基于 STM32 的数字闹钟系统 Proteus 仿真设计与实现

一、引言

        在嵌入式开发学习中，数字闹钟系统是一个经典的综合实践项目，既能巩固 STM32 微控制器、实时时钟（RTC）、外设交互等知识点，又能通过仿真工具快速验证设计合理性。本文将详细分享基于 STM32F103C6 的数字闹钟系统在 Proteus 中的仿真设计过程，包括系统架构、模块实现、仿真效果及核心代码解析，适合嵌入式初学者参考学习。

二、设计需求

1. 功能需求

基于 STM32 的数字闹钟系统需实现以下核心功能：

• 实时显示：通过 LCD 屏幕显示日期（年 / 月 / 日）、时间（时 / 分 / 秒）及星期；
• 交互控制：通过按键修改系统时间和设置闹钟；
• 报警提示：到达设定闹钟时间时，蜂鸣器发声 + LED 闪烁报警；
• 时间精度：依赖 RTC 芯片（DS1302）实现掉电仍能保持计时。

2. 仿真要求（Proteus）

• 需在 Proteus 中搭建完整电路，包括 STM32 主控、LCD 显示、时钟模块、按键、报警电路；
• 仿真过程中需验证时间显示、按键设置、闹钟触发等全流程功能；
• 确保各模块引脚连接正确，时序逻辑无冲突（如 RTC 晶振频率 32.768kHz）。

三、系统总体设计

系统以 STM32F103C6 为核心，配合 5 大功能模块实现数字闹钟功能，整体架构如下：

STM32F103C6（主控） ←→ 时钟模块（DS1302）  // 提供实时时间←→ 显示模块（LM016L）   // 显示时间信息←→ 按键模块（4个按键）   // 时间/闹钟设置←→ 报警模块（蜂鸣器+LED）// 闹钟提示

各模块在 Proteus 中的设计细节如下：

3.1 主控模块（STM32F103C6）

• 核心功能：处理时间数据、驱动外设、响应按键中断；
• Proteus 配置：选择 STM32F103C6 芯片，配置外部晶振（8MHz）和 RTC 相关引脚（连接 DS1302 的 SCLK、I/O、RST）；
• 引脚分配：PA0~PA3 连接按键，PB 端口连接 LCD1602 的 8 位数据总线，PC13 控制报警 LED。

3.2 显示模块（LM016L LCD）

• 功能：显示日期（如 2024-09-26）、时间（如 17:08:20）及设置界面；
• Proteus 设计：
  • 采用 16x2 字符型 LCD（LM016L），通过 8 位并行接口与 STM32 的 PB0~PB7 连接；
  • 控制引脚 RS（PB8）、RW（PB9）、E（PB10）用于指令 / 数据切换和读写控制；
  • 外接电位器调节 V0 引脚电压，优化显示对比度。
• 仿真效果：通电后自动显示当前时间，设置模式下通过 “>” 符号指示可修改项（如年份、小时）。

3.3 时钟模块（DS1302）

• 功能：提供高精度实时时钟，掉电后通过 3V 电池保持计时；
• Proteus 设计：
  • 选用 DS1302 芯片，外接 32.768kHz 晶振（X1）保证时间精度；
  • 电池（BAT1）接 VCC2 引脚，主电源接 VCC1，确保断电不丢数据；
  • 通过串行接口（SCLK、I/O、RST）与 STM32 的 PA1~PA3 通信，实现时间读写。

3.4 按键与报警模块

• 按键模块：
  • 4 个独立按键（设置时间、设置加、设置减、设置闹钟），通过 PA0~PA3 连接 STM32；
  • Proteus 中需添加下拉电阻（10kΩ），配合软件去抖（延迟 10ms）避免误触发。
• 报警模块：
  • 由蜂鸣器（BUZ1）、PNP 三极管（8550）和红色 LED（D1）组成；
  • STM32 通过 PB12 输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器发声 + LED 点亮，实现声光报警。

• 3.5 电路设计：

• 

四、Proteus 仿真实现

1. 实时时间显示仿真

• 启动 Proteus 仿真后，系统自动初始化 DS1302，LCD 显示当前日期（如 2024-09-26 Wed）和时间（如 15:08:54）；
• 时间每秒自动刷新，星期随日期联动更新（通过代码中RTC_Get_Week函数计算）。

2. 时间设置仿真

• 按下 “设置时间” 键，LCD 进入设置界面，“>” 符号默认指向年份；
• 再次按下 “设置时间” 键，“>” 依次切换到月份、日、时、分；
• 通过 “设置加 / 减” 键调整对应数值（如年份从 2024 增至 2025），调整完成后再次按 “设置时间” 键保存退出。

3. 闹钟功能仿真

• 按下 “设置闹钟” 键，LCD 显示 “Set Alarm” 界面，“>” 默认指向小时；
• 调整完成后，当系统时间与闹钟时间（如 17:50）匹配时，蜂鸣器发声 + LED 闪烁，按下 “设置减” 键可关闭报警。

五、核心代码解析

以下为仿真中关键功能的代码片段（基于 STM32 标准库）：

c

/**********************************************************************************************/
#include "delay.h"
#include "LCD1602.h" 
#include "key.h"#include "led.h"
#include "ds1302.h"#include "stdio.h" 	
#include "stdlib.h" 	extern _Bool flag_timer;			//定时时间到标志位int main(void)
{	_Bool Alarm = 0;unsigned char key_value = 0;					//按键返回值NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);	//设置中断优先级分组为组2：2位抢占优先级，2位响应优先级Lcd1602_Init();									//液晶1602初始化LED_Init();KEY_Init();										//初始化端口DS1302_Init();  			   					//DS1302初始化KEY_Init();while(1){	DS1302_ReadTime();							//读取DS1302delay_ms(60);		key_value = KEY_Scan(0);		 			//按键单击switch(key_value){case 1:KEY_Set();	break;case 2:BEEP = 1;							//取消报警break;case 4:KEY_Set_Alarm();					//设置闹钟	break;}DS1302_Time();							//显示时钟if(Timer_info.hou == Ahour&&Timer_info.min ==Amin )		//到达闹钟时间{if(Timer_info.sec==0)				//秒钟为0{if(Alarm==0){Alarm = 1;BEEP = 0;					//开报警}}}else{if(Alarm==1){Alarm = 0;BEEP = 1;						//关报警}}}	
}

 另外附赠设计报告如下：

六、总结与展望

本设计通过 Proteus 完成了基于 STM32 的数字闹钟系统仿真，实现了时间显示、设置、闹钟等核心功能，验证了硬件电路与软件逻辑的合理性。后续可扩展温度显示（添加 DS18B20）或蓝牙同步功能，进一步提升实用性。对于嵌入式学习者，该项目是理解 “硬件 + 软件” 协同设计的绝佳案例，建议结合 Proteus 仿真逐步调试代码，加深对 STM32 外设的理解。

如果需要完整仿真工程文件或代码，可留言获取～