精简制作32×16点阵时钟

作者 / 杨记华，浙江师范大学工学院、职业技术教育学院



精简制作32×16点阵时钟

作者 / 杨记华，浙江师范大学工学院、职业技术教育学院

本系统以增强型51单片机STC12C5A60S2为控制核心，选用美国达拉斯公司生产的DS1302实时时钟芯片和DS18B20数字温度传感器制作了一个32×16点阵时钟。该点阵时钟通过较少的元器件实现了时间、温度、年、月、日、星期和重要节日轮流滚动显示功能，此外，用户还可以通过背面的三个触摸按键实现调时，同时系统还通过光敏电阻实现了感光功能。该系统制作完成后通过实物测试，获得了良好的效果。

STC12C5A60S2； 32×16点阵；触摸按键；光敏电阻

1. 系统概述

本系统选用了封装为LQFP-48的增强型51单片机STC12C5A60S2，利用其自身的相关功能简化了传统的硬件电路设计，图1为该点阵时钟的系统框图。在该制作中，通过军工铜脚排母连接PCB与LED点阵屏，方便用户取下点阵屏进行修理，所有的元件都隐藏在PCB与LED点阵屏之间，外形美观。制作中还增加了感光模块，通过光敏电阻感知周围环境的亮度，白天高亮正常显示，夜间降低LED亮度，微亮显示。

图1 32×16点阵时钟系统框图

2. 系统硬件设计与制作

■2.1 系统硬件设计

（1）单片机最小应用系统的构建

由于STC12C5A60S2单片机内部集成了MAX810专用复位电路，所以硬件设计时省去了复位电路模块，简化了电路。为了提高单片机反应速度和点阵屏亮度，使在高亮度的时候不产生闪烁感，制作中选用了24MHz的晶振。图2为单片机最小应用系统。

（2）32×16点阵显示屏模块

32×16表示32列16行LED，由8块MT15088BK 8×8红色共阳点阵组成32×16点阵显示屏，本点阵屏由单片机STC12C5A60S2直接驱动，省去了额外的驱动芯片，简化了电路，直接驱动时，为了使LED亮度更高，需要把该单片机相应的I/O口设置为强推挽输出模式。要直接驱动32×16点阵显示屏，至少需要48个I/O口，本系统巧妙设置STC12C5A60S2单片机I/O口的四种输出模式，仅用32个I/O口就实现了驱动32×16点阵显示屏，简化了电路，点阵屏电路连接如图3所示。

图2 单片机最小应用系统

（3）DS1302模块

图4为DS1302时钟电路原理图，该电路省去了SCLK（串行时钟），I/O（数据线），RST（复位）三个引脚处的上拉电阻，把与单片机连接的三个I/O口设置为强推挽输出模式，也能正确读出DS1302内的相关数据，简化了电路，若在读取DS1302的相关数据时采用单片机的准双向口输出模式，将引起DS1302的输出不稳定，我的实验现象是：正确的数据和乱码交替显示。在选择晶振两端的电容时，我也下了一番功夫，从不接电容（断开）到6pF、22pF、27pF，最后发现在27pF时时间误差最小，我的实验结果为每24小时慢4秒，在程序中补偿了每天慢的4秒，提高了时钟的精度。选用了CR1220纽扣电池作为备用电源，体积小，制作时把两引脚折弯后表贴在PCB上，易于隐藏在PCB与点阵屏之间。

图3 点阵显示屏连接图

图4 DS1302时钟电路原理图

（4）DS18B20模块

图5为DS18B20温度传感器电路原理图，制作中省去了DQ引脚处的上拉电阻，由于DS18B20没有贴片元件，制作时需要把DS18B20横着焊接在PCB与点阵屏之间，巧妙的把直插元件也隐藏了。

（5）感光模块

图6为感光模块电路原理图，G1为光敏电阻，由于STC12C5A60S2单片机有8路10位A/D转换，所以只要光敏电阻的一端接在单片机的A/D转换接口上，同时，将与单片机连接的I/O口设置为高阻输出模式，单片机就可以通过A/D转换器感知外界光线的变化引起的电平变化，从而控制LED的亮暗。

图5 DS18B20温度传感器电路原理图

（6）按键模块

图7为按键模块原理图，本系统的按键部分不再使用传统的微动按键，而采用新型的触摸按键，触摸按键的实现原理较简单，和感光模块类似，主要是通过单片机的A/ D转换器不断读取按键上电平的变化，从而判断出有无感应物，但要注意与单片机连接的I/O口必须设置为高阻输出模式，否则将无法判断出有无感应物。三个触摸按键的实质就是三个焊盘，只是这三个焊盘的形状和普通焊盘不一样，需要在设计PCB的时候，根据自己需要绘制出不同外形的焊盘，我在绘制这三个异形焊盘时，参考了百度上《AltiumDesigner中创建异形焊盘方法》一篇教程，最终完成了设计。

图6 感光模块电路原理图

（7）蜂鸣器模块

本制作中选用了KLJ-9032 无源贴片蜂鸣器，体积小，声音大，声音频率可控，但和有源蜂鸣器不同，有源蜂鸣器只要有电压就响，无源蜂鸣器则须用一定频率的方波才能驱动。图8为蜂鸣器模块原理图。

（8）电源模块

该系统采用Micro-USB接口供电，可以和手机共用5V充电器，而不需额外单独制作系统的电源，简化了硬件电路设计。制作中选用了4脚插板式Micro-USB母座，插板式具有比贴片式坚固、耐用的优点。图9为Micro-USB接口原理图。

■2.2 制作

绘制原理图和PCB时使用的软件为Altium Design-er10.0，通过这次实践，我对Altium Designer软件的操作更加熟练了，特别是在绘制PCB时，我第一次尝试了手动布线，当然也结合了系统自带的自动布线功能，以前总觉得手动布线是一件很麻烦的事情，当最后完工，看着自己的劳动成果时，感觉很有成就感。在绘制PCB时，我设计了两次才成功，第一次在做USB电源接口时，把电源的正极和负极设计反了，这样做的后果是：实物上电后，单片机迅速发烫，若不及时拔掉电源线，就会烧坏单片机。

图7 按键模块原理图

图8 蜂鸣器模块电路原理图

图9 Micro-USB接口原理图

由于制作中选用的基本都是贴片元件，更重要的是选用了LQFP-48封装的单片机，引脚间距特别小，需要具有一定的焊接能力。在焊接过程中，主要使用到的工具有电烙铁、焊锡丝、松香、镊子、吸锡带、放大镜。

设计时，在PCB上预留了一个下载程序用的接口，由于该系统省去了USB转TTL模块，所以在下载程序前还需要购买一条STC单片机专用下载线。

3. 系统软件设计

该系统的硬件电路已经很简化了，比传统的点阵时钟电路少了驱动芯片，I/O口扩展芯片，上拉电阻等。硬件电路简单了，要实现相同的功能，就意味着编写的程序更复杂了，为了使点阵屏的每个LED亮度均匀，采用了逐点扫描的方式。

图10为AD触摸按键检测程序，三个触摸按键通过程序实现了三级菜单触摸设置，第一级菜单完成了调时功能，包括调整年、月、日、星期、时、分和秒；第二级菜单完成了调整亮度功能，实现了六级亮度可调，实现原理比较简单，由每个LED点亮的时间决定；第三级菜单完成了显示模式功能，包括白天和夜间两种模式，白天模式由时间、温度、年月日和星期轮流滚动显示，在时间和温度轮流显示时，加入了左移和右移动画，使得不会产生“突然出来”的感觉，在滚动过程中，还增加了重要节日显示功能，夜间模式只有时间的静止显示，且显示亮度比白天较低，同时省去了温度显示和年月日滚动显示功能，处于夜间模式时，只需按下S2键或S3键即可快速进入白天显示模式。当用户完成某项设置时，会有“完成”字样在LED屏上滚动显示，随后进入时间显示的主界面，另外，同时按下S2键和S3键可以初始化ds1302，省去了每次都要下载程序才能初始化的麻烦。

4. 总结

在制作过程中，虽处处碰壁，感觉到处都是问题，但我没放弃，“它山之石可以攻玉”，我带着这些问题通过查阅相关书籍和利用网络查漏补缺，功夫不负有心人，最后完成了制作，并实现了相关功能。

图10 AD触摸按键检测程序

＊ ［1］王渊峰.Altium Designer 10电路设计标准教程 ［M］.科学出版社，2012.

＊ ［1］郭天祥.新概念51单片机C语言教程设计入门提高开发拓展全攻略［M］.电子工业出版社，2009.

＊ ［1］杜洋.爱上单片机［M］：第3版.人民邮电出版社，2014.

＊ ［1］谭浩强.C语言程序设计［M］：第4版.清华大学出版社，2010.

＊ ［1］柴田望洋.明解C语言［M］.人民邮电出版社，2013.

＊ ［1］BradleyL.Jones peter Aitken.21天学通C语言［M］.人民邮电出版社，2012.