第二章 主要方案与主要元器件

2.1 数字时钟设计方案论证

2.2.1 主控芯片选择

方案一：HC32L136 单片机，这是出自上海的华大半导体公司最近几年研发的，是一款 32 位单片机，和 STM32 对比，在功能上和 STM32 单片机很相似，但是这款单片机有较低的功耗。

方案二：STC89C52 单片机，是市面上一款常见的 8 位单片机，应用领域广阔，广泛运用于小家电，电子产品等。

分析方案一，用华大的 HC32L136，处理速度相对STC89C52 单片机要快，并且内存要比 STC89C52 单片机大很多，但该芯片参考资料不全，代码编写相对较难，并且价格上比 STC89C52 单片机贵很多。

分析方案二，用STC89C52 为主控芯片，该芯片经过长期的技术积累和用户反馈的积累，参考资料和芯片的稳定性都要比华大的单片机要好，最主要的是考虑到成本问题， STC89C52 单片机要比华大的单片机价格优惠很多，因此选用STC89C52 为主控芯片。

2.2.2 检测温度方案选择

方案一：热敏电阻，这是一款常见的电阻器件，它的原理是会根据阻值会随着温度的升高而降低，类似于滑动变阻器，在电路设计中，通常和ADC 芯片共同使用，通过将采集到的模拟信号转化为数字信号，然后再传给单片机处理。

方案二：DS18B20 芯片，它是一块集成化的传感器，内部由复杂的电路组成，是一款数字型温度采集传感器，不需要先把模拟信号转化为数字信号，原因是内部的晶振会受环境温度的影响，通过产生固定频率的脉冲进行计数，再经过数据的处理，从而得出所测的温度值。

分析方案一，由于电路设计非常复杂，并且又因为热敏电阻和温度值不成线性变化的特性，所以在计算上会产生很大的误差，设计成本较高，所以放弃此方案。

分析方案二，DS18B20 传感器是一款相对稳定，误差相对较小的温度采集传感器，市面上使用非常广泛，资料齐全，参考样例代码非常多，这样可以大大降低开发难度，价格也便宜，因此选择方案二。

2.2.3 显示方案选择

方案一：使用 LED 数码管显示温度，数码管是通过位选的方式将想要显示的数字或字母显示出来，类似于点灯，通过程序发送脉冲信号显示，往往需要进行取模处理。

方案二：使用 LCD1602 液晶屏显示温度，水质，其共有8位的数据控制位，它可以显示阿拉伯数字、24个字母、符号等等，并且如果使用背光还可控显示亮度，是市面上使用最为广泛的一种液晶显示屏。

分析方案一，虽然使用数码管成本会降低，但是显示内容有限，使用一个数码管有且只能显示一位数，所以我们使用数码管的时候，通常都是几个数码管配合使用，成本上也就大大增加，数码管寿命短，长时间使用会导致亮度逐渐衰弱，所以放弃此方案。

分析方案二，LCD1602 液晶屏显示效果相对清晰，并且可以显示两行数据，每行就可以显示 16 位，这样就大大减少了空间的数量，如果想要显示多位数据，采用LCD1602设计相对简单，价格上也并不贵，因此选择方案二。

2.2.4 时钟检测方案选择

 方案一：微控制器设计中的计时器用作时间计算，然后使用另一个地址控制模块记录小时和分钟。然后使用LCD1602显示时间。这种方案的设计误差很大，因为单片机设计的加载时间间隔会引起误差，并且第二程序流程的编程也更加复杂。

方案二：数字芯片DS1302用于计算日期，由数据计数集成ICDS1302和STC89C52单片机设计的数字电子钟表设备，可以立即输出日期模拟信号，也可以直接连接到计算机。采用STC89C52单片机进行设计和操作，计算机编程的自由空间很大，可以根据程序编写各种算术优化算法和逻辑运算。体积小，硬件配置简单，安装方便快捷。使用低功耗的LCD1602液晶显示器进行显示。

从以上两个方案中很容易看出。采用第二种规划方案，电源电路相对清晰简单，开发软件相对简单，日期计算准确。因此，采用第二个设计方案。

2.2 总体设计框图

本设计以STC89C52单片机为核心控制器，加上其他的模块一起组成多功能数字时钟的整个系统，其中包含中控部分、输入部分和输出部分。中控部分采用了STC89C52单片机，其主要作用是获取输入部分数据，经过内部处理，控制输出部分。输入由四部分组成，第一部分是DS1302时钟模块，通过该模块可检测当前的时间；第二部分是DS18B20温度检测模块，通过该模块可检测当前的温度；第三部分是独立按键，通过六个独立按键切换界面、设置时间、设置闹钟、设置秒表、设置倒计时等；第四部分是供电电路，给整个系统进行供电。输出由两部分组成，第一部分是LCD1602显示模块，通过该模块可以显示当前时间、温度、闹钟时间、秒表时间、倒计时时间等；第二部分时语音输出模块，可以播报当前时间和温度；第二部分是蜂鸣器，当闹钟到达或倒计时结束，都会通过蜂鸣器报警提醒。

图2.1 总体设计方框图

第三章 硬件设计

系统总体硬件电路包括单片机最小系统设计、时钟模块、温度检测模块、语音输出模块、独立按键模块、显示模块、报警模块等组成。

3.1 主控模块电路

主控电路主要由主控芯片及外部两个电路组成，主控电路和少量的元器件组合起来最简单的最基础的系统称为单片机的最小系统，该系统包括主控芯片、晶振电路和复位电路， 在系统中单片机的各个引脚都是用作连接计算机或者其他外界设备模块。STC89C52是市面上一款常见的 8 位低电压的单片机，应用领域广阔，广泛应用于小家电、电子产品等。用STC89C52 为主控芯片，该芯片经过长期的技术积累和用户反馈的积累，参考资料和芯片的稳定性都要比其它的单片机要好，最主要的是考虑到成本问题， STC89C52 单片机要比华大的单片机价格优惠很多。单片机最小系统的设计电路如图3-1所示：

图3.1 单片机最小系统

其中各功能模块及原理介绍如下：

复位电路：极性电容EC1的数值在该设计中对于STC89C52 单片机中的电路复位时间影响最大，复位时间的大小与对应的电容值的大小有关，在复位时，因为我们使用单片机有效复位需要加入高电平才能复位，目前主要采用的复位方式有上电复位和按键复位两种，该设计结合两种复位方式，目的是满足不同时候复位需求，上电复位在上电瞬间从初始化开始的状态执行，而在使用过程中的时候，我们在面对死机、卡顿或者其它问题时可以通过按键而不需要断电再上电，起到节约时间和加快效率的作用。

上电复位：STC89 系列的单片机属于高电平复位，复位引脚RST上一边连接一个电容到电源VCC,另外一边连接一个电阻到地GND , 构成RC 充放电回路，电容充电到电源的70% 的时候电压为5×0.7=3.5V，其电容端电压值从0逐渐增加到3.5V。与此同时大小为10K欧姆,电容ECI大小为10uF,求得时间10k×10uf=0.1s。最终实现在上电的0.1s内，单片机系统自动复位一次。

 按键复位：单片机上电时可以实现系统的及时复位，而按键复位电路只有在满足一定电压的情况下才可以进行复位，复位过后使得系统以正常的低电平工作，该电阻和电容使用10K欧姆和10μF典型值该值是一个经验值，是很久之前人们人们在使用中发现得到结果最好得。按键复位：电容和一个按键并联连接，在按键按下得时候此时得按键回路构成了一个电容回路使得电容放电，这时的复位电路就被拉到了高电平，电容进行充电，保持一段时间后电容充电完成后处于高电平来促使单片机达到复位的目的。

 晶振电路：单片机的处理速度与晶振大小线性相关，如果我们使用得晶振越大，单片机得处理速度将会越快，实际应用中一般取12MHZ，原因是单片机是12分频的，使得一个周期的时间为1us，但算波特率的时候存在误差。如果取11.059MHZ的晶振来提供时钟，它使得串行口通讯提供准确的波特率，且算出得波特率是整数，它还可以准确划分时钟频率，使得时钟频率准确， 时间影响不大的情况下，也可以采用12MHZ 的。两个最小起振电容对晶振电路的影响也非常大， 本设计C1、C2选取30pF。该值是按照晶体管型号的手册选取的，在高频基波晶体负载时， 电容规定选取30pF，而在低频基波时电容要选100pF，在20pF-40pF这个范围都可以，尽量使得两个电容值接近，避免出现振荡的频率发生偏差。（低频频率30-300kHz,中频频率300- 3000kHz,高频频率3-30MHz)

3.2 时钟模块电路

DS1302是DALLAS(波士顿)首先研发得可以充电得时钟芯片，使得以前只能通过电池得时钟跨进一个新的时代，后来DS1302时钟芯片被广泛的运用基本所有得电子设备：比如我们使用最多的移动手机、笔记本电脑，电子手表等便携式仪器设备，优点如下： 

1、DS1302属于时钟芯片，能够提供分秒时日月年星期等信息内容，而且也有自动调节的工作能力，而且可以选择采用24小时12小时模式。 

2、串行通信I/O通信方式，进行的是并行处理的方式，所有可以节省很多的IO口，使得我们的成本降低很多。适合社会现在的我发展。 

4、DS1302采用双电源进行供电，包括主电源和后备电源，其工作方式很像我们的电脑等的设备，一般情况下选用主电源供电，当主电源断电或者出现问题的时候选用后备电源，后备电源一般是一个纽扣电池。该方式进行供电的目的是可以在我们处于任何状况时都可以给我们提高一个准确的时间。

5、DS1302的功能功耗较低，比如它在2.0V电压的情况下进行工作，那么它此时的工作电流将低于300nA。通过这两个数据我们可以计算出它所消耗的电压损耗较低。可以为我们节约很多的资源，这也是它可以得到很大范围发展的原因之一。 

6、DS1302是如下图所示，我们可以看到该单片机的引脚是只有8位引脚的单片机，目前市场上存在二种封装：DIP-8，该封装的总宽是300mil(不包括引脚)。 SOP-8，该封装的总宽有150mil和208mil宽度的(不包括引脚)。此外数字时钟的存储器可以一次读取除电池以外的所有存储里面的内容。DS1302的RAM存储器目前主要有两类：一类是独立的RAM，这种RAM共有31个，每个RAM有一个8位的字节数。其中，如果是偶数的话就是读操作，如果是奇数的话就是写操作；另一类RAM存储器，它可以一次读取和写入RAM的所有31个字节，命令控制字为FEH（写）和FFH（读）。

3.2.1 DS1302的基本情况

美国DALLAS宣布的DS1202具有低功耗和实时充电能力，它可以记录年月日星期小时分秒。并具有瑞年间年补偿功能以及整个调整处理过程中的常见问题。 

3.2.2 DS1302的结构及工作原理

DS1302是一款实时时钟电源电路，具有非凡的特性，功耗和美国DALLAS发布的RAM。它可以计算年、月、日、周、小时、分秒，在瑞年的时候还可以进行瑞年和平年时间的不同从而进行年自动补偿功能。该单片机的工作电压较广可以在2.5V5.5V工作。有三个接口可以进行与CPU通信，内部有一个31×8的RAM用于临时数据存储。 DS1302是DS1202的最新的升级版本，它与DS1202是兼容的，升级的主电源变压器/备用电源变压器的双电源开关，并通过电池为备用电源变压器充电。

3.2.3 引脚功能及结构

在指令输入从低位开始到高位逐渐输入后，输入的指令信息被存储在DS1302里面，在下一个SCLK数字时钟的上升沿到来之前，通过8位操作指令之后的一个SCLK单脉冲的“0”，从低位0读取数据到最高位7，如图3.2为时钟模块电路原理图：

图3.2 时钟模块电路原理图

3.3 温度检测模块电路

DS18B20 是美国最早推出的，相比较于老式的热敏电阻而言，DS18B20 通过内部的处理可以直接显示实时的温度值，不需要通过光敏电阻和其他电阻组成，然后通过测量的电压值换算出最后的温度，可以很大程度的提高测量温度的精度。DS18B20 液晶显示的设计非常的简单，除了VCC（电源）和 GND（地），只有一条数据线，读取温度，只需设计一个简单的程序，就可以直接读取实时的温度值， 温度的精度可以达到整数后两位小数， 相对于光敏电阻，在精度上大大提高。同时可以对DS18B20 进行写操作，和上面读是一样的原理只需通过这根数据线进行写操作即可。

DS18B20 随着温度的变化会产生一个震荡频率，其内部的减法计数器会根据产生的震荡频产生相对应的脉冲从而控制减法器工作，经过计数门计算脉冲数，最后通过高温度系数振荡器来控制计数器选择打开或关闭状态，在初始化的时候，首先在温度寄存器储存一个-55℃的基数值，同样减法器也会储存一个-55℃的基数值，当外界温度改变时，减法器的值会随之改变，计数器的值也会随之改变，通过数据处理，从而计算出当前的温度值。如图 3.3 为温度检测模块电路图：

图3.3 温度采集模块电路原理图

3.4语音输出模块电路

TTS是Text To Speech的缩写，即“从文本到语音”，是人机对话的一部分，让机器能够说话。

它是同时运用语言学和心理学的杰出之作，在内置芯片的支持之下，通过神经网络的设计，把文字智能地转化为自然语音流。TTS技术对文本文件进行实时转换，转换时间之短可以秒计算。在其特有智能语音控制器作用下，文本输出的语音音律流畅，使得听者在听取信息时感觉自然，毫无机器语音输出的冷漠与生涩感。TTS语音合成技术 [1]  即将覆盖国标一、二级汉字，具有英文接口，自动识别中、英文，支持中英文混读。所有声音采用真人普通话为标准发音，实现了120-150个汉字/分钟的快速语音合成，朗读速度达3-4个汉字/秒，使用户可以听到清晰悦耳的音质和连贯流畅的语调。有少部分MP3随身听具有了TTS功能。

TTS是语音合成应用的一种，它将储存于电脑中的文件，如帮助文件或者网页，转换成自然语音输出。TTS不仅能帮助有视觉障碍的人阅读计算机上的信息，更能增加文本文档的可读性。TTS应用包括语音驱动的邮件以及声音敏感系统，并常与声音识别程序一起使用，如图 3.4 为语音输出模块电路图：

图3.4 语音输出模块电路原理图

3.5 显示模块电路

目前在控制显示面板中液晶显示器应用范围较为广泛，LCD1602显示主要是通过点阵取字模的方式进行显示的，点阵液晶虽然没有TFT显示屏显示美观以及更加全面，但是在成本和工作量以及代码量上面却取得较大的优势。因此在没有必要使用TFT的情况下，我们还是使用LCD1602，通过使用已经封装好的字母以及数字的字模我们可以直接去使用， 大大提高了我们的工作效率，显示的时候采用导光板发出背光，可以通过改变背光颜色产生不一样的颜色的字符。当然如果更加简单的可以采用单色段码液晶，但是这种不利于我们多变的显示，而且需要我们去开模也不太适合，但是优点是调试简单，显示较为美观。LCD1602 功能引脚一般有14个引脚，带背光的为16个引脚，多出来的两个引脚其功能是可以通过程序或者硬件电路去很好的控制背光亮度。如下介绍各个引脚的作用以及定义：

1:“VSS”表示电源的接口；2:“VDD”表示的是5V电源供电；3:“VO”对比度调整脚；4:“RS”为寄存器选择脚；5:“RW”为读写信号脚；6:“EN”为使能脚；7～14:“D0～ D7”为数据脚。如图3-5 为 LCD1602 显示模块设计电路原理图：

图3.5 显示电路

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