基于I2C總線電子萬年歷的設(shè)計與實現(xiàn)

王文卿, 李鐘慎

（華僑大學(xué) 機(jī)電及自動化學(xué)院， 福建 廈門 361021）

0 引言

機(jī)械時鐘工藝復(fù)雜，且壽命短，誤差大。本文基于I2C總線(一種簡單的雙向二線制串行通信總線，由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成。允許多個符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的器件通過同一條I2C總線進(jìn)行通信，而不需要增加額外的地址譯碼器[1])，設(shè)計并實現(xiàn)了電子萬年歷計時系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但具有更高的直觀性和精確性，而且整個系統(tǒng)簡單實用，可操作性高。在家庭居室、學(xué)校、車站和廣場得到了廣泛的使用，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作帶來極大的方便。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計及其工作原理

圖1為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，主要由電源模塊、時鐘模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、鬧鈴模塊和單片機(jī)模塊組成。P89V51RB2微控制器是整個系統(tǒng)的核心部分，它來控制整個系統(tǒng)的工作流程。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作原理為微控制器通過時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA將鍵盤模塊、時鐘模塊和顯示模塊連接。時鐘模塊提供時間、日期信息，由微控制器控制顯示模塊顯示這些信息。鍵盤模塊有4個按鍵，來校正當(dāng)前時間和日期，鬧鈴模塊由微控制器控制，實現(xiàn)定點鬧鈴功能。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 基于PCF8563的時鐘電路

PCF8563是Philips生產(chǎn)的一款時鐘芯片，帶有400KHz的I2C總線接口，能提供年、月、日、時、分、秒信息，采用I2C總線協(xié)議（從機(jī)地址：讀，0A3H；寫，0A2H）設(shè)計，與單片機(jī)的連接非常的方便，因此時鐘電路利用該芯片，為系統(tǒng)提供精確的時間信息[2]。圖2所示為PCF8563構(gòu)成的典型時鐘電路。

圖2 時鐘電路圖

圖2中，PCF8563的SCL和SDA引腳內(nèi)部漏極開路，因此使用時需要外接阻值為5.1kΩ的上拉電阻。

2.2 顯示與按鍵模塊電路

ZLG7290是周立功公司生產(chǎn)的一款專用控制顯示與按鍵的芯片。它能夠直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立的LED），同時還可以掃描管理多達(dá)64只按鍵[3]。其內(nèi)部有8個顯示緩沖寄存器DpRam0～DpRam7，它們直接決定數(shù)碼管顯示的內(nèi)容；2個命令緩沖寄存器 CmdBuf0和 CmdBuf1，通過向命令緩沖寄存器寫入相關(guān)的控制命令可以實現(xiàn)段尋址、下載顯示數(shù)據(jù)、控制閃爍等功能。ZLG7290采用I2C總線與微控制器的連接，僅需兩根信號線，簡單明了，ZLG7290的I2C總線器件地址是70H（寫操作）和71H（讀操作）。此電路中就是通過I2C總線將時鐘模塊的信息經(jīng)由微控制器送到ZLG7290命令緩沖寄存器，控制顯示緩沖寄存器顯示時間信息。

圖3 顯示與按鍵模塊電路原理圖

圖3為顯示與按鍵模塊電路的原理圖。其中芯片ZLG7290工作所需晶振的頻率為11.0592MHz，驅(qū)動兩個4位數(shù)碼管顯示時間、日期等。SDA和SCL分別為I2C總線的數(shù)據(jù)線和時鐘，通過這兩根信號線與主控制器通信。ZLG7290同時還控制四個按鍵S3(SET）：設(shè)置時間日期的啟動鍵，按下開始設(shè)置；S4（NEXT）：在各個數(shù)位之間切換；S5（ADD）：對某一位的值進(jìn)行加一操作；S6（SUB）：對某一位的值進(jìn)行減一操作[4]。通過這4個按鍵就可以方便地，任意地調(diào)節(jié)時間和日期。

2.3 單片機(jī)電路（單片機(jī)最小系統(tǒng)）

單片機(jī)最小系統(tǒng)由P89V51RB2單片機(jī)，復(fù)位電路以及振蕩電路組成。復(fù)位電路采用電阻電容式復(fù)位電路，簡單易行，實現(xiàn)手動復(fù)位。振蕩電路使用11.0592MHz的晶振起振。P89V51RB2是一款80C51微控制器，包含16kB Flash 和 1024字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)如圖4所示，P1.6和P1.7分別為I2C總線的時鐘信號線SCL和數(shù)據(jù)傳輸線SDA，使得P89V51RB2，ZLG7290以及PCF8563通過I2C總線進(jìn)行通信；P1.0用于對ZLG7290進(jìn)行軟件復(fù)位；P1.1用于控制蜂鳴器的通斷，實現(xiàn)鬧鐘功能；Reset為系統(tǒng)硬件復(fù)位；中斷INT0與時鐘芯片相連。

圖5為RS232通信接線方式。其中RXD為串行通信RS232的輸入端，TXD為串行通信RS232的輸出端。本系統(tǒng)中單片機(jī)輸入輸出電平為TTL電平，而PC配置的是RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者之間的電氣規(guī)范不一致，因此必須通過MAX232把SCM的信號電平（TTL電平）轉(zhuǎn)換為RS232電平。實際應(yīng)用中只用該串口的接收（RXD）、發(fā)送（TXD）和地線（GND）3個管腳[5-6]進(jìn)行通信。

圖5 RS232通信接線

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所需的所有功能，是一個無限循環(huán)程序。在循環(huán)體中，調(diào)用顯示子程序顯示當(dāng)前時間和日期；調(diào)用按鍵子程序掃描鍵盤，返回按鍵值，根據(jù)不同的鍵值進(jìn)行相應(yīng)的按鍵處理[7]。

3.2 顯示子程序設(shè)計

顯示子程序主要完成在兩個4位LED數(shù)碼管組成的顯示屏上顯示時間或日期。如圖6顯示子程序的流程圖所示，顯示子程序主要由ZLG7290_SendBuf，ZLG7290_ SendCmd，ISendStr等3個主要的子函數(shù)構(gòu)成。其中ZLG7290_SendBuf的功能是向顯示緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，將時間的十進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)化為ZLG7290的控制命令格式放入到disp_buf數(shù)組中，將其作為參數(shù)傳遞給ZLG7290_ SendCmd進(jìn) 行 處 理；ZLG7290_SendCmd功 能 是 向ZLG7290的子地址07H和08H（ZLG7290的命令緩沖區(qū)）發(fā)送控制命令，將從ZLG7290_SendBuf傳來的命令傳遞給函數(shù)ISendStr進(jìn)行處理；ISendStr的功能是從啟動總線到發(fā)送地址，子地址,數(shù)據(jù)，結(jié)束總線的全過程。此處通過I2C總線將由ZLG7290_SendCmd傳來的命令傳至ZLG7290的命令緩沖區(qū)，控制數(shù)碼管的亮與滅，從而實現(xiàn)時間與日期的顯示[4]。

3.3 按鍵子程序設(shè)計

按鍵子程序?qū)崿F(xiàn)讀取按鍵鍵值，按鍵處理以及具體的時間、日期設(shè)置。主要由ZLG7290_GetKey，Process_ Key，Set_Date和Set_Time_Alarm等4個 函 數(shù) 組 成。ZLG7290_GetKey功能是當(dāng)有按鍵按下時，通過I2C總線操作讀取存放在ZLG7290鍵值寄存器中的鍵值，鍵值儲存在變量Key中，并返回鍵值；Process_Key的功能是根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)在所處的模式，調(diào)用相應(yīng)的處理子程序。當(dāng)Sysmod=1時，調(diào)用函數(shù)Set_Date完成日期設(shè)置；當(dāng)Sysmod=2、3時，調(diào)用函數(shù)Set_Time_Alarm完成時間及鬧鈴時間設(shè)置；當(dāng)Sysmod=4時，實現(xiàn)按任意鍵停止報警功能；Set_Date功能是根據(jù)接收的按鍵值，對日期設(shè)置作相應(yīng)的處理，主要檢測輸入數(shù)值是否合法；Set_ Time_Alarm功能是用來設(shè)置系統(tǒng)時間及鬧鈴時間。若Tmode=2,該函數(shù)用來設(shè)置系統(tǒng)時間；Tmode=3，用來設(shè)置系統(tǒng)的鬧鈴時間[4,8]。

圖6 顯示子程序流程圖

4 實驗結(jié)果及結(jié)論

根據(jù)上述軟件和硬件的設(shè)計，結(jié)合各種相關(guān)元器件實現(xiàn)了電子萬年歷計時系統(tǒng)。由于手機(jī)的時間精確，可以作為標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)通過反復(fù)的實驗測試，將系統(tǒng)時鐘行走一天的時間與手機(jī)時鐘行走一天的時間進(jìn)行比較并修正，得出如表1和表2所示的兩組數(shù)據(jù)：

表1 外接電容為22pf時的測試數(shù)據(jù)

表1是圖2中的電容C11和C12選取22pf時測得的數(shù)據(jù)。從表中可以看出系統(tǒng)時鐘一天的誤差比較大，平均超過6s/天。由于負(fù)載電容過大會使晶振的振蕩頻率降低，使振蕩頻率偏離它的標(biāo)稱值（32.768kHz），并最終導(dǎo)致時鐘走的偏慢[10]。因此，將C11與C12換成15pf的電容后又進(jìn)行了一次測試。得到了如表2中所示的數(shù)據(jù)。

表2 外接電容為15pf時的測試數(shù)據(jù)

由表2可以看出，系統(tǒng)時鐘的計時小于1s/天，計時精準(zhǔn)，滿足設(shè)計要求，并能應(yīng)用于我們的日常生活中。

[1] 魏芬. I2C總線協(xié)議應(yīng)用指導(dǎo)書[M]. 南京：航空工業(yè)出版社，2010：17-22.

[2] 周立功. 單片機(jī)實驗與實踐教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2008：68.

[3] 李長林. Visual Basic串口通信技術(shù)與典型實例[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2006: 23-26.

[4] 劉坤. 51單片機(jī)C語言應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全[M]. 北京：人民郵電出版社，2008： 581-582.

[5] 徐永洪,符影,杰江峰. 基于VB 6.0的串口通信實現(xiàn)[J].儀器儀表用戶, 2004( 1) : 46-48.

[6] 張毅剛，彭喜元，姜守達(dá)，喬立巖. 新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計[M]. 3版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008：257-258.

[7] 王懷平. Proteus仿真設(shè)計基于單片機(jī)AT89C51的電子萬年歷[J]. 科技廣場，2008(10)：197-198.

[8] 求是科技. 8051系列單片機(jī)C程序設(shè)計完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[9] 白延敏. 51單片機(jī)典型系統(tǒng)開發(fā)實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：113-117.

[10] 趙聲衡，趙英. 晶體振蕩器[M].北京：科學(xué)出版社，2008.