基于单片机的高精度时钟设计

中国西部科技
２００９年７月（中旬）第０８卷第２０期总 第１８１期
基于单片机的高精度时钟设计
陈华兵 傅成华 方景杰
（四川理工学院自动化与电子信息学院，四川 自贡 ６４３０００） 摘 要：本文采用一种具有低功耗的多功能时钟／日历芯片ＤＳ１８Ｂ２０为核心，设计出一个带有校时和闹钟功能的实时显示 智能电子钟，通过键盘实时调整系统当前时间和设定系统闹钟时间。

关键词：ＤＳ１２８８７；单片机；１６０２液晶 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｍｕｌｔｉ－ｐｕｒｐｏｓｅ ｃｌｏｃｋ ａｎｄ ｃａｌｅｎｄａｒ ｃｈｉｐ ＤＳ１８Ｂ２０ ｗｈｉｃｈ ｒｕｎｓ ｏｎ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ，ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｎｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｌｏｃｋ ｏｆ ｈａｖｉｎｇ ｔｉｍｉｎｇ ｃｈｅｃｋ ａｎｄ ａｌａｒｍ ｃｌｏｃｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｓｅｔｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｌａｒｍ ｃｌｏｃｋ－ｔｉｍｅ ｂｙ ｋｅｙｂｏａｒｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＳ１２８８７；Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ；ＬＣＤ１６０２
１
引言 随着电子技术的产业结构调整，生产工艺的飞速发
控制功能完善。

其内部具有１２８字节ＲＡＭ， 而且内部含有 ４ＫＢ的可编程闪烁存储器，数据保留时间可达１０年以上。

③ 丰富强大的外接接口性能：３２个可编程Ｉ／Ｏ口，可编程串行 通道。

２．２ 实时时钟芯片 ＤＳ１２８８７美国ＤＡＬＬＡＳ公司推出的８位并行接口实时时钟 ／日历芯片， 利用ＣＭＯＳ技术制成。

采用２４引脚双列直插式封 装， 是由振荡电路、分频电路、周期中断／方波选择电路、 １４字节时钟和控制单元、１１４字节的用户非易失性ＲＡＭ、十 进制／二制累加器、总线接口电路、内部锂电池等部分组 成。

基于ＤＳ１２８８７的内部电路结构， 内置一个锂电池，断电 后能运行十年以上而不丢失数据，具有计秒、分、时、日、 月、年、星期信息， 并有闰年补偿功能。

同时该芯片编程 可用二进制码或ＢＣＤ码来表示时间、日历和闹钟。

对于一天 内的时间记录，有１２小时制或２４小时制两种模式，在１２制 小时模式下，用ＡＭ和ＰＭ区分上午和下午。

该时钟芯片具有 ＭＯＴＯＲＯＬＡ和ＩＮＴＥＬ两种总线时序选择方式，具有１２８字节ＲＡＭ， 其 中 １０个 时 钟 寄 存 器 ，４个 控 制 寄 存 器 和 １１４字 节 的 通 用 ＲＡＭ单元， 所有ＲＡＭ单元都具有掉电保护功能， 可用作非易 失性ＲＡＭ。

可编程方波信号输出。

具有定闹中断、周期性中 断、时钟更新周期结束中断， 三个中断源可分别由软件屏 蔽。

由于ＤＳ１２Ｃ８８７能够自动尝试世纪、年、月、日、时、 分、秒等时间信息，其内部有世纪寄存器，从而利用硬件 电路就可以解决“千年”问题。

值得注意的是ＤＳ１２Ｃ８８７存储器数据格式有ＢＣＤ码和二进 制码两种模式，为了操作方便，本文设置为二进制码模 式，通过设置寄存器Ｂ中的ＤＭ＝１来选择二进制模式。

其次， ＤＳ１２８８８７。

２．３ 接口部分 本系统仅需要显示当前时间信息， 因此选用字符型液 晶模块ＲＴ１６０２Ｃ， 它用的点阵图形显示字符，该液晶模块为
展，市场对智能电子时钟的需求也越来越大，而现今市场 上多采用常用的普通电子表， 不具备报时和闹钟的双重功 能。

为此本文以ＡＴ８９Ｓ５１为核心，用ＤＳ１２Ｃ８８７时钟芯片设计 了一种具有校时和闹钟功能的客车用智能电子钟。

该电子 钟运用单片机进行设计制作， 通过软件编程完成实时时间 显示、按键调节时间和闹铃功能， 与数字电路电子钟相比 具有设计电路简单、成本低的优点。

２ 系统硬件设计 该时钟控制电路的设计可细分为： 主控制器部分、时 钟芯片部分，接口部分和闹铃部分。

单片机作为控制核心 部分，实现整个外围电路的控制，有掉电保护功能的时钟 芯片是整个电路的主要部分，接口部分又细分为两部分，即 液晶显示接口和键盘输入接口。

该系统模块结构框图（图 １）。

图１ 电子时钟系统框图
２．１ 主控制 ＡＴ８９Ｃ５１是一款采用ＡＴＭＥＬ高密度非易失性存储器制造 技术制造，与工业标准的ＭＣＳ－５１指令集和输出管脚相兼容 的单片机。

ＡＴ８９Ｃ５１的主要性能特点有：①高性能，低功耗 的８位微控制器，指令功能强大，具有低功耗的闲置和掉电 控制模式。

②该芯片的晶振时钟可达１２ＭＨｚ， 运算速度快，
收稿日期：２００９－０６－１７ 修回日期：２００９－０７－１０
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开 发 应 用
图２ 电子时钟电路原理图
５Ｖ电压驱动，带背光，可显示两行，每行１６个字符。

采用 标准的脚接口。

其中第３脚为液晶显示器对比度调整端，接 正电源时对比度最弱， 接地时对比度最高， 对比度过高时 会产生“鬼影”，使用时可以通过一个电位器调整对比度。

第５脚为读写信号线， 高电平时进行读操作， 低电平时进行 写操作。

当ＲＳ引脚和ＲＷ引脚共同为低电平时可以写入指令 或者显示地址， 当ＲＳ引脚为低电平ＲＷ引脚为高电平时，可 以读取信号， 当ＲＳ引脚为高电平ＲＷ引脚为低电平时可以写 入数据。

作为单片机的接口输入部分，本系统选用４个独立按键 用于设定实时时间和闹铃时间。

２．４ 闹铃部分 本时钟系统采用蜂鸣器作为闹铃电路，但到达预设闹 铃时间，闹铃功能响应也就是蜂鸣器开始响。

由于单片机 Ｉ／Ｏ输出电流较小，故本系统在设计时用一个三极管驱动蜂 鸣器。

系统电路原理图（如图２）。

３
系统软件设计 由于Ｃ语言程序设计较汇编可读性强，可移植性，且可
以大大降低编程的难度和缩短开发周期，本系统程序采用 Ｃ语言设计。

本时钟系统中操作ＤＳ１２Ｃ８８７芯片是程序设计的关 键和重点，故本文只讲解ＤＳ１２Ｃ８８７部分程序，由于篇幅原理 其他源程序代码略。

本系统的主程序流程图（图３）：其中 Ｔ为时钟芯片实时时间，Ｔ设为先前设定好的闹钟时间。

主要程序如下： 向ＤＳ１２Ｃ８８７的某一寄存器写一字节数据： ｖｏｉｄ ｗｒｉｔｅ＿ｄｓ（ｕｃｈａｒ ａｄｄ，ｕｃｈａｒ ｄａｔｅ）／／写 １２８８７函 数 ｛ ｄｓｃｓ＝０； ｄｓａｓ＝１； ｄｓｄｓ＝１； ｄｓｒｗ＝１； Ｐ０＝ａｄｄ；／／先写地址 ｄｓａｓ＝０； ｄｓｒｗ＝０； Ｐ０＝ｄａｔｅ；／／再写数据 ｄｓｒｗ＝１； ｄｓａｓ＝１； ｄｓｃｓ＝１； ｝ 从ＤＳ１８Ｃ８８７寄存器读一字节数据子程序，返回一无符 号字符型数值： ｕｃｈａｒ ｒｅａｄ＿ｄｓ（ｕｃｈａｒ ａｄｄ）／／读１２８８７函数 ｛ ｕｃｈａｒ ｄｓ＿ｄａｔｅ； ｄｓａｓ＝１； ｄｓｄｓ＝１； ｄｓｒｗ＝１； ｄｓｃｓ＝０； Ｐ０＝ａｄｄ；／／先写地址
图３ 系统主程序流程图
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对路基土体因冻融循环而造成较松散的土体进行挤密加 固。

碎石挤密渗井应尽量用大直径，夯填碎石时更应注意 要分层夯实。

南疆铁路及北疆铁路路基冻害治理中，取渗 井直径１５０ｍｍ，选用干净的碎石、砾石作为回填料。

由于渗 井同疏干排水孔配合使用，因此其深度为从路基顶面至疏 干排水孔处，间距同排水孔间距，处理后效果良好。

⑤石灰桩。

在路基土体含水量很高的路段，除设置上 述主要治理工程措施外，还可设置石灰桩，它能尽快降低 路基土体含水量，减轻冻害。

石灰桩只能作为一种临时处理冻害的工程措施，因为 随时间的推移，石灰吸水性能逐渐消失，石灰桩也随之失 效。

⑥截水渗沟。

在部分零断面路基或路堑路基地段，为 截排地表水及地下水，防止水渗入路基土体中，在线路靠 山侧修建截水渗沟，渗沟中心距线路中心线１４ｍ，沟底宽 １．５ｍ，深２ｍ，沟边坡为１：１．５，梯形断面，内填块石，上铺 ３０ｃｍ厚碎石。

为防渗，路基坡脚至渗沟底面及靠山侧边坡 距沟底１ｍ范围内铺３０ｃｍ粗砂垫层，中间铺设隔水土工布， 路基坡脚至沟左侧坡顶粗砂垫层上填３０ｃｍ厚块石。

截水渗沟由于其没有保温措施，只能适用于季节冻土 地区，只是一种一般的排水设施。

５ 结论 路基冻害产生的主要原因是水，所以工程治理主要是
疏排水工程使用，以免因路基坡面修筑支撑渗沟而引起不 均匀冻胀，产生新的冻害。

支撑渗沟一般设置在路基边坡的阴坡，支撑渗沟宽 ２．０ｍ，间距１０ｍ，台阶式沟底，每级台阶宽２．０～３．０ｍ，最 下一级（出口处）宽为４～６ｍ，台阶高１．５～２ｍ，距边坡的 最小距离为１ｍ。

沟底用Ｍ１０浆砌片石砌筑厚３５ｃｍ。

两侧壁设 厚３０ｃｍ的反滤层。

沟内填干砌片石，沟顶铺一层干砌片 石，表面勾缝。

渗沟出口处设４ｍ长挡墙，墙顶宽２ｍ，胸坡 １：０．４，背坡１：０．２，墙底为０．２：１的反坡。

墙上设上下两排 泄水孔，孔径１０ｃｍ，下排泄水孔与沟底标高一致，挡墙下 部沟底处设３孔２５×２５ｃｍ泄水孔，将渗沟积水引到墙外。

②集水井。

在地下水及地表水极为丰富河漫滩地段， 采用集水井的办法疏干土体、降低路基土体含水量，减少 冻胀量，减轻冻害。

即在线路两侧路基坡脚处每隔２５ｍ设置 一座集水井，将地下水引到集水井中，定期将集水井中的 集水抽出，排放至河漫滩远处。

③防渗墙。

为防止路基两侧积水渗入路基，在路基坡 脚设置隔排水渗墙，以减轻路基外侧积水对线路的影响。

尤其是路基两侧积水没有处于同一位置，对路基形成不均 匀浸湿，极易发生单冻胀病害，对线路安全运营的威胁更 大。

防渗墙一般设墙高２．５ｍ，高出路基坡脚１．０ｍ，埋入地 下１．５０ｍ，墙宽０．３ｍ，采用Ｃ１５素砼现场浇注，墙两侧设置 渗水滤层，滤层共由三层组成，各层厚０．２ｍ，由外到里分 别为细砂、粗砂和砾石，滤层底铺设隔水土工布，土工布 下设２０ｃｍ厚细砂垫层。

它兼具隔渗及排水功能，设计中还 应注意其底部的排水坡度。

④碎石挤密渗井。

在冻害治理工程中，碎石挤密渗井 是一种辅助整治工程措施，它一般和疏干排水孔结合使 用，效果比较好。

碎石挤密渗井一般设置于路基土透水性比较差的路 段，目的是设置一条渗水通道，将路基土体内水分渗排至 疏干排水孔排出路基本体。

另一方面，碎石挤密渗井还可
防水、截水和排水。

针对不同的路基特点和冻害特征，治 理措施主要有疏干排水孔群、站区排水渗沟、截排水保温 盲沟、换填渗水土和其它方法。

参考文献： ［１］ 常士骠，张苏明，项勃等．工程地质手册（第四版）［Ｍ］．北京：中 国建筑工业出版社，２００７：４８５～４８９． ［２］ 张俊德，王 翔．南疆铁路某段路堤冻胀病害治理措施初探 ［Ｊ］．路基工程，２００４，（３）：８６～８７．
（上接第１７页） ｄｓｄｓ＝０；
ｄｓａｓ＝０；
实践结果表明各方面性能指标良好，可靠性高， 具有一定的 理论和推广价值。

参考文献： ［１］ 吴金戎，沈庆阳，郭庭吉．８０５１单片机实践与应用［Ｍ］．北京：清华 大学出版社，２００２． ［２］ 胡汉才．单片机原理及其接口技术［Ｍ］．北京：清华大学出版 社，１９９５． ［３］ 郭天祥．新概念５１单片机Ｃ语言教程——入门，提高，开发，拓展 全攻略［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００９． ［４］ 韩广兴．电子元器件与实用电路基础［Ｍ］．北京：电子工业出版 社，２００５．
Ｐ０＝０ｘｆｆ； ｄｓ＿ｄａｔｅ＝Ｐ０；／／再读数据 ｄｓｄｓ＝１； ｄｓａｓ＝１； ｄｓｃｓ＝１； ｒｅｔｕｒｎ ｄｓ＿ｄａｔｅ； ４ ｝ 结论
本文论述对象采用ＤＳ１２Ｃ８８７实 时 时 钟 芯 片 ， 并 结 合 １６０２液晶设计的智能电子时钟具有闹铃、时钟显示以及中 断输出功能， 能够完成各种复杂的定时功能， 且结构简单，
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