用DS12887制作无电源仍可走时的时钟

乍一看题目读者可能会纳闷，这是什么奇怪的东西，不用电源还可以工作？其实笔者只是在这里卖了个关子，说的是不用外加电源也可以正常走时，并不是说整个电路工作时不需要供电。也就是说不使用时这个时钟不需要供电，在你加上电源之后就可以显示时间，并且仍然是正确的。就好像有些手机关闭之后又取下电板，等你下次开机的时候它又能显示正确的时间。其实这些手机里面都是有后备电池的，就是做时钟那一小块电路有后备电池供着电的。要是后备电池没有了电，取下电板后问题就来了，这也是为什么有些用久了的手机取下电板再装上，时间就不对了的缘故。但是本文说的这个时钟不需要外加后备电池，那它是怎么做到这一点的呢？请听我慢慢道来。  
     先了解一下"主角"的基本特性吧。DS12887是Dallas半导体公司推出的实时时钟芯片，在芯片内部集成了石英晶体、锂电池和其他支持电路，在没有外部供电的情况下，可以正确走时10年；可以计数时分秒、年月日和星期等信息，而且润年补偿到2100年有效；内部的闹钟寄存器用来保存闹钟时间，当实时时间等于闹钟时间时，在DS12887的IRQ(----)引脚输出低电平，微控制器可以利用此信号作为闹钟信号来处理。笔者用万用板焊接了电路，实物图见如图1。下面将介绍如何使用DS12887制作这个时钟。  
        
        
        
     芯片引脚  
     了解了"主角"的基本特性，再来看看它的引脚。一个芯片的引脚可以看作是跟外界"交流"的通道，了解了引脚的用法就可以知道如何跟单片机相连。芯片引脚如图2所示，其中部分引脚命名与官方的数据手册有所不同，原数据手册上使用的是Motorala总线时序的命名方式，这里为了方便理解，采用Intel总线时序的命名方式，因为文章所使用的51单片机即为Intel时序。这两种总线时序最初分别是用在Motorala和Intel两家公司生产的芯片中，有兴趣的朋友可以在DS12887的数据手册上找到更详细的信息。引脚MOT为总线方式选择，DS12887可以有两种时序：当MOT接VCC时选择Motorala总线时序；当MOT接地或悬空时选择Intel总线时序。本文用AT89S52作为控制器，AT89S52作为一种典型的51单片机，理所当然使用的是Intel总线时序。  
     AD0~AD7是地址、数据复用线，跟标准的51单片机的P0口类似，在一个读写周期里的前后两个时间段分别是作为地址线或数据线。可以直接连接到AT89S52的P0口。  
     ALE为地址锁存信号，因为DS12887数据地址线采用分时复用的形式，所以需要ALE作地址锁存信号。在一个读写周期里AD0~AD7引脚上首先出现的信号表示地址，通过ALE的下降沿将该信号锁存到DS12887的地址寄存器，稍后AD0~AD7引脚上出现的信号则表示写入或读出DS12887的数据。ALE可以直接连接至AT89S52的ALE引脚。
   
     RD(---)、WR(---)是读写控制信号引脚，分别连接AT89S52的RD(---)（P3.7）、WR(---)（P3.6）引脚。CS(--)为片选信号，为低电平时选中芯片，可以跟AT89S52的P2.7脚相连，这样就可以形成DS12887的读写基地址：0x0000。  
     IRQ(----)引脚为中断输出信号，当DS12887产生中断时，在IRQ(----)引脚输出有效低电平，该引脚为漏极开路输出，在外部需要加上拉电阻。复位功能在本设计中不使用，RST(----)可以直接接高电平。  
     片内资源  
        
     看完了外面，进到里面看看。DS12887内部有10字节的时钟（时、分、秒）、闹钟（时、分、秒）和日历（年、月、日、星期）寄存器和4个控制寄存器以及114字节的通用RAM。地址分配如附表所示。在本文的设计中只使用了前面14字节的时钟、闹钟、日历和控制寄存器，其余的114字节的RAM并未使用。采用了图3所示的电路图后，片内的14字节的地址分配就是从0x0000～0x000D，在程序中可以像访问外部RAM一样方便地读取和写入数据至这些地址。0x0000～0x0009是时钟、闹钟和日历寄存器，保留了时间信息等相关内容，单片机可以通过读取这些内容将时间信息显示出来。寄存器A的BIT6～BIT5控制DS12887内部晶体振荡器的关断。寄存器B控制各种中断的使能，在本文中需要将闹钟使能位（BIT5）打开，BIT2决定输出的时钟数据是十六进制或是BCD码，BIT1决定时间采用的格式：24小时或12小时制。寄存器C保存了中断标志位，若在使用多种中断的情况下，微控制器可以通过读取该寄存器辨别是产生了何种中断，从而进入相应的处理程序。而在本设计中，只使用了闹钟中断，当在/IRQ引脚输出低电平时，就可以判断产生了闹钟时间到的中断。但是仍需要通过读取该寄存器以清楚中断标志，以免程序重复处理。寄存器D是与器件是否有效相关的寄存器，本电路无需处理该寄存器。  
     硬件电路  
        
     电路使用4位一体共阴极数码管显示时钟、闹钟和日历信息，数码管采用CD4511作硬件译码，74LS06作动态选择和驱动电路。电路图如图3所示。CD4511是一种用于数码管显示的译码芯片，在芯片输入引脚（D~A）输入4位二进制数值，在输出端（a~g）则译码输出共阴极数码管所需要显示的数值，例如在CD4511的D~A这4个引脚输入"0101"（十进制的"5"，D为最高有效位数据），则在输出端的a~g输出"1011011"。而且CD4511有个很有用的"消隐"功能，即当输入端D~A的值大于9时，输出端a~g呈现高阻态，从而在数码管表现为7段灯都会灭掉。  
        
        
        
        
     74LS06包含6个非门电路，本文只需要其中4路即可。在输入端置"1"，对应的输出端则为"0"，则选中其中一个数码管。比如在AT89S52的P1.4输入"1"，则74LS06的4A引脚为"1"，在其对应的输出脚4Y输出就为"0"，从而选中与s1相连的DS1数码管。在焊接电路板时，可以将CD4511和74LS06这两个芯片放在数码管下方，这样整个电路板就会小巧一些。因为数码管只有4位，而且必须用其中的两位显示一项时间信息，所以每次只可以显示两项时间信息，例如DS1、DS2分别显示月份的十位、个位，DS3、DS4分别显示日期的十位、个位。但要显示的时间信息要多得多，所以采用"分时复用"的方法轮流显示时和分、月和日、年和星期，在时间分配上笔者使用了下述方案：在每一分钟中，0~9s、20~39s、50~59s的时间里显示时钟的时和分，在10~19s内显示月和日，在40~49s内显示年和星期，而时钟的秒数则不作显示处理。因为星期的最大数值为7（表示星期天），可以只在个位显示，星期分配的十位可以作"消隐"处理。设定的闹钟信息不是需要经常查看的，所以不做上述的分时显示，而是通过按下KEY4键查看。电路图中的4个按键功能分配如下，KEY1：数值加1键；KEY2：数值减1键；KEY3：调节项目选择，当该键按下可以选择不同的调节项目，依次为时钟的时、时钟的分、月份、日期、年、星期、闹钟的时和闹钟的分。KEY4：选择显示时间（包括时、分、月、日、年和星期）或闹钟。红色的LED闪亮表示数码管当前显示的是闹钟的时和分，绿色的LED闪亮表示当前显示的是时钟的时和分；而红色的LED闪亮和蜂鸣器发出声音，则表示闹钟所定格的时间到来，发出警报提醒；当两个LED都不闪亮时表示显示的为日历信息，即月、日、年和星期，可以通过DS3是否显示数据区分出显示的是月、日还是年、星期。  
        
     

    软件设计
    笔者使用的编译环境为Keil编译软件，采用C51编程语言。整个程序由几个模块构成，文件mmi.c中包括一些人机交互处理的函数，比如读取按键、在数码管上显示时间信息、LED和蜂鸣器的发声处理等；文件ds12887.c中包括读写和初始化DS12887的函数；文件my52.c中包含延时函数；在文件main.c中则调用这些模块中的函数进行综合处理，主函数的程序流程图如图4所示。各个xxx.h文件中则是相应的xxx.c文件中的函数声明、全局变量声明等