原标题：DIY荧光管电子时钟设计方案

DIY荧光管电子时钟设计方案

一、引言

DIY荧光管电子时钟是一个结合了多种电子元件和芯片的项目，旨在通过编程和硬件设计实现一个具有高精度时间显示、温度显示和多功能控制的电子时钟。本文将详细介绍基于STC15W408AS芯片、DS18B20温度芯片、DS3231时钟芯片、CS16312驱动芯片、74HC595移位寄存器、ULN2803驱动器和LPD6803D LED驱动器的设计方案。

二、主控芯片STC15W408AS

2.1 型号及参数

• 型号：STC15W408AS

• 工作电压：2.5-5.5V

• Flash程序存储器：8K

• 大容量SRAM：512字节

• 串口并可掉电唤醒：1个

• SPI：有

• 普通定位器/计时器：2个（T0/T2）

• PCA/CCP/PWM：3-ch，可当外部中断并可掉电唤醒

• 掉电唤醒专用定时器：有

• 标准外部中断：5个

• A/D：8路（可当1路PWM，可当3路D/A使用），10-bit

• 比较器：可当1路A/D，可作外部掉电检测

• EEPROM：5K

• 内部低压检测中断并可掉电唤醒：有

• 看门狗：有

• 内部高可靠复位（可选复位门槛电压）：16级

• 内部高精准时钟：有

• 可对外输出时钟及复位：是

• 程序加密后传输（防拦截）：有

• 可设置下次更新程序需口令：是

• 支持RS485下载：是

• 封装：DIP-16、SOP-20、SOP-20DIP-20、TSSOP-20、SOP-28、SKDIP-28、TSSOP-28、QFN-28

2.2 在设计中的作用

STC15W408AS作为主控芯片，负责整个系统的控制和数据处理。其主要功能包括：

• 数据处理：接收来自DS18B20和DS3231的数据，并进行处理。

• 时间显示：通过CS16312和74HC595控制荧光管的显示，实现时间的实时更新。

• 温度显示：读取DS18B20的温度数据，并在荧光管上显示。

• 系统控制：通过编程实现各种功能，如设置时间、温度报警等。

三、温度芯片DS18B20

3.1 型号及参数

• 型号：DS18B20

• 适应电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电

• 接口方式：独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现双向通讯

• 多点组网功能：多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温

• 测温范围：-55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃

• 可编程分辨率：9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃

• 转换速度：9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字

• 输出信号：测量结果直接输出数字温度信号，以“一根总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力

3.2 在设计中的作用

DS18B20作为温度芯片，负责实时测量环境温度，并将温度数据发送给STC15W408AS进行处理和显示。其主要功能包括：

• 温度测量：通过单线接口与STC15W408AS通讯，实时测量环境温度。

• 数据转换：将测量的温度数据转换为数字信号，并发送给STC15W408AS。

• 温度报警：当温度超过设定范围时，可以触发报警功能。

四、时钟芯片DS3231

4.1 型号及参数

• 型号：DS3231

• 供电方式：两组供电，一组主电（2.3V~5.5V），一组备电（一般由纽扣电池供电）

• 误差范围：温度范围为0摄氏度到40摄氏度（±2PPM），温度范围为-40摄氏度到85摄氏度（±3.5PPM，每天±0.432秒）

• 功能：包含时钟（24小时格式或12小时格式）、日历（年、月、日、星期）、两个可编程时间报警和一个可编程方波输出

• I2C总线：与MCU通过标准I2C总线进行连接

• 型号：16pin的DS3231SN和8pin的DS3231MZ（8pin的DS3231MZ守时精度为±5PPM）

4.2 在设计中的作用

DS3231作为时钟芯片，负责提供高精度的时间信号，并将时间数据发送给STC15W408AS进行处理和显示。其主要功能包括：

• 时间显示：提供高精度的时间信号，包括时钟、日历和星期信息。

• 时间报警：可以设置两个可编程时间报警，当时间到达设定值时触发报警功能。

• 方波输出：可以输出一个可编程的方波信号，用于其他设备的同步或控制。

五、VFD驱动芯片CS16312

5.1 型号及参数

• 型号：CS16312

• 占空比：1/4～1/11

• 输出线：11根段输出线、6根栅输出线、5根段/栅选择输出线

• 功能：包含显示存贮器、控制电路、键扫描电路

• 串行接口：CLK、STB、Din、Dout

• 封装形式：QFP44/LQFP44

5.2 在设计中的作用

CS16312作为VFD驱动芯片，负责控制荧光管的显示。其主要功能包括：

• 显示控制：通过串行接口接收STC15W408AS发送的显示数据，并控制荧光管的显示。

• 键扫描：内置键扫描电路，可以检测按键输入，用于设置时间、温度报警等功能。

• 调光电路：具有8级调光功能，可以调整荧光管的亮度。

六、移位寄存器74HC595

6.1 型号及参数

• 型号：74HC595

• 功能：8位串行输入、并行输出的位移缓存器

• 输出状态：高电平、低电平和高阻抗

• 移位频率：100MHz

• 引脚：Q0-Q7（8位并行数据输出）、GND（地）、Q7'（串行数据输出）、/MR（主复位，低电平有效）、SH_CP（数据输入时钟线）、ST_CP（输出存储器锁存时钟线）、/OE（输出有效，低电平有效）、DS（串行数据输入）、VCC（电源）

6.2 在设计中的作用

74HC595作为移位寄存器，用于扩展STC15W408AS的I/O口，控制荧光管的显示。其主要功能包括：

• 串行输入并行输出：将STC15W408AS发送的串行数据转换为并行数据，并输出到荧光管的段选和位选端口。

• 数据存储：具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变，避免荧光管闪烁。

• 级联功能：可以通过Q7'端口级联多个74HC595，实现更多位数的显示控制。

七、其他元件

7.1 ULN2803驱动器

ULN2803是一个高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。它主要用于驱动继电器或小型直流电动机等负载。在DIY荧光管电子时钟中，ULN2803可以用于驱动报警蜂鸣器或其他报警设备。

7.2 LPD6803D LED驱动器

LPD6803D是一款恒流LED驱动芯片，具有16个独立的恒流LED输出通道。它可以通过串行接口接收数据，并控制LED的亮度和开关状态。在DIY荧光管电子时钟中，LPD6803D可以用于控制背景灯或其他装饰性LED的显示。