譚銘明，姚玲英（通訊作者），阮煜琴，梁俊焱，鐘楚洪

（廣東第二師范學(xué)院物理與信息工程系，廣東廣州，510303）

0 引言

在智能化信息時代的發(fā)展下，人們對于傳統(tǒng)時鐘的要求也逐漸增多。該智能貼心時鐘以STC89C52單片機(jī)為核心，利用DS1302時鐘模塊將時間顯示詳細(xì)至年、月、日、星期、時、分、秒，并可通過按鍵來實(shí)現(xiàn)對時間的校準(zhǔn)和鬧鐘的設(shè)置。同時，利用DHT11溫濕度傳感器對溫濕度進(jìn)行采集，單片機(jī)通過溫濕度變化產(chǎn)生不同的信號，以按鍵實(shí)現(xiàn)當(dāng)前氣候狀態(tài)的溫濕度播報、貼心提示。

1 電路總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)電路框圖如圖1所示，根據(jù)功能之間的不同，可將該系統(tǒng)分為六個部分，分別為STC89C52單片機(jī)、溫濕度測量電路、時鐘發(fā)生電路、LCD顯示電路、語音播報電路及按鍵電路。

圖1 系統(tǒng)電路框圖

2 硬件與軟件設(shè)計(jì)

■2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控制模塊

該設(shè)計(jì)使用STC89C52芯片作為貼心時鐘的處理器，C52系列芯片編程簡單便捷，配合開發(fā)板與Keil可以輕松地對芯片中的代碼進(jìn)行修改和測試。該電路作為貼心時鐘的處理器，承擔(dān)了信息處理和信息存儲的功能。這部分電路包含主芯片STC89C52，11.0592MHz晶振電路以及復(fù)位電路。

2.1.2 溫濕度測量電路

該電路的主要部分為DHT11溫濕度傳感模塊，占用1個I/O口。該模塊可提供實(shí)時的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過一個數(shù)據(jù)端口輸送給處理器，且該模塊使用比較方便，模塊上引出的3個接線端口直接連接到單片機(jī)上便可使用，由于用于傳輸數(shù)據(jù)的只有一個端口，使用一個I/O口便能收集溫濕度數(shù)據(jù)，十分節(jié)省I/O口。該電路承擔(dān)了提供溫濕度數(shù)據(jù)的功能，并且在模塊的VCC與GND之間連接了一個104瓷片電容，用于濾除掉雜波成分，使其輸出數(shù)據(jù)的時候電壓更穩(wěn)定。

2.1.3 時鐘電路

時鐘電路采用DS1302模塊，共占用3個I/O口。該模塊可提供時分秒、年月日等信息，采用串行通信方式，節(jié)省I/O口，且具有工作電壓范圍較寬，芯片功耗低的優(yōu)點(diǎn)，其承擔(dān)的主要功能為提供日期與時間信息。DS1302采用雙電源供電，在主電源非正常斷電時，仍可利用備用電源繼續(xù)工作。

2.1.4 LCD時鐘顯示電路

該電路采用液晶顯示屏LDC1604作為貼心時鐘的屏幕，共占用11個I/O口。該顯示屏最多能同時顯示16×4個字符，使用起來簡單便捷，但該模塊引腳較多，除VCC與GND外仍有12個端口。顯示屏采用并行通信方式，直接把八個數(shù)據(jù)傳輸口與單片機(jī)相連。其承擔(dān)的主要功能為顯示出當(dāng)前的溫濕度、日期與時間。雖然占用了8個I/O口作為通信端口，但是同時保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，減少延時。

2.1.5 語音播報電路

圖2 主程序流程圖

語音播報電路我們采用DFPlayer Mini模塊(以下簡稱其為語音模塊)，采用串口通信。此模塊具有體積小巧，價格實(shí)惠，可直接接駁揚(yáng)聲器等優(yōu)點(diǎn)。語音模塊上已集成有MP3、WAV、WMA的硬解碼功能，無需進(jìn)行復(fù)雜的編程，通過簡單的串口指令即可控制其播放指定的音頻。該模塊上含有一個TF卡槽，音頻存儲在TF卡里，只要將其插入卡槽，便能使其讀取到TF卡內(nèi)的音頻信息。語音模塊主要承擔(dān)了存儲音頻信息及驅(qū)動揚(yáng)聲器播放音頻的功能，按下外置的按鈕即可播放當(dāng)前溫濕度信息、前后溫濕度對比、以及對應(yīng)的穿衣搭配和增減衣物建議。

2.1.6 鍵盤電路鍵盤電路目前采用了各個功能配備獨(dú)立按鍵的設(shè)計(jì)，按鈕類型采用微動按鈕，分別設(shè)有“返回主界面按鈕”、“進(jìn)入副界面按鈕”、“UP按鈕”，“DOWN按鈕”，“確認(rèn)按鈕”，以及“語音播報按鈕”這6個按鈕。這6個按鈕目前直接分配了6個I/O口，按鈕的另一端接地，當(dāng)有按鍵按下時，I/O口的電平變?yōu)榈碗娖?，隨即由芯片檢測到，并執(zhí)行對應(yīng)的功能。

■2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

將主程序分成各個子程序模塊，逐一實(shí)現(xiàn)各個模塊功能，其整體思路如圖2所示。

2.2.2 語音模塊軟件實(shí)現(xiàn)

（1）從EEPROM區(qū)讀取存儲的溫濕度數(shù)據(jù)

內(nèi)部EEPROM讀一字節(jié)：先寫地址，再讀數(shù)據(jù)。

讀操作程序：

（2）溫濕度以及穿衣小提示播報

播報溫濕度：將從DHT11芯片獲取的溫濕度進(jìn)行播報，需要注意的是獲取的溫濕度為十六進(jìn)制，而語音播報的對應(yīng)值為十進(jìn)制，此時，通過十進(jìn)制與十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換，完成語音播報。

播報穿衣小提示：將常出現(xiàn)的溫濕度劃分為多個范圍，且將臨界值設(shè)為設(shè)定值，將讀取到的溫濕度與設(shè)定值進(jìn)行對比，播報對應(yīng)的語音。

播報程序：

（3）將溫濕度數(shù)據(jù)存入EEPROM區(qū)

內(nèi)部EEPROM寫一字節(jié)：先寫地址，再寫數(shù)據(jù)。需要注意的是，在EEPROM寫字節(jié)之前需要先將那一扇區(qū)的數(shù)據(jù)擦除。

由STC89C52內(nèi)部EEPROM詳細(xì)地址表可以編寫。詳細(xì)地址表如表1所示。

表1 STC89C52內(nèi)部EEPROM詳細(xì)地址表

3 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試

在完成硬件設(shè)計(jì)后，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)置的初始時間為2020年7月25日星期六18點(diǎn)17分58秒，初始鬧鐘時間為18點(diǎn)18分，可通過按下rep按鈕實(shí)現(xiàn)語音播報功能，系統(tǒng)還設(shè)有五個按鍵，利用加入副屏實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前時間的校準(zhǔn)與鬧鐘的設(shè)置。仿真時將DHT11溫濕度調(diào)為27℃、75%，與LCD液晶屏顯示保持一致。由于Proteus 8 Professional仿真軟件元件庫中，沒有語音模塊，在仿真時，采用示波器代替語音模塊，通過觀察波形的輸出實(shí)現(xiàn)語音播報。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

根據(jù)仿真電路圖，進(jìn)行對硬件實(shí)物的連接測試系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，測試結(jié)果如圖4所示，由圖可見，實(shí)際測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，時間顯示與調(diào)節(jié)、實(shí)時溫濕度顯示、語音播報等基本功能均可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。

圖4 液晶屏實(shí)物顯示圖

4 總結(jié)

該電子時鐘設(shè)計(jì)通過Keil uVision4進(jìn)行C語言編譯設(shè)計(jì)，通過控制主控芯片STC89C52實(shí)現(xiàn)溫濕度監(jiān)控顯示、實(shí)時時間顯示與設(shè)置、語音播報功能等基本功能。經(jīng)過對系統(tǒng)的硬件測試，基本功能均可達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。從測試中看出該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，操作簡單，具有一定的實(shí)用性，更加貼近于人們?nèi)粘Ｉ钪械氖褂昧?xí)慣，使人們的生活更加便利。