基于單片機(jī)的日歷時鐘模塊設(shè)計

汪川，樊澤明

（西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，陜西西安710129）

在實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，要實時監(jiān)測各個控制信號，更重要的是在發(fā)生故障時能準(zhǔn)確記錄故障數(shù)據(jù)，以便準(zhǔn)確分析排除錯誤。監(jiān)控系統(tǒng)中一般都要定時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對某些重要的信息不僅要記錄其內(nèi)容，還要記錄下該信息發(fā)生的準(zhǔn)確時間，所記錄的實時時間信息應(yīng)長期保存，因此需要實時時鐘來實現(xiàn)。常用的單片機(jī)沒有實時時鐘，若需采用定時器實現(xiàn)，一旦系統(tǒng)掉電，時鐘就不能運行，這是實時監(jiān)控系統(tǒng)不允許的，而采用獨立運行的實時時鐘便可實現(xiàn)。但一般的時鐘芯片在系統(tǒng)掉電時，其數(shù)據(jù)也會丟失，需提供備用電池。而時鐘芯片DS12887在系統(tǒng)掉電時數(shù)據(jù)不丟失，廣泛應(yīng)用于測量和控制系統(tǒng)。因此，這里給出了實時時鐘DS12887在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 主要器件造型

1.1 DS12887的功能介紹

DS12887是DALLAS公司推出的8位并行并自帶RAM的實時日歷時鐘芯片，內(nèi)部有14個時鐘控制寄存器，包括10個時標(biāo)寄存器，4個狀態(tài)寄存器和114 bit作掉電保護(hù)用的低功耗RAM。CPU通過讀DS12887的內(nèi)部時標(biāo)寄存器得到當(dāng)前的時間和日歷，也可通過選擇二進(jìn)制或BCD碼初始化芯片的10個時標(biāo)寄存器，其4個狀態(tài)寄存器用來控制和指出DS12887的當(dāng)前工作狀態(tài)，114 bit非易失性靜態(tài)RAM可在掉電時保存一些重要數(shù)據(jù)。DS12887功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛。其引腳功能如下[1-2]：

GND，VCC：直流電源+5 V電壓。當(dāng)5 V電壓在正常范圍內(nèi)時，數(shù)據(jù)可讀寫；當(dāng)VCC低于4.25 V，讀寫禁止，計時功能仍繼續(xù)；當(dāng)VCC下降到3 V以下時，RAM和計時器被切換到內(nèi)部鋰電池。

MOT（模式選擇）：MOT引腳接到VCC時，選擇MOTOROLA時序，當(dāng)接到GFND時，選擇INTEL時序。

SQW（方波信號）：SQW引腳能從實時時鐘內(nèi)部15級分頻器的13個抽頭中選擇一個作為輸出信號，其輸出頻率可通過對寄存器A編程改變。

AD0～AD7（雙向地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線）：總線接口，可與MOTOROLA微機(jī)系列和INTEL微機(jī)系列接口。

AS（地址選通輸入）：用于實現(xiàn)信號分離，在AD/ALE的下降沿把地址鎖入DS12887。

DS（數(shù)據(jù)選通或讀輸入）：DS/RD有2種操作模式，取決于MOT引腳的電平，當(dāng)使用MOTOROLA時序時，DS是一正脈沖，出現(xiàn)在總線周期的后段，稱為數(shù)據(jù)選通；在讀周期，DS指示DS12887驅(qū)動雙向總的時刻；在寫周期，DS的后沿使DS12887鎖存寫數(shù)據(jù)。選擇INTEL時序時，DS稱作（RD），RD與典型存儲器的允許信號（OE）的定義相同。

R/Wˉ（讀/寫輸入）：也有兩種操作模式。選MOTOROLA時序時，R/ˉW是一電平信號，指示當(dāng)前周期是讀或?qū)懼芷?，DSO為高電平時，R/ˉW高電平指示讀周期，R/Wˉ低電平指示寫周期；選INTEL時序，R/Wˉ信號是一低電平信號，稱為WR。在此模式下，R/W與通用RAM的寫允許信號（WE）的含義相同。

CS（片選輸入）：在訪問DS12887的總線周期內(nèi)，片選信號必須保持為低。

IRQ（中斷申請輸入）：低電平有效，可作微處理的中斷輸入。沒有中斷條件滿足時，IRQ處于高阻態(tài)。IRQ線是漏極開路輸入，要求外接上接電阻。

RESET（復(fù)位輸出）：當(dāng)保持低電平時間大于200 ms，保證DS12887有效復(fù)位。

DS12887引腳如圖1所示。

DS12887的內(nèi)部地址分配[3]：地址00H和03H單元取值范圍是00H～3BH（十進(jìn)制為0～59）；04H～05H單元按12小時制取值范圍是上午（AM）0lH～0CH（十進(jìn)制為l～12），下午（PM）51H～5CH（十進(jìn)制為81～92），按24小時制取值范圍是00H～17H（十進(jìn)制為0～23）；06H單元的取值范圍是01H～07H（十進(jìn)制為l～7）；07H單元取值范圍01H～1FH（十進(jìn)制為l～31）；08H單元取值范圍是0lH～0CH（十進(jìn)制為l～12）；09H單元取值范圍是00H～63H（十進(jìn)制為0～99）。

圖1 DS12887引腳圖Fig.1 Pins of DS12887

1.2 單片機(jī)A789C52簡介

AT89C52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 kB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。該器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效降低開發(fā)成本。廣泛應(yīng)用于智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 DS12887的工作原理

DS12887采用8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用的總線方式，具有一個鎖存引腳，通過讀、寫、鎖存信號實現(xiàn)其內(nèi)部數(shù)據(jù)的輸入輸出，控制內(nèi)部的控制寄存器、讀取內(nèi)部的時間信息寄存器。DS12887的各種寄存器在其內(nèi)部空間都有相應(yīng)的固定地址，因此，單片機(jī)通過正確的尋址和寄存器操作就可以獲取需要的時間信息。DS12887有2種工作時序，即Motorola和Intel時序，由Mot引腳的電平指定。當(dāng)MOT引腳為高電平時選擇Motorola時序；為低電平時選擇Intel時序。除此之外DS12887內(nèi)部還有128字節(jié)的RAM的單元，其中前10個字節(jié)用于存放日歷時鐘信息，字節(jié)0為秒，字節(jié)2為分，字節(jié)4為時，字節(jié)6為星期，字節(jié)7為日，字節(jié)8為月，字節(jié)9為年，字節(jié)0AH～0DH用作控制和狀態(tài)寄存器，剩下的114字節(jié)為用戶RAM，所有的這128字節(jié)都是掉電非易失性的。

2.2 DS12887與單片機(jī)的接口設(shè)計

單片機(jī)的P0口用作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線與實時時鐘DS12887的AD0～AD7引腳相連。單片機(jī)的ALE引腳和DS12887的鎖存輸入引腳直接相連，用作地址鎖存，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和地址線的分時復(fù)用。DS12887的MOT引腳接地，用以選擇Intel總線時序模式，在Intel總線時序模式時，和51單片機(jī)的接口完全兼容，可以將其讀輸入DS、寫輸入R/Wˉ與單片機(jī)的相應(yīng)引腳直接連接。DS12887的RESET引腳對日歷時鐘和RAM沒有影響，但影響DS12887的命令和狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。在電路中直接將RESET連至Vcc，這樣可以保證DS12887在進(jìn)入或退出電源失效狀態(tài)時，其工作狀態(tài)不受RESET引腳的影響[5]。DS12887的可編程輸出方波引腳SQW輸出頻率為2～256 Hz的方波，該系統(tǒng)則利用SQW引腳輸出周期為125 ms的方波作為單片機(jī)外部中斷/INT0的中斷源，實現(xiàn)周期性中斷。當(dāng)中斷發(fā)生時，單片機(jī)讀一次輸入口，檢查電表是否轉(zhuǎn)過一圈，整點時還要采一次三相電流和電壓。

DS12887與單片機(jī)的硬件接口電路如圖2所示。

圖2 DS12887與單片機(jī)的硬件接口圖Fig.2 Hardware circuit of DS12887 and MCU

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序

主程序主要包括：系統(tǒng)初始化、獲取串口數(shù)據(jù)、設(shè)置日歷時鐘芯片、獲取時鐘芯片的時間信息和時鐘校正、顯示等子程序。初始化子程序主要包括設(shè)置單片機(jī)的串口和定時器的初始化，日歷時鐘芯片初始參數(shù)和驅(qū)動芯片的初始化等。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program

3.2 設(shè)置日歷時鐘子程序

在使用DS12887時，首先要初始化，主要是打開晶振、對控制寄存器A、B寫入控制字以及對日歷、時鐘各寄存器寫入初始值。除校時外，上電時不用再次初始化。第一次初始化時，應(yīng)禁止操作DS12887內(nèi)部更新周期，即先將寄存器B的SET位置“l(fā)”，然后初始化時標(biāo)寄存器（00H～09H）和狀態(tài)寄存器A，再通過讀寄存器C清除中斷標(biāo)志，讀寄存器D將VRT位置“1”，最后將寄存器B的SET位清零，DS12887開始計時。

設(shè)置日歷時鐘，必須保證時鐘芯片DS12887處于設(shè)置狀態(tài)，即SET=1，然后向DS12887的專用寄存器寫入時間信息，寫入完畢后，DS12887恢復(fù)正常數(shù)據(jù)更新狀態(tài)，即SET=0。在讀取日歷時鐘芯片DS12887的時鐘信息時，必須保證UIP=0，然后讀取存儲其內(nèi)部寄存器的時鐘信息。

為了能夠方便地顯示時間和校正時鐘[6]，可在單片機(jī)中的用戶寄存器中開辟特殊的時間地址單元作為顯示緩沖區(qū)，分別放置“年，月，日，時，分，秒”等值。此時只要將DS12887中的時間值讀入到用戶開辟的時間地址中，用戶就可以方便控制時間。

DS12887的日歷時鐘通過中斷和查詢2種方法讀出。但在讀數(shù)據(jù)時，首先要判斷數(shù)據(jù)是否更新結(jié)束，只有在數(shù)據(jù)更新結(jié)束時數(shù)據(jù)讀出才有效。DS12887的時間讀取和時鐘校正子程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié)束語

圖4 DS12887的時間讀取和校正子程序流程圖Fig.4 Flow chart of time reading and arrection subroutine of DS12887

以日歷時鐘芯片DS12887為例，介紹了一種該器件與單片機(jī)AT89C52的簡單實用的硬件接口電路[7-8]，該電路設(shè)計簡單可靠，性能穩(wěn)定，適用于那些對計時精度要求較高的系統(tǒng)，例如在列車制動電子控制單元中，應(yīng)用DS12887提供準(zhǔn)確的時間來保存數(shù)據(jù)，并安裝在制動控制裝置內(nèi)，對列車制動和防滑控制。記錄、捕捉故障出現(xiàn)時間及了解故障發(fā)生時間前后信號變化的情況，并通過列車總線將故障信息傳送給監(jiān)控裝置，以便列車司機(jī)及時地采取相應(yīng)措施，這些對保障列車安全可靠運行有著重要意義。

[1]彭冬明，韋友春.單片機(jī)實驗教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2007.

[2]雷思孝.單片機(jī)原理及實用技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[3]田富洋，李晉陽，李法德，等.DS12C887在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電測與儀表,2005,42（3）：61-63.

TIAN Fu-yang,LI Jin-yang,LI Fa-de,et al.The application of DS12C887 in SCM[J].Electrical Measurement and Instrumentation,2005,42（3）:61-63.

[4]戴佳，苗龍.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.

[5]張康,郭育華,湯堅，等.基于DS12887的功率補(bǔ)償控制器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2007（11）：58-61.

ZHANG Kang,GUO Yu-hua,TANG Jian,et al.Design of power factor compensation controller based on DS12887[J].Electronic Design Engineering,2007（11）：58-61.

[6]李根岱.可校準(zhǔn)實時時鐘芯片的研究和設(shè)計[D].武漢：華中科技大學(xué),2007.

[7]姜書政,王桂海.基于AT89S52單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33（7）:138-140.

JIANG Shu-zheng,WANG Gui-hai.Design of electric motor control system based on AT89S52 single chip computer[J].Modern Electronics Technique,2010,33（7）:138-140.

[8]余鳳翎，詹彤，蔡智圣.基于AT89C52網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,32（1）:135-138.

YU Feng-ling,ZHAN Tong,CAI Zhi-sheng.Design and implementation network monitoring system based on AT89C52[J].Modern Electronics Technique,2009,32（1）:135-138.