单片机定时闹钟的研究（单片机实例分享）

图14.1 电子钟

想起那时刚学习单片机，仅仅会写几段汇编代码。后来的几个月，自己也学写了一个电子钟程序，不过做得非常简陋，也没使用什么时钟芯片，仅仅通过单片机的定时器来累计计时，功能上实现了时、分、秒的显示以及简单的闹钟功能。不过，我还真是怀念以前学习单片机的美好时光，也很高兴那时自己能专心学习单片机。后面我也做了一款像样的电子钟(见图14.1)，在下面的内容里，我会和大家分享制作它的过程。

零件清单

零件清单是制作这款电子钟的基本元件，还有一些边角料，不再列出。从零件列表(见表14.1)中大家可以看出，整体的成本不超过80元。不过，最近这段时期，AVR单片机涨价厉害，在网上也要18元左右才能买到。如果液晶屏在淘宝网上购买的话，建议以关键字ST7565搜索，这样才能搜索到ST7565控制器的128×64液晶屏。至于其他零件比较常用，一般电子市场都能购买得到。

图14.2 零件全家福

表14.1 材料表

电路原理

如图14.3所示，微控制器(MCU)我选择了AVR单片机的Atmega8，因为比较熟悉。它的程序存储器大小为8KB，数据RAM大小为1KB，工作电源电压范围为2.7~5.5V，最大工作温度为 85℃，最小工作温度为-40℃。时钟芯片选择DS1302，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V。采用三线接口与MCU进行同步通信。最后，通过使用SD卡的SPI模式和单片机的SPI接口连接，进行数据交换。SD卡相当于容量很大的SPI接口的FLASH，在制作过程中，也可以替换成大容量的FLASH芯片。128×64液晶仅仅需要4根线和单片机连接。由于使用的控制器是ST7565，它不带中文、英文字库，因此需要自己建立字库。但这种液晶屏价格便宜，外观也很小巧。我购买的这款液晶屏，背光是橘黄色的，到了晚上会发出迷人的光泽。

图14.3 电路原理图

工作原理

在制作之前，我先介绍一下它的工作原理。控制芯片使用的是AVR的atmega8单片机，简称M8。大家也可以使用熟悉的51单片机(程序可以到本书配套光盘中下载，大家根据需要自己修改或移植)。程序通过读取SD卡内的TXT文件，显示每天需要提醒的内容。因此，可以通过电脑，方便地修改提醒的内容，如节日、生日、纪念日等。不必再为了修改液晶屏上的提醒内容而特意修改程序代码，仅仅通过编辑TXT文件即可。SD卡是通过它的SPI接口和单片机进行数据交换。液晶屏使用的是串口128×64的黑白液晶屏，控制器是ST7565，它和单片机连接也仅仅需要4个I/O口。时钟芯片使用的是DS1302，大家对它应该不陌生吧。时钟芯片通过3个I/O口和单片机连接，电源使用USB接口的5V电源，经过1117-3.3电源稳压芯片转换成3.3V电压，供给单片机、液晶和SD卡使用，大家也可以使用3.3V的电源直接供电。这款电子钟通过两个按钮实现时间和闹钟的设置。当时钟正常运行时，第2个按钮可以单独开启闹钟或关闭闹钟。

使用方法

(1)在计算机的WinXP系统下把SD卡格式化成FAT文件系统。

(2)先复制字体到SD卡内，这样才能在液晶上显示中文。

(3)在根目录下新建“提醒.txt”文本文件。

(4)在文件内写入一行内容，如下：****-02-13"明天是情人节"，这样每年的2月13号，电子钟就会提醒你明天是情人节了。

大家会发现，这款电子钟没有农历的显示，如果要显示农历怎么办呢?如果朋友的生日是按农历来算的怎么办呢?其实也挺简单的，通过在文件中写入公历和农历的对应时间关系即可。如：2010-02-13"农历2009-12-30"。注意：*号是通配符，表示任意的意思。例如：2010-**-**"虎年"，表示2010年的任意日期，都会显示虎年。

字库的制作及使用

这是本次制作的知识要点之一。GB2312是中国国家标准简体中文字符集，全称《信息交换用汉字编码字符集·基本集》，又称GB0，由中国国家标准总局发布，1981年5月1日实施。GB2312编码通行于中国大陆，新加坡等也采用此编码。中国大陆绝大多数中文系统和国际化的软件都支持GB2312。

GB2312标准共收录6763个汉字，其中一级汉字3755个，二级汉字3008个;同时收录了包括拉丁字母、希腊字母、日文平假名及片假名字母、俄语西里尔字母在内的682个字符。GB2312的出现，基本满足了汉字的计算机处理需要。GB2312中对所收汉字进行了“分区”处理，每区含有94个汉字/符号。这种表示方式也称为区位码。

01~09区为特殊符号。

16~55区为一级汉字，按拼音排序。

56~87区为二级汉字，按部首/笔画排序。

10~15区及88-94区则未有编码。

举例来说，“啊”字是GB2312之中的第一个汉字，它的区位码就是1601。

在电脑上的TXT文本文件中，每个汉字及符号以两个字节来表示。第一个字节称为“高位字节”，第二个字节称为“低位字节”。为了和原有的ASCII码兼容，“高位字节”使用了0xA1～0xF7(把01~87区的区号加上0xA0)，“低位字节”使用了0xA1~0xFE(把01-94加上0xA0)。由于一级汉字从16区起始，汉字区的“高位字节”的范围是0xB0~0xF7，“低位字节”的范围是0xA1~0xFE，占用的码位是72×94=6768。其中，有5个空位是D7FA~D7FE。例如，“啊”字在文件中会以两个字节“0xB0(第一个字节)0xA1(第二个字节)”储存。

制作步骤

1 按图在洞洞板上安插好各个元件，并插上已经烧录好程序的芯片。

2 根据电路原理图，依次连接导线

3 将各个组件准备好了后，就可以组装起来。

4 最后插上USB电源，就可正常工作了。

DIY的过程不仅仅是制作过程，还是一个让作品更美好的过程，为此，我又开始了这个自定义提醒闹钟的美化过程。

将钢丝弯曲成如图的形状，在钢丝上拧上螺丝，在万用板上也拧上螺丝。

用内六角扳手、普通扳手拧紧螺丝。

那么如何定位字库中的点阵数据呢?文件编码的区码范围是从0xA1(十六进制)开始，对应区位码中区码的第一区，第二个字节为汉字的位码，范围也是从0xA1(十六进制)开始，对应某区中的第一个位码。就是说，将汉字编码减去0xA0A0就得到该汉字的区位码。例如，汉字“啊”的机内码是十六进制的“0xB0A1”，其中前两位“0xB0”表示编码的区码，后两位“0xA1”表示编码的位码。所以“啊”的区位码为0xB0A1-0xA0A0=0x1001，将区码和位码分别转换为十进制16和01，得到汉字“啊”位于第16区的第1个字的位置，那么点阵数据在文件中的位置为第“32×[(16-1)×94 (1-1)]=45120”以后的32个字节。这就是“啊”的显示点阵需要的字节数据了。其中，32为16×16点阵的取模字节数，表示32字节大小。单片机通过取这连续的32个字节，送到LCD的相应位置，就能正确显示汉字、图形符号了。

最后，使用字库生成工具，就能生成自己需要的字库了。这样的工具软件在网上有许多，请自行选择。我使用未注册的“汉字取模字库生成”小工具，使用次数有一定的限制，但偶尔用于生成字库还是够用的。由于这款液晶显示数据是1列(8个点)为一个地址单位的，而不是1行(8个点)或点地址为单位。因此，取模时需使用纵向(列)取模方式取模，这样方便后期程序的编写。当然也可以直接选择“@宋体”这类字体。通过工具预览后，你会发现，这种字体旋转了90°。点击生成字库，在弹出的菜单中输入的路径和文件名。按“确认”后就会生成需要的字库了，注意后缀名为.dot。程序读取经过旋转后的32字节字体数据，即点阵列数据，就能显示一个汉字了。

存储整个字库数据是个难点，GB2312汉字库有200多字节的大小，单片机的FLASH可是没有足够的空间用来保存它。那么怎么办呢?其实，方法也挺多的。有一种实用、简单、方便的方法就是外接FLASH存储芯片。如SST25VF020、AT45DB161等，它们都是串行接口，可以节省许多I/O，读取速度也够快，但增加了制作成本。还有一种方法，可以直接放在SD卡内，但程序会复杂很多。同时，显示字体的速度也没外接FLASH快。不过最后我还是选择了第2种方法，以后的小制作中再试试第1种方法。

为了让电脑和单片机互相交换数据容易些，需要把SD卡格式化成FAT文件系统，然后单片机解读SD卡格式化后FAT文件系统，在此基础上再读取txt文件，最后调用相应的字库数据在液晶屏上显示。具体如何实现，请读者朋友自行分析源代码。源代码可到本书配套光盘上下载。

编程说明

当我烧录完程序后，迫不及待地要运行这个电路了。把电子钟插上电源后，程序会先初始化硬件(液晶、SD卡和时钟芯片)。之后会读取单片机EEPROM里的闹钟信息，没有的话会新建初始化内容，并写入EEPROM。最后，液晶就会分4行显示时间、日期、星期和闹钟。当有提醒信息时，闹钟时间和提醒的内容会交替闪烁。在程序的循环体内，程序会定时读取SD卡内的TXT文件，如果TXT文件内定义的日期和时钟芯片的日期一致，那么单片机会读取文本文件内对应的显示内容，并在液晶的第4行显示。如果没有相等的日期，单片机会显示默认的字符串“MADEBYZBJ”，大家可以改成自己定义的字符串。

电子钟的右侧有4个按钮，但是本次制作只使用了上面2个按钮，另外2个按钮功能未用。这4个按钮的一端都连到了单片机的中断引脚，并把这个中断引脚设置为上拉，在程序中等待下降沿中断。按钮的另一端和单片机的4个普通I/O连接，这4个I/O设置为低电平。当按钮按下时，就会引发下降沿中断，此时程序修改中断，引为低电平，并把4个普通I/O口上拉，再分别读取4个引脚的电平状态。如果，某个引脚读到低电平，就可以判断对应的这个按钮按下了。最后，等待按钮的释放，不断循环此过程。

当时钟在运行状态时，按第1个按钮，将会进入时钟设置状态，再次按下第1个按钮，就会进入下一个设置选项，以此类推，直到退出最后一个选项(注意闹钟关闭状态，不会进入闹钟设置选项)，这样电子钟就会退出设置状态，再次进入运行状态了。电子钟在设置状态下，设置的项目会反显，可以通过按第2个按钮，改变设置的数值。

当时钟在运行状态时，按下第2个按钮，闹钟将会开启或关闭，这取决于原来的状态。在液晶屏上会显示相应的闹钟状态信息。闹钟数据虽然保存在M8单片机的EEPROM中，但不会直接使用。当单片机上电运行时，会自动载入RAM中使用，这样是为了延长EEPROM的使用寿命。但当RAM中的闹钟数据改变时，修改的数据才会同步更新，写入EEPROM。程序会比较RAM中的闹钟时间和时钟芯片的时钟是否一致，当两者一致时，闹钟就会“嘀嘀”地叫了。至于鸣叫多久，大家可以根据自己的需要修改程序中的设置。

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