試結(jié)果為32.7680kHz，如果能在半小時(shí)以上保持穩(wěn)定，時(shí)鐘頻率就調(diào)好了，如圖11.7所示。經(jīng)過(guò)這樣調(diào)校的PCF8563，日誤差可以做到1s以?xún)?nèi)，按照規(guī)格書(shū)，達(dá)到一年正負(fù)5min的偏差沒(méi)有問(wèn)題。但是在沒(méi)有頻率計(jì)的條件下，只好用比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的辦法來(lái)調(diào)整了，這樣很浪費(fèi)時(shí)間。

2. 與電腦同步校準(zhǔn)

如果是人工設(shè)置PCF8563，要把它調(diào)節(jié)到與北京時(shí)間一致，這是有點(diǎn)難度的。電腦上的時(shí)間借助于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)更新，還是很準(zhǔn)確的。既然有串口可以從電腦下載程序，那正好利用它從電腦取得時(shí)、分、秒等時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)置單片機(jī)的PCF8563，豈不方便多了?按照單片機(jī)的串口方式1，使用9600波特傳輸率，從電腦接收8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)僅僅80位，不到10ms就可傳送完畢，因此是可行的。為此，我們可通過(guò)現(xiàn)成的“標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間校準(zhǔn)器”小軟件(可到網(wǎng)上下載)先把電腦時(shí)間校正到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，然后通過(guò)自編的小程序RTC-DOWN把當(dāng)前電腦時(shí)間從串口發(fā)送到單片機(jī)就可以了。該程序的運(yùn)行界面如圖11.8所示，上面有兩個(gè)文本框，分別顯示電腦當(dāng)前的時(shí)、分、秒和日、月、年，有兩個(gè)按鈕，EXIT是退出，SET是設(shè)置。使用前先不按S1和S2，只按下S3，液晶上左角顯示R，如圖11.9所示。說(shuō)明已經(jīng)打開(kāi)了串口接收，鼠標(biāo)點(diǎn)擊SET，電腦時(shí)間就下載到PCF8563寄存器中，R消失，單片機(jī)時(shí)間和電腦時(shí)間同步完成(當(dāng)然還是有差值的，但比手動(dòng)調(diào)節(jié)方便許多)。

手動(dòng)設(shè)置方法很簡(jiǎn)單，就是按S1選測(cè)試項(xiàng)目：月-日-年-鬧時(shí)-鬧分-星期幾-時(shí)-分-秒，在對(duì)應(yīng)位置以閃動(dòng)光標(biāo)提示。對(duì)應(yīng)每一個(gè)項(xiàng)目用S2設(shè)置數(shù)值，然后按S3閃動(dòng)光標(biāo)消失，設(shè)置值寫(xiě)入PCF8563，并以新值走時(shí)。如不需設(shè)置就繼續(xù)按S1往前走，直到秒設(shè)置以后閃動(dòng)光標(biāo)消失，顯示走時(shí)就行了，否則繼續(xù)按S1重選項(xiàng)目。

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