毕业设计（论文）-家用电子闹钟设计.doc

南京铁道职业技术学院毕 业 论 文题 目： 家用电子闹钟设计 作 者： 学 号： 二级学院： 通信信号学院 系 ： 电子电气系 专 业： 电气自动化技术 班 级： 电气自动化1202 指导者： 评阅者： 2015 年 6 月毕业设计（论文）中文摘要家用电子闹钟设计摘要 电子闹钟使用单片机芯片、成本低、精度高、体积小、可靠性高、抗干扰能力强、设计简洁美观等特点，在现代家用生活中，已逐步取代原先的机械式钟表，越来越多的被采用。家用电子闹钟设计以石英晶体作为时钟基准信号，使用AT89C51作为设计主芯片，采用共阳极8位数码管作为显示器，利用定时器来实现电子计时的功能，并且利用仿真软件Proteus进行设计完善，实现家用电子闹钟的相应功能。关键词 AT89C51，电子闹钟，蜂鸣器，Proteus第 2 页 共 18 页目 次1 引言11.1 电子闹钟发展趋势11.2 电子闹钟的优势12 方案论证23 设计要求24 电子闹钟的硬件组成24.1 单片机最小应用系统44.2 矩阵式键盘54.3 电路显示设计74.4 闹铃设计85 设计程序85.1 C语言编程95.2 程序说明105.3 实现过程106 Proteus简介107 软件调试11结 论13致 谢14参 考 文 献15第 15 页 共 15 页1 引言电子闹钟设计功能主要利用其内部芯片定时/计数器实现。在简易时钟的基础上增加一个检测功能、一个键盘输入功能，通过软件编写，把闹铃时间存储在单片机里面，当电子闹钟的时间刚好达到所调置的闹铃时间，就会响铃，蜂鸣器发声报警。Intel研发推广了8051单片机。8051内核的公司购买，让51系列单片机被广泛推广应用于世界各地，供应链管理的最高产量。在Intel公司的不断研究下，8051单片机如今发展飞速。英特尔公司推出的单片机有特色、性能优良，主要利用的核心是8051单片机。单片机51系列是Intel供应管理中最基本的模型。在我国8051单片机得以广泛使用，主要其产品系列性价比十分优异。具有30年发展的单片机，今后将推行整个的CMOS技术，非CMOS技术的单片机将会被淘汰。单片机在未来的一个发展趋势是主流机，RISC架构将是今后所采用的架构。另外，为了提高性能，将软件嵌入单片微机中。单片机强大的技术发展，促使其ASMIC技术迅速的发展。1.1 电子闹钟发展趋势“立竿见影”我国古代就有根据竹竿在太阳下投影来判断时间的方法。早期的“日晷”于汉代以前被发明。我国古代西周时期出现的“土晷”计时器是最原始的。后来根据“土晷”的基础，又进行了进一步探索，发明了“圭表”。钟表鼻祖于古代苏颂宰相组织修建，它是一座水运仪象台。它的结构已经近似于钟表的结构。正因为有古代人对计时，钟表不断的进行探索，才有了今天钟表行业的辉煌。在西方，13世纪为了基督教徒作祷告，西方僧侣建造钟楼，宗教流传发展也在另一方面促使着钟表发展。所以，钟表的发展有着很长的历史，是有渊源的。在第十八世纪、第十九世纪，制造业逐渐意识到闹钟的工业化生产。如今，劳力士、浪琴、伯爵、卡地亚这些名表的品牌对我们来说已经并不陌生。好的品牌流传至今，我相信有他的优势所在。电子闹钟在我们的生产生活中不断涉及，进入到各个方面。原先的机械式钟表由于价格昂贵，不适合普通民众的选择。单芯片电子闹钟是一个发展创新的系统,是现代电子闹钟的发展趋势。现在，手机成为了我们的电子闹钟，电子闹钟的普及被进一步推广了。北极星、富达、康巴丝等厂家以价格低廉、使用便捷、精度高等优势迅速占领了市场。电子闹钟起源于70年代后期，石英指针式闹钟于1979年研究开发。在短短23年期间，仅仅上海的钟表厂的产量就相当可观，达到了1368.13万只。1.2 电子闹钟的优势电子闹钟使用单片机芯片，成本低、易于实现产品化、体积小、使用灵活，具有很高的性能价格比；所以电子闹钟才能够在我们生产生活中广泛普及。并且电子闹钟造型设计简洁美观符合现代生活要求。采用数码管作为显示器，耗电量小，电压低，价格相对低廉。目前，电子闹钟在中国向节能，环保，创新方向发展。加上电子闹钟软件编程灵活，使得电子闹钟的精度被大大提高了，但它的价格却十分低廉，更容易在我们生活中普及。如今，科技飞速发展，时间对我们来说变得至关重要，电子闹钟运用到人们日常生活的多个方面。电子闹钟的推广、普及使现代化的生活更方便、快捷。定时报警系统、定时空调、智能电饭煲等很多家用电器都是以电子闹钟设计为基准的。电子闹钟虽不起眼，但我们的生活却离不开它，在家居生活中占据重要地位。由于操作简单、价格低廉、使用广泛，因此研究电子闹钟系统，具有极大的意义。2 方案论证方案一：用MSP430作为电子闹钟单片机。MSP430是16位的单片机。本电子闹钟毕业设计采用单片机芯片是MSP430，它的优势十分显著。就功能方面来说，它的片上外围的模块资源较丰富，MSP430单片机功能齐全，并且对其他单片机相比，它的优势在于节能和低功耗。另外，可以实现在线编程也是MSP430的一个巨大的优势。由于它的造价较为昂贵，所以适合对项目精度要求非常高的实验中。方案二：用51作为电子闹钟单片机。51是8位的系列单片机。51单片机的功能和资源方面可能无法与MSP430单片机进行相比。51单片机优势在于它最早在国内使用，人们对51单片机操作更为熟悉。51单片机目前存在的一个缺陷就是现在它的在线编程功能还有待去探索。和MSP430相比较，操作上人们更为熟悉，价格上较为低廉。本项目，电子闹钟芯片用51单片机。由于51单片机是我们学过的项目教程，所以对它更为了解，操作起来也更为熟悉。并且MSP430的价格相对昂贵，以我们目前所学的知识操作起来并不熟悉。在精度方面来说，MSP430单片机更具有优势，MSP430更适用于精度高的实验中。是对于本项目来说，考虑到实验成本和时间，加上51单片机是我们所学过的单片机，所以采用51单片机系列作为芯片更为合适。3 设计要求 AT89C51是在本家用电子闹钟设计中选择的芯片。 1.能实现24小时制的走时功能。 2.能够对闹铃时间进行调整修改，当到达所预设的时间段驱动蜂鸣器报警。 3.显示器是采用了8位数码管，连接方式是共阳。 4.通过PC机实现远程控制。4 电子闹钟的硬件组成电子闹钟主要由单片机最小应用系统及矩阵式键盘，LED数码管显示器闹铃电路构成单片机应用硬件系统。如图1所示，闹钟整体的连接方式图。电子闹钟设计选用单片机设计主要有两种方式。一是采用时钟芯片。在一些选用时钟芯片的场合，对精度有着很高的要求。时钟芯片功能部件集成在芯片内部，它的功能很强大，能自动产生时钟等的相关功能。二是选用计数/定时器在单片机内部。本项目设计主要采用软件编写来实现时钟计数也就是第二种方法。在一些选用这种方式的场合，通常没有太高的要求对时钟的精度。在单片机内部设定定时器的工作方式会影响计时（见6.2初值计算）。机器周期100毫秒,用另一个定时器或者软件计数方法对基准时间计数，形成秒。通过累积到60次秒形成分，小时是通过分累积60次，而天是通过小时累积24次，以此类推，再通过LED数码管显示器显示时间。本家用电子闹钟项目用到的是51单片机。AT89C51是可擦除、可编程，带2K字节闪存的只读存储器（ROM）。本项目所使用的硬件电路设计是实验板，虽然单片机在实验板上体积很小，但它的功能却相当于实验板上的大脑。由于把内存，CPU，计数器/定时器，I/O接口电路和串口通信接口芯片等一些器件构成一个完整的微型计算机，又称为单片机。51系列单片机主要功能：(1)8位CPU。(2)片内128KB RAM。(3)片内4KB ROM/EPROM。(4)特殊功能寄存器区。(5)2个优先级的5个中断源结构。(6)4个8位并行I/O口（P0P3)。(7)2个16位定时器/计数器。(8)全双工串行口。(9)布尔处理器。(10)64KB数据外部存储器地址空间。(11)外部程序存储器地址空间64KB。(12)时钟电路及片内振荡器。1闹钟整体连接图4.1 单片机最小应用系统单片机最小应用系统主要包括：单片机电路模块、振荡电路模块、复位电路模块、电源接口模块四部分组成。单片机最小应用系统连接图，如图2所示。2单片机最小应用系统电路图4.1.1 单片机电路模块首先将40脚IC底座在单片机孔板上找到合适位置，放置单片机，然后P0端口（39至32脚）、P1端口（1至8脚）、P2端口(21 28脚)、P3端口（10至17脚）分别引出排阵，用于系统拓展。4.1.2 振荡电路模块首先将晶振两端与单片机18、19脚分别相接；然后将两个30PF的电容的一端与晶振的两个管脚相接；最后将两个电容另一端分别接地。4.1.3 复位电路模块单片机有多种形式的复位电路，按键电平复位电路是其中的一种。将200电阻R1，电解电容C1连接到9号脚上；然后将电容C1一端接VCC电源，R2电阻与地相连接，最后将电阻R1的另一端与复位开关相接，复位开关另一端接电源。 为了保证实验准确无误，防止上个实验数据影响。所以在单片机刚开始工作的时候，要使得单片机系统中的各部件以及CPU都处在一个初始化的状态。这样才能保证实验结果的准确性。(1)内部复位结构在单片机中，9号引脚作为它的复位端。将持续不间断的2个周期以上的高电平接到单片机复位端，就能够使其复位。内部复位的电路选用斯密特触发器，为了使单片机在内部复位的情况下，随机存储器不断电，不产生ALE和PSEN,并且RST引脚的噪声干扰情况也被得到抑制。而且在单片机内部存储的数据信息不会消失。内部RAM的内容不会在内部复位的过程中受到影响，只是SFR中的数据会受到影响。(2)外部复位复位部件会在单片机上电之后首先运行。所以，在单片机上电时会完成它的复位工作。因此，称为上电复位。在RST端接入电平+5V，并且保证不会突变电容（RST和VSS之间）电压。接通复位电路，RC电容通过电容放电，降低RST值，使电压一直下降直到0V。并且要保证RST结束，电路有高电平两个周期以上不间断，通过选择电容（VSS与RST之间）、电阻（VCC与RST之间）阻值。单片机在工作的过程中，可能会出现自身的误差或者外界因素干扰出现差错，这时需要按下RESET键使得实验重新开始运行。按键电平复位与上电自动复位原理基本一致，都是在VCC,RST,VSS之间连接适当的电容、电阻，同时为了保证电路成功复位，重置按钮按下的时间也应该在超过两个机器周期。4.1.4电源接口模块在单片机最小应用系统上设计电源接口模块，此模块主要为4个电源插口（均采用排阵），电源插口均为并联方式连接，电源输入端为P1.0至P1.7端口，P3.0至P3.7P2.0至P2.7端口可用于系统扩展，为其他模板提供电源，单片机的31脚必须接电源，表示使用片内ROM。4.2 矩阵式键盘矩阵键盘的特点是：I/O接口带线少，软件结构更复杂，更适用于关键场合。本电子闹钟设计中，采用矩阵式键盘实现调整时间、闹铃的功能，单片机P1.0P1.3作为行扫描端口与四根行线X0X3相连，P1.4P1.7把矩阵式键盘，作为列扫描端口与四根列线Y0Y3相连与单片机主板通过排针相连接。扫描键值如表2所示，按键与返回值之间的关系对应。若返回值为01000100则表示按键11被按下，返回值为01001000则表示按键12被按下，返回值为10000001则表示按键13被按下，返回值为10000010则表示按键14被按下。判断有无键按下：单片机的P1.0P1.3端电平置低，那么X0X3的四根行线为低电平。然后逐一按顺序测试四根列线Y0到Y3电平。如果存在列线为低电平，表示有键闭合在矩阵式键盘里，闭合的按钮在电平置低的列线上。若Y0到Y3检测出来的四根列线都是高电平，这就意味着所有的键都没有被按下在矩阵式键盘里。确定哪个键被按下：在检测时，X0X3线的电平都设置一个较低的水平。假若检测出的行线为低，那么就存在有键被按下在电平为低的行线里。再依次检测Y0Y3电平状态。假如检测出低电平的列线，这意味着按下的键为低电平行线和列线互相交叉的键。由于矩阵式按键里的按钮在被按下时存在机械抖动，在检测时会被错误地认为这个键连续多次被按下，会误导单片机判断，影响实验的准确性。误差时间大致在510ms，主要和键盘按钮的材料有关。所以在检测是否有键按下，要避免510ms的误差时间，以防出现判断失误。为了能够让单片机正确的确认被按下的按键，所以我们要考虑实验中的误差。这种减小误差的方式是常用软件获得输入/输出单片机抖动：信号端口，没有立刻确认哪个键闭合，而是在延长5ms或者更长时间之后再测试I/O信号，假如仍然相同，就说明有键被按下。按键11代表时间调节功能，按键12代表时间调节结束，按键13表示的是闹铃1时间调节，按键14是闹铃2时间调节。表2 返回值与按键对应表列号行号1234返回值1返回值2返回值3返回值41000100010001001000010100000110002001000010010001000100100001010003010000010100001001000100010010004100000011000001010000100100010004.3 电路显示设计本电子闹钟设计用到8位数码管来进行显示设计。在本电子闹钟设计可以进行采用的数码管有两种方法的连接方式：一种方法是共阴，一种方法是共阳。在实验设计的过程中，用到较多的数码管，因此连接方法采用共阳。共阳这种连接方式主要是将7段LED一端互相连接，再接到VCC上。需点亮哪段数码管只需在该段LED的另一端给出相应的低电平。对作为显示器7段数码管接通和截止控制主要取决于该段接入电平的高低。如果让数字在作为显示器的数码管正确的显示出来，就要让它的7段有秩序点亮和熄灭。数码管有两种工作方式：一种方法是静态显示，一种方法是动态扫描。而本项目所设计的电子闹钟需要使用到8位数码管，数码管使用较多，所以采用动态扫描显示。动态扫描是把实验项目中所用到的8位数码管的8个段线分别并联，然后将并联的8个段线接到单片机的某个端口上，由单片机控制端口输出的段码。单片机另一端接8位数码管公共极，接到单片机上的8位数码管是轮流依次点亮的。在同一时刻，接通作为实验显示器中8位数码管其中的一个数码管位选线，让在该位选线上的数码管状态处于截止。根据下表，表1。显示数字的管脚信号表，显示相应数字。则在相应的字型码会被输出在该段选线上。与此同时，只让某一固定的时间，仅有一位接通的数码管，并且有字符对应输出，而其他的7位是截止不亮的。如此逐一扫描的方式，就可以让8位数码管依次显示相应将要显示的数字。在本电子闹钟设计作为显示器的数码管有8位，在同一时刻，只有一位被点亮，也就是说只有一位数字显示出来。另外的7位数码管都是不亮的。因为数码管在逐一点亮的这个过程间隙是非常的短的，短到人眼不能够分辨出来是依次显示的。所以即使电子闹钟上的8位数码管是依次显示数字的，但我们人眼看起来是8位数码管同时显示数字。表1 显示数字的管脚信号显示数字abcdefg011111101011000021101101311110014011001151011011610111117111000081111111911110114.4 闹铃设计本电子闹钟设计用到的单片机芯片的蜂鸣器控制脚为P37。闹铃电路如下图3所示。本项目主要通过程序设计实现控制蜂鸣器发声，当时钟走到设定时间，蜂鸣器开始报警发声；在闹铃时间走时未到的情况下，闹铃电路不接通。有源蜂鸣器是本电子闹钟毕业设计硬件模块闹铃电路中用到的蜂鸣器。有源蜂鸣器的自身带有振荡源，当给实验板通电，闹铃电路接通后，有源蜂鸣器内部振荡源会发出音频信号。会产生磁场在通电后的线圈周围，在磁场中蜂鸣器膜片会振动发声。3 闹铃电路5 设计程序设计程序时，我们遵循自顶向下设计的原则，先设计好程序总体运行时的逻辑框图，主程序流程框图见图4所示。设计思路大致是:开始运行时先初始化要显示的时间（然后显示时间的秒值，延时3ms,再显示时间的分值，延时3ms，再显示时间的小时值，延时3ms,再显示时间之间的分隔符，延时3ms)调整时间，判断是否有键按下，通过比较得出键盘值，设定定时时间，设定闹铃时间，最后再返回显示时间的秒值处，再开始下一轮显示过程。（其中按键11代表时间调节功能、按键12代表时间调节结束、按键13表示的是闹铃1时间调节、按键14是闹铃2时间调节）4 主程序流程框图5.1 C语言编程#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuint time_t; /毫秒统计值uchar hour,min,sec; /数码管显示值，小时，分，秒uchar code led10=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6; /数码管显示09功能：主程序main()函数显示void main() sec=33; min=09; hour=19; while(1) display_num(sec,0x01); /显示秒 display_num(min,0x08); /显示分 display_num(hour,0x40); /显示小时 display_char(); /显示分隔符“” time_take(); /调用时间调整程序 功能：定时报警void time_take()if(hour_now=hour_a1&min_now=min_a1&sec_now6)/判断走时是否到设定值beep=0;/启动蜂鸣器elsebeep=1;/关闭蜂鸣器5.2 程序说明（1）定时器初值计算TMOD=0X01，选用T0定时器,计数器采用16位,即模式1。初始值= 2 X计时时间/机器周期（时间公式）由定时器的方式1可知X的值为16，定时时间为1ms,代入公式得；初值=216-1ms/1us=65536-1000=64536=(1111110000011000)2=0xfc18；由计算结果可知，0xfc为高8位值，0x18为低8位值。（2）时间初始化主程序中sec=33;min=09;hour=19是赋给时间的初始值，也就是程序刚运行时在数码管上显示的时间值。While(1)循环语句，由于其循环条件为1可看出，这是一个循环条件永远满足的死循环，也即该主程序是不断循环运行的循环体语句。（3）时间调整时间调整函数time_take( )的处理思路是这样的：先判断毫秒累加值是否到了1000，如果是，则秒累加值加1，同时，ms累计值为零，如果值是60秒的成绩，所积累的价值加上1秒，同时为零，如果累计为60，所累计的值加上1小时，同时为零，如果累计为24，则将累计值小时清零；以上判断只要任何一步没有满足条件，则退出该函数执行；如果以上条件都满足则进入到键盘扫描函数。5.3 实现过程单片机实验板是本电子闹钟设计所用到的硬件电路模块。由于本电子闹钟设计条件有限用Proteus测试实验准确性。这款Proteus仿真软件由英国公司出版开发,它具有把虚拟模型、PCB设计、电路仿真三种功能同时达到，使得其他仿真软件无法比拟。对学习单片机帮助极大，不仅设计的时间节省了，同时实验的成本也得到了降低。此虚拟仿真软件能极为逼真地仿真单片机应用程序的结果，在其仿真下，完全可以验证程序的正确性。主要步骤如下：打开Proteus界面，进行原理图绘制，将生成的.hex文件装入到AT89C51中，点“运行”键就可以看到电子闹钟的运行效果。6 Proteus简介Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布局、代码调试到单片机与外围电路协作仿真，一键切换到PCB设计。在很多单片机教程上，都有这款软件的简介和详细教程。作为项目设计的学习软件，其具有其他软件无法相比的优势。处理器的模式主要支持8051 HC11 PIC10/12/16/18/24/30 /DsPIC33、AVR，ARM,MSP430和8086的,Cortex和DSP系列处理器于2010年增加，其他系列处理器模型将会持续增加。它还支持IAR编译,KeiLC51和MATLAB编译器。7 软件调试在Proteus仿真软件中绘制原理图，在keilC51开发坏境中建立项目，调试程序，消除语法错误和逻辑错误，并将生成的.HEX文件下载到Proteus原理图中的AT89C51单片机内,通过keil控制Proteus运行仿真。运行过程中，可通过设置断点、单步运行、连续运行、查看变量等手段查看程序运行情况，验证程序设计结果。图5为编译生成.hex文件图。图6为运行的仿真效果。调试过程中，电子时钟走时不准，经反复调试发现是由于语句赋值延时造成，后经调整电时器秒时钟计数值加以修正，使其计时准确。5下载编译生成.hex文件6 仿真原理效果图结 论本电