课程设计（论文）-基于单片机的电子闹钟的设计.doc

基于单片机的电子闹钟的设计第1页共24页基于单片机的电子闹钟的设计作者：指导老师：(安徽农业大学工学院07级农业机械化及其自动化专业合肥230036)摘要：本设计主要为实现一款可正常显示时钟/日历、带有定时闹铃功能的电子闹钟。当前电子钟开发手段采用了较多的分立元器件，不仅占用很大空间而且利用率比较低。单片机是集CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种接口于一体的微控制器。它体积小、成本低、功能强，广泛应用于智能产品和工业自动化上。本设计应用单片机STC12C5A16AD芯片作为核心，由LCD1602液晶屏显示，使用DS1302实时时钟日历芯片完成时钟/日历的基本功能。这种实现方法的优点是电路简单，性能可靠，实时性好，时间精度高，操作简单，编程容易。关键词：电子闹钟，单片机，C语言编程1绪论单片机是微型机的一个主要分支，就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。单片机具有如下特点：1集成度高、体积小、有很高的可靠性；有优异的性能价格比；2控制功能强；3低功耗、低电压，便于生产便携式产品；4外部总线增加了I2C、SPI等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构；5单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。所以单片机的应用非常广泛，在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统以及人们的生活中均有用武之地。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思路和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种用软件代替硬件的控制技术，是对生产控制技术的一次革命。利用单片机的智能性，可方便地实现具有智能的电子钟设计。单片机均具有时钟振荡系统，利用系统时钟借助微处理器的定时器/计数器可实现电子钟功能。然而系统时钟误差较大，电子钟的积累误差也可能较大，所以可以通过误差修正软件加以修正，或者在设计中加入高精度时钟日历芯片，以精确时间。另外很多功能不同的单片机是兼容的，这就更便于实现产品的多功能性。由于单片机具有货源充足、价格低廉，可软硬件结合使用，能够较方便的实现系统的多功能性，性价比高等诸多优点，故采基于单片机的电子闹钟的设计第2页共24页用单片机作为本设计的硬件基础。2基于单片机的电子闹钟硬件设计2.1IC芯片选择2.1.1微处理器选择STC12系列单片机简要介绍：1.STC12系列单片机为增强型8051芯片，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051单片机。2.工作电压：STC12C5410AD系列工作电压：5.5V-3.8V（5V单片机）/3.8V-2.4V（3V单片机）STC12C2052AD系列工作电压：5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.4V（3V单片机，可到2V）3.工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0420MHz.实际工作频率可达48MHz4.用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K/1K字节5.片上集成512字节RAM(STC12C5410AD系列),STC12C2052AD系列单片机为256字节RAM6.通用I/O口（27/23/15个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片8.EEPROM功能9.看门狗10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）11.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：5.2MHz6.8MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，应认为是4MHz8MHz12.共2个16位定时器/计数器，但可用PCA模块再产生4个定时器(2052系列只有两路PCA)13.外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断唤基于单片机的电子闹钟的设计第3页共24页醒14.PWM(4路）/PCA（可编程计数器阵列,4路）,5410系列是4路，2052系列只有两路-也可用来当4路D/A使用-也可用来再实现4个定时器-也可用来再实现4个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)15.A/D转换,10位精度ADC，共8路。STC12C2052AD系列只有8位精度16.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现多串口17.SPI同步通信口，主模式/从模式18.工作温度范围：0-75/-40-+8519.封装：PLCC-32,PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，TSSOP-20(超小封状6.4mm×6.4mm，定货)PLCC-32有27个I/O口，PDIP28/SOP28有23个I/O口，PDIP20/SOP20/TSSOP20有15个I/O口，I/O口不够时，可用74HC595/74HC165串行扩展I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。STC12C5410AD系列及STC12C2052AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM,8路高速10位A/D转换,针对电机控制，强干扰场合。STC12C2052AD系列只有2路PWM,8路高速8位A/D转换。图2.1STC12C5A16AD芯片PDIP封装引脚图基于单片机的电子闹钟的设计第4页共24页2.1.2常用时钟日历芯片比较在电子闹钟设计中，常用的实时时钟芯片有DS12887、DS1216、DS1643、DS1302。每种芯片的主要时钟功能基本相同，只是在引脚数量、备用电池的安装方式、计时精度和扩展功能等方面略有不同。DS12887与DS1216芯片都有内嵌式锂电池作为备用电池；X1203引脚少，没有嵌入式锂电池，跟DS1302芯片功能相似，只是相比较之下，X1203与AT89S51搭配使用时占用I/O口较多。DS1643为带有全功能实时时钟的8K×8非易失性SRAM，集成了非易失性SRAM、实时时钟、晶振、电源掉电控制电路和锂电池电源，BCD码表示的年、月、日、星期、时、分、秒，带闰年补偿。同样，DS1643拥有28只管脚，硬件连接起来占用微处理器I/O口较多，不方便系统功能拓展和维护。故而从性价比和货源上考虑，本设计采用实时时钟日历芯片DS1302。2.1.3DS1302简介DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟日历芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。有主电源和备份电源双引脚，而且备份电源可由大容量电容（1F）来替代。此外，DS1302需要使用32.768KHz的晶振。2.1.4DS1302引脚说明DS1302引脚图参照图2.2。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-Jun-2008SheetofFile:C:DocumentsandSettingsAdministrator桌面常亮毕业设计电路图多功能电子时钟毕业设计电路图.ddbDrawnBy:VCC11X12X23GND4VCC28SCLK7I/O6RST5DS1302图2.2DS1302芯片引脚图其引脚功能参照表2.1。基于单片机的电子闹钟的设计第5页共24页表2.1DS1302引脚功能说明引脚号名称功能1VCC1备份电源输入2X132.768KHz晶振输入3X232.768KHz晶振输出4GND地5RST控制移位寄存器/复位6I/O数据输入/输出7SCLK串行时钟8VCC2主电源输入2.1.5DS1302控制字说明在编程过程中要注意DS1302的读写时序。DS1302是SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。DS1302的控制字如表2.2。表2.2DS1302控制字（即地址及命令字节）BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT01RAMA4A3A2A1A0RDCKWR控制字的作用是设定DS1302的工作方式、传送字节数等。每次数据的传输都是由控制字开始。控制字各位的含义和作用如下：BIT7：控制字的最高有效位，必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。BIT6：如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；BIT5至BIT1（A4A0）：用A4A0表示，定义片内寄存器和RAM的地址。定义如下：当BIT6位=0时，定义时钟和其他寄存器的地址。A4A0=06，顺序为秒、分、时、日、月、星期、年的寄存器。当A4A0=7，为芯片写保护寄存器地址。当A4A0=8，为慢速充电参数选择寄存器。当A4A0=31，为时钟多字节方式选择寄存器。当BIT6=1时，定义RAM的地址，A4A0=030，对应各子地址的RAM，地址31对应的是RAM多字节方式选择寄存器。4BIT0（最低有效位）：如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。2.2电子闹钟硬件电路设计电子闹钟至少要包括秒信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电源、闹铃基于单片机的电子闹钟的设计第6页共24页指示电路等几部分。硬件电路框图参照图2.3。该系统使用STC12C5A16AD单片机作为核心，通过读取时钟日历芯片DS1302的数据，完成此电子闹钟的主要功能时钟/日历。使用LCD1602液晶屏显示。图2.3电子闹钟硬件系统框图键盘是为了完成时钟/日历的校对和显示功能。由于此电子闹钟要求具有闹铃功能，所以设计有闹铃电路，进行声音响铃。闹铃电路中的闹铃音乐可以直接采用蜂鸣器闹铃，如当前时刻与闹铃时间相同，单片机向蜂鸣器送出高电平，蜂鸣器发声。采用蜂鸣器闹铃结构简单，控制方便，但是发出的闹铃声音单一。也可以在编程的时候编写一段音乐程序，待闹铃时间到时，调用该音乐程序给扬声器，便响起音乐。不过该方法只能做一些简单音乐，并且音乐程序会占用很多单片机存储资源。但闹铃的音乐不是本设计中的重点，故采用最简单的方法，占用单片机一根I/O口。整个电路只使用了一种电源，+5V电源将为整个电路供电。DS1302没有备用电源。当+5V电源被切断后，DS1302不能继续工作。当+5V电源恢复供电，因为断电使系统复位到初始化时间，需要重新校时。具体电路图如下：STC12C5A16AD显示键盘时钟日历芯片DS1302+5V电源闹铃电路基于单片机的电子闹钟的设计第7页共24页