LED点阵显示式多功能数字电子钟设计

摘要：电子钟在人们生活中应用越来越普遍，越来越智能化，并且融入到了周围的各种电子设备之中。利用高速1T单片机STC12C5A60S2的快速处理速度，配置丰富的内部资源（如AD转换、双串行UART、SPI总线）进行了多功能数字电子钟设计。系统具有时间显示、定时、整点半点报时、时间调整功能，且带有数码管、LCD1602和LED点阵显示功能与语音录放提示功能。设计的电子钟更加智能方便，增强了用户交互体验、体现了人性化设计。

关键词关键词：数字电子钟；LED点阵；单片机STC12C5A60S2

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2014）004009303

基金项目基金项目：华南农业大学青年骨干教师项目（华农人[2011]57）

作者简介作者简介：谢家兴（1979-），男，博士，华南农业大学工程学院讲师，研究方向为光电子。

0 引言

时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，每个

人都离不开它。从机械钟表到电子钟，一直伴随着我们的生活[12]。本方案通过认真了解机械钟表和电子钟的原理，设计了多功能数字电子钟，将机械钟表和电子钟结合在一起，以数字模拟机械、实现优势互补为重要理念，增加用户交互和人性化设计。

本文通过加入自动适应环境模块、矩阵按键模块、语音录放模块增加了时钟与用户交互的方式和方便性，实现人性化设计。

1 系统功能

本多功能数字电子钟具有如下功能：①显示时间、调整时间、报时、定时；②带LED点阵模拟显示机械钟表；③带语音录放功能；④带按键输入控制；⑤电池供电。

本设计分为以下8个模块：①单片机控制模块：电子钟控制核心；②时间管理模块：利用时钟芯片获取当前时间更新信息；③LED点阵显示模块：利用数字电路控制方式实现对机械钟表的模拟和功能增强；④语音录放模块：通过耳机收集音乐数据、话筒收集语音信息完成提示音录入；⑤时间显示模块：由数码管显示时分秒；液晶LCD1602显示年月日星期和自定义的待办事项；⑥按键输入控制模块：利用4×4矩阵按键输入数字、字母和部分控制信号；⑦动力支持模块：利用电池提供电源；⑧语音与信息存储模块：将录入的语音信息存储至芯片中。

系统整体功能框图如图1所示。

图1 系统整体功能框图

2 硬件电路制作

结合电子钟的整体结构和电路设计，电子钟三层电路板整体设计如下：

（1）顶层电路板。该层是电子钟的显示模块，如图2所示。包括数码管、LCD1062和LED点阵[3]。

（2）中间层电路板。该层是电子钟的控制核心和语音录放等模块，如图3所示。

（3）底层电路板。该层是电子钟的动力支持模块和键盘输入控制模块，如图4所示。

3 软件设计与实现

根据各个模块功能又可分为以下几个子程序流程：

单片机控制（Mcu_Control）、串口（UART）、时钟（Timer）、显示（Display）、报时定时（Time_Alarm）。

图2 顶层电路板

图3 中间层电路板

图4 底层电路板

（1）单片机控制（Mcu_Control）。这是整个软件设计中的主程序，流程如图5所示。电子钟启动时

STCAA12C5A60S2将周期性地从时钟芯片DS1302中获取时间信息更新时间。在获取了时间信息后，通过串口传输数据

给AT89C2051显示时间，同时检测定时报时和待办事项是否发生，若发生则进行定时报时和待办事项提示。在两次获取时间信息的指令之前可以接受中断或者其它形式的触发，但在获取时间信息过程中为保证时间准确将屏蔽所有触发[4]。

（2）串口（UART）。串口传输的程序流程如图6所示。

图5 单片机控制流程图6 串口传输的程序流程

在每1次发送数据之前需检测从设备是否准备好，若准备好则开始传输数据；传输完成之后则等待从设备发出接收完成标志，若已接收则可发送下一数据。

（3）时钟（Timer）。时钟程序流程说明了时钟芯片DS1302与STC12C5A60S2之间通信的时序，如图7所示。

在DS1302工作时，若主电源电压小于备用电池电压，则切换至备用电池。

（4）报时定时（Time_Alarm）。报时定时流程如图8所示，检测设定时间点及待办事项，整点及半点进行提示。

图7 时钟程序流程图8 报时定时流程

（5）显示（Display）。显示流程如图9所示，说明了数码管、LCD1602和LED点阵显示时间的过程。

图9 显示流程

4 调试及功能演示

（1）时间获取。通过时钟芯片DS1302获取时间信息，写好它与单片机通信用的三线式驱动时序，在程序中分别使

用单字节和触发模式进行传输测试，注意不要把DS1302的主电源和备用电源引脚装反。

（2）显示（数码管显示时分秒、液晶显示年月日星期、点阵模拟机械时分秒针）。进行这一部分的调试，可以用基本的功能测试函数来完成，如：让六位数码管分别静态显示从0-9不断变化的字符，之后以很慢的速度进行一次动态显示；让LCD1602完成初始化，即设置显示模式、清屏、设置光标闪烁和位置；对于LED点阵，首先通过IO口输出高电平让点阵全亮，并测试总的输入电流、记录亮度情况，接着让点阵的水平和竖直径向上的LED全亮，最终验证点阵显示的图形和字符编码是否相同[5]。

（3）串行UART接口。串行口是控制核心STC12C5

A60S2 和扩展控制AT89C2051之间的通信接口，调试前应保证定时器设置和串口中断设置正确、单片机晶振符合串行通信要求。对于STC12C5A60S2，可编写串行发送数据程序至电脑的超级终端或其它串口调试软件，对于AT89C2051，可编写串行接收数据程序接收来自超级终端等数据并显示。