標準化考場實時計時系統的設計實現

王仲夏，謝添，王蘇明

(1.皖江工學院電氣信息學院,安徽馬鞍山,243000；2. 南京蘇寧工程咨詢有限公司，江蘇南京，210000)

0 引言

每年學校都要組織各種類型的考試，如其中期末考試，并且在社會上也有許多社會化的考試，考生參加考試的人數眾多且考場分布廣泛，少則一個學校，多則十幾個學校，在所有的這些考試中考生最需要控制的就是考試的時間，在考場中也分布了各種類型的時鐘，如何保證各考場教室的時鐘與考試時間同步，是保障考試公平公正的重要因素。本文在電子時鐘原有的功能上進行擴展，如定時提醒、設置考試過程中的提醒時間、提醒次數，甚至在考試時間內對相應的電氣設備（無線電屏蔽儀）的定時啟動和停止，因此對電子時鐘的設計是具有實際意義的。

1 系統硬件電路設計

1.1 時鐘系統方框圖

根據系統的功能要求，初步確定該系統由主控時鐘模塊(STC89C52+DS1302）、按鍵模塊、顯示模塊（數碼管）和通信模塊組成。系統方框圖如圖1所示。

圖1 考場時鐘系統方框圖

1.2 主控時鐘模塊工作原理

DS1302與STC89C52單片機的連接簡單，將引腳I/O、SCLK、RST與單片機的I/O口連接即可，將DS1302中的數據讀取到單片機中，單片機將處理后的數據通過數碼管顯示出來。通過加入的三個獨立按鍵，可進一步對時間進行修改，三個按鍵分別是菜單、+、-，例如第一次按下菜單鍵時選中分（此時‘分’閃爍），此時可以通過按下+鍵來增加分，按下-鍵來減少分；當第二次按下菜單鍵時選中時（此時‘時’閃爍）此時可以通過按下+鍵或-鍵可以增加或者減少時；當第三次按下菜單鍵后，修改后的時間數據寫入DS1302時鐘芯片并通過數碼管顯示出來。時鐘校時由HC05藍牙模塊，藍牙模塊直接接到單片機的RXD和TXD引腳構成，系統原理圖如圖2所示。

圖2 考場時鐘系統原理圖

2 硬件電路元件

2.1 主控單元

STC89CC52是STC公司生產的一種低功耗、高性能的八位微控制器，內部具有8K用戶應用程序空間。STC89C52沿用了經典的MCS-51內核，并在其基礎上做出了改進，使芯片具有一些傳統51單片機不具備的功能。內置4KB的EEPROM，復位電路，3個16位定時器/計數器，4 路外部中斷，中斷觸發方式有下降沿觸發和低電平觸發兩種，看門狗定時器，全雙工串行口。另外STC89C52有空閑模式、掉電保護兩種可供選擇的節電模式，空閑模式下，CPU停止工作，但RAM、定時器/計數器、串口、中斷等工作不會受到影響。掉電保護方式下，RAM內容被保存，直到下一次單片機工作時數據也不會丟失，但單片機會停止工作，如果讓單片機繼續工作，按下復位鍵即可，在單芯片上，由于STC89C52具有8位的CPU和可編程Flash的優點，因此可以為現在大多數嵌入式控制系統提供更多可選擇的解決方案。

2.2 時鐘芯片

DS1302是一個內部帶有RAM的時鐘芯片，并且有兩個電源引腳（主電源，后備電源），這使DS1302芯片即使在沒有主電源的情況下，仍然能夠長時間的保證時間的準確性，DS1302芯片通過簡單的串行接口與單片機進行通信，其工作電壓為2.5V～5.5V。DS1302具有很全的計時功能。例如DS1302芯片具有可自動調整每月的天數和閏年的天數的功能，這使其更加智能化，該芯片還提供秒、分、時、日、月、年的信息,時鐘可通過AM/PM 指示決定采用24 或12 小時制，本次系統只采用了時、分、秒進行計時功能。

2.2.1 DS1302與單片機之間的通信

DS1302 與單片機之間通過三個引腳(RST、I/O、SCLK)進行通信,它們之間采用同步串行通信的方式通信。

2.2.2 DS1302的優點

DS1302有兩個電源引腳，分別為后備電源（VCC1）、主電源（VCC2），該芯片在不同的供電系統中供電方式也會發生改變，在單電源與電池供電的系統中由VCC1提供低電源，在雙電源系統中由VCC2提供主電源。時鐘芯片的供電模式取決與VCC1和VCC2的大小，當VCC2大于VCC1時，由VCC2給芯片供電；反之，由VCC1給芯片供電。因此在斷電情況下，DS1302以VCC1備用電源進行其內部供電以保證下次開啟時時間不會出現錯誤。對于連續長時間測量的控制系統來說，采用具有良好特性的DS1302作為記錄測控系統中的數據記錄時，可以進一步提高系統的工作效率。而且由于其軟硬件設計也非常簡單，因此對于長時間連續的測控系統來說是一個不錯的選擇。

2.3 顯示模塊

此系統選用的是四位一體的共陰極數碼管，其內部已連接好，引腳（正面向上）從左到右順序依次為 1、a、f、2、3、b、dp（+）、dp（-），4、g、c、e，其中 a、b、c、d、e、f、g、為段引腳，1、2、3、4分別表示4個數碼管的位，dp(+)接電源正，dp（-）接單片機I/O口。

2.4 按鍵電路

本系統共采用3個獨立按鍵，分別與單片機的P3.5、P3.6、P3.7口連接，分別是菜單、+、-功能。在調整時間時，可通過菜單鍵、+、-鍵對時間進行調整。在調整的過程中，數碼管對應顯示的調節項會閃爍，分別對時、分進行設置。按鍵電路與單片機的連接見圖2。

3 軟件設計

3.1 整體系統程序

系統程序流程圖如圖3所示，程序執行時先進行系統初始化，再判斷菜單鍵是否按下，當菜單鍵按下時進入時間修改模式，設置完成后把修改后的數據寫入DS1302時鐘芯片并通過數碼管顯示。若無按鍵按下則讀取時間數據送入數碼管顯示。

圖3 系統流程圖

3.2 時鐘程序設計

DS1302時鐘程序流程圖如下圖所示，芯片工作時，會進入初始化程序，芯片內的數據會在出現中斷信號時被送入單片機中處理并通過數碼管顯示，然后判斷是否按下菜單鍵，若按下，則設置完成后將數據送入時鐘芯片并顯示，若無按鍵按下則直接送入EPROM中并顯示。

圖4 DS1302系統流程圖

4 總結

本次系統設計實現了時鐘顯示及時間調整的功能，從設計前期的查找資料，到后期的動手設計，焊接實物等都讓筆者收獲良多，特別是將一個系統分成幾部分小的模塊，然后逐步實現各模塊的功能，最后把它們組合成一個完整的系統，這種搭積木式的模塊化，任務化的系統設計對初學者具有一定的幫助。