基于单片机自动对时数字钟设计

摘 要 I 摘 要 本课题是研究的是基于单片机的具有自动对时功能的数字钟设计。设计了 以单片机为核心的高精密时间校时系统。通过接收调频无线广播的整点报时信 号，校对系统时钟，以消除时钟的累积误差，从而实现全自动同步准确计时的 目的并且可以根据设置定时的时问，通过语音电路进行各种语音提示 整个系统包括时钟电路，显示电路，按键电路，校时电路等。此次设计以 STC89C52 单片机为核心控制器，P0 和 P2 口接 LED 显示模块，P3 口接按键， P1 口接时钟芯片，通过按键输入来控制显示器的显示。在按键电路中设置了四 个按键，通过检测第一个按键按下的次数来实现调时、调分、调秒按键的作用， 再通过 LED 显示器显示时、分、秒的改变。由于实际的数字钟的秒信号的精 确性和稳定性不可能完全做到准确无误，还设定了定时设置键（ALM 键）当该 键按下时，进入中断工作方式对时钟进行自动校时。此外本数字钟还具有温度 测试功能。 关键词：AT89C52 单片机，数字钟，自动对时，时钟芯片 DS1302，温度传感 器 DS18B20 Abstract II Abstract The paper is based on single chip has the automatic function of the time of the digital clock design. Design of a single chip as the core of high precision time calibration system. By receiving the FM radio broadcast the whole point timekeeping signal, proofreading system clock, to eliminate clock error accumulation, so as to realize the automatic accurate synchronization timing purposes . And can be based on the setting of the timing of the time, through the voice circuit for various voice prompts The system includes a clock circuit, display circuit, a key circuit, timing circuit. The design for STC89C52 core controller, P0and P2mouth is connected with the LED module, P3 port access keys, P1mouth is connected with the clock chip, input through the buttons to control the display. In the key circuit is provided with four keys, through the detection of the first button number to achieve when the transfer, the transfer points, adjustable second key role, through the LED display when, minutes and seconds, changing. Due to the practical digital clock of the second signal accuracy and stability can not be completely accurate, but also set a timer set key ( ALM ) when the key is pressed, to enter the interrupt working manner of clock automatic school. In addition to the digital clock has the function of temperature test. Keywords: AT89C52 microcontroller; digital clock; automatic synchronization; clock chip DS1302; temperature sensor DS18B20 目 录 III 目 录 摘 要I ABSTRACT .II 目 录 .III 第一章 绪 论 .1 1.1 本课题研究的目的和意义.1 1.2 数字时钟的发展概况.2 1.3 本文主要研究内容3 1.4 小结.3 第二章 智能数字钟系统总体设计 .4 2.1 智能数字钟系统的功能实现4 2.2 系统各模块方案选定.4 2.2.1 主控模块的论证与选择 .4 2.2.2 显示模块的论证与选择 .5 2.2.3 控制按键模块的论证与选择 .5 2.2.4 时钟块的论证与选择 .5 2.2.5 校时模块的论证与选择 .6 2.2.6 测温模块的论证与选择 .6 2.2.7 总体方案选择 .6 2.3 小结.7 第三章 硬件电路设计 .8 3.1 主控模块8 3.1.1 AT89C52 的主要功能特性8 3.1.2 AT89C52 的引脚及功能8 3.2 时钟模块9 3.2.1 DS1302 的性能特性9 目 录 IV 3.2.2 DS1302 的引脚及功能10 3.3 键盘控制模块.11 3.4 显示控制模块.12 3.5 校时模块14 3.6 测温模块17 3.6.1 DS18B20 的性能特性.18 3.6.2 DS18B20 的引脚及功能.18 3.7 小结.19 第四章 软件系统部分 .20 4.1 软件系统流程图20 4.1.1 系统软件主程序设计流程图 .20 4.1.2 时钟程序的流程图设计 .21 4.1.3 按键控制程序的流程图设计 .22 4.1.4 显示程序的流程图设计 .24 4.1.5 DS18B20 芯片程序设计.25 4.2 系统仿真26 总结 .27 参考文献 .28 致谢 .29 第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 本课题研究的目的和意义 人类的活动包括学习、工作等多种实践活动。而在人类的各种行为和活动 中时间占据着非常重要的地位，因此时钟的作用便体现出来，生活中有许多人 因只顾学习而忘记时间从而耽误了重要的计划或安排，造成了难以估量的损失， 追悔莫及。所以我们要养成良好的时间观念，就需要数字钟时时刻刻提醒我们。 数字钟是采用数字电路实现对时、秒数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭车 站、码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字 集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老 式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了 钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、 定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、 甚至各种定时电 气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟 及扩大其应用，有着非常现实的意义。 此外，数字钟最适合单位、会议、电子精品（礼品）屋、各种专卖店、各 种促销活动用作纪念品、赠送品广告品、促销品、奖品、礼品，是人们日常生 活中不可少的必需品。该产品还适合客运车上使用。使用电子数字钟、电子台 历、电脑台历可以给人们的生活带来更多的便捷和安宁，有助于进一步提高生 活品味，更令温馨家庭、办公场所“蓬筚生辉” 。 红（绿）色数码显示时分， 决不会因晚间需开灯关灯查看时间而影响到睡眠质量。在繁忙的学习时间里， 多功能数字钟几乎是我们不可缺少的一件物品。它给我们带来了许多方便。本 课题的目的是让单片机开发者掌握单片机系统的安装和调试的方法，设计思路， 实现方法，硬件调试及软件调试，巩固和加强“模拟电子技术” 、 “数字电子技 术”课程的理论知识。数字钟的设计及实现过程功能虽然简单，但是它是单片 机应用的一个典型范例，从五六十年代的分立元件的数字钟，到现在的单片机 嵌入式系统，数字钟是不可缺少的入门课题，有着非常重要的广泛意义。数字 钟设计的成功，表示在数字电子技术领域内的入门，而且此基本电路可以简单 地扩展设计，诸如家用定时自动报警、球赛计时器、抢答器、定时开关、自动 第一章 绪 论 - 2 - 打铃器、自动起闭路灯、可编程时间的自动控制器、动力设备延时启动控制器、 各种定时电气的自动启用等，都是以数字钟为基础的。因此，研究数字钟及扩 大其应用是单片机开发的重要课题。 1.2 数字时钟的发展概况 电子钟有着很长的历史，从民国 19 年的点钟，研制开始于 60 年代中期的 国内电晶体，半导体管钟，到 70 年代末开始研究石英电子钟，再到今天我们 用的智能电子钟。电子钟以前存在着许多缺点，它存在着功能死板，走时精确 度不高，走时时间不长，体积庞大等缺点。近些年，随着科技的发展和社会的 进步，多功能数字钟不管在性能还是在样式都发生了质的变化，有电子闹钟、 数字闹钟等等。用于由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用， 使得数字钟的精度、稳定性大幅提高。 高精度、高稳定的数字钟：天文,实验室，物理试验，遥测站，遥测地震台 网测定基本参数时，均需同时记有精确的时间标记，便于分析人员准确判读事 件的到时，完成基本参数的测定。如果数字钟钟差严重超标或故障率较高，将 影响记录的资料，甚至使资料失去使用价值。所以设备都需要一台功能完善， 计时精良，可靠性高的数字钟设备。 自校数字钟设备：石英钟和数字钟设备，经长期使用时钟漂移，会导致计 时误差，需要研制自校数字钟。 同步数字钟：如车站，机场，有多个时钟，手工调节不现实，需要研制同 步数字钟。 以下是与数字钟有关的产品：自动打铃器、数字式多功能定时控制器、可 编程时序控制仪、长延时可调压电子定时器、机械设备电子积时限电器、一种 累加计时装置、数码管电子钟时间继电器、体育训练用多功能计时器、远视距、 广视角的时钟、夏时制自动变换多功能数字石英钟、乘车唤醒器、带夏时制钟 可编程时间控制装置、数字显示阴阳合历时钟、学校用全自动响铃仪、多功能 时控仪、人体生物钟电子表 、可预置语音报闹的多用电子钟、LED 数字钟自 控多功能电源插座、可三维空间投影的电子投影钟、车载电子钟、保健体温卡。 第一章 绪 论 - 3 - 由此可见数字钟的设计有着深远而广泛地意义。 1.3 本文主要研究内容 本课题是研究的是基于单片机的具有自动对时功能的数字钟设计。时钟系 统的最基本功能就是实现计时，本次设计的时钟具有校时和计时的功能，设计 一个按键进行自动校时、一个按键进行选位、两个按键对时间进行调整。 整个系统包括时钟电路，显示电路，按键电路，校时电路等。此次设计以 STC89C52 单片机为核心控制器，P0 口接 LED 显示模块，P3 口接按键，通 过按键输入来控制显示器的显示 并且可以在 P1 口接一个指示灯来显示按键的 按下。在上电时 LED 显示器开始显时采示时间并自动计时，自动计用单片机 内部 T0 中断实现，在按键电路中设置了四个按键，通过检测第一个按键按下 的次数来实现调时、调分、调秒按键的作用，再通过 LED 显示器显示时、分、 秒的改变。此外，由于实际的数字钟的秒信号的精确性和稳定性不可能完全做 到准确无误，因此还在系统中添加了校时电路。 该系统的软件部分采用汇编语言实现，包括主程序、显示程序、定时程序、 键输入程序、中断程序等模块，并画出原理图。可通过按键实现时钟对时、分、 秒的校正以及时钟复位。 1.4 小结 本章主要说明了课题研究的目的及意义并且介绍了数字钟技术的国内外发 展概况。智能数字钟技术是单片机学科的经典实例，其研究与应用具有巨大的 理论和现实意义。本章从整体上对此次课程设计的硬件设计及软件设计进行了 说明，通过这章可以对本次课程设计有一个初步的了解。 本章也列举了本文研究的主要内容和解决的主要问题。为下文的研究和论 述做了很好的铺垫。 第二章 智能数字钟系统总体设计 - 4 - 第二章 智能数字钟系统总体设计 本章主要简要地介绍智能数字钟系统总体方案的确定和总体研究思路，在 后面的章节中将整个系统分为硬件电路部分和软件系统部分分别对智能数字钟 系统进行深入的介绍分析。 2.1 智能数字钟系统的功能实现 本次毕业设计应用 AT89C51 单片机设计单片机实现数字钟电路：选用 8 位 LED 数码显示，实时显示时、分、秒，能够准确走时；采用组合按键实现 时钟校时功能，能手动调时、调分、调秒；通过外接的无线电收音机接收整点 报时信来实现自动校时功能；具有温度测试功能。 数字钟系统主要由以下几部分组成：AT89C52 单片机控制器电路，按键 开关电路，8 位 LED 数码管显示电路，时钟电路，校时电路，温度测试电路六 部分构成。 2.2 系统各模块方案选定 2.2.1 主控模块的论证与选择 方案一：采用 AT89C51，AT89C51 芯片内部有 ROM，且片内 ROM 全部 采用 Flash ROM,它能在 3V 的超低电压下工作，与 MCS51 系列单片机完全 兼容，但其不具备 ISP 在线编程技术，需要把程序写好后再放到编程器中编写， 才可以进行硬件电 路的调试，如果程序编写出现了问题，电路调试就会很麻 烦，而且该单片机的可 编存储只有 4KB，为避免存储不足的现象出现，不予 采用该方案。 方案二：采用 AT89C52 来实现该电路，AT89C52 与 AT89C51 器件比较， 该芯片 内既有 Flash ROM ,又能与 MCS51 系列单片机兼容，而且具备 ISP 在线编程技术， 这样一方面能降低成本，另一方面又能简单芯片的读写操作， 避免芯片的损坏。 而且该芯片内存 8KB 能充分满足该设计的需求。 综上所述， 第二章 智能数字钟系统总体设计 - 5 - 采用方案二的 AT89C52 作为主控模块。 2.2.2 显示模块的论证与选择 随着科技的发展，LED 液晶显示的使用越来越方便，已被普遍 的使用。 由于液晶显示与驱动都集成在一个芯片上，因此使用起来很方便。在这里采 用液晶显示 方案一：采用静态显示，就是当显示器显示一个字符时，相应的发光二极 管恒定的截止或导通，公共端的电平固定。 方案二：采用动态显示， 就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱 动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂 留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只 要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感， 动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 口，而且功耗更低。 综上所述，采用动态显示的 LED 作为显示模块。 2.2.3 控制按键模块的论证与选择 方案一：选取阵列式按键，采用该方案编程比较困难，且在电路中浪费过 多 的按键，因此排除该方案。 方案二：采取独立式按键，该方案易于控制且编程简单，易于理解，按键 数 量也很适用，因此控制按键模块采用此方案。 2.2.4 时钟块的论证与选择 方案一：本方案完全用软件仿真实现数字时钟，该方案具有硬件电路简单 的特点。但由于每次执行 程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度 不高。而且，由于是软件实现， 当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不 工作。 方案二：DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时， 具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。DS1302 内部有一个 318 的用于 第二章 智能数字钟系统总体设计 - 6 - 临时性存放数据的 RAM 寄存器。DS1302 是 DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细 电流充电的能力。基于硬件的考虑，本设计采用方案二完成数字时钟的功能 2.2.5 校时模块的论证与选择 方案一：采用 GPS 卫星自动对时的方法、这种方法已广泛应用于电力、金 融、通信、交通、广电、安防、石化、冶金、水利、国防、医疗、教育、政府 机关、IT 等领域的校时服务。 GPS 卫星自动对时钟、以高速芯片进行控制， 具有精度高、稳定性好、功能强、无积累误差、不受地域气候等环境条件限制 等特点，但是 GPS 校时的实现比较复杂，成本较高。 方案二：通过无线电收音机接收正点报时信号，然后通过滤波器和施密特 触发器进行波形整形接单片机的中断，进行时间校对，这种方法实现比较简单， 成本较低，因此选用方案二。 2.2.6 测温模块的论证与选择 方案一：热电阻测温，热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的 主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它 不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 方案二：采用 DS18B20 温度传感器，DS18B20 数字温度传感器接线方便， 封装成后可应用于多种场合。它耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样， 适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。因此选用方案二。 2.2.7 总体方案选择 采用 GPS 卫星自动对时的方法、这种方法已广泛应用于电力、金融、通信、 交通、广电、安防、石化、冶金、水利、国防、医疗、教育、政府机关、IT 等 领域的校时服务。 GPS 卫星自动对时钟、以高速芯片进行控制，具有精度高、 稳定性好、功能强、无积累误差、不受地域气候等环境条件限制等特点，但是 GPS 校时的实现比较复杂，成本较高。 经过方案论证与比较，选择以 AT89C52 作为主控制芯片，采用 LED 液晶 作为显示器件，独立式按键作按键模块，用 DS1302 作为时钟模块，用 第二章 智能数字钟系统总体设计 - 7 - DS18B20 作为测温模块。校时模块包括信号接收电路、整形电路与信号滤波电 路以及语音提示电路。确定系统组成框图如图 2-1 所示 图 2-1 系统组成框图 2.3 小结 本章重点分析了智能数字钟系统总体方案的确定和研究思路，以及简要地 分析了系统各模块的方案选定和作用。在今后的章节中，将对整个系统从硬件 和软件两个方面的实现进行详细介绍。 AT89C52 单片机单片机 实时时钟电路 信号接收调整电路 校时电路 LED 显示电路 测温电路 语音提示电路 第三章 硬件电路部分 - 8 - 第三章 硬件电路设计 智能数字钟系统设计的第一步是设计硬件系统，它对系统运行的稳定性、 控制的精确度都有着直接的影响。没有一个好的硬件设计方案，那么以后的软 件设计就无从谈起，本系统按照功能的不同采用了模块化设计方法，主要包括 核心控制模块、显示模块、键盘控制模块、时钟模块，校时模块等。本章将详 细介绍各个系统块的设计方法，其中核心控制芯片采用 AT89C52。 3.1 主控模块 3.1.1 AT89C52的主要功能特性 (1)兼容 MCS51 指令系统 (2)8k 可反复擦写(大于 1000 次）Flash ROM； (3)32 个双向 I/O 口； (4)256x8bit 内部 RAM； (5)个 16 位可编程定时/计数器中断； (6)时钟频率 0-24MHz； (7)2 个串行中断，可编程 UART 串行通道； (8)2 个外部中断源，共 8 个中断源； (9)2 个读写中断口线，3 级加密位； (10)低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； (11)有 PDIP、PQFP、TQFP 及 PLCC 几种封装形式，以适应不同产品的需求。 3.1.2 AT89C52的引脚及功能 AT89C52 为 8 位通用微处理器，采用工业标 准的 C51 内核，在内部功能 及管脚排布上与通用的 8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能 第三章 硬件电路部分 - 9 - 包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化， 会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）为振荡器输入输 出端口，外接 12MHz 晶振。RST（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组 成的复位电路。VCC（40 脚）和 VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V 电源 的正负端。P0P3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中， P0 端口（3239 脚）被定义为 N1 功能控制端口，分别与 N1 的相应功能管脚 相连接，13 脚定义为 IR 输入端，10 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口，分 别连接 N1 的 SDAS（18 脚）和 SCLS（19 脚）端口，12 脚、27 脚及 28 脚定 义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测 及会聚调整状态进入的控制功能。AT89c52 的引脚图如图 3-1 所示 图 3-1 AT89c52 引脚图 3.2 时钟模块 3.2.1 DS1302的性能特性 (1)实时时钟，可对秒、分、时以及带闰年补偿的年进行计数； 第三章 硬件电路部分 - 10 - (2)用于高速数据暂存的 318 位 RAM (3)最少引脚的串行 I/O； (4)2.55.5V 电压工作范围； (5)用于时钟或 RAM 数据读/写的单字节或多字节（脉冲方式）数据传送方 式； (6)简单的 3 线接口 3.2.2 DS1302的引脚及功能 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实 时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补 偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。采用三线接口与 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或 RAM 数据。DS1302 内部有一个 318 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器。DS1302 是 DS1202 的升级产品， 与 DS1202 兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电 源进行涓细电流充电的能力。DS1302 的引脚如图 3-2 所示 图 3-2 DS1302 引脚图 时钟模块由 R1、R2、B2、BT1、DS1302 组成，可以产生标准时间。 DS1302 内部有实时时钟，可以提供时分秒等信息，并且有闰年矫正功能。 DS1302 是串行接口芯片。它的复位线（RET）与 P1 口的 P1.0 连接，数据线 （I/O）与 P1.1 连接，串行时钟线（SCLK）与 P1.2 相连。两个上拉电阻用 第三章 硬件电路部分 - 11 - 10K。V2 是备用电源，玉纽扣电池相连，防止 DS1302 意外掉电，X1、X2 接 晶振，B2 的频率是 32.768KHz. RST 是复位/片选线，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传 送。RST 输入有两种功能：首先，RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入 移位寄存器；其次，RST 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当 RST 为 高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302 进行操作。如果在传送 过程中 RST 置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O 引脚变为高阻态。上电 运行时，在 Vcc2.0V 之前，RST 必须保持低电平。只有在 SCLK 为低电平时， 才能将 RST 置为高电平。I/O 为串行数据输入输出端(双向)。SCLK 为时钟输入 端。时钟模块的电路图如图 3-3 所示 图 3-3 时钟模块电路图 3.3 键盘控制模块 数字钟最基本的功能除了能正常显示时间外，还需要对时间进行设置和调 整，因此按键在单片机中也是很重要的部分。该设计的键盘控制电路主要包括 第三章 硬件电路部分 - 12 - 4 个按键，并且与单片机的 P3 口相连接： P3.6 作为系统的 模式选择键 （RET 键） ，用来选择是正常走时还是分别对时、分、秒进行调整；P3.4 作为 进行时分秒 调整时的增加时间按键；而 P3.5 作为进行时分秒调整时的减少时 间按键此外还有定时设置键（ALM 键）当该键按下时，进入中断工作方式对时 钟进行自动校时。键盘控制电路的硬件连接图如图 3-4 所示： 图 3-4 键盘控制模块电路图 3.4 显示控制模块 显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料 及产品工艺，单片机应用系统中常用的显示器有： 发光二极管 LED 显示器、 液晶 LCD 显示器、CRT 显示器等。LED 显示器是现在最常用的显示器之一， 电路图如图 3-5 所示 第三章 硬件电路部分 - 13 - 图 3-5 LED 电路图 发光二极管（LED）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以 单独使用，也可以组装成分段式或点阵式 LED 显示器件（半导体显示器） 。分 段式显示器（LED 数码管）由 7 条线段围成 8 字型，每一段包含一个发光二极 管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段亮、 灭，就可以显示各种字形或符号。LED 数码管有共阳、共阴之分。 时间显示电路采用 6 位 LED 显示器，用于显示系统时间和一些提示信息。 由 74LS47、R11、R12 和六个 8550 三极管 Q2 一 Q7 组成时间显示模块，通过 P0 口和 P2 口与单片机相连LED 显示器采用共阳极动态扫描形式由于 LED 显示器是以 LED 为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光 二极管相同。 74Ls47 是 LED 显示器的段码驱动芯片，在使用时，将该芯片的输入端引 脚 A、B、C、D 分别与单片机的 P0.0、P0.1、P0.2、P0.3 口连接，该芯片的辖 出端 7 个引脚，与 LED 显示器的 7 个段码引脚相连接。74Ls47 的作用是接收 来自单片机的 BcD 码的输入信号，经过锁存、译码和放大后，输出 7 段字型码 第三章 硬件电路部分 - 14 - 到 LED 显示器，完成对 BCD 码到 7 段字型码的锁存、译码和驱动的功能。六 个三极管组成 LED 显示器的位码驱动，由软件编程实现其工作，设置三极管与 单片机相连的各引脚端为低电平来为 LED 供电，使其正常显示时间。显示电路 如图 3-6 所示 图 3-6 显示电路电路图 3.5 校时模块 本模块包括无线电信号接收及整形电路与信号滤波设计以及语音提示电路 的设计。 自动校时电路接收中央人民广播电台信号，接收电路包括一片调频收音机 集成电路以及少量分立元件。集成电路内部有中频滤波、变频、前置放大等电 第三章 硬件电路部分 - 15 - 路来接收中央人民广播电台 106.1MHz 的信号，并将其解调出音频信号。 整形电路与信号滤波电路由 NE555、C1、C2、C3、组成。施密特触发器 由 C2 和 NE555 组成，无源高通滤波器包括 C1 和 C3，滤波器的作用是阻止一 些频率分量通过。滤波器包括电阻、电容有关的 RC 滤波器。整点广播的无线 电有六下，前面五下报时信号是 80Hz 的频率，第六下频率是 1600Hz，本设计 只用第六下信号，高通滤波器的电容和电阻计算公式如下可算出选 10k 电阻， 1PF 电容，这样就能得到 1500Hz，低于 1500Hz 的频率就会被高通滤波器截止， 因此只有最后一声正点报时信号可以通过。再有 NE555 结成的施密特触发器的 第五个引脚接一个 0.01F 的滤波电容，这样可以提高 NE555 参考电压的稳定性。 通过滤波器的第六声信号接入 NE555 第二引脚当做输入信号，其第三引脚是外 部中断 INTO 口，即单片机的 P3.2 口。他的功能是：先过滤掉无线电正点广播 报时输入信号的低频率信号，使得高于 1500Hz 的频率通过，然后由高电平变 为低电平使单片机产生中断信号。由于本次设计单片机的外部中断选择使用的 是电平触发方式，因此只有低电平才是有效信号。然后单片机中断，进行校时。 整形电路与信号滤波电路如图 3-7 所示 图 3-7 信号整形电路电路图 语音提示电路设计 第三章 硬件电路部分 - 16 - 它是由音乐芯片 LX9300、并联的电阻 2 个、两个串联的、二极管 D1 和 D2、一个三极管 Q1、一个蜂呜器组成的，与单片机的 P2.7 口相连，实现定 时发出语音提示的功能。在单片机初始化之后，就置 P2.7 为低电平， 这样三 极管 Q1 是截止状态，音乐芯片的电源供电被截止而不工作。当定时时间到， 置 P2.7 为高电平，电源给音乐芯片供电，通过蜂呜器发出语音提示。语音提示 结束后，再置 P2.7 为低电平，等待下一次的定时时间到，再次重复上述操作。 语音提示电路如图 3-8 所示 图 3-8 语音提示电路电路图 第三章 硬件电路部分 - 17 - 3.6 测温模块 3.6.1 DS18B20的性能特性 (1)独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即 可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 (2)测温范围 55+125，固有测温分辨率 0.5。 (3)支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，最多只 能并联 8 个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造 成信号传输的不稳定。 (4)工作电源: 35V/DC (5)在使用中不需要任何外围元件 (6)测量结果以 912 位数字量方式串行传送 (7)不锈钢保护管直径 6 (8)适用于 DN1525, DN40DN250 各种介质工业管道和狭小空间设备测温 (9)标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选 (10)PVC 电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接 3.6.2 DS18B20的引脚及功能 图 3-9 Ds18B20 引脚图 第三章 硬件电路部分 - 18 - （1）I|O 口为数字信号输入/输出端； （2）GND 为电源地； （3）VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） 。 独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传 感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为 3.0 V 至 5.5 V 无需备 用电源 测量温度范围为-55至+125。 温度传感器可编程的分辨率为 912 位 温度转换为 12 位数字格式最大值 为 750 毫秒 用户可定义的非易失性温度报警设置 应用范围包括恒温控制，工 业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统. 描述该 DS18B20 的数字温度计提供 9 至 12 位（可编程设备温度读数。信 息被发送到/从 DS18B20 通过 1 线接口，所以中央微处理器与 DS18B20 只有一 个一条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外 接电源。 因为每一个 DS18B20 的包含一个独特的序号，多个 ds18b20s 可以同 时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多， 包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。 DS18B20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 ROM、温度传感器、非 挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。该装置信号线高的时候，内部 电容器 储存能量通由 1 线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供 电直至下一个高电平的到来重新充电。 DS18B20 的电源也可以从外部 3V-5 .5V 的电压得到。 DS18B20 采用一线通信接口。因为一线通信接口，必须在先完成 ROM 设 定，否则记忆和控制功能将无法使用。这些指令操作作用在没有一个器件的 64 位光刻 ROM 序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总 线也可以知道总线上挂有有多少，什么样的设备。 若指令成功地使 DS18B20 完成温度测量，数据存储在 DS18B20 的存储器。 一个控制功能指挥指示 DS18B20 的演出测温。测量结果将被放置在 DS18B20 内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度 第三章 硬件电路部分 - 19 - 报警触发器 TH 和 TL 都有一字节 EEPROM 的数据。如果 DS18B20 不使用报警 检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节 以理想的解决温度数字转换。写 TH,TL 指令以及配置字节利用一个记忆功能 的指令完成。通过缓存器读寄存器。所有数据的读，写都是从最低位开始。 在设计中，温度传感器 DS18B20 的数据端口 I|O 口与单片机 AT89C51 的 P3.0 相连单片机读取数据送入显示模块进行温度显示测温。 3.7 小结 本章详细的介绍了硬件电路的设计以及原理图简介，其中涉及到器件的选 择以及方案的论述。简单的地说，主要从一下四个方面予以介绍时钟模块的设 计；键盘模块的设计；显示模块的设计与实现；校时模块的设计与实现。硬件 系统对系统运行的稳定性、控制的精确度都有着直接的影响。本章是本设计的 重点内容。 第四章 软件系统部分 - 20 - 第四章 软件系统部分 数字钟的软件设计系统的软件设计也是工具系统功能的设计。单片机软件 的设计主要包括执行软件（完 成各种实质性功能）的设计和监控软件的设计。 单片机的软件设计通常要考虑以下几个方 面的问题： （1）根据软件功能要求，将系统软件划分为若干个相对独立的部分，设 计出合理的 总体结构，使软件开发清晰、简洁和流程合理； （2）培养良好的编程风格，如考虑结构化程序设计、实行模块化、子程 序化。既便 于调试、链接，又便于移植和修改； （3）建立正确的数学模型，通过仿真提高系统的性能，并选取合适的参 数； （4）绘制程序流程图； （5）合理分配系统资源； （6）为程序加入注释，提高可读性，实施软件工程； （7）注意软件的抗干扰设计，提高系统的可靠性。 4.1 软件系统流程图 4.1.1 系统软件主程序设计流程图 DS18B20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 ROM、温度传感器、非 挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。该装置信号线高的时候，内部 电容器 储存能量通由 1 线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供 电直至下一个高电平的到来重新充电。 DS18B20 的电源也可以从外部 3V-5 .5V 的电压得到。 这次的数字电子钟设计用到很多子程序，它们的流程图如下所示。 主程 序是先开始，然后按键检测，检测正常走时还是对时间进行手动或自动调整， 检测完后，就可以显示时间。 流程图如图 4-1 所示 第四章 软件系统部分 - 21 - 开始 校时按键检测 启动 DS1302 时间显示 图 4-1 主程序流程图 4.1.2 时钟程序的流程图设计 这次的数字电子钟设计用到很多子程序，它们的流程图如下所示。 主程 序是先开始，然后按键检测，检测正常走时还是对时间进行手动或自动调整， 检测完后，就可以显示时间。 因为使用了时钟芯片 DS1302，阳历程序只需要从 DS1302 各寄存器中读 出年、 周、月、日、小时、分、秒等数据，再处理既可。对其进行初始化， 然后从 DS1302 中读出数据，再经过处理后，送给显示缓存单元。时钟程序流 程图如图 4-2 所示 第四章 软件系统部分 - 22 - 开始 初始化 DS1302 DS1302 开始震荡 从 DS1302 中读 出分、秒、小时 将读出的 BCD 码 送显示模块 图 4-2 显示模块流程图 4.1.3 按键控制程序的流程图设计 这次的数字电子钟设计用到很多子程序，它们的流程图如下所示。 主程 序是先开始，然后按键检测，检测正常走时还是对时间进行手动或自动调整， 检测完后，就可以显示时间。 按键处理是先检测秒按键是否按下，秒按键如果按下，秒就加 1；如果没 有按下，就 检测分按键是否按下，分按键如果按下，分就加 1；如果没有按 下，就检测时按键是否按 下，时按键如果按下，时就加 1；如果没有按下， 就把时间显示出来，按键控制程序的流程图如图 4-3 所示 第四章 软件系统部分 - 23 - 开始 秒键按 下 秒加一 分键按 下 分加一 时键按下 时加一 显示时间 结束 是 是 是 否 否 否 图 4-3 按键程序流程图 第四章 软件系统部分 - 24 - 4.1.4 显示程序的流程图设计 时间显示是先秒个位计算显示，然后是秒十位计算显示，再是分个位计算 显示，再然后是分十位显示，再就是时个位计算显示，最后是时十位显示。显 示程序的流程图如图 4-4 所示 图 4-4 显示程序流程图 开始 秒个位计算显示 秒十位计算显示 分个位计算显示 分十位计算显示 时个位计算显示 时十位计算显示 结束 第四章 软件系统部分 - 25 - 4.1.5 DS18B20芯片程序设计 系统程序的设计主要包括 C 程序主函数、DS18B20 复位函数、DS18B20 写字节函数、DS18B20 读字节函数、温度计算转换函数和显示函数等,系统主程 序设计流程图如图 4-5 所示。 开始 初始显示 读取温度值、发 温度转换命令 读出温度值计算处 理，送显示模块 图 4-5 温度测试程序流程图 第四章 软件系统部分 - 26 - 4.2 系统仿真 数字钟系统原理图数字钟系统原理图 P1.0VCC P1.1P0.0 P1.2P0.1 P1.3P0.2 P1.4P0.3 P1.5P0.4 P1.6P0.5 P1.7P0.6 RSTP0.7 P3.0VPP P3.1ALE P3.2PESN P3.3P2.7 P3.4P2.6 P3.5P2.5 P3.6P2.4 P3.7P2.3 XTALP2.2. XTALP2.1 GNDP2.0 AT89C52 SCLK 2 X2 3 I/O 5 X1 6 RST 7 DS1302 VCC R2R1 B2 BT1 3V R4R5R6R7 ALM + - RET VCC A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI/RB