多功能旋转LED时钟的设计与实现VIP

本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目 多功能旋转 LED 时钟的设计与实现 学 院 电气与自动化工程学院 多功能旋转 LED 时钟的设计与实现摘 要近年来，单片机在各个领域得到了广泛的应用，由单片机控制的 LED 屏也逐渐深受人们的欢迎。最初，LED 用作仪器仪表的指示光源，后来在大面积显示屏中得到了广泛使用，产生了很好的经济效益和社会效益。本文具体介绍了多功能 LED 屏时钟的设计与实现，并详细说明其软硬件构成及原理。时钟系统以 STC12C5A60S2 单片机作为核心控制器，读取 DS1302 芯片的时间数值，经单片机编译，将时间（年/月/日/时/分）显示在 LED 屏上。时钟上 5 个按键可以设置闹钟，当闹钟时间到,则会响起音乐。每到整点，时钟会进行整点报时。本设计的主要特色创新是利用 4 个水银开关呈菱形摆放，当时钟垂直地面放置时,根据不同的水银开关导通组合，可以判断出时钟所处的方向，从而使时钟具有类似重力感应的功能，将时钟旋转摆放时，始终能够自上而下显示时钟。经过反复实验与长期实践，证明该系统设计方案是可行的。关键词：LED 屏 STC12C5A60S2 DS1302 水银开关 语音报时IDesign and Implementation of Multifunctional Rotatable LED Clock AbstractIn recent years, the microcontroller has been used widely in various fields，LED screen controlled by the microcontroller was welcomed by the people gradually.Initially, LED is used as an indication light source of instrumentation, Later, has been widely used in the large area display, resulting in a good economic and social benefits.This article describes an approach based on the specific design and imple mentation of 51 single multifunction LED screen clock, and details of its hardware and software configuration and principle.This article describe an design and implementation of Multifunctional LED Screen Clock based on single multifunction specifically, and details of its hardware and software configuration and principle. Clock system uses MCU STC12C5A60S2 as the core controller, reads the time value by DS1302 chip, the time(year/month/day/hour/minute/second) displayed on the LED screen after 51 single compilation.There are five keys on the clock to set alarm time.The music will sound when the alarm time is coming . The clock will chime on every hour.Important feature innovation of this design is the use of four mercury switches placed as diamond-shaped.When the clock is placed perpendicular to the ground,Depending on the composition of the mercury switch is turned on, we can determine the direction of the clock . so that the clock has a similar gravity sensing function,When the clock rotating display can always shows the time from top to bottom.Proved that the system design is feasible,after repeated experiments and long-term practice.Key words：LED screen ; STC12C5A60S2 ; DS1302 ; mercury switch ; voice broadcast II目 录1绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 系统的研究目标 .11.3 论文的章节安排 .22. 系统硬件设计 .32.1 系统硬件整体设计 .32.2 单片机最小系统设计 .32.2.1 STC12C5A60S2 单片机简介 .32.2.2 时钟电路设计 .42.2.3 复位电路设计 .42.3 按键及水银开关模块设计 .52.3.1 按键模块 .52.3.2 水银开关模块 .62.4 时钟模块设计 .72.5 LED 屏模块设计 .82.5.1 74HC573 锁存器 .92.5.2 LED 屏模块 .102.6 语音模块设计 .113系统软件设计 .133.1 系统软件总体设计 .133.2 初始化设计 .143.2.1 系统初始化设计 .143.2.2 语音模块初始化设计 .143.3 按键及水银开关模块设计 .153.3.1 按键模块软件设计 .153.3.2 水银开关模块软件设计 .17III3.4 DS1302 时钟模块设计 .183.5 LED 屏模块设计 .193.6 语音模块设计 .204系统调试 .224.1 系统模块调试 .224.1.1 按键及水银开关模块调试 .224.1.2 LED 屏模块调试 .224.1.3 时钟模块调试 .234.1.4 语音模块调试 .234.2 系统综合调试 .234.3 调试环境 .234.4 调试下载软件 .245总结与展望 .255.1 总结 .255.2 展望 .25参考文献 .26附录 .27附录一 系统硬件电路原理图 .27附录二 PCB 图 .28附录三 实物图 .29附录四 主要系统程序 .30致 谢 .35常熟理工学院毕业设计（论文）01绪论1.1 研究背景及意义从古至今，时间是人们生活中不可缺少的重要伴侣。如果没有时间的概念，社会将停滞不前。从古代的圭表、水漏，到后来的电子时钟，都充分显示出了时间的重要性，因此利用当今先进的科技致力于电子时钟的研究将能更好地服务人们的生活。电子科技日渐进步，人们对电子设备的体积和智能性及其精度的要求也日益提高。而电子时钟主要是利用现代科技将时钟电子化、人性化、数字化、多功能化。单片机因具有稳定性高、集成度高、体积小、价格低廉、控制功能强、易扩展等特点，成为设计智能仪器的首选器件。本设计采用了 STC12C5A60S2 单片机，大大提高了系统的可靠性和稳定性。电子钟与传统的机械钟相比，具有时间更加精准、显示更加直观、无机械传动装置等优点，所以在生活与工作中得到大量使用。LED 屏是一种新型成像电子设备，由发光二极管按顺序排列而制成，因为其耗电量小、节能环保、亮度高、可视角度广、寿命长、时尚简约等特点，正在被广泛的应用于日常生活中。我国 LED 屏行业的主要产品不仅在国内占有绝对的市场，同时在全球市场也占据了一定的份额。由于产品的全球化，其稳定性、可靠性有了显著的提升。本设计就利用 LED 屏作为时钟的显示器，共采用 9 块 88LED 屏，构成了 2424 的点阵。随着时代发展，电子时钟需要增加更多的功能，例如：报时、闹钟、红外遥控、温湿度显示等，这就要求电子时钟具有多功能性。而本设计除了能够显示时钟外，还添加了按键设置闹钟，重力感应，语音报时三项功能。1.2 系统的研究目标本设计的研究目标是设计基于 51 单片机的多功能旋转 LED 屏时钟。系统采用STC12C5A60S2 单片机作为主控制器，通过 DS1302 时钟芯片获得时间信息，再以 LED屏显示时间（年/月/日/时/分/星期） ，并添加了五个独立按键用于设定闹钟，当到达闹钟所设定的时间时，语音模块会播放音乐，按下退出键语音停止播放。它们的作用分别是左右切换闹钟的时/分/星期，增减时间数值（09） ，还有一个退出键用以退出时间设置，恢复时间显示状态。每到整点时钟会进行整点报时。本设计中运用 4 个水银开关呈菱形放置，当时钟垂直地面放置时，总会有两个水银开关导通，另外两个则关断，根据不同的常熟理工学院毕业设计（论文）1水银开关导通组合，可以判断出时钟所处的方向，从而使时钟具有类似重力感应的功能，将时钟旋转摆放时，始终能够自上而下显示时钟。1.3 论文的章节安排第一章：绪论，介绍了时钟的发展历史及应用前景，然后阐述课题的研究目标及主要内容。第二章：系统硬件设计，介绍多功能 LED 屏时钟硬件系统的组成与设计，主要介绍51 单片最小系统、按键及水银开关模块、LED 屏显示模块、时钟模块、语音模块等电路的设计。第三章：系统软件设计，介绍了单片机的初始化以及控制算法，并阐述各模块软件设计方法。第四章：系统调试，分为系统模块调试和系统综合调试，调试时钟系统是否能够实现各个功能。第五章：总结与展望，主要是对本课题设计和研究以及研究过程中遇到的问题进行总结，并提出了本设计的不足之处和改进的方向。常熟理工学院毕业设计（论文）22.系统硬件设计本硬件电路设计的宗旨是：可靠性好，电路简洁高效，便于检测。可靠性是第一要求，在电路设计过程中要注意将模拟地与数字地分开，将控制电路与驱动电路进行隔离，电路原理图的设计都必须经过测试和验证，在布局、布线时要考虑了电磁兼容性以及信号之间的相互干扰等问题，所以在设计中要做好屏蔽工作，保证硬件系统的稳定、可靠，避免因电路设计不合理而损坏芯片。PCB 板设计时要合理放置元器件，正确设置线宽，并且注意散热等问题。简洁是指在满足了稳定、高效的要求后，使电路设计尽可能简洁，尽量减少元器件数量，缩小电路板面积，从而使电路轻便简洁，且易于安装。2.1 系统硬件整体设计完整的多功能 LED 屏时钟控制系统硬件结构包括单片机最小系统模块、按键与水银开关模块、DS1302 时钟模块、LED 屏显示模块、 WT588D 语音模块以及相应的辅助电路。硬件电路的整体框图如图 2-1 所示。S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2单片机按键模块水银开关时钟模块L E D 显示屏语音报时图 2-1 硬件电路框图2.2 单片机最小系统设计 2.2.1 STC12C5A60S2 单片机简介本设计采用 STC12C5A60S2 单片机作为核心控制器。STC12C5A60S2 单片机是宏晶科技（STC）公司生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，具有高速/ 低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码兼容传统 8051，但速度比原来快 8-12 倍。其内部集成MAX810 专用复位电路，含有 2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 转换(250K/S) ，适用于电机常熟理工学院毕业设计（论文）3控制，强干扰的场合。其片内具有大容量程序存储器，为 FLASH 工艺，例如STC12C5A60S2 单片机内部自带高达 60K FLASH ROM，这种工艺的存储器可以进行瞬间电擦除、改写。而且 STC 系列的单片机支持串口程序烧写。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间大大缩短。写入单片机内的程序也可以进行加密。2.2.2 时钟电路设计时钟电路虽然简单，但对单片机的运行至关重要，需要多加注意辅助元器件参数的选择、印刷线路板的布线等方面的问题。因时钟电路设计有问题而造成时钟电路不稳定的事件常有发生，同时时钟电路的高频噪声将导致系统电磁兼容性下降，会成为系统的隐患。本设计中使用的是标准的 51 单片机时钟电路，通过把 11.0592MHz 外部晶振接在单片机的外部晶振输入接口 EXTAL 和 XTAL 上，作为单片机工作的内部总线时钟。时钟电路原理图如图 2-2 所示。 2pFC1GNDYXTALEMR4图 2-2 时钟电路原理图其中 C1 和 C2 的作用是使石英晶振起振，此处的晶振为 11.0592MHz，起振电容选用22pF 较为合适。假如石英晶振频率较高，则起振电容的容值应该适当降低；假如石英晶振频率较低，则起振电容的容值应该适当升高。由于晶振在原理上就是一个非门电路，非门在微观电路上可以看成是一个增益较大的放大器，接一个电阻 R24，可以看作反馈电阻，作用是让石英晶振器的振荡更加稳定。2.2.3 复位电路设计复位电路要求能在上电或者手动两种情况下工作，并且复位脉冲的低电平时间必须要大于 2 个机器周期。例如，当系统选用 11.0592MHz 的石英晶振时，一个机器周期的时间是 1us，复位低电平宽度理论上最小应为 2us。但在实际应用中，要考虑到电源稳定性、参数漂移、晶振最短稳定工作时间以及电路可靠性等因素，必须要留有足够的时间余量。常熟理工学院毕业设计（论文）4增加时间余量的方法是加大复位电容的容值或者加大上拉电阻的阻值。复位电路由简单的电阻电容及按键构成，根据 STC12C