简介：本项目是基于51单片机和DS1302时钟模块DIY的陶瓷灯丝时钟。

好的，作为一名高级嵌入式软件开发工程师，非常荣幸能与您一同探讨这个基于51单片机和DS1302时钟模块的陶瓷灯丝时钟项目。这是一个非常有趣且实用的DIY项目，它涵盖了嵌入式系统开发的多个关键环节。为了构建一个可靠、高效、可扩展的系统平台，我们需要从需求分析出发，深入到代码设计架构，并最终通过具体的C代码实现来展现整个开发流程。
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项目概述与需求分析

项目名称: 陶瓷灯丝时钟

核心功能:

1. 时间显示: 精确显示当前时间，包括时、分、秒。
2. 陶瓷灯丝驱动: 控制陶瓷灯丝，以数字形式清晰地显示时间。
3. 时间校准: 允许用户手动校准时间，确保时间的准确性。
4. 掉电保持: 在掉电后，时间信息能够被保存，再次上电时能继续准确计时。

扩展功能 (可选):

1. 日期显示: 显示年月日信息。
2. 闹钟功能: 设置闹钟，并在到达设定时间时发出提示。
3. 温度显示: 集成温度传感器，显示环境温度。
4. 亮度调节: 根据环境光线自动或手动调节显示亮度。
5. 多种显示模式: 例如12/24小时制切换，多种时间显示动画效果。

硬件组成:

1. 主控芯片: 51单片机 (例如STC89C52RC)。
2. 实时时钟模块: DS1302。
3. 显示器件: 陶瓷灯丝数码管 (或点阵)。
4. 按键: 用于时间校准和功能设置。
5. 电源: 5V直流电源。
6. 外壳: 陶瓷或其他材料外壳。

软件需求:

1. 可靠性: 系统运行稳定可靠，时间显示准确，不易出错。
2. 实时性: 能够实时读取DS1302的时间数据，并及时更新显示。
3. 低功耗: 在满足功能需求的前提下，尽量降低功耗，延长使用寿命 (如果考虑电池供电)。
4. 可扩展性: 软件架构应易于扩展，方便后续增加新的功能。
5. 易维护性: 代码结构清晰，注释完善，方便维护和升级。

系统设计架构

为了实现上述需求，并构建一个可靠、高效、可扩展的系统平台，我推荐采用分层架构的代码设计。分层架构能够将复杂的系统分解成若干个独立的模块，每个模块负责特定的功能，模块之间通过清晰定义的接口进行交互。这种架构方式可以提高代码的可读性、可维护性和可复用性。

系统架构图:

+-----------------------+
|     应用层 (APP)      |  // 功能逻辑，例如时间显示、闹钟等
+-----------------------+
|     服务层 (Service)  |  // 提供通用服务，例如时间服务、显示服务、按键服务
+-----------------------+
|     驱动层 (Driver)   |  // 硬件驱动，例如DS1302驱动、GPIO驱动、显示驱动
+-----------------------+
|   硬件抽象层 (HAL)   |  // 硬件底层接口，例如IO口操作、SPI/I2C操作
+-----------------------+
|       硬件平台        |  // 51单片机、DS1302、陶瓷灯丝等硬件
+-----------------------+

各层的功能职责:

1. 硬件平台层: 这是系统的物理基础，包括51单片机、DS1302、陶瓷灯丝显示模块、按键、电源等硬件组件。

2. 硬件抽象层 (HAL): HAL层是直接与硬件交互的底层软件层。它提供了一组抽象的API接口，用于访问和控制硬件资源，例如GPIO端口的读写、SPI/I2C总线的通信等。HAL层的目标是屏蔽底层硬件的差异，为上层驱动层提供统一的硬件访问接口。这样，当更换硬件平台时，只需要修改HAL层的代码，而上层代码无需修改。

   • GPIO 抽象: 定义GPIO初始化、输入、输出、高低电平等操作接口。
   • SPI/I2C 抽象: 定义SPI/I2C总线初始化、数据发送、数据接收等操作接口 (DS1302采用SPI或I2C通信，根据实际模块选择)。
   • 定时器抽象: 提供定时器初始化、启动、停止、中断处理等接口。
   • 中断抽象: 提供中断使能、禁止、注册中断处理函数等接口。

3. 驱动层 (Driver): 驱动层构建在HAL层之上，负责驱动具体的硬件设备。每个硬件设备都有一个对应的驱动模块。驱动层调用HAL层提供的API接口来操作硬件，并将硬件的细节操作封装起来，向上层服务层提供更高级、更易用的接口。

   • DS1302 驱动: 封装DS1302的读写操作，例如读取时间、设置时间、读取寄存器数据等。对外提供获取当前时间、设置当前时间等接口。
   • 陶瓷灯丝显示驱动: 控制陶瓷灯丝的亮灭，实现数字或字符的显示。根据陶瓷灯丝的驱动方式，可能需要实现段码表、位选控制等。
   • 按键驱动: 检测按键的按下和释放事件，并进行按键消抖处理。对外提供按键事件检测接口。

4. 服务层 (Service): 服务层构建在驱动层之上，提供一些通用的、可复用的服务模块，供应用层调用。服务层将驱动层的功能组合起来，实现更高级的功能。

   • 时间服务 (Time Service): 基于DS1302驱动，提供获取当前时间、设置当前时间、时间格式化 (例如将时间转换为字符串) 等服务。
   • 显示服务 (Display Service): 基于陶瓷灯丝显示驱动，提供显示数字、显示字符、清屏、设置显示亮度等服务。
   • 按键服务 (Key Service): 基于按键驱动，提供按键事件处理、长按短按检测、组合按键处理等服务。

5. 应用层 (APP): 应用层是系统的最高层，负责实现具体的应用逻辑。应用层调用服务层提供的接口来完成各种功能。对于陶瓷灯丝时钟项目，应用层主要负责：

   • 时间显示任务: 周期性地从时间服务获取当前时间，并将时间数据通过显示服务显示在陶瓷灯丝上。
   • 时间校准逻辑: 响应按键事件，进入时间校准模式，允许用户通过按键调整时间，并将调整后的时间通过时间服务写入DS1302。
   • 其他扩展功能实现: 例如闹钟、日期显示、温度显示等。

代码实现 (C语言)

为了满足3000行的代码量需求，我将尽可能详细地编写代码，并包含详细的注释和解释。以下代码示例将涵盖核心功能，并为扩展功能预留接口。

1. 项目文件结构:

ceramic_filament_clock/
├── Core/
│   ├── Src/
│   │   └── main.c          // 主程序入口
│   └── Inc/
│       └── main.h          // 主程序头文件
├── HAL/
│   ├── Src/
│   │   ├── hal_gpio.c      // HAL GPIO 驱动
│   │   ├── hal_timer.c     // HAL 定时器驱动 (如果需要)
│   │   └── hal_spi.c       // HAL SPI 驱动 (如果DS1302用SPI)
│   └── Inc/
│       ├── hal_gpio.h
│       ├── hal_timer.h
│       └── hal_spi.h
├── Drivers/
│   ├── Src/
│   │   ├── drv_ds1302.c    // DS1302 驱动
│   │   ├── drv_display.c   // 陶瓷灯丝显示驱动
│   │   └── drv_key.c       // 按键驱动
│   └── Inc/
│       ├── drv_ds1302.h
│       ├── drv_display.h
│       └── drv_key.h
├── Services/
│   ├── Src/
│   │   ├── svc_time.c      // 时间服务
│   │   ├── svc_display.c   // 显示服务
│   │   └── svc_key.c       // 按键服务
│   └── Inc/
│       ├── svc_time.h
│       ├── svc_display.h
│       └── svc_key.h
├── Config/
│   └── config.h          // 项目配置头文件
├── README.md             // 项目说明文档
└── Makefile              // 编译Makefile (如果使用Makefile编译)

2. Config/config.h (项目配置头文件):

#ifndef __CONFIG_H__
#define __CONFIG_H__

// ---------------------  硬件引脚配置  ---------------------

// DS1302 引脚配置 (假设使用 SPI 接口)
#define DS1302_RST_PIN    P2_0  // DS1302 RST 引脚
#define DS1302_CLK_PIN    P2_1  // DS1302 CLK 引脚
#define DS1302_DATA_PIN   P2_2  // DS1302 DATA 引脚

// 陶瓷灯丝显示引脚配置 (假设使用 7 段数码管，共阳极)
#define DISP_SEG_A_PIN    P1_0
#define DISP_SEG_B_PIN    P1_1
#define DISP_SEG_C_PIN    P1_2
#define DISP_SEG_D_PIN    P1_3
#define DISP_SEG_E_PIN    P1_4
#define DISP_SEG_F_PIN    P1_5
#define DISP_SEG_G_PIN    P1_6
#define DISP_SEG_DP_PIN   P1_7  // 小数点 (如果使用)

// 位选引脚 (假设 4 位数码管)
#define DISP_DIGIT1_PIN   P3_0
#define DISP_DIGIT2_PIN   P3_1
#define DISP_DIGIT3_PIN   P3_2
#define DISP_DIGIT4_PIN   P3_3

// 按键引脚配置 (假设使用 3 个按键: SET, UP, DOWN)
#define KEY_SET_PIN       P0_0
#define KEY_UP_PIN        P0_1
#define KEY_DOWN_PIN      P0_2

// ---------------------  软件配置  ---------------------

#define SYSTEM_TICK_MS    10    // 系统时钟节拍，单位毫秒

#endif // __CONFIG_H__

3. HAL层代码:

HAL/Inc/hal_gpio.h:

#ifndef __HAL_GPIO_H__
#define __HAL_GPIO_H__

#include <reg52.h> // 包含 51 单片机头文件

// 定义 GPIO 操作类型
typedef enum {
    GPIO_MODE_INPUT,
    GPIO_MODE_OUTPUT
} GPIO_ModeTypeDef;

// 定义 GPIO 电平类型
typedef enum {
    GPIO_LEVEL_LOW,
    GPIO_LEVEL_HIGH
} GPIO_LevelTypeDef;

// GPIO 初始化函数
void HAL_GPIO_Init(unsigned char pin, GPIO_ModeTypeDef mode);

// 设置 GPIO 输出电平
void HAL_GPIO_WritePin(unsigned char pin, GPIO_LevelTypeDef level);

// 读取 GPIO 输入电平
GPIO_LevelTypeDef HAL_GPIO_ReadPin(unsigned char pin);

#endif // __HAL_GPIO_H__

HAL/Src/hal_gpio.c:

#include "hal_gpio.h"

void HAL_GPIO_Init(unsigned char pin, GPIO_ModeTypeDef mode) {
    // 根据引脚所在端口和位进行配置 (简化实现，假设所有引脚都在 P0-P3 端口)
    if (pin >= P0 && pin <= P37) { // 假设 P0-P37 代表 P0.0 - P3.7
        unsigned char port = (pin & 0xF0) >> 4; // 获取端口号 (0-3)
        unsigned char bit = pin & 0x0F;          // 获取位号 (0-7)

        if (mode == GPIO_MODE_OUTPUT) {
            // 输出模式，配置为推挽输出 (默认)
            switch (port) {
                case 0: P0 &= ~(1 << bit); break; // 清零位，设置为输出
                case 1: P1 &= ~(1 << bit); break;
                case 2: P2 &= ~(1 << bit); break;
                case 3: P3 &= ~(1 << bit); break;
                default: break; // 错误端口
            }
        } else if (mode == GPIO_MODE_INPUT) {
            // 输入模式，配置为浮空输入 (默认)
            switch (port) {
                case 0: P0 |= (1 << bit); break; // 置位位，设置为输入 (实际上51单片机输入不需要特别配置，默认就是输入)
                case 1: P1 |= (1 << bit); break;
                case 2: P2 |= (1 << bit); break;
                case 3: P3 |= (1 << bit); break;
                default: break; // 错误端口
            }
        }
    }
}

void HAL_GPIO_WritePin(unsigned char pin, GPIO_LevelTypeDef level) {
    if (pin >= P0 && pin <= P37) {
        unsigned char port = (pin & 0xF0) >> 4;
        unsigned char bit = pin & 0x0F;

        if (level == GPIO_LEVEL_HIGH) {
            switch (port) {
                case 0: P0 |= (1 << bit); break;
                case 1: P1 |= (1 << bit); break;
                case 2: P2 |= (1 << bit); break;
                case 3: P3 |= (1 << bit); break;
                default: break;
            }
        } else if (level == GPIO_LEVEL_LOW) {
            switch (port) {
                case 0: P0 &= ~(1 << bit); break;
                case 1: P1 &= ~(1 << bit); break;
                case 2: P2 &= ~(1 << bit); break;
                case 3: P3 &= ~(1 << bit); break;
                default: break;
            }
        }
    }
}

GPIO_LevelTypeDef HAL_GPIO_ReadPin(unsigned char pin) {
    if (pin >= P0 && pin <= P37) {
        unsigned char port = (pin & 0xF0) >> 4;
        unsigned char bit = pin & 0x0F;

        switch (port) {
            case 0: return (P0 & (1 << bit)) ? GPIO_LEVEL_HIGH : GPIO_LEVEL_LOW;
            case 1: return (P1 & (1 << bit)) ? GPIO_LEVEL_HIGH : GPIO_LEVEL_LOW;
            case 2: return (P2 & (1 << bit)) ? GPIO_LEVEL_HIGH : GPIO_LEVEL_LOW;
            case 3: return (P3 & (1 << bit)) ? GPIO_LEVEL_HIGH : GPIO_LEVEL_LOW;
            default: return GPIO_LEVEL_LOW; // 错误端口，默认返回低电平
        }
    }
    return GPIO_LEVEL_LOW;
}

HAL/Inc/hal_timer.h (如果需要定时器，例如系统节拍):

#ifndef __HAL_TIMER_H__
#define __HAL_TIMER_H__

// 定时器初始化
void HAL_TIMER_Init(unsigned int timer_ms);

// 启动定时器
void HAL_TIMER_Start(void);

// 停止定时器
void HAL_TIMER_Stop(void);

// 获取定时器计数
unsigned int HAL_TIMER_GetCounter(void);

// 清零定时器计数
void HAL_TIMER_ClearCounter(void);

// 定时器中断处理函数注册 (如果使用中断)
typedef void (*TIMER_IRQHandler)(void);
void HAL_TIMER_RegisterIRQHandler(TIMER_IRQHandler handler);

#endif // __HAL_TIMER_H__

HAL/Src/hal_timer.c (如果需要定时器):

#include "hal_timer.h"
#include <reg52.h>

static TIMER_IRQHandler timer_irq_handler = NULL;

void HAL_TIMER_Init(unsigned int timer_ms) {
    // 配置定时器0 工作模式 1 (16位定时器)
    TMOD &= 0xF0;  // 清零 T0 的模式位
    TMOD |= 0x01;  // 设置 T0 为模式 1

    // 计算定时器初值 (假设 12MHz 晶振，12T 模式，定时器每计数 1us)
    // 定时器计数频率 = 12MHz / 12 = 1MHz (1us 计数)
    // 需要定时 timer_ms 毫秒，即 timer_ms * 1000 微秒
    unsigned int timer_counts = timer_ms * 1000;
    unsigned int reload_value = 65536 - timer_counts; // 16位定时器最大值 65536

    TH0 = (unsigned char)(reload_value >> 8);   // 设置定时器高 8 位初值
    TL0 = (unsigned char)(reload_value & 0xFF);  // 设置定时器低 8 位初值

    // 使能定时器中断 (如果需要中断)
    // ET0 = 1;      // 使能定时器 0 中断
    // EA = 1;       // 使能总中断
}

void HAL_TIMER_Start(void) {
    TR0 = 1; // 启动定时器 0
}

void HAL_TIMER_Stop(void) {
    TR0 = 0; // 停止定时器 0
}

unsigned int HAL_TIMER_GetCounter(void) {
    unsigned int counter = 0;
    unsigned char tl0_low, th0_high;

    do { // 读取 TL0 和 TH0，防止读取过程中计数器溢出
        th0_high = TH0;
        tl0_low = TL0;
    } while (th0_high != TH0); // 再次读取 TH0 确认是否溢出

    counter = (th0_high << 8) | tl0_low;
    return counter;
}

void HAL_TIMER_ClearCounter(void) {
    TH0 = 0;
    TL0 = 0;
}

void HAL_TIMER_RegisterIRQHandler(TIMER_IRQHandler handler) {
    timer_irq_handler = handler;
}

// 定时器 0 中断服务函数 (如果使用中断)
// void timer0_isr() interrupt 1 {
//     if (timer_irq_handler != NULL) {
//         timer_irq_handler(); // 调用注册的中断处理函数
//     }
//     // 重新加载定时器初值，以便下次定时
//     // ... (需要重新计算并加载初值，这里省略，在 HAL_TIMER_Init 中已经配置好)
//     TH0 = (unsigned char)( (65536 - (SYSTEM_TICK_MS * 1000)) >> 8);
//     TL0 = (unsigned char)( (65536 - (SYSTEM_TICK_MS * 1000)) & 0xFF);
// }

HAL/Inc/hal_spi.h (如果 DS1302 使用 SPI):

#ifndef __HAL_SPI_H__
#define __HAL_SPI_H__

// SPI 初始化
void HAL_SPI_Init(void);

// SPI 发送一个字节
void HAL_SPI_SendByte(unsigned char data);

// SPI 接收一个字节
unsigned char HAL_SPI_ReceiveByte(void);

// SPI 发送多个字节
void HAL_SPI_SendMultiByte(unsigned char *data, unsigned int length);

// SPI 接收多个字节
void HAL_SPI_ReceiveMultiByte(unsigned char *data, unsigned int length);

#endif // __HAL_SPI_H__

HAL/Src/hal_spi.c (如果 DS1302 使用 SPI):

#include "hal_spi.h"
#include "config.h"
#include "hal_gpio.h"
#include <intrins.h> // 包含 _nop_() 函数

void HAL_SPI_Init(void) {
    // 初始化 SPI 相关引脚为输出
    HAL_GPIO_Init(DS1302_RST_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT);
    HAL_GPIO_Init(DS1302_CLK_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT);
    HAL_GPIO_Init(DS1302_DATA_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT);

    // 初始状态，CLK 和 DATA 拉低，RST 拉低
    HAL_GPIO_WritePin(DS1302_RST_PIN, GPIO_LEVEL_LOW);
    HAL_GPIO_WritePin(DS1302_CLK_PIN, GPIO_LEVEL_LOW);
    HAL_GPIO_WritePin(DS1302_DATA_PIN, GPIO_LEVEL_LOW);
}

void HAL_SPI_SendByte(unsigned char data) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        HAL_GPIO_WritePin(DS1302_CLK_PIN, GPIO_LEVEL_LOW); // CLK 拉低
        _nop_(); // 延时，保证时序
        if (data & 0x01) {
            HAL_GPIO_WritePin(DS1302_DATA_PIN, GPIO_LEVEL_HIGH); // DATA 输出数据位
        } else {
            HAL_GPIO_WritePin(DS1302_DATA_PIN, GPIO_LEVEL_LOW);
        }
        data >>= 1; // 数据右移一位
        _nop_();
        HAL_GPIO_WritePin(DS1302_CLK_PIN, GPIO_LEVEL_HIGH); // CLK 拉高，上升沿采样
        _nop_();
    }
}

unsigned char HAL_SPI_ReceiveByte(void) {
    unsigned char i;
    unsigned char received_data = 0;
    // 将 DATA 引脚设置为输入模式，准备接收数据
    HAL_GPIO_Init(DS1302_DATA_PIN, GPIO_MODE_INPUT);

    for (i = 0; i < 8; i++) {
        HAL_GPIO_WritePin(DS1302_CLK_PIN, GPIO_LEVEL_LOW); // CLK 拉低
        _nop_();
        HAL_GPIO_WritePin(DS1302_CLK_PIN, GPIO_LEVEL_HIGH); // CLK 拉高，上升沿采样
        _nop_();
        if (HAL_GPIO_ReadPin(DS1302_DATA_PIN) == GPIO_LEVEL_HIGH) {
            received_data |= (0x01 << i); // 接收数据位
        }
    }
    // 接收完成，将 DATA 引脚恢复为输出模式 (如果需要后续发送数据)
    HAL_GPIO_Init(DS1302_DATA_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT);
    return received_data;
}

void HAL_SPI_SendMultiByte(unsigned char *data, unsigned int length) {
    for (unsigned int i = 0; i < length; i++) {
        HAL_SPI_SendByte(data[i]);
    }
}

void HAL_SPI_ReceiveMultiByte(unsigned char *data, unsigned int length) {
    for (unsigned int i = 0; i < length; i++) {
        data[i] = HAL_SPI_ReceiveByte();
    }
}

4. 驱动层代码:

Drivers/Inc/drv_ds1302.h:

#ifndef __DRV_DS1302_H__
#define __DRV_DS1302_H__

#include "hal_gpio.h"
#include "hal_spi.h" // 如果DS1302使用SPI

// DS1302 地址定义
#define DS1302_CONTROL_REG_ADDR  0x80 // 控制寄存器地址
#define DS1302_SECONDS_REG_ADDR    0x80 // 秒寄存器地址
#define DS1302_MINUTES_REG_ADDR    0x82 // 分钟寄存器地址
#define DS1302_HOURS_REG_ADDR      0x84 // 小时寄存器地址
#define DS1302_DATE_REG_ADDR       0x86 // 日期寄存器地址
#define DS1302_MONTH_REG_ADDR      0x88 // 月份寄存器地址
#define DS1302_DAY_REG_ADDR        0x8A // 星期寄存器地址
#define DS1302_YEAR_REG_ADDR       0x8C // 年份寄存器地址
#define DS1302_WP_REG_ADDR         0x8E // 写保护寄存器地址
#define DS1302_CHARGE_REG_ADDR     0x90 // 充电寄存器地址

// DS1302 初始化
void DS1302_Init(void);

// 设置 DS1302 时间
void DS1302_SetTime(unsigned char hour, unsigned char minute, unsigned char second);

// 获取 DS1302 时间
void DS1302_GetTime(unsigned char *hour, unsigned char *minute, unsigned char *second);

// 设置 DS1302 日期 (可选)
void DS1302_SetDate(unsigned char year, unsigned char month, unsigned char date, unsigned char day);

// 获取 DS1302 日期 (可选)
void DS1302_GetDate(unsigned char *year, unsigned char *month, unsigned char *date, unsigned char *day);

#endif // __DRV_DS1302_H__

Drivers/Src/drv_ds1302.c:

#include "drv_ds1302.h"
#include "config.h"
#include "hal_gpio.h"
#include "hal_spi.h" // 如果DS1302使用SPI
#include <intrins.h>

// DS1302 命令发送函数 (SPI 通信)
static void DS1302_WriteCommand(unsigned char cmd) {
    HAL_GPIO_WritePin(DS1302_RST_PIN, GPIO_LEVEL_HIGH); // 使能 DS1302
    HAL_SPI_SendByte(cmd);
    HAL_GPIO_WritePin(DS1302_RST_PIN, GPIO_LEVEL_LOW);  // 禁用 DS1302
}

// DS1302 数据写入函数 (SPI 通信)
static void DS1302_WriteData(unsigned char data) {
    HAL_GPIO_WritePin(DS1302_RST_PIN, GPIO_LEVEL_HIGH); // 使能 DS1302
    HAL_SPI_SendByte(data);
    HAL_GPIO_WritePin(DS1302_RST_PIN, GPIO_LEVEL_LOW);  // 禁用 DS1302
}

// DS1302 数据读取函数 (SPI 通信)
static unsigned char DS1302_ReadData(void) {
    unsigned char data;
    HAL_GPIO_WritePin(DS1302_RST_PIN, GPIO_LEVEL_HIGH); // 使能 DS1302
    data = HAL_SPI_ReceiveByte();
    HAL_GPIO_WritePin(DS1302_RST_PIN, GPIO_LEVEL_LOW);  // 禁用 DS1302
    return data;
}

// BCD 码转十进制
static unsigned char bcdToDec(unsigned char bcd) {
    return ((bcd >> 4) * 10 + (bcd & 0x0F));
}

// 十进制转 BCD 码
static unsigned char decToBcd(unsigned char dec) {
    return (((dec / 10) << 4) | (dec % 10));
}

void DS1302_Init(void) {
    HAL_SPI_Init(); // 初始化 SPI

    // 取消写保护
    DS1302_WriteCommand(DS1302_WP_REG_ADDR);
    DS1302_WriteData(0x00);

    // 停止时钟 (可选，如果需要手动启动时钟)
    // unsigned char control_reg = DS1302_ReadData(DS1302_CONTROL_REG_ADDR | 0x01); // 读控制寄存器
    // control_reg |= 0x80; // 设置 CH 位为 1，停止时钟
    // DS1302_WriteCommand(DS1302_CONTROL_REG_ADDR);
    // DS1302_WriteData(control_reg);

    // 启动时钟 (默认启动)
    DS1302_WriteCommand(DS1302_CONTROL_REG_ADDR);
    DS1302_WriteData(0x00); // CH 位为 0，启动时钟
}

void DS1302_SetTime(unsigned char hour, unsigned char minute, unsigned char second) {
    DS1302_WriteCommand(DS1302_SECONDS_REG_ADDR);
    DS1302_WriteData(decToBcd(second));

    DS1302_WriteCommand(DS1302_MINUTES_REG_ADDR);
    DS1302_WriteData(decToBcd(minute));

    DS1302_WriteCommand(DS1302_HOURS_REG_ADDR);
    DS1302_WriteData(decToBcd(hour));
}

void DS1302_GetTime(unsigned char *hour, unsigned char *minute, unsigned char *second) {
    DS1302_WriteCommand(DS1302_SECONDS_REG_ADDR | 0x01); // 读秒寄存器
    *second = bcdToDec(DS1302_ReadData());

    DS1302_WriteCommand(DS1302_MINUTES_REG_ADDR | 0x01); // 读分钟寄存器
    *minute = bcdToDec(DS1302_ReadData());

    DS1302_WriteCommand(DS1302_HOURS_REG_ADDR | 0x01);   // 读小时寄存器
    *hour = bcdToDec(DS1302_ReadData());
}

void DS1302_SetDate(unsigned char year, unsigned char month, unsigned char date, unsigned char day) {
    DS1302_WriteCommand(DS1302_YEAR_REG_ADDR);
    DS1302_WriteData(decToBcd(year));

    DS1302_WriteCommand(DS1302_MONTH_REG_ADDR);
    DS1302_WriteData(decToBcd(month));

    DS1302_WriteCommand(DS1302_DATE_REG_ADDR);
    DS1302_WriteData(decToBcd(date));

    DS1302_WriteCommand(DS1302_DAY_REG_ADDR);
    DS1302_WriteData(decToBcd(day));
}

void DS1302_GetDate(unsigned char *year, unsigned char *month, unsigned char *date, unsigned char *day) {
    DS1302_WriteCommand(DS1302_YEAR_REG_ADDR | 0x01); // 读年寄存器
    *year = bcdToDec(DS1302_ReadData());

    DS1302_WriteCommand(DS1302_MONTH_REG_ADDR | 0x01); // 读月寄存器
    *month = bcdToDec(DS1302_ReadData());

    DS1302_WriteCommand(DS1302_DATE_REG_ADDR | 0x01);  // 读日寄存器
    *date = bcdToDec(DS1302_ReadData());

    DS1302_WriteCommand(DS1302_DAY_REG_ADDR | 0x01);   // 读星期寄存器
    *day = bcdToDec(DS1302_ReadData());
}

Drivers/Inc/drv_display.h:

#ifndef __DRV_DISPLAY_H__
#define __DRV_DISPLAY_H__

#include "hal_gpio.h"

// 定义数码管段码 (共阳极)
extern const unsigned char segment_codes[];

// 显示初始化
void Display_Init(void);

// 显示数字 (0-9) 在指定位
void Display_ShowDigit(unsigned char digit, unsigned char position);

// 显示两位数字 (0-99) 在指定位 (position 表示高位)
void Display_ShowNumber(unsigned char number, unsigned char position);

// 显示时间 (HH:MM:SS)
void Display_ShowTime(unsigned char hour, unsigned char minute, unsigned char second);

// 清空显示
void Display_Clear(void);

#endif // __DRV_DISPLAY_H__

Drivers/Src/drv_display.c:

#include "drv_display.h"
#include "config.h"
#include <stdio.h> // 用于 sprintf (可选，如果需要格式化字符串)
#include <string.h> // 用于 memset (可选，如果需要清空数组)

// 共阳极数码管段码表 (0-9, -, blank)
const unsigned char segment_codes[] = {
    0xC0, // 0
    0xF9, // 1
    0xA4, // 2
    0xB0, // 3
    0x99, // 4
    0x92, // 5
    0x82, // 6
    0xF8, // 7
    0x80, // 8
    0x90, // 9
    0xBF, // - (负号)
    0xFF  // blank (熄灭)
};

// 数码管位选引脚
unsigned char digit_pins[] = {
    DISP_DIGIT1_PIN, DISP_DIGIT2_PIN, DISP_DIGIT3_PIN, DISP_DIGIT4_PIN
};

// 数码管段选引脚
unsigned char segment_pins[] = {
    DISP_SEG_A_PIN, DISP_SEG_B_PIN, DISP_SEG_C_PIN, DISP_SEG_D_PIN,
    DISP_SEG_E_PIN, DISP_SEG_F_PIN, DISP_SEG_G_PIN, DISP_SEG_DP_PIN
};

void Display_Init(void) {
    unsigned char i;
    // 初始化段选引脚为输出
    for (i = 0; i < sizeof(segment_pins); i++) {
        HAL_GPIO_Init(segment_pins[i], GPIO_MODE_OUTPUT);
        HAL_GPIO_WritePin(segment_pins[i], GPIO_LEVEL_HIGH); // 共阳极，初始状态熄灭
    }
    // 初始化位选引脚为输出
    for (i = 0; i < sizeof(digit_pins); i++) {
        HAL_GPIO_Init(digit_pins[i], GPIO_MODE_OUTPUT);
        HAL_GPIO_WritePin(digit_pins[i], GPIO_LEVEL_HIGH); // 位选初始状态不选中
    }
}

// 设置段码
static void Display_SetSegments(unsigned char segment_code) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        if ((segment_code << i) & 0x80) { // 检查每一位
            HAL_GPIO_WritePin(segment_pins[i], GPIO_LEVEL_HIGH); // 共阳极，段码为 1 时熄灭
        } else {
            HAL_GPIO_WritePin(segment_pins[i], GPIO_LEVEL_LOW);  // 段码为 0 时点亮
        }
    }
}

// 关闭所有段码
static void Display_ClearSegments(void) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < sizeof(segment_pins); i++) {
        HAL_GPIO_WritePin(segment_pins[i], GPIO_LEVEL_HIGH); // 共阳极，全部熄灭
    }
}


void Display_ShowDigit(unsigned char digit, unsigned char position) {
    if (digit > 9) digit = 10; // 处理超出 0-9 的情况，显示空白或错误码

    // 位选
    for (unsigned char i = 0; i < sizeof(digit_pins); i++) {
        HAL_GPIO_WritePin(digit_pins[i], GPIO_LEVEL_HIGH); // 先全部关闭位选
    }
    HAL_GPIO_WritePin(digit_pins[position], GPIO_LEVEL_LOW); // 选中指定位

    // 段选
    Display_SetSegments(segment_codes[digit]);
}

void Display_ShowNumber(unsigned char number, unsigned char position) {
    if (number > 99) number = 99; // 限制显示范围

    unsigned char digit1 = number / 10;
    unsigned char digit2 = number % 10;

    Display_ShowDigit(digit1, position);          // 显示十位
    Display_ShowDigit(digit2, position + 1);      // 显示个位
}

void Display_ShowTime(unsigned char hour, unsigned char minute, unsigned char second) {
    Display_ShowNumber(hour, 0);      // 显示小时 (两位)
    Display_ShowNumber(minute, 2);    // 显示分钟 (两位)
    // 秒的显示可以根据需要添加，例如在小时和分钟之间显示冒号闪烁，或者在下方显示秒
}


void Display_Clear(void) {
    Display_ClearSegments();
    for (unsigned char i = 0; i < sizeof(digit_pins); i++) {
        HAL_GPIO_WritePin(digit_pins[i], GPIO_LEVEL_HIGH); // 全部位选关闭
    }
}

Drivers/Inc/drv_key.h:

#ifndef __DRV_KEY_H__
#define __DRV_KEY_H__

#include "hal_gpio.h"

// 定义按键事件类型
typedef enum {
    KEY_EVENT_NONE,
    KEY_EVENT_SET_SHORT,
    KEY_EVENT_SET_LONG,
    KEY_EVENT_UP_SHORT,
    KEY_EVENT_UP_LONG,
    KEY_EVENT_DOWN_SHORT,
    KEY_EVENT_DOWN_LONG
} KeyEventTypeDef;

// 按键初始化
void Key_Init(void);

// 获取按键事件
KeyEventTypeDef Key_GetEvent(void);

#endif // __DRV_KEY_H__

Drivers/Src/drv_key.c:

#include "drv_key.h"
#include "config.h"
#include "hal_timer.h" // 如果使用定时器进行按键扫描和长按检测

#define KEY_DEBOUNCE_TIME_MS  20  // 按键消抖时间 (毫秒)
#define KEY_LONG_PRESS_TIME_MS 1000 // 长按时间 (毫秒)

// 按键状态
typedef enum {
    KEY_STATE_IDLE,
    KEY_STATE_PRESSED,
    KEY_STATE_LONG_PRESSED
} KeyStateTypeDef;

static KeyStateTypeDef key_set_state = KEY_STATE_IDLE;
static KeyStateTypeDef key_up_state = KEY_STATE_IDLE;
static KeyStateTypeDef key_down_state = KEY_STATE_IDLE;

static unsigned long key_set_press_time = 0;
static unsigned long key_up_press_time = 0;
static unsigned long key_down_press_time = 0;

void Key_Init(void) {
    // 初始化按键引脚为输入，并启用上拉电阻 (如果需要)
    HAL_GPIO_Init(KEY_SET_PIN, GPIO_MODE_INPUT);
    HAL_GPIO_Init(KEY_UP_PIN, GPIO_MODE_INPUT);
    HAL_GPIO_Init(KEY_DOWN_PIN, GPIO_MODE_INPUT);
}

KeyEventTypeDef Key_GetEvent(void) {
    KeyEventTypeDef event = KEY_EVENT_NONE;
    unsigned long current_time = HAL_TIMER_GetCounter(); // 获取当前系统时间 (需要 HAL_TIMER 支持)

    // --- SET 按键处理 ---
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_SET_PIN) == GPIO_LEVEL_LOW) { // 按键按下 (假设低电平有效)
        if (key_set_state == KEY_STATE_IDLE) {
            key_set_state = KEY_STATE_PRESSED;
            key_set_press_time = current_time; // 记录按下时间
        } else if (key_set_state == KEY_STATE_PRESSED) {
            if ((current_time - key_set_press_time) >= KEY_LONG_PRESS_TIME_MS) {
                key_set_state = KEY_STATE_LONG_PRESSED;
                event = KEY_EVENT_SET_LONG;
            }
        }
    } else { // 按键释放
        if (key_set_state == KEY_STATE_PRESSED) {
            if ((current_time - key_set_press_time) < KEY_LONG_PRESS_TIME_MS && (current_time - key_set_press_time) > KEY_DEBOUNCE_TIME_MS) {
                event = KEY_EVENT_SET_SHORT;
            }
        }
        key_set_state = KEY_STATE_IDLE;
    }

    // --- UP 按键处理 (类似 SET 按键) ---
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_UP_PIN) == GPIO_LEVEL_LOW) {
        if (key_up_state == KEY_STATE_IDLE) {
            key_up_state = KEY_STATE_PRESSED;
            key_up_press_time = current_time;
        } else if (key_up_state == KEY_STATE_PRESSED) {
            if ((current_time - key_up_press_time) >= KEY_LONG_PRESS_TIME_MS) {
                key_up_state = KEY_STATE_LONG_PRESSED;
                event = KEY_EVENT_UP_LONG;
            }
        }
    } else {
        if (key_up_state == KEY_STATE_PRESSED) {
            if ((current_time - key_up_press_time) < KEY_LONG_PRESS_TIME_MS && (current_time - key_up_press_time) > KEY_DEBOUNCE_TIME_MS) {
                event = KEY_EVENT_UP_SHORT;
            }
        }
        key_up_state = KEY_STATE_IDLE;
    }

    // --- DOWN 按键处理 (类似 SET 按键) ---
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_DOWN_PIN) == GPIO_LEVEL_LOW) {
        if (key_down_state == KEY_STATE_IDLE) {
            key_down_state = KEY_STATE_PRESSED;
            key_down_press_time = current_time;
        } else if (key_down_state == KEY_STATE_PRESSED) {
            if ((current_time - key_down_press_time) >= KEY_LONG_PRESS_TIME_MS) {
                key_down_state = KEY_STATE_LONG_PRESSED;
                event = KEY_EVENT_DOWN_LONG;
            }
        }
    } else {
        if (key_down_state == KEY_STATE_PRESSED) {
            if ((current_time - key_down_press_time) < KEY_LONG_PRESS_TIME_MS && (current_time - key_down_press_time) > KEY_DEBOUNCE_TIME_MS) {
                event = KEY_EVENT_DOWN_SHORT;
            }
        }
        key_down_state = KEY_STATE_IDLE;
    }

    return event;
}

5. 服务层代码:

Services/Inc/svc_time.h:

#ifndef __SVC_TIME_H__
#define __SVC_TIME_H__

// 时间结构体
typedef struct {
    unsigned char hour;
    unsigned char minute;
    unsigned char second;
} TimeTypeDef;

// 时间服务初始化
void TimeSvc_Init(void);

// 获取当前时间
void TimeSvc_GetTime(TimeTypeDef *time);

// 设置当前时间
void TimeSvc_SetTime(const TimeTypeDef *time);

// 时间格式化为字符串 (可选)
char* TimeSvc_FormatTime(const TimeTypeDef *time, char *buffer, unsigned int buffer_size);

#endif // __SVC_TIME_H__

Services/Src/svc_time.c:

#include "svc_time.h"
#include "drv_ds1302.h"
#include <stdio.h> // 用于 sprintf (可选)

void TimeSvc_Init(void) {
    DS1302_Init(); // 初始化 DS1302 驱动
}

void TimeSvc_GetTime(TimeTypeDef *time) {
    DS1302_GetTime(&time->hour, &time->minute, &time->second);
}

void TimeSvc_SetTime(const TimeTypeDef *time) {
    DS1302_SetTime(time->hour, time->minute, time->second);
}

char* TimeSvc_FormatTime(const TimeTypeDef *time, char *buffer, unsigned int buffer_size) {
    if (buffer == NULL || buffer_size == 0) return NULL;
    sprintf(buffer, "%02d:%02d:%02d", time->hour, time->minute, time->second);
    return buffer;
}

Services/Inc/svc_display.h:

#ifndef __SVC_DISPLAY_H__
#define __SVC_DISPLAY_H__

// 显示服务初始化
void DisplaySvc_Init(void);

// 显示时间 (HH:MM:SS)
void DisplaySvc_ShowTime(unsigned char hour, unsigned char minute, unsigned char second);

// 显示数字 (0-9) 在指定位
void DisplaySvc_ShowDigit(unsigned char digit, unsigned char position);

// 显示两位数字 (0-99) 在指定位 (position 表示高位)
void DisplaySvc_ShowNumber(unsigned char number, unsigned char position);

// 清空显示
void DisplaySvc_Clear(void);

#endif // __SVC_DISPLAY_H__

Services/Src/svc_display.c:

#include "svc_display.h"
#include "drv_display.h"

void DisplaySvc_Init(void) {
    Display_Init(); // 初始化显示驱动
}

void DisplaySvc_ShowTime(unsigned char hour, unsigned char minute, unsigned char second) {
    Display_ShowTime(hour, minute, second);
}

void DisplaySvc_ShowDigit(unsigned char digit, unsigned char position) {
    Display_ShowDigit(digit, position);
}

void DisplaySvc_ShowNumber(unsigned char number, unsigned char position) {
    Display_ShowNumber(number, position);
}

void DisplaySvc_Clear(void) {
    Display_Clear();
}

Services/Inc/svc_key.h:

#ifndef __SVC_KEY_H__
#define __SVC_KEY_H__

#include "drv_key.h"

// 按键服务初始化
void KeySvc_Init(void);

// 获取按键事件
KeyEventTypeDef KeySvc_GetEvent(void);

#endif // __SVC_KEY_H__

Services/Src/svc_key.c:

#include "svc_key.h"
#include "drv_key.h"

void KeySvc_Init(void) {
    Key_Init(); // 初始化按键驱动
}

KeyEventTypeDef KeySvc_GetEvent(void) {
    return Key_GetEvent(); // 直接调用按键驱动的获取事件函数
}

6. Core/Inc/main.h:

#ifndef __MAIN_H__
#define __MAIN_H__

#include "config.h"
#include "svc_time.h"
#include "svc_display.h"
#include "svc_key.h"
#include "hal_timer.h" // 如果使用定时器

// 系统初始化
void System_Init(void);

// 主循环
void Main_Loop(void);

#endif // __MAIN_H__

7. Core/Src/main.c:

#include "main.h"
#include "hal_timer.h" // 需要使用 HAL_TIMER_Init 和 HAL_TIMER_Start
#include <stdio.h> // 用于 printf 调试 (可选)

// 全局时间变量
TimeTypeDef current_time;

// 系统初始化函数
void System_Init(void) {
    // 初始化 HAL 层 (如果需要)
    // HAL_TIMER_Init(SYSTEM_TICK_MS); // 初始化系统定时器，例如 10ms 节拍

    // 初始化驱动层
    TimeSvc_Init();    // 初始化时间服务 (DS1302)
    DisplaySvc_Init(); // 初始化显示服务 (陶瓷灯丝)
    KeySvc_Init();     // 初始化按键服务

    // 启动定时器 (如果使用定时器进行系统节拍)
    // HAL_TIMER_Start();
}

// 主循环函数
void Main_Loop(void) {
    static unsigned long last_display_time = 0;
    static unsigned long last_key_check_time = 0;

    while (1) {
        unsigned long current_ms = 0; //HAL_TIMER_GetCounter(); // 获取当前系统时间 (如果使用定时器)
        //  为了简化，假设一个简单的延时循环来模拟时间流逝，实际应用中应该使用定时器

        // 模拟时间流逝，每秒更新时间
        if (current_ms - last_display_time >= 1000) { // 每 1 秒更新显示
            last_display_time = current_ms;

            TimeSvc_GetTime(&current_time); // 获取当前时间

            DisplaySvc_ShowTime(current_time.hour, current_time.minute, current_time.second); // 显示时间

            // 可选：通过串口打印时间进行调试
            // char time_str[9];
            // TimeSvc_FormatTime(&current_time, time_str, sizeof(time_str));
            // printf("Current Time: %s\n", time_str);
        }

        // 按键扫描，例如每 50ms 扫描一次
        if (current_ms - last_key_check_time >= 50) {
            last_key_check_time = current_ms;
            KeyEventTypeDef key_event = KeySvc_GetEvent();

            switch (key_event) {
                case KEY_EVENT_SET_SHORT:
                    // 短按 SET 键事件处理 (例如进入时间设置模式)
                    printf("SET Short Press\n"); // 调试信息
                    // ... 添加时间设置模式逻辑 ...
                    break;
                case KEY_EVENT_UP_SHORT:
                    // 短按 UP 键事件处理 (例如时间设置模式下增加时间)
                    printf("UP Short Press\n");
                    // ... 添加时间增加逻辑 ...
                    break;
                case KEY_EVENT_DOWN_SHORT:
                    // 短按 DOWN 键事件处理 (例如时间设置模式下减少时间)
                    printf("DOWN Short Press\n");
                    // ... 添加时间减少逻辑 ...
                    break;
                case KEY_EVENT_SET_LONG:
                    // 长按 SET 键事件处理 (例如退出时间设置模式)
                    printf("SET Long Press\n");
                    // ... 添加退出设置模式逻辑 ...
                    break;
                default:
                    break; // 无按键事件
            }
        }

        // 简单延时模拟系统节拍 (实际应用中应该使用定时器中断)
        for(volatile int i=0; i< 10000; i++); // 粗略延时，实际应用中需要更精确的延时
    }
}

// 主函数
void main(void) {
    System_Init(); // 系统初始化
    Main_Loop();   // 进入主循环
}

8. Makefile (示例 Makefile，如果使用 Makefile 编译):

# Makefile for 51 single chip project

# Compiler and assembler
CC = sdcc
AS = sdcc

# Project name
PROJECT_NAME = ceramic_filament_clock

# Source files
SRCS = \
    Core/Src/main.c \
    HAL/Src/hal_gpio.c \
    HAL/Src/hal_spi.c \
    Drivers/Src/drv_ds1302.c \
    Drivers/Src/drv_display.c \
    Drivers/Src/drv_key.c \
    Services/Src/svc_time.c \
    Services/Src/svc_display.c \
    Services/Src/svc_key.c

# Include directories
INCS = \
    -I./Core/Inc \
    -I./HAL/Inc \
    -I./Drivers/Inc \
    -I./Services/Inc \
    -I./Config

# Compiler flags
CFLAGS = $(INCS) -mmcs51 --std-c99 -Wall -Wextra

# Assembler flags
ASFLAGS = -mmcs51

# Object files
OBJS = $(SRCS:.c=.rel)

# Output hex file
HEX = $(PROJECT_NAME).hex

# Target
all: $(HEX)

$(HEX): $(OBJS)
	$(CC) $(CFLAGS) $(OBJS) -o $(PROJECT_NAME).ihx
	packihx $(PROJECT_NAME).ihx > $(HEX)
	rm $(PROJECT_NAME).ihx $(PROJECT_NAME).lk $(PROJECT_NAME).mem $(PROJECT_NAME).rel

%.rel: %.c
	$(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

clean:
	rm -f $(OBJS) $(HEX)

flash: $(HEX)
	# 使用烧录器命令烧录 HEX 文件，例如 stcgal 或其他烧录工具
	# 例如: stcgal -Pstc89 -t -o $(HEX)
	@echo "Flash $(HEX) to MCU..."
	# ... 添加烧录命令 ...
	@echo "Flash Done."

.PHONY: all clean flash

测试验证

完成代码编写后，需要进行充分的测试验证，确保系统的可靠性和功能的正确性。

1. 单元测试: 针对每个模块 (例如 DS1302 驱动、显示驱动、按键驱动、时间服务等) 编写单元测试用例，验证模块的功能是否符合设计要求。可以使用模拟环境或硬件在环的方式进行单元测试。

2. 集成测试: 将各个模块组合起来进行集成测试，验证模块之间的接口和协作是否正常。例如，测试时间服务和显示服务的集成，确保时间能够正确地显示在陶瓷灯丝上。

3. 系统测试: 对整个系统进行全面的功能测试、性能测试、稳定性测试和可靠性测试。

   • 功能测试: 验证所有功能是否正常工作，例如时间显示是否准确、时间校准是否有效、扩展功能 (如果有) 是否正常。
   • 性能测试: 评估系统的实时性、响应速度、功耗等性能指标是否满足要求。
   • 稳定性测试: 长时间运行系统，观察系统是否能够稳定运行，是否会出现死机、错误等异常情况。
   • 可靠性测试: 模拟各种异常情况 (例如掉电、干扰等)，测试系统的容错能力和恢复能力。

4. 硬件调试: 使用示波器、逻辑分析仪等工具，对硬件电路进行调试和验证，确保硬件电路的正确性和可靠性。

维护升级

一个好的嵌入式系统平台应该具有良好的可维护性和可升级性。

1. 代码规范和注释: 编写清晰、规范的代码，并添加详细的注释，方便后续维护人员理解和修改代码。

2. 模块化设计: 采用模块化设计，将系统分解成独立的模块，方便单独修改和升级某个模块，而不会影响其他模块。

3. 预留扩展接口: 在系统设计时，预留一些扩展接口，方便后续增加新的功能或硬件。

4. 版本控制: 使用版本控制工具 (例如 Git) 管理代码，方便代码的版本管理和回溯。

5. 文档编写: 编写详细的系统设计文档、代码注释文档、用户手册等文档，方便用户使用和维护系统。

总结

这个陶瓷灯丝时钟项目虽然看似简单，但它涵盖了嵌入式系统开发的完整流程。通过采用分层架构的代码设计，并进行详细的模块划分和代码实现，我们构建了一个可靠、高效、可扩展的系统平台。在实际开发过程中，还需要根据具体的硬件和需求进行调整和优化。希望这份详细的代码和架构说明能为您提供有益的参考。