闹钟时间到震动与声响提醒的实现-库函数版（STC8）

闹钟时间到震动与声响提醒的实现-库函数版（STC8）

在日常生活和工业场景中，闹钟的提醒功能至关重要，而震动加声响的双重提醒能更有效地引起注意。基于 STC8 单片机，我们可以搭建一个低成本、高可靠性的闹钟系统，利用其内置的 RTC 模块实现精准定时，再通过驱动振动电机和蜂鸣器，让闹钟在设定时间到来时发出震动和声响。

系统整体设计框架

该闹钟系统主要由四大模块构成，各模块协同工作实现完整的闹钟功能：

• 核心控制模块：STC8 单片机（如 STC8H8K64u），负责 RTC 时钟管理、闹钟判断及外设控制。

• 定时模块：STC8 内置的 RTC 模块，提供精准的时间基准，支持年月日时分秒的计时与闹钟设置。

• 提醒输出模块：包括振动电机（通过三极管驱动）和蜂鸣器（直接或三极管驱动），用于产生震动和声响。

• 交互模块：由按键组成，用于设置时间和闹钟参数（如调整小时、分钟，开启 / 关闭闹钟）。

系统工作流程为：单片机实时运行 RTC 时钟，用户通过按键设置闹钟时间；当 RTC 时间与闹钟时间匹配时，单片机触发中断，控制振动电机和蜂鸣器工作，实现双重提醒；用户可通过按键关闭提醒。

硬件电路设计

硬件设计的核心是将各模块与 STC8 单片机正确连接，确保信号稳定传输和外设安全工作。

核心电路设计

• RTC 供电：为保证断电后 RTC 继续计时，通过 VBAT 引脚连接 3V 纽扣电池（如 CR2032），并串联 10kΩ 限流电阻，同时通过二极管实现主电源与备用电源的自动切换。

• 振动电机驱动：振动电机工作电流较大（通常几十毫安），需通过三极管（如 8050）驱动。单片机某一 GPIO 口（如 P3.0）连接三极管基极（串联 1kΩ 限流电阻），三极管集电极连接振动电机一端，电机另一端接 VCC，发射极接地。

• 蜂鸣器驱动：若蜂鸣器为有源蜂鸣器，可将其一端接单片机 GPIO 口（如 P3.1），另一端接地（或通过三极管驱动以增大音量）；无源蜂鸣器则需要单片机输出一定频率的脉冲信号驱动。

• 按键电路：采用 4 个独立按键，分别连接单片机的 4 个 GPIO 口（如 P3.2-P3.5），用于设置时间、设置闹钟、确认和取消操作，按键另一端接地，同时单片机引脚开启内部上拉电阻。

硬件注意事项

• 振动电机工作时可能产生干扰，需在电机两端并联一个 104 瓷片电容抑制火花和干扰。

• 蜂鸣器和振动电机的电源应与单片机电源分开走线，避免大电流对单片机造成影响。

• 按键电路可增加 104 电容进行硬件消抖，提高按键识别的稳定性。

软件程序实现

软件部分主要包括 RTC 初始化与时间管理、闹钟设置与判断、中断服务程序以及振动和声响驱动函数。

RTC 模块初始化与时间设置

首先需要初始化 STC8 的 RTC 模块，设置初始时间，并实现时间的读取与更新。
主函数代码：

// 库函数头文件
#include "GPIO.h"
#include "Delay.h"
#include "NVIC.h"
#include "UART.h"
#include "Switch.h"
#include "PCF8563.h"
#include "Exti.h"

void GPIO_config(void)
{
    // P30  P31  准双向口
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;               // 结构定义
    GPIO_InitStructure.Pin  = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; // 指定要初始化的IO,
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_PullUp;             // 指定IO的输入或输出方式,GPIO_PullUp,GPIO_HighZ,GPIO_OUT_OD,GPIO_OUT_PP
    GPIO_Inilize(GPIO_P3, &GPIO_InitStructure);        // 初始化
	
	// P00 P01 推挽输出
    GPIO_InitStructure.Pin  = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;		//指定要初始化的IO,
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_OUT_PP;	//指定IO的输入或输出方式,GPIO_PullUp,GPIO_HighZ,GPIO_OUT_OD,GPIO_OUT_PP
    GPIO_Inilize(GPIO_P0, &GPIO_InitStructure);//初始化
	
	// 配置推挽输出，引脚默认高电平
	P01 = 0; // 默认马达不震动
	P00 = 0; // 引脚拉低
}

void UART_config(void)
{
    // >>> 记得添加 NVIC.c, UART.c, UART_Isr.c <<<
    COMx_InitDefine COMx_InitStructure;                 // 结构定义
    COMx_InitStructure.UART_Mode      = UART_8bit_BRTx; // 模式, UART_ShiftRight,UART_8bit_BRTx,UART_9bit,UART_9bit_BRTx
    COMx_InitStructure.UART_BRT_Use   = BRT_Timer1;     // 选择波特率发生器, BRT_Timer1, BRT_Timer2 (注意: 串口2固定使用BRT_Timer2)
    COMx_InitStructure.UART_BaudRate  = 115200ul;       // 波特率, 一般 110 ~ 115200
    COMx_InitStructure.UART_RxEnable  = ENABLE;         // 接收允许,   ENABLE或DISABLE
    COMx_InitStructure.BaudRateDouble = DISABLE;        // 波特率加倍, ENABLE或DISABLE
    UART_Configuration(UART1, &COMx_InitStructure);     // 初始化串口1 UART1,UART2,UART3,UART4

    NVIC_UART1_Init(ENABLE, Priority_1); // 中断使能, ENABLE/DISABLE; 优先级(低到高) Priority_0,Priority_1,Priority_2,Priority_3
    UART1_SW(UART1_SW_P30_P31);          // 引脚选择, UART1_SW_P30_P31,UART1_SW_P36_P37,UART1_SW_P16_P17,UART1_SW_P43_P44
}


void ext_int3_call() { // 外部中断3回调函数
	u16 i;
	printf("========ext_int3_call==============");

	PCF8563_alarm_clear_flag(); // 清除标志位
	
    // 马达震动
    P01 = 1;
    delay_ms(250);
    delay_ms(250);
    P01= 0;
    
	// 蜂鸣器响
    for (i = 0; i < 500; i++) {
        P00 = 1;
        delay_ms(1);
        P00 = 0;
        delay_ms(1);
    }
}

void main()
{
    Clock_t temp;
	Alarm_t alarm;
    
    EA = 1; // 使能全局中断开关
    // ========记得=============
    EAXSFR(); /* 扩展寄存器访问使能 */

    GPIO_config(); // IO配置函数调用
    UART_config(); // UART配置函数调用
   
    // PCF8563初始化
    PCF8563_init();

    //======================================时间日期
    temp.year    = 2025; temp.month   = 4; temp.day     = 11;
    temp.weekday = 5; // 星期几
    temp.hour    = 23; temp.minute  = 59; temp.second  = 56;
    PCF8563_set_clock(temp);

    //===================2.1 闹钟设置 寄存器地址 0x09
    alarm.day = -1, alarm.hour = 0, alarm.minute = 0, alarm.weekday = -1;
	PCF8563_set_alarm(alarm);


    //===================2.2 闹钟开启 寄存器地址 0x01
	PCF8563_enable_alarm();  // 启用
//	PCF8563_disable_alarm(); // 禁用
    
    while (1) {
        PCF8563_get_clock(&temp);
		printf("%02d-%02d-%02d\n", (int)temp.year, (int)temp.month, (int)temp.day);
		printf("%02d:%02d:%02d\n", (int)temp.hour, (int)temp.minute, (int)temp.second);
		printf("星期%d\n", (int)temp.weekday);

		delay_ms(250);
		delay_ms(250);
		delay_ms(250);
		delay_ms(250);
    }
}

闹钟设置与中断配置

设置闹钟时间，并配置 RTC 闹钟中断，当时间匹配时触发中断。

配置的库函数代码：

#include "PCF8563.h"
static void GPIO_config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;               // 结构定义
    // P32  P33   开漏模式
    GPIO_InitStructure.Pin  = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3; // 指定要初始化的IO,
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_OUT_OD;             // 指定IO的输入或输出方式,GPIO_PullUp,GPIO_HighZ,GPIO_OUT_OD,GPIO_OUT_PP
    GPIO_Inilize(GPIO_P3, &GPIO_InitStructure);        // 初始化
	
	// P37  准双向口
    GPIO_InitStructure.Pin  = GPIO_Pin_7; // 指定要初始化的IO,
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_PullUp;             // 指定IO的输入或输出方式,GPIO_PullUp,GPIO_HighZ,GPIO_OUT_OD,GPIO_OUT_PP
    GPIO_Inilize(GPIO_P3, &GPIO_InitStructure);
}

// I2C配置函数定义
/****************  I2C初始化函数 *****************/
static void  I2C_config(void)
{
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;

    I2C_InitStructure.I2C_Mode    = I2C_Mode_Master; // 主从选择   I2C_Mode_Master, I2C_Mode_Slave
    I2C_InitStructure.I2C_Enable  = ENABLE;          // I2C功能使能,   ENABLE, DISABLE
    I2C_InitStructure.I2C_MS_WDTA = DISABLE;         // 主机使能自动发送,  ENABLE, DISABLE
    I2C_InitStructure.I2C_Speed   = 13;              // 总线速度=Fosc/2/(Speed*2+4),      0~63
                                      //  400k, 24M => 13
    I2C_Init(&I2C_InitStructure);
    NVIC_I2C_Init(I2C_Mode_Master, DISABLE, Priority_0); // 主从模式, I2C_Mode_Master, I2C_Mode_Slave; 中断使能, ENABLE/DISABLE; 优先级(低到高) Priority_0,Priority_1,Priority_2,Priority_3

    I2C_SW(I2C_P33_P32); // I2C_P14_P15,I2C_P24_P25,I2C_P33_P32
}

/******************** INT配置 ********************/
static void	Exti_config(void)
{
    EXTI_InitTypeDef	Exti_InitStructure;							//结构定义

    Exti_InitStructure.EXTI_Mode      = EXT_MODE_RiseFall;//中断模式,   EXT_MODE_RiseFall,EXT_MODE_Fall
    Ext_Inilize(EXT_INT3,&Exti_InitStructure);				//初始化
    NVIC_INT3_Init(ENABLE,Priority_0);		//中断使能, ENABLE/DISABLE; 优先级(低到高) Priority_0,Priority_1,Priority_2,Priority_3
}

// PCF8563初始化
void PCF8563_init() {
	EA = 1;
    EAXSFR(); /* 扩展寄存器访问使能 */

    GPIO_config();
    I2C_config();
	Exti_config();
}

// 设置时间
void PCF8563_set_clock(Clock_t temp) {
    u8 p[7]     = {0};

    // 秒的寄存器地址为： 0x02
    // 秒:  第0~3位记录个位，第4~6位记录十位
	p[0] = WRITE_BCD(temp.second);
    // 分: 第0~3位，保存个数，第4到6位，保存十位
	p[1] = WRITE_BCD(temp.minute);
    // 时：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位
	p[2] = WRITE_BCD(temp.hour);
    // 日：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位
	p[3] = WRITE_BCD(temp.day);
    // 周：第0~2位，保存个数
	p[4] = temp.weekday;
    // 月_世纪:  第0~3位记录个位，第4位记录十位，第7位为0，世纪数为20xx; 为1，世纪数为21xx
	p[5] = WRITE_BCD(temp.month);
	if(temp.year >= 2100) { // p[5] 的第7位为1
		p[5] |= (1 << 7);
	} else { // p[5] 的第7位为0
		p[5] &= ~(1 << 7);
	}
    // 年：第0~3位，保存个数，第4到7位，保存十位
	// 2025 => 25 => 2 和 5
	p[6] = WRITE_BCD(temp.year % 100);

    // 往rtc时钟芯片，写如数据
    I2C_WriteNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, PCF8563_REG_SECOND, p, 7);
}

// 获取时间
void PCF8563_get_clock(Clock_t *p) {
    u8 temp[7]  = {0}; // 接收数据
    u8 flag;
    // 读取rtc时钟芯片，数据, 读操作也是用写地址，内部会把写地址，变成读地址
    I2C_ReadNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, PCF8563_REG_SECOND, temp, 7);
    // 秒的寄存器地址为： 0x02
    // 秒:  第0~3位记录个位，第4~6位记录十位
    p->second = READ_BCD(temp[0]); // 秒
    // 分: 第0~3位，保存个数，第4到6位，保存十位
    p->minute = READ_BCD(temp[1]); // 分
    // 时：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位
    p->hour = READ_BCD(temp[2]); // 时
    // 日：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位
    p->day = READ_BCD(temp[3]); // 日
    // 周：第0~2位，保存个数
    p->weekday = temp[4]; // 周
    // 月_世纪:  第0~3位记录个位，第4位记录十位，第7位为0，世纪数为20xx，为1，世纪数为21xx
    // 取出月的第7位的值
    flag = (temp[5] & (1 << 7)) >> 7; // 取出月的第7位的值
    // 给第7位置零
    temp[5] &= ~(1 << 7); // 给第7位置零
    // 取出月的第4到6位的值
    p->month = READ_BCD(temp[5]); // 月
    // 年：第0~3位，保存个数，第4到7位，保存十位
    p->year = READ_BCD(temp[6]); // 年
    if (flag == 1) { // 世纪数为21xx
        p->year += 2100;
    }else {
        p->year += 2000;
    }
}


//=============================闹钟
// 设置闹钟
void PCF8563_set_alarm(Alarm_t alarm) {
	u8 p[4];
    // 分: 第0~3位,记录个数, 第4~6位记录十位, 第7位：置0启动, 置1禁用
    // 默认第7位为0
    p[0] = alarm.minute != -1 ? WRITE_BCD(alarm.minute) : 0x80; // 分
    // 时: 第0~3位,记录个数, 第4~5位记录十位, 第7位：置0启动, 置1禁用
    p[1] = alarm.hour != -1 ? WRITE_BCD(alarm.hour) : 0x80; // 时
    // 日: 第0~3位,记录个数, 第4~5位记录十位, 第7位：置0启动, 置1禁用
    p[2] = alarm.day != -1 ? WRITE_BCD(alarm.day) : 0x80; 
    // 周: 第0~2位,记录个数, 第7位：置0启动, 置1禁用
    p[3] = alarm.weekday != -1 ? WRITE_BCD(alarm.weekday): 0x80; 
    I2C_WriteNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, 0x09, p, 4);
}


// 启用闹钟
void PCF8563_enable_alarm() {
	u8 cfg;
    //a) 读原来的配置(不要乱改配置，只改自己的位，其它维持不变)
    I2C_ReadNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, 0x01, &cfg, 1);
    //b) 在原来配置的基础上，清除标志位  第3位：置0清除标志位
    cfg &= ~(1 << 3);
    //c) 在原来配置基础上，启动闹钟，第1位：置1启动 
    cfg |= (1 << 1);
    //d) 重新写入配置
    I2C_WriteNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, 0x01, &cfg, 1);

}

// 禁用闹钟Alarm
void PCF8563_disable_alarm() {
	u8 cfg;
    //a) 读原来的配置(不要乱改配置，只改自己的位，其它维持不变)
    I2C_ReadNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, 0x01, &cfg, 1);
    //b) 在原来配置的基础上，清除标志位  第3位：置0清除标志位
    cfg &= ~(1 << 3);
    //c) 在原来配置基础上，禁用闹钟，第1位：置0禁用
    cfg &= ~(1 << 1);
    //d) 重新写入配置
    I2C_WriteNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, 0x01, &cfg, 1);

}

// 清理闹钟标记
void PCF8563_alarm_clear_flag() {
	u8 cfg;
    // ============================= 清除标志位，让闹钟能重复触发
    //a) 读原来的配置(不要乱改配置，只改自己的位，其它维持不变)
    I2C_ReadNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, 0x01, &cfg, 1);
    //b) 在原来配置的基础上，清除标志位  第3位：置0清除标志位
    cfg &= ~(1 << 3);
    //d) 重新写入配置
    I2C_WriteNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, 0x01, &cfg, 1);
}

振动与声响驱动函数

实现振动电机和蜂鸣器的开启与关闭控制。

配置io口

	// P00 P01 推挽输出
    GPIO_InitStructure.Pin  = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;		//指定要初始化的IO,
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_OUT_PP;	//指定IO的输入或输出方式,GPIO_PullUp,GPIO_HighZ,GPIO_OUT_OD,GPIO_OUT_PP
    GPIO_Inilize(GPIO_P0, &GPIO_InitStructure);//初始化
	
	// 配置推挽输出，引脚默认高电平
	P01 = 0; // 默认马达不震动
	P00 = 0; // 引脚拉低

按键处理与主函数

通过处理实现时间和闹钟的设置，主函数循环读取时间并处理按键事件。

void ext_int3_call() { // 外部中断3回调函数
	u16 i;
	printf("========ext_int3_call==============");

	PCF8563_alarm_clear_flag(); // 清除标志位
	
    // 马达震动
    P01 = 1;
    delay_ms(250);
    delay_ms(250);
    P01= 0;
    
	// 蜂鸣器响
    for (i = 0; i < 500; i++) {
        P00 = 1;
        delay_ms(1);
        P00 = 0;
        delay_ms(1);
    }
}
void main()
{
    Clock_t temp;//时间的结构体
	Alarm_t alarm;//闹钟结构体
    EA = 1; // 使能全局中断开关
    // ========记得=============
    EAXSFR(); /* 扩展寄存器访问使能 */

    GPIO_config(); // IO配置函数调用
    UART_config(); // UART配置函数调用
   		PCF8563_init();		 // PCF8563初始化
    
    //======================================时间日期
    temp.year    = 2025; temp.month   = 4; temp.day     = 11;
    temp.weekday = 5; // 星期几
    temp.hour    = 23; temp.minute  = 59; temp.second  = 56;
    PCF8563_set_clock(temp);
    //===================2.1 闹钟设置 寄存器地址 0x09
    alarm.day = -1, alarm.hour = 0, alarm.minute = 0, alarm.weekday = -1;
	PCF8563_set_alarm(alarm);
    //===================2.2 闹钟开启 寄存器地址 0x01
	PCF8563_enable_alarm();  // 启用
//	PCF8563_disable_alarm(); // 禁用
    
    while (1) {
        PCF8563_get_clock(&temp);
		printf("%02d-%02d-%02d\n", (int)temp.year, (int)temp.month, (int)temp.day);
		printf("%02d:%02d:%02d\n", (int)temp.hour, (int)temp.minute, (int)temp.second);
		printf("星期%d\n", (int)temp.weekday);

		delay_ms(250);
		delay_ms(250);
		delay_ms(250);
		delay_ms(250);
    }
}

系统调试与优化

• 时间精度校准：若发现 RTC 时间有偏差，可通过 RTC 的校准寄存器（如 RTC_CAL）进行补偿，或定期通过外部时间源（如串口同步）校准。

• 提醒时长控制：在中断服务程序中加入定时器，让震动和声响持续一段时间后自动关闭，避免一直提醒。

• 抗干扰优化：除硬件上的电容滤波外，软件中可在读取按键和处理中断时增加多次检测，提高系统稳定性。

应用场景拓展

该闹钟系统可根据实际需求进行拓展，例如：

• 多组闹钟：设置多个闹钟时间，满足不同时段的提醒需求。

• 渐强提醒：让蜂鸣器的音量和振动电机的强度逐渐增大，避免突然的大音量和强震动带来不适。

• 与传感器结合：加入光敏传感器，在夜间自动降低蜂鸣器音量和振动强度，避免影响他人。

通过 STC8 单片机实现的闹钟系统，以其低成本、易实现的特点，能很好地满足震动加声响的提醒需求，无论是在个人电子设备还是小型工业控制中都具有实用价值。