特点
(1)使用廉价的单片机STC90C52RC;
(2)时间源使用性能好、价格低、接线简单的RTC集成电路PCF8563;
(3)LCD1602字符液晶显示;
(4)DS18B20温度传感器带4位温度显示;
(5)与简单的上位机程序配合，通过电脑校正时间;
(6)可以精准校正时间源的频率，误差很小。
数字时钟种类很多，虽然它的作用就是——显示时间，但是具体实现起来，方法却多种多样。通过制作电子时钟，我们可以附带学到很多东西，所以大家也喜欢制作它。图11.1所示是本次制作的电子时钟。
图11.1 电脑校时日历钟
电路原理
电路原理图如图11.2所示，硬件接线比较简单。字符液晶1602通过插针和排针座与电路板连接，MAX232和9孔D型串口插座J2用于STC单片机的程序下载以及和计算机通信，实现与计算机上时间的同步。IC3是实时时钟电路PCF8563，它的电源串接有二极管VD2，总电源接通时，通过它给PCF8563供电。断电过程中，后备电池GB通过R5以很小的电流(0.25μA)维持PCF8563继续工作，同时，二极管可防止BAT向其他电路供电，以免电池很快耗尽。电阻R6、R7是I2C总线的上拉电阻，单片机通过程序模拟I2C的动作，通过P1.6、P1.7读写PCF8563。C13是时钟电路的振荡电容，通过它可以微调振荡频率。JP2是用于校正的跳线块，调校时接通，配合程序使PCF8563的引脚连接10kΩ上拉电阻R9，通过编程使该引脚输出32768Hz的振荡频率，以便外接频率计调校快慢。IC4是测温芯片DS18B20，读写是通过单片机的P1.5引脚控制。电源使用的是5V/2A的开关型墙插电源，适用交流电压范围宽，发热低，也省掉了稳压集成电路，只要加一个滤波电容C1和一个旁路电容C2即可。RP1可用于液晶显示屏的对比度调节。液晶1602的数据线有8线和4线两种接法，前者要多接4根线，但程序稍微简单，速度也快一点，后者虽然接线简单，但编程比较复杂。本制作使用8线接法：液晶的数据线DB0~DB7对应接到MCU的P0.0~P0.7引脚，液晶的控制线RS、RW、E分别接到P2.3、P2.4、P2.5。控制按键S1、S2、S3互相配合用来人工校对时钟，S1用来改变校对项目，S2用来调整对应项目数据，S3用来确认新设定值。如果单独使用S3则是启动单片机的串口通信，准备接收来自计算机的时、分、秒数值，并用它设置PCF8563，使它和北京时间同步运行。开关S的作用是控制闹钟，它若断开，则闹钟功能有效;它若接地，则闹钟功能禁止，但设置的闹钟时间仍然有效。
图11.2 电路原理图
电路材料和元件
带电源座、串口座和USB插座预留孔的万用板1块，尺寸10cm×10cm;
LCD1602字符液晶模块1个,黄绿或蓝白不限;
STC90C52RC单片机1个，配40针插座;
MAX232集成电路1个，配16针插座;
PCF8563集成电路1个，配8针插座;
11.0592MHz晶体和32768Hz晶体各1个;
直脚排针座1条，用来连接液晶模块;
40线直排针1条，用于给液晶模块焊引脚以及跳线等;
5mm孔径同轴电源插座1个;
小型自锁开关1个，用作电源开关;
微型轻触按钮4个，用作时间调校以及单片机人工复位;
小型拨动开关1个，用于设定闹钟;
9孔D型插座1个;
5V/2A墙插式开关电源1个;
其他阻容元器件按照电路图中的要求购买，引脚元件或贴片元件均可以使用。
安装制作
首先安装电源插座、串口插座，然后按照它们的位置定位安装电源和MAX232插座，再定位安装LCD插座、单片机插座和PCF8563插座。最后安装每个插座周边的元件，焊接连线。尽管洞洞板接线比较自由，也要尽量做到安全、合理、方便、美观。焊好元器件的电路板背面如图11.3所示。实际接线也可按照自己的安排布局，就近选择，也可以修改现有原理图的引脚连接，但程序就得作相应修改，总的功能不会改变。本图使用的LCD1602液晶的数据线采用8线接法，其实4线接法也可以。不过改变接法后，液晶的驱动程序和初始化要作相应修改，我在程序中将两种方法都列了出来，可以根据需要开启其中一种，注释掉另一种程序。初学者注意：LCD1602使用4线接法时，多余的4个引脚不可作液晶的控制线，但可以用作程序控制的输出线。
全部接线完成后，仔细检查确认连接无误，就可以先不插芯片，输入5V电压，检查IC插座上的电压是否正常，如有问题就进行检查处理，直到正常为止。然后插上单片机和MAX232，接好串口电缆，编一个最简单的程序，使用STC的新版下载软件，尝试能否正常下载，直接用串口最好，如果电脑没有串口，可以使用USB转串口线，总之要确保程序可以正常下载。完工后的板子如图11.4所示。
编程要点
1. LCD1602的驱动程序
编写LCD1602的驱动程序时，需注意程序开始要包含一个intrins.h的头文件，在C编程时就可以使用_nop_( )空操作功能，以便得到1μs左右的延时。另外，现在生产销售的LCD1602比起前些年的产品有所改进，使用更加方便，例如，以前液晶的初始化首先需要强制写入0X38共3次，每5ms1次，现在只需要1次甚至不写入也可以。
如果发现使用正确的驱动程序后液晶屏还是不能显示，在排除了硬件接线问题后，着重检查以下3个方面：
(1)调节可调电阻RP1，增大对比度;
(2)检查硬件连接是按照4线接法还是8线接法，与程序设计是否一致，不一致就不能显示;
图11.3 PCB背面走线
图11.4 元器件布局
(3)少数情况中，有些液晶模块的读忙指令会因无法读出而陷入死循环，可以把读忙改为“RS=0;RW=1;”，再延时20μs。
本文所附的驱动函数全部经过验证和改进，包括对于不能读忙的液晶模块也能正确显示。
LCD1602允许使用自己定义的8个符号，存放在具有8个字节的专用存储器GCRAM中。为了利用这个资源，程序中使用了自编的一、二、三、四、五、六、日以及表示摄氏度的符号“℃”(图示中四使用草书字体表示)，如图11.5所示。
首先画出一个5×8点阵方格，在上边画出点阵字型，我们以“五”为例介绍，显示点为1，不显示点为0。从上到下，显示点可用8个十六进制编码表示，因为水平方向只有5位，故高3位以0补全，所以“五”的表示编码是：0X00，0X1E，0X08，0X1E，0X0A，0X0A，0X1F，0X00。依此类推，按照点阵图写出8个符号的十六进制编码，构成一个存放在ROM中的8行8列的二维数组。
设置GCRAM起始地址为0，开机后先把以上数组存入GCRAM中，以后用给LCD1602写数据的方法就可以把自编的符号显示出来了，具体操作见源程序。
2. PCF8563的驱动程序
PCF8563是一款使用I2C总线控制的实时时钟芯片，和常用的DS1302一样，也是8脚的小集成电路，接线简单，但通信方式就不一样了。读写完全按照I2C时序要求进行，它的写入地址是0XA2，读出地址是0XA3。它内部有16个寄存器，寄存器0和1号分别用来控制它的工作，寄存器2~15号用来读写具体时间、日期、闹钟及倒计数等。通过编程还可以引出时钟脉冲，加上它的时钟频率可通过振荡电容(C13)微调，这样就能够调整出比较准确的时间。它的驱动是以正确的预置1值写入以上寄存器，特别是对于新器件，必须把秒、分、时、日、月、年以及需要的报警时间等逐一写入寄存器0X02到0X0C，然后给寄存器0X00发出启动信号(第5位置0)，它就开始工作了。因为有后备电池，停电也会继续走时。需要注意的是，在上述预置值寄存器中存入的是BCD码，关于它的具体编程，请参照源程序。
图11.5 自编的显示字符
3. DS18B20的程序部分
DS18B20是单线总线器件，它以脉冲宽度判断0和1，因此对延时时间要求比较严格，不可随意增减。对它的编程就是根据它的控制指令，写出51的模拟时序，然后执行必要的操作。具体的驱动已在源程序中列出。启动温度转换到读出温度数值是需要时间的，对于12位分辨率的转换时间达750ms，因此需要设计在启动转换后1s再进行读数，读出的数值除了进行正负判断外，还要乘以分辨率系数0.0625，得到10进制的显示值。
总体编程
总体编程还是按照前、后台方式进行。后台在启动后进入一系列初始化，然后进入主循环。主循环就是以查询方式了解S1、S2、S3和S的状态以及是否从串口接收到数据，如发现有按键按下，进行简单延时消抖就进入按键处理。如果已经从串口接收到时间数据，就把这些数据转换为BCD码存入PCF8563寄存器，实现和电脑的时间数据同步。
按键S3的处理中包括3种情况。
(1)在S1按动(次数不限)后按动S3，不改变PCF8563寄存器;
(2)在S1、S2按动后按动S3，这时需要把S2设定出的新值写入PCF8563，实现人工设置，主要用于年、月、日和闹钟时间等数值的设置;
(3)S1、S2未按动直接按下S3，这时启动单片机的串口中断，准备接收来自计算机的时间数据。
前台程序包括串口接收中断和T2定时器中断。单片机的串口中断用来接收电脑发送过来的时间数据，格式是“hh:mm’ss”，hh、mm、ss分别是时、分、秒的十位和个位字符码，连同冒号和引号一共有8个字节，每接收1个字节就触发1次接收中断，把收到的数据存入接收数组receiv[8]中，收到8个字节就置位接收完毕标志，等待主循环去查询此标志，然后处理。这就是串口中断的任务。
T2是单片机的一个16位定时器，它具备自动重载功能。使用它的中断处理执行两个任务：一是如果S1不按下，就定时刷新液晶1602的显示，S1按下说明在调校时间，这时不按时钟刷新而按设定值刷新液晶屏，以免显示混乱。二是设定时间测温，按照每5s一次向DS18B20发出测温请求，在接下来的1s回收测温数据并加以处理。为此，主程序初始化时就设定T2工作于自动重载模式，按照40ms中断一次，设定TH2和TL2。中断时就不必管它设置值的加载了，由它自己处理，但是中断标志TF2是不能自动清除的，一定要编程清除。另外设置中断次数计数，以达到计秒的目的。
调试校准
1. PCF8563的校准
图11.6 测试PCF8563的7脚输出频率
图11.7 频率计的测试结果
前面说过，可以通过修正振荡电容的方法使得PCF8563达到准确的时钟振荡频率。在理想情况下，石英晶体振荡器以32768.0Hz的频率振荡，经过内部电路进行15次2分频就得到1Hz，也就是秒信号。实际上，如果振荡频率有少许误差，分频结果不是准确的1Hz，走时就不准确。这时我们可以通过调整振荡电容来微调振荡频率，电容减小则振荡频率升高。把频率调整到32768.0Hz，这样时钟就比较准确了。由于计时是个累积的过程，32768.0Hz石英晶体可能会有误差而导致时钟频率不准，但是要发现明显的偏差(如几秒钟)还是需要较长时间的，因此最方便的办法是利用频率计校准时钟频率。PCF8563可以通过写入寄存器0X0D来引出或不引振荡频率：把它的最高位FE设置为1，就可在PCF8563的7脚(CLOCKOUT)引出时钟频率，把它的低2位FD1和FD0分别设置为00、01、10和11就可以选择引出的频率是32768Hz、1024Hz、32Hz或1Hz，它们都设置为0就输出32768Hz。不过该引脚是开漏输出，为了用仪器测量频率，应在电路原理图中加入10kΩ的上拉电阻R9。具体方法是：通过手工设置使得PCF8563走起来，特别对于第一次工作，要全面设置一遍。先取振荡电容为较小数值(如22pF)，然后将频率计接好电源，开机预热稳定后，选低频挡，闸门时间取10s，把测试夹分别夹在地线和PCF8563的7脚(有外引插针)上，如图11.6所示。经过一段时间的稳定(10min以上)，看频率计显示。实测结果为32.7684kHz，时钟频率高了。取下测试夹，单片机断电，并联一个5.6pF电容，测试结果为32.7681kHz，虽有所降低，但还是高一点。再断电，更换为8.2pF，稳定后测试结果为32.7680kHz，如果能在半小时以上保持稳定，时钟频率就调好了，如图11.7所示。经过这样调校的PCF8563，日误差可以做到1s以内，按照规格书，达到一年正负5min的偏差没有问题。但是在没有频率计的条件下，只好用比对标准时间的办法来调整了，这样很浪费时间。
2. 与电脑同步校准
如果是人工设置PCF8563，要把它调节到与北京时间一致，这是有点难度的。电脑上的时间借助于互联网实时更新，还是很准确的。既然有串口可以从电脑下载程序，那正好利用它从电脑取得时、分、秒等时间数据来设置单片机的PCF8563，岂不方便多了?按照单片机的串口方式1，使用9600波特传输率，从电脑接收8个字节的数据仅仅80位，不到10ms就可传送完毕，因此是可行的。为此，我们可通过现成的“标准时间校准器”小软件(可到网上下载)先把电脑时间校正到标准时间，然后通过自编的小程序RTC-DOWN把当前电脑时间从串口发送到单片机就可以了。该程序的运行界面如图11.8所示，上面有两个文本框，分别显示电脑当前的时、分、秒和日、月、年，有两个按钮，EXIT是退出，SET是设置。使用前先不按S1和S2，只按下S3，液晶上左角显示R，如图11.9所示。说明已经打开了串口接收，鼠标点击SET，电脑时间就下载到PCF8563寄存器中，R消失，单片机时间和电脑时间同步完成(当然还是有差值的，但比手动调节方便许多)。
图11.8 程序界面
图11.9 时间设置
手动设置方法很简单，就是按S1选测试项目：月-日-年-闹时-闹分-星期几-时-分-秒，在对应位置以闪动光标提示。对应每一个项目用S2设置数值，然后按S3闪动光标消失，设置值写入PCF8563，并以新值走时。如不需设置就继续按S1往前走，直到秒设置以后闪动光标消失，显示走时就行了，否则继续按S1重选项目。
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