【正文】 ock display and so on. The simulation and debugging of the design are run on the software of the Proteus and CodeVisionAVR. The design realizes the functions such as displaying of current date and time, and the remaining number of days counting and displaying, and adjusting the date and time. This design meets the design requirements and objectives. KEYWORDS ATmega16 microcontroller, DS1302, state machine, realtime clock countdown 倒計時實時時鐘設(shè)計 1 1 緒論 單片計算機即單片微型計算機（ SingleChipMicroputer） ， 是集 CPU、 RAM、ROM， 定時 、 計數(shù)和多種接口于一體的微控制器 [1]。而 AVR 系列單片機是各單片機中最為典型和最有代表性的一種。 本文通過對一個基于單片機的能 實現(xiàn)時間，日期以及倒計時相關(guān)信息功能的倒計時實時 時鐘的設(shè)計學習， 詳細介紹了單片機編程中狀態(tài)機應用思想 。系統(tǒng)由ATmega1 DS1302時鐘芯片、 7段 數(shù)碼管、 按鍵 等部分構(gòu)成，能進行時、分、秒的顯示。 課題研究背景 隨著信息化的發(fā)展和人們生活節(jié)奏的提高，為了提高工作效率，提醒大家關(guān)注某項重大事件的開始或結(jié)束（如 “ 高考 ” 、 “ 奧運會 ” 等），以便更好地安排事件，倒計時 實時時鐘 發(fā) 揮的作用越來越大，同時，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們對倒計時實時時鐘的要求也越來越高，要求其不僅計時精度高，而且具有可靠性好、成本低、功能全等特點 [3]。它在實現(xiàn)顯示當前日期和實踐的基本功能之外，增加了自身計算和顯示從當前日期到給定的未來一個日期（下稱終點日期）之間的天數(shù)。本課題的目的是讓倒計時實時時鐘設(shè)計 2 單片機開發(fā)者掌握單片機系統(tǒng)的安裝和調(diào)試的方法，設(shè)計思路，實現(xiàn)方法，硬件調(diào)試及軟件調(diào)試，鞏固和加強 “ 模擬電子技術(shù) ” 、 “ 數(shù)字電子技術(shù) ” 課程的理論知識，培養(yǎng)獨立分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。 因此，研究倒計時實時時鐘及擴大其應用是單片機開發(fā)的重要課題 [4]。 2 系統(tǒng) 總體 方案 設(shè)計 倒計時實時時鐘是在實時時鐘基礎(chǔ) 上的衍生品。因此，倒計時實時時鐘應該具備以下功能： （ 1）能準確地顯示當前的日期（年、月、日）和時間（時、分、秒）。 （ 3）當前日期、時間和終點日期的調(diào)整和設(shè)定功能。 （ 4）當前日期、時間和終點日期的調(diào)整與設(shè)定過程應該簡單、 可靠，方便用戶操作，人性化。用戶可以重置終點日期，這樣系統(tǒng)就成為能適合更多場合使用的迎 XXX 倒計時實時時鐘，例如，設(shè)置終點日期為 08 年 8 月 8倒計時實時時鐘設(shè)計 3 日，它就是迎奧運倒計時實時時鐘；而終點設(shè)置為 11 年 1 月 1 日，它就變成迎新年倒計時實時時鐘了。 （ 6）實時時鐘掉電運行。大型的高度 LED 數(shù)碼管需要 15V的電壓，功耗比較大，不適合采用電池供電，通常是使用 220V市電供電。這樣當再次上電后，用戶無須重新設(shè)置日期和時間。各部分之間相互協(xié)作，構(gòu)成一個統(tǒng)一的有機整體，實現(xiàn)倒計 時實時時鐘的功能。 時鐘 模塊 采用 ATmega16 作為主控芯片， 通常實時時鐘的實現(xiàn)方案有兩種途徑： 一是 使用 AVR 本身的功能； 二是 采用專用的實時時鐘芯片，如表 21 是這些方案的特點比較和評估。 第 3 種方案的實現(xiàn)成本稍微高一點，但專用實時時鐘芯片 DS1302 的集成度高，走時準確，具備自動日歷和閏年自動調(diào)整等功能，特別是專用實時時鐘芯片本身耗電非常小，非常容易實現(xiàn)實時時鐘的掉電運行設(shè)計 [6]，其電路如圖 21 所示。 顯示 模塊 用單片機驅(qū)動 LED 數(shù)碼管顯示有很多方法，按顯示方式分有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。 靜態(tài)顯示的接口電路采用一個并行口接一 個數(shù)碼管，數(shù)碼管的公共端按共陰極或共陽極分別接地或接 VCC。 顯然其缺點就是當顯示位數(shù)多時，占用 I/O 口過多。 靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點是顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無閃爍，占用 CPU時間少。 倒計時實時時鐘設(shè)計 5 動態(tài)掃描用分時的方法輪流控制每個顯示器的 COM 端，使每個顯示器輪流電亮。動態(tài)驅(qū)動一般用于多位 LED 數(shù)碼管顯示，主要是節(jié)省驅(qū)動管腳，減少器件。所以選 用動態(tài)掃描方案 [7]。它采用 3 線串行接口與 CPU進行同步通信， 并可采用突發(fā)方式依次傳送多字節(jié)的時鐘信號或 RAM數(shù)據(jù)。 DS1302 還具備主電源 /后備電源供電的雙電源引腳，可以自動切換電源，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力 [8]。其中 VCC1為后備電源， VCC2為主電源。 當 VCC2 (VCC1+)時， VCC2給 DS1302 供電，同 時可以向 VCC1充電；當 VCC2 VCC1時， DS1302 由 VCC1供電。 X1 和 X2 是接振蕩源引腳，外接（鐘表、電子表常用晶體）。這 3 個引腳用于數(shù)據(jù)通信，下面有詳細說明。 如果它為 “ 0” ，則不能把數(shù)據(jù)寫入 DS1302中。 ? 最低位（第 0 位）為 “ 0” 時，表示要進行寫操作；為 “ 1” 時，表示進行讀操作。 表 31 DS1302 的控制字節(jié) 數(shù)據(jù)輸入 /輸出 DS1302 的數(shù)據(jù)接口是一種 3 線制的串行接口，控制器與 DS1302 進行數(shù)據(jù)交換時，首先要向 DS1302 發(fā)送一 個 字節(jié)的控制指令字。同意，如果要從 DS1302 中讀數(shù)據(jù)，則控制器要先發(fā)出讀控制指令字，當 DS1302 收到讀控制指令字后，隨后通過 I/O口線輸出數(shù)據(jù)，控制器在第 9個 SCLK的上升沿時將數(shù)據(jù)讀入。 倒計時實時時鐘設(shè)計 7 圖 33 DS1302 的讀 /寫控制時序 在圖 33 中， 是復位 /片選線?？刂破魍ㄟ^把輸入口置高電平（圖中 的上升沿）來啟動 DS1302 的數(shù)據(jù)傳送過程，且只有當為高電平時，才能對 DS1302 進行操作。上電過程中，在Vcc≥， 必須保持低電平。 DS1302 的寄存器 DS1302有 12個寄存器，其中有 7個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)，用于存放日期和時鐘值。 使用中需要特別注意秒寄存器的最高位 CH， CH 位是停止 /啟動時鐘的控制為，當該位為 “ 1” 時，時鐘停止計時，保持現(xiàn)有數(shù)據(jù)不變，進入低功耗的待機狀態(tài)；當CH 為 “ 0” 時，時鐘才啟動計時、進入正常工作方式。 倒計時實時時鐘設(shè)計 8 表 32 DS1302 的日歷、時鐘寄存器及控制字 寄存器名 命令字 取值范圍 各位內(nèi)容 寫操作 讀操作 7 6 5 4 3 2 1 0 秒寄存器 80H 81H 0059 CH 10SEC SEC 分寄存器 82H 83H 0059 0 10MIN MIN 時寄存器 84H 85H 0112 或 0023 12/24 0 10 HR HR 日寄存器 86H 87H 0128,29,30,31 0 0 10DATE DATE 月寄存器 88H 89H 0112 0 0 0 10M MONTH 周寄存器 8AH 8BH 0107 0 0 0 0 0 DAY 年寄存器 8CH 8DH 0099 10YEAR YEAR 對后備電源進行涓細電流充電 DS1302 可以使用雙電源供電，當 VCC2(主電源 ) （ VCC1+）時， DS1302 自動切換到由 VCC2供電，同時還具有向 VCC1充電（當 VCC1接可充電電池時）的功能，充電電流的大小也可以通過設(shè)置相應的控制充電寄存器來改變 [9]。充電過程由DS1302 內(nèi)部的 2 個寄存器控制。 圖 34 DS1302 對后備電源進行涓細電流充電示意圖 倒計時實時時鐘設(shè)計 9 ATmega16 介紹 ATmega16 特點 （ 1）采用先進 RISC 結(jié)構(gòu)的 AVR 內(nèi)核 131條機器指令，且大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個系統(tǒng)時鐘周期； 32個 8位通用工作寄存器；工作在 16MHz時具有 16MIPS 的性能；配備只需要 2 個時鐘周期的硬件乘法器 （ 2）外圍接口 2個帶有分別獨立、可 設(shè)置預分頻器的 8位定時器 /計數(shù)器； 1個帶有可設(shè)置預分頻器、具有比較、捕捉功能的 16 位定時器 /計數(shù)器；片內(nèi)含獨立振蕩器的實時時鐘RTC； 4 路 PWM 通道； 8 路 10 位 ADC；面向字節(jié)的兩線接口 TWI（兼容 I2C 硬件接口）； 1 個可編程的增強型全雙工的，支持同步 /異步通信的串行接口 USART； 1個可工作于主機 /從機模式的 SPI 串行接口（支持 ISP 程序下載）；片內(nèi)模擬比較器；內(nèi)含可編程的，具有獨立片內(nèi)振蕩器的看門狗定時器 WDT。 ATmega16 外部引腳與封裝 ATmega16 單片機有三種形式的封裝： 40 腳雙列直插 PDIP、 44 腳方形的 TQFP和 MLF 形式（貼片形式）。 倒計時實時時鐘設(shè)計 10 圖 35 ATmage16 外部引腳與封裝示意圖 其中， I/O 引腳，分成 PA、 PB、 PC 和 PD 四個 8 位端口，他們?nèi)渴强删幊炭刂频碾p（ 多）功能復用的 I/O 引腳（口）。當 I/O設(shè)置為輸入時，引腳內(nèi)部還配置有上拉電阻，這個內(nèi)部的上拉電阻可通過編程設(shè)置為上拉有效或上拉無效。因此 AVR 的 I/O 口驅(qū)動能力非常強，能夠直接驅(qū)動 LED 發(fā)光二極管、數(shù)碼管等。 芯片 Reset 復位后，所有 I/O 口的缺省狀態(tài)為輸入方式，上拉電阻無效，即 I/O為輸入高阻的三態(tài)狀態(tài) [10]。 倒計時實時時鐘設(shè)計 11 圖 41 倒計時實時時鐘的結(jié)構(gòu)圖 ? ATmega16：系統(tǒng)核心控制芯片。 ? 顯