基于PCF8563的数字钟系统BJHFJ设计.docx
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基于PCF8563的数字钟系统BJHFJ设计
基于PCF8563的数字钟系统设计
ThedesignofdigitalclocksystembaseonPCF8563
摘要
本文介绍了一款基于AT89C2051单片机数字钟的设计，通过多功能数字钟的设计思路，详细叙述了系统硬件、软件的具体实现过程。
论文重点阐述了数字钟硬件中MCU模块、时钟模块和相关控制模块等的模块化设计与制作；软件同样采用模块化的设计，包括中断模块、闹钟模块、时间调整模块设计，并采用简单流通性强的C语言编写实现。
本设计实现了时间与闹钟的修改功能、报警功能、年、月、日和星期的显示功能。
并且通过对比实际的时钟，查找出了误差的来源，确定了调整误差的方法，尽可能的减少误差，使得系统可以达到实际数字钟的允许误差范围内。
关键词：
AT89C2051单片机；数字钟；PCF8563
Abstract
ThispaperintroducedthedesignofdigitalclockbasedonSCMofAT89C2051,thespecificprocessofhowthesystemhardwareandsoftwareachievedweredetaileddescriptionthroughthedesignofmultifunctiondigitalclock.Themodulardesignandproduction,whichconsistedofMCUmodule,clockmoduleandtheassociatedcontrolmodule,weremainlyrecounted；Aswellashardwaredesigning，softwaredesignusethesamemethod,consistssuspensionmodule，alarmclockmodule,timeadjustmodule,andthatusetheClanguagetoachievebecauseofitssimpleandstrongnegotiability.Inthisdesignthefunctionsoftimeandalarmclockrunandchange,voicebroadcast，functionsoftheyear,month,dayandweekdisplayhavebeenachieved.Andbycomparingtheactualclock,findoutthesourceoftheerroranddeterminedthemethodofadjustingerror,reduceerrorsasmuchaspossibly,sothissystemcanachieveapracticaldigitalclockwitherrorwithinthepermissiblerange.
Keywords：
AT89C2051microcontroller;Digitalclock;PCF8563
目 录
第1章绪论
1.1课题背景
单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。
由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。
单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。
单片机有两种基本结构形式:
一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。
另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。
本文讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。
不仅能满足所需要求，而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。
1.2课题意义
在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。
早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。
小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。
它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。
随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。
根据这种实际情况，设计了一个单片机多功能定时系统，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制，同时又可以进行时钟校准和定点打铃。
它可以执行不同的时间表（考试时间和日常作息时间）的打铃，可以任意设置时间。
这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可能。
1.3数字钟的应用
数字电子钟具有走时准确，一钟多用等特点，在生活中已经得到广泛的应用。
虽然现在市场上已有现成的电子钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但是人们对电子产品的应用要求越来越高，数字钟不但可以显示当前的时间，而且可以显示日期、农历、以及星期等，给人们的生活带来了方便。
另外数字钟还具备秒表和闹钟的功能，且闹钟铃声可自选，使一款电子钟具备了多媒体的色彩。
时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。
但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。
电子钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧院、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使电子钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。
第2章数字钟的硬件设计
2.1整体设计方案
由于本系统要求具有语音播报功能，所以需采用十六位可处理语音信号的单片机。
其主要设计思想是：
整个系统用单片机为中央控制器，由单片机执行采集时钟芯片的时间信号并通过显示模块来输出信号及相关的控制功能。
时钟芯片产生时钟信号，利用单片机的I/O口传给单片机；并通过I/O口实现LCD的显示。
系统设有4个按键可以对时间星期年月日进行调整，还可以设置闹钟。
整体框架如图2-1所示。
图2-1系统整体框图
2.2系统硬件的选择
2.2.1单片机的选择
AT89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机。
95年出现在中国市场。
其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。
AT89C2051（以下简称2051）是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器芯片，片内带2KB的快闪可编程及可擦除只读存储器（E2PROM）。
它于MCS-51指令系统兼容，片内E2PROM允许对程序存储器在线重新编程，也可以用常规的E2PROM编程器编程。
ATMEL的2051将具有多种功能的8位CPU与E2PROM结合在同一芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了高度灵活且价格适宜的方案（市场价格仅10几元）。
2051还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及两种软件可选的省电模式。
在其中，在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器、计数器、串行口和终端系统仍在工作。
在掉电模式下，只保存RAM的内容，振荡器停振，关闭芯片的所有其它功能，直到下一次硬件复位为止。
（1）89C2051主要性能如下：
1与MCS-51产品兼容。
2.2KB的在线可重复编程快闪存储器，寿命可达1000次写/擦除周期。
3.宽工作电压范围为2.7V~6V。
4.全静态工作方式:
0Hz~24Hz。
5.两级程序存储加密。
6.128*8位SRAM。
7.15条可编程I/O线。
8.2个16位定时器/计数器。
9.5个中断电源。
10.可编程串行通道。
11.可直接驱动LED。
12.有片内精密模拟比较器。
13.低功耗的闲置与掉电模式。
14.软件设置睡眠和唤醒功能。
15.可编程UARL通道。
16.两个16位可编程定时/计数器。
（2）AT89C2051的结构框图
如图2-2所示，AT89C2051采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。
通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器。
AT89C2051是一强劲的微型计算机,它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。
图2-2AT89C2051内部结构图
此外，从AT89C2051内部结构图也可看出，其内部结构与8051内部结构基本一致（除模拟比较器外），引脚RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部连接电路也完全与51系列单片机相应引脚一致，但P1、P3口有独特之处。
（3）AT89C2051引脚
89C2051共有20条引脚，详见图2-3。
从图中可见，2051继承了8031最重要引脚：
图2-3AT89C2051的引脚图 （[-o!
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AT89C2051的引脚说明：
对比AT89C2051引脚与8051内部结构可发现,AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地减少了对外引脚,因而芯片尺寸有所减少。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为：
1.Vcc：
电源电压。
2.GND：
地。
3.P1口：
P1口是一8位双向I/O口。
口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。
P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。
当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。
当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流（IIL）。
P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。
4.P3口：
P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3口缓冲器可吸收20mA电流。
当P3口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。
用作输入时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流（IIL）。
P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表1所示。
表2-1 P3口的功能
P3口引脚
功能
P3.0
RXD（串行输入端口）
P3.1
TXD（串行输出端口）
P3.2
INT0（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
TO（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5.RST：
复位输入。
RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
6.XTAL1：
作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。
7.XTAL2：
作为振荡器反相放大器的输出。
从上述引脚说明可看出,AT89C2051没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号,因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备,也即AT89C2051本身即构成了最小单片机系统。
（4）电源
89C2051有很宽的工作电源电压，可为2.7～6V,当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。
89C2051工作于12Hz时，动态电流为5.5mA，空闲态为1mA,掉电态仅为20nA。
这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。
（5）存储器
89C2051片内含有2k字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM,与80C31内部完全类似。
由于2051内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为0～20MHz,也就是说，允许在低速工作时，不破坏RAM内容。
相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5MHz，因为其内部的RAM是动态刷新的。
89C2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它也不需要ALEPSEN、RD、WR一类的引脚。
（6）内部I/O控制
AT89C2051在内部I/O控制上继承了MCS51的特性：
5路2级优待中断，2路定时器/计数器。
（7）程序保密
AT89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。
（8）性能价格比
下面就目前国内全胜较多的两种单片机，讨论一下2051的性能价格比。
a、与80C31系统相比较
如果需要构成一个80C31的最小系统的话，除了CPU之外，至少需要一片27C64,而系统的有效引脚和89C2051基本相同。
从元器件的成本，电路板的面积和加密性来看，使用89C2051都是合算的。
b、与PIC单片机比较
目前，国内小型的单片机全胜较多的有PIC系列，89C2051与PIC相对应芯片比较有如下特点：
89C2051的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，89C2051片内不含WatchDog，这是89C2051的不足之处，中断系统堆栈结构、串等通讯笔定时器系统都大大强于PIC系统。
由于PIC芯片中无标准串等口，所以在单片机的联网应用上面，PIC不太适合。
与PIC相比2051更适合于较复杂的应用场合，适合一些软件需要多次修改的应用。
（9）AT89C2051的外围电路
单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件：
（1）电源正常；
（2）时钟正常；（3）复位正常。
1工作电源
电源是单片机工作的动力源泉，对应的接线方法为;20脚（VCC）电源引脚，工作时接＋5电源，10脚（GND）为接地线。
2时钟电路
时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下进行的，时钟电路就好比人的心脏一样重要。
当采用内部时钟时，在晶振引脚XTAL1（5脚）和XTAL2（4脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如30PF。
3复位电路
在复位引脚（1脚）持续出现24个振荡器脉冲周期（即2个机器周期）的高电平信号将使单片机复位。
电容C和电阻R构成了单片机上电自动复位电路。
复位后，单片机从0000H单元开始执行程序，并初始化一些专用寄存器为复位状态值，受影响的专用寄存器如表2-2所示。
表2-2复位寄存器状态表
寄存器
状态
寄存器
状态
PC
000H
TC0N
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0—P3
FFH
SCON
00H
IP
XXX00000H
SBUF
不确定
IE
OXX00000H
PCON
0XXX0000H
TMOD
00H
（4）控制引脚EA接法
EA/VPP（31脚）为内外程序存储器选择控制引脚，当EA为低电位时单片机从外部程序存储器取指令；当EA接高电平时单片机从内部程序存储器取指令。
AT89C51单片机内部有2KB可反复擦写1000次以上的程序存储器，因此要把EA接+5V高电平，让单片机运行内部的程序，这样就可以通过反复烧写来验证程序了。
这就是AT89C51单片机最小化系统的连接，只要把编写好的程序烧写到单片机内部，并接上5V电源就可以正常运行了，在17脚接上的发光二极管可以用来验证系统是否正常。
2.2.2时钟芯片
系统的时钟芯片选用PCF8563，图2-4为PCF8563内部结构。
PCF8563内部包括16个8位寄存器，可自动增量的地址寄存器，内置32.768Hz的振荡器（带有一个内部集成的电容），分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟），可编程时钟输出，定时器，报警器，掉电检测器和400kHz的I2C总线接口。
所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。
前2个寄存器（内存地址00H，01H）用于控制寄存器和状态寄存器，其中内存地址02H～08H用于时钟计数器（秒~年计数器），地址09H~0CH用于报警寄存器（定义报警条件），地址0DH控制CLKOUT引脚的输出频率，地址0EH和0FH分别用于定时器控制寄
图2-4PCF8563内部结构
存器和定时器寄存器。
秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器，编码格式为BCD，星期和星期报警寄存器不以BCD格式编码。
PCF8563采用32.768kHz可编程时钟输出频率，I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。
单片机与PCF8563之间双向传送数据，最高传送速率为100Kb/S。
I2C总线的优点是简单和有效。
由于接口直接在组件之上，因此，I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和器件引脚的数量，降低了
图2-5PCF8563与AT89C2051接口图
成本。
图2-5为PCF8563与AT89C2051单片机的接口电路，PCF8563的SCL与单片机的引脚P14连接；SDA与单片机的引脚P15连接，实现时间、日期等数据的读取。
2.2.3LCD显示电路
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
本系统选用1602B。
其外观如图2-6。
图2-61602B外观图
1602B可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。
该模块也可以只用D4-D7作为四位数据分两次传送，这样的话可以节省MCU的I/O口资源。
各引脚的功能见表2-3。
表2-3LCD引脚功能图
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
双向数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
双向数据口
3
VL
对比度调节
11
D4
双向数据口
4
RS
数据/命令选择
12
D5
双向数据口
5
R/W
读/写选择
13
D6
双向数据口
6
E
模块使能端
14
D7
双向数据口
7
D0
双向数据口
15
BLK
背光源地
8
D1
双向数据口
16
BLA
背光源正极
从该模块的正面看，引脚排列从右向左为：
15脚、16脚，然后才是1－14脚。
VDD：
电源正极，4.5－5.5V，通常使用5V电压；
VL：
LCD对比度调节端，电压调节范围为0－5V。
接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；
RS：
MCU写入数据或者指令选择端。
MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；
R/W：
读写控制端。
R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据；
E：
LCD模块使能信号控制端。
写数据时，需要下降沿触发模块。
D0－D7：
8位数据总线，三态双向。
如果MCU的I/O口资源紧张的话，该模块也可以只使用4位数据线D4－D7接口传送数据。
本充电器就是采用4位数据传送方式；
BLA：
LED背光正极。
需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；
BLK：
LED背光地端。
它与单片机的连接如图2-7所示。
图2-7LCD与单片机接口
2.3系统外围电路
2.3.1电源电路
电源电路包括变压器、桥式整流器、电容和稳压器。
通过变压器变压，使得220V电压变为12V，在通过桥式整流，电容的滤波作用，稳压器的稳压作用，可输出5V的稳定电压。
如图2-8所示。
图2-8系统电源电路
在系统中要用到2个电源：
单片机电源与PCF8563时钟芯片电源所以有2路电源VCC和VCC1。
2.3.2相关控制电路
（1）按键电路
按键电路如图2-9所示，按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。
图2-9按键电路图
按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。
闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。
抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。
为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。
本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。
P1.0口：
表示功能移位键，按键选择要调整的时十位、时个位、分十位或分个位。
P1.1口：
表示数字“+”键，按一下则对应的数字加1。
P1.2口：
表示数字“-”键，按一下则对应的数字减1。
P1.3口：
表示时间表的切换，程序默认为日常时间表，当按下该开关，使输入为低电平时，表示当前执行的是考试时间表。
再按键，使按键抬起，输入维高电平时，表示当前执行的是日常作息时间表。
（2）复位电路
AT89C2051单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
上电复位：
上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。
上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。
图2-10复位电路
如图2-10所示，上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
第3章数字钟的软件设计
3.1系统软件设计内容
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