赵海雁，闫 强

(1.中北大学计算机控制工程学院，山西 太原 030051；2.国网平遥县供电公司，山西 晋中 031100)

基于单片机多功能的电子钟系统设计

赵海雁1，闫 强2

(1.中北大学计算机控制工程学院，山西 太原 030051；2.国网平遥县供电公司，山西 晋中 031100)

本文设计基于单片机多功能的电子钟，具有外形美观、显示全面的LCD1.44寸彩屏。彩屏显示年、月、日、秒、分钟、小时、星期、温度、湿度。同时还可对数字钟进行近地按键和远程遥控设置及闹钟设置。通过GPS信号，计时准确，还可以用红外遥控器进行GPS校时。此设计还增加了语音整点报时功能。

单片机；多功能；电子钟；GPS校时；彩屏显示

电子钟表与人们日常生活、工作与学习密不可分。但大多数时钟只能近距离按键调试，不容易远距离调时，且功能单一，不能显示室内湿度信息，没有闹钟功能。即便市场上有自动校正的时钟，但多为电波钟，电波信号比较薄弱，白天难以接收到电波信号。为了使钟表调试简单方便，功能多，价格低、人性化、适用更多领域，本文设计一款带有无线遥控多功能的基于单片机的数字电子钟系统。

本文设计的多功能电子钟表功能是：1) 具有LCD1.44寸彩屏显示，外形美观、显示全面、直观；可显示年、月、日、秒、分钟、小时、星期、温度、湿度。2) 通过GPS信号，计时准确，每年的时间误差小于三分钟。3) 可对数字钟进行近地按键和远程遥控设置及闹钟设置，也可以用红外遥控器进行一键GPS校时，与一键对秒功能设置。内置可充电3 V电池，短时断电后能继续保持时间的正常运行，来电后恢复显示。

1 硬件系统设计

本次设计总框图如图1所示，包括单片机控制模块、近地按键控制模块、远地红外控制模块、DS1302计时芯片模块、DHT11温湿度采集模块、GPS接收精准时间模块、语音播放模块及彩屏TFT1.44显示模块。

图1 硬件系统原理图

各模块功能如下：

1) 主控模块采用STC12C5A60S2增强型8051系列单片机[1]，它具有存储容量大、速度快等特性，并具有处理解决多功能系统的运行控制的多个串口；在同样晶振的情况下，STC12C5A60S2增强型51单片机的速度是普通51系列单片机的8～12倍，对于用1.44寸彩屏显示，则需要高速传达128*128像素信息。由于本系统具有多功能特点，需要大容量程序存储空间来运行红外传输协议、DHT11传输协议、GPS 的NMEA定位信息传输协议、彩屏大量像素信息以及产生大量的变量信息，而STC12C5A60S2增强型51单片机的RAM是1280字节远比普通51系列单片机512字节的RAM高的多。同时为了减小空间占用，采用LQFP-44封装[2]。

2) LCD1.44寸彩屏[3]显示模块采用驱动为ST7735S显示芯片的Z144SN005产品型号，模块通过通讯接口为SPI与单片机相联。它具有128*128像素点高、体积小、播放动态画面的清晰度强，具有较高的对比度、较高的色彩饱和度。同时它不会因电流消失而画面消失，具有一定的画面记忆功能。用LCD1.44寸彩屏显示难点是无字库，本设计通过像素点绘制文字数字以及图片符号来创造字库。

3) GPS模块采用的是瑞士U-BLOX芯片NEO-6M型号。模块体积小巧(16×12.2×2.4 mm)、信号定位精准、低功耗和低成本、易于修改波特率，以适应单片机晶振要求。它是通过GPS卫星获取标准的时间信号[4]，即为UTC+8(经线为0的UTC时间，比北京时间要晚8个小时)，将这些标准时间信息通过串口直接传输给STC12C5A60S2单片机，从而通过LCD1.44寸彩屏显示，这样就可以达到时间同步。

4) 红外模块采用自带的遥控器的μPD6122 芯片，通过红外发射管依据NEC传输格式发射红外编码ICs信号，通过μPD6122电路解码，以及单片机采集捕获解码外部溢出中断信息后便进行远程时间设定及闹钟设定[5]。

5) DHT11是数字温湿度传感器[6]，通过I/O口及串行数据单总线接口与单片机输入/输出引脚相联，按照高位先出低位后出共40位完整数据的数据格式规则：8位湿度整数数据、8位湿度小数数据、8位温度整数数据、8位温度小数数据和8位校验和数据(校验和为前4字节数据相加的低八位)，把这些采集的数字量信号，传输到单片机进行控制以便在彩屏显示。

6) DS1302计时芯片采用双电源供电的SPI三线接口通信(SCLK串行时钟，I/O双向数据线，RST输入信号输入)。具有年、月、日、时、分、秒和星期寄存器，月份天数可以自动识别校准，并具有闰年补偿功能[7]。

7) 语音IC模块采用SC080的语音芯片，其原理是把要报的万年历IC语音，分成32段，把每段编号(即地址)，通过3个I/O(地址，内容，判断是否busy)单片机接口，根据需要进行任意组合输出语音，通过功放驱动，驱动扬声器发出声音[8]。

8) 闹铃语音模块通过单片机控制驱动产生闹铃语音模块闹铃，闹铃声可自定义歌曲烧录进去。

9) 近地按键控制模块是用于近地设置，当红外没电时可容易调时。

2 系统软件的实现

2.1 主程序的设计(如图2)

图2 主程序流程框图

首先进行初始化：串口、外部中断、定时器0、时钟芯片、并清屏。然后对当前内容进行判断是否一键校时，判断是否为整点(一个正点报时一次)，再判断是否开启闹钟，如看是否有红外中断(外部中断0)，如有则接收，然后对应按键进行红外工作处理。如没有开启闹钟，则显示当前的时间，如没有检测到红外信号则返回到当前状态。

2.2 1.44液晶彩屏控制实现[9]

此模块难点是屏幕为无字库，需要用字模软件进行绘制。绘制的方法是：首先通过字模软件用1位选定像素点(横纵坐标)，再在这个区域内依次在像素点上填充颜色。每一个像素点用2字节16位填充颜色，格式是(GGGGGRRRRRRBBBBB)，G绿色十六进制代码为0x07e0，R红色十六进制为0xf800，B蓝色十六进制为0x001f。根据字库的要求用8*16像素点绘制每个数字、字母，用16*16像素绘制每个文字点。每个字在屏幕传输的颜色为128*128*16位，即32 k数据[10]。

2.3 红外遥控器实现

当红外遥控器发射出的信号，通过红外接收头，将接收信号解码后通过单片机读取，通过识别不同的按键，单片机随即控制相应的程序。

具体流程如下，当红外发射器按键发送命令，红外接收头接收到信息，并向外部中断0发送下降沿低电平，然后由定时器0进行的计时，每个脉冲长度是根据NEC协议规定时间长度，当计时到超出脉冲长度规定时间就溢出中断，单片机从而采集数据。根据NEC协议，每次发送4个字节数据，当检测到按键码为第三个字节的数据时，通过判断脉冲长度，来逻辑判断按键码是0(560 us低电平，560 us高电平)还是逻辑1(560 us低电平，1 690 us高电平)从而执行相应程序[11]。

2.4 GPS控制程序[12]

GPS校时模块[13]是通过串口通信读取信息，波特率为9600是由计数器T1方式2生成的。当SBUF接收到的字符为’$’时，开始将数据写到SBUF中，当SBUF接收到的字符为’*’时，开始数据处理。定位信息$GPRMC规定了标准的时间信息，通过此信息整理得到标准UTC时间(经线为0的时间)，并将UTC时间+8小时为北京时间。如果UTC时间大于16时，需要将日期也加1天，所以此程序还需判断年份是否闰年，以确定二月份有多少天。GPS校时程序框图如图3所示。

图3 GPS处理程序框图

2.5 其他模块程序

DHT11温湿度采集难点在于时序控制，可通过单片机1T工作方式下进行软件延时，不能用软件仿真，只能通过硬件去调试(使用汇编语言可以方便地解决此问题)。

DS1302采用SPI通信，在设置时间时，先发送命令让时钟停止，再发送设置的时间到相应的寄存器中，发送完毕再让时钟继续。

3 结束语

本多功能的电子钟的设计，因功能多样，在调试时有一定的难度。使用GPS时间信息校正时，可自动校时，同时还设置一键对秒功能，可方便简单校时。采用DHT11温湿度传感器可方便读取室内温湿度。采用彩屏可显示多种信息。通过采用万年历IC语音可更人性化整点报时。闹铃采用自定义歌曲，根据用户喜好可自由定制。硬件焊接时均为贴片式封装，引脚间隙为0.26 mm，需用烙铁精细焊接。

[1] STC12C5A60S2系列1T单片机简介[DB/OL].[2016-12-09].http://www.21ic.com/jichuzhishi/datasheet/STC12C5A60S2/

[2] 韩彩霞.51单片机中并行I/O口的使用[J].电脑与电信，2013(4):32-34.

[3] 李钢，王飞.STM32直接驱动RGB接口的TFT数字彩屏设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011(8):27-29.

[4] 赵燕，李炜.基于STC单片机的GPS定位显示系统设计[J].南京工业职业技术学院学报，2014(4):65-68.

[5] 武漫漫.红外遥控多通道开关系统的设计与实现[D].郑州：郑州大学，2013.

[6] 倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2010(6):32-36.

[7] DS1302中文资料[DB/OL].[2016-12-09].http://www.21ic.com/jichuzhishi/datasheet/DS1302/data/185858.html.

[8] 深圳速佑科技有限公司.供应用于元件的ic单片机语音播报模块[N].科技报,2009-12-7(2).

[9] 杜德银.七段译码电路工作原理分析[J].科技信息，2011(16):32-38.

[10] 黄志刚，赵之赫.通用型1602LCD自定义字符的显示[J].电子世界，2013(22):22-26.

[11] 刘舒.电波钟表专用接收系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[12] 彭啸虎.GPS授时共视算法的研究及实现[D].重庆：重庆邮电大学，2013.

[13] 吴欢.便携式GPS校时系统的分析与设计[D].南昌：南昌大学，2012.

System Design of Electronic Clock Based on Multi-functional Single Chip Microcomputer

Zhao Haiyan, Yan Qiang

(1.ComputerScienceandControlEngineering，NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China; 2.StateGridPingyaoPowerSupplyCompany,JingzhongShanxi031100,China)

The paper makes a design of electronic clock with multi functions, which has a 1.44 inches colorful LCD screen of good looking and full display. The screen can display the year, month, date, second, minute, hour, week, temperature and humidity. At the same time, it also can make setting of near ground key and remote control for digital clock and the setting of alarm clock. The clock makes an accurate time with GPS signal and can make a GPS adjusting with infrared remote controller. Otherwise, the design increases the function of chiming every hour with voice.

single chip microcomputer; multifunction; electronic clock; GPS adjusting time; color screen display

2017-01-18

赵海雁(1962- )，女，浙江嵊县人，副教授，硕士研究生，研究方向：计算机应用技术的网络安全。

1674- 4578(2017)01- 0058- 04

TP 273

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