精簡制作32×16點陣時鐘

作者 / 楊記華，浙江師范大學工學院、職業技術教育學院

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精簡制作32×16點陣時鐘

作者 / 楊記華，浙江師范大學工學院、職業技術教育學院

本系統以增強型51單片機STC12C5A60S2為控制核心，選用美國達拉斯公司生產的DS1302實時時鐘芯片和DS18B20數字溫度傳感器制作了一個32×16點陣時鐘。該點陣時鐘通過較少的元器件實現了時間、溫度、年、月、日、星期和重要節日輪流滾動顯示功能，此外，用戶還可以通過背面的三個觸摸按鍵實現調時，同時系統還通過光敏電阻實現了感光功能。該系統制作完成后通過實物測試，獲得了良好的效果。

STC12C5A60S2； 32×16點陣；觸摸按鍵；光敏電阻

1. 系統概述

本系統選用了封裝為LQFP-48的增強型51單片機STC12C5A60S2，利用其自身的相關功能簡化了傳統的硬件電路設計，圖1為該點陣時鐘的系統框圖。在該制作中，通過軍工銅腳排母連接PCB與LED點陣屏，方便用戶取下點陣屏進行修理，所有的元件都隱藏在PCB與LED點陣屏之間，外形美觀。制作中還增加了感光模塊，通過光敏電阻感知周圍環境的亮度，白天高亮正常顯示，夜間降低LED亮度，微亮顯示。

圖1 32×16點陣時鐘系統框圖

2. 系統硬件設計與制作

■2.1 系統硬件設計

（1）單片機最小應用系統的構建

由于STC12C5A60S2單片機內部集成了MAX810專用復位電路，所以硬件設計時省去了復位電路模塊，簡化了電路。為了提高單片機反應速度和點陣屏亮度，使在高亮度的時候不產生閃爍感，制作中選用了24MHz的晶振。圖2為單片機最小應用系統。

（2）32×16點陣顯示屏模塊

32×16表示32列16行LED，由8塊MT15088BK 8×8紅色共陽點陣組成32×16點陣顯示屏，本點陣屏由單片機STC12C5A60S2直接驅動，省去了額外的驅動芯片，簡化了電路，直接驅動時，為了使LED亮度更高，需要把該單片機相應的I/O口設置為強推挽輸出模式。要直接驅動32×16點陣顯示屏，至少需要48個I/O口，本系統巧妙設置STC12C5A60S2單片機I/O口的四種輸出模式，僅用32個I/O口就實現了驅動32×16點陣顯示屏，簡化了電路，點陣屏電路連接如圖3所示。

圖2 單片機最小應用系統

（3）DS1302模塊

圖4為DS1302時鐘電路原理圖，該電路省去了SCLK（串行時鐘），I/O（數據線），RST（復位）三個引腳處的上拉電阻，把與單片機連接的三個I/O口設置為強推挽輸出模式，也能正確讀出DS1302內的相關數據，簡化了電路，若在讀取DS1302的相關數據時采用單片機的準雙向口輸出模式，將引起DS1302的輸出不穩定，我的實驗現象是：正確的數據和亂碼交替顯示。在選擇晶振兩端的電容時，我也下了一番功夫，從不接電容（斷開）到6pF、22pF、27pF，最后發現在27pF時時間誤差最小，我的實驗結果為每24小時慢4秒，在程序中補償了每天慢的4秒，提高了時鐘的精度。選用了CR1220紐扣電池作為備用電源，體積小，制作時把兩引腳折彎后表貼在PCB上，易于隱藏在PCB與點陣屏之間。

圖3 點陣顯示屏連接圖

圖4 DS1302時鐘電路原理圖

（4）DS18B20模塊

圖5為DS18B20溫度傳感器電路原理圖，制作中省去了DQ引腳處的上拉電阻，由于DS18B20沒有貼片元件，制作時需要把DS18B20橫著焊接在PCB與點陣屏之間，巧妙的把直插元件也隱藏了。

（5）感光模塊

圖6為感光模塊電路原理圖，G1為光敏電阻，由于STC12C5A60S2單片機有8路10位A/D轉換，所以只要光敏電阻的一端接在單片機的A/D轉換接口上，同時，將與單片機連接的I/O口設置為高阻輸出模式，單片機就可以通過A/D轉換器感知外界光線的變化引起的電平變化，從而控制LED的亮暗。

圖5 DS18B20溫度傳感器電路原理圖

（6）按鍵模塊

圖7為按鍵模塊原理圖，本系統的按鍵部分不再使用傳統的微動按鍵，而采用新型的觸摸按鍵，觸摸按鍵的實現原理較簡單，和感光模塊類似，主要是通過單片機的A/ D轉換器不斷讀取按鍵上電平的變化，從而判斷出有無感應物，但要注意與單片機連接的I/O口必須設置為高阻輸出模式，否則將無法判斷出有無感應物。三個觸摸按鍵的實質就是三個焊盤，只是這三個焊盤的形狀和普通焊盤不一樣，需要在設計PCB的時候，根據自己需要繪制出不同外形的焊盤，我在繪制這三個異形焊盤時，參考了百度上《AltiumDesigner中創建異形焊盤方法》一篇教程，最終完成了設計。

圖6 感光模塊電路原理圖

（7）蜂鳴器模塊

本制作中選用了KLJ-9032 無源貼片蜂鳴器，體積小，聲音大，聲音頻率可控，但和有源蜂鳴器不同，有源蜂鳴器只要有電壓就響，無源蜂鳴器則須用一定頻率的方波才能驅動。圖8為蜂鳴器模塊原理圖。

（8）電源模塊

該系統采用Micro-USB接口供電，可以和手機共用5V充電器，而不需額外單獨制作系統的電源，簡化了硬件電路設計。制作中選用了4腳插板式Micro-USB母座，插板式具有比貼片式堅固、耐用的優點。圖9為Micro-USB接口原理圖。

■2.2 制作

繪制原理圖和PCB時使用的軟件為Altium Design-er10.0，通過這次實踐，我對Altium Designer軟件的操作更加熟練了，特別是在繪制PCB時，我第一次嘗試了手動布線，當然也結合了系統自帶的自動布線功能，以前總覺得手動布線是一件很麻煩的事情，當最后完工，看著自己的勞動成果時，感覺很有成就感。在繪制PCB時，我設計了兩次才成功，第一次在做USB電源接口時，把電源的正極和負極設計反了，這樣做的后果是：實物上電后，單片機迅速發燙，若不及時拔掉電源線，就會燒壞單片機。

圖7 按鍵模塊原理圖

圖8 蜂鳴器模塊電路原理圖

圖9 Micro-USB接口原理圖

由于制作中選用的基本都是貼片元件，更重要的是選用了LQFP-48封裝的單片機，引腳間距特別小，需要具有一定的焊接能力。在焊接過程中，主要使用到的工具有電烙鐵、焊錫絲、松香、鑷子、吸錫帶、放大鏡。

設計時，在PCB上預留了一個下載程序用的接口，由于該系統省去了USB轉TTL模塊，所以在下載程序前還需要購買一條STC單片機專用下載線。

3. 系統軟件設計

該系統的硬件電路已經很簡化了，比傳統的點陣時鐘電路少了驅動芯片，I/O口擴展芯片，上拉電阻等。硬件電路簡單了，要實現相同的功能，就意味著編寫的程序更復雜了，為了使點陣屏的每個LED亮度均勻，采用了逐點掃描的方式。

圖10為AD觸摸按鍵檢測程序，三個觸摸按鍵通過程序實現了三級菜單觸摸設置，第一級菜單完成了調時功能，包括調整年、月、日、星期、時、分和秒；第二級菜單完成了調整亮度功能，實現了六級亮度可調，實現原理比較簡單，由每個LED點亮的時間決定；第三級菜單完成了顯示模式功能，包括白天和夜間兩種模式，白天模式由時間、溫度、年月日和星期輪流滾動顯示，在時間和溫度輪流顯示時，加入了左移和右移動畫，使得不會產生“突然出來”的感覺，在滾動過程中，還增加了重要節日顯示功能，夜間模式只有時間的靜止顯示，且顯示亮度比白天較低，同時省去了溫度顯示和年月日滾動顯示功能，處于夜間模式時，只需按下S2鍵或S3鍵即可快速進入白天顯示模式。當用戶完成某項設置時，會有“完成”字樣在LED屏上滾動顯示，隨后進入時間顯示的主界面，另外，同時按下S2鍵和S3鍵可以初始化ds1302，省去了每次都要下載程序才能初始化的麻煩。

4. 總結

在制作過程中，雖處處碰壁，感覺到處都是問題，但我沒放棄，“它山之石可以攻玉”，我帶著這些問題通過查閱相關書籍和利用網絡查漏補缺，功夫不負有心人，最后完成了制作，并實現了相關功能。

圖10 AD觸摸按鍵檢測程序

＊ ［1］王淵峰.Altium Designer 10電路設計標準教程 ［M］.科學出版社，2012.

＊ ［1］郭天祥.新概念51單片機C語言教程設計入門提高開發拓展全攻略［M］.電子工業出版社，2009.

＊ ［1］杜洋.愛上單片機［M］：第3版.人民郵電出版社，2014.

＊ ［1］譚浩強.C語言程序設計［M］：第4版.清華大學出版社，2010.

＊ ［1］柴田望洋.明解C語言［M］.人民郵電出版社，2013.

＊ ［1］BradleyL.Jones peter Aitken.21天學通C語言［M］.人民郵電出版社，2012.