基于单片机的数字时钟设计.doc

本科生毕业论文(设计)打印专用纸目录摘要 2ABSTRACT2第一章 绪论3 第二章 方案论证与设计5 2.1设计要求5 2.2方案论证5 2.3 系统设计6 2.3.1 晶体振荡器电路6 2.3.2 分频器电路6 2.3.3 时间计数器电路6 2.3.4 内部时钟电路6 2.3.5复位电路7 2.2.6 按键部分8 2.2.7声光报警电路8 2.2.8 根据各模块的功能互相连接成数字时钟的控制电路9第三章 设计所用器件及硬件介绍10 3.1器件10 3.2 硬件介绍10 3.2.1 AT89S52103.2.3 DS1302133.2.4 DHT2114第四章 系统软件总体设计15 4.1 主程序流程图15 4.2 温湿度传感模块程序设计15 4.3 时钟模块程序设计174.3.1 写单字节数据程序模块184.3.2 读单字节数据程序模块184.3.3 初始化设置程序模块19 4.4 按键处理19第五章 调试与检测安全20参考文献：21致谢21基于单片机的数字时钟设计蒋德春物理与电子信息学院电子信息工程专业2007级 指导教师：肖顺文摘要：本设计以数字集成电路技术为基础，单片机技术为核心。软件设计采用模块化结构，C语言编程。系统通过LCD显示数据，可以显示温湿度、公历日期（年、月、日、时、分、秒）以及星期，并实现闹钟功能。在内容安排上首先描述系统硬件工作原理，着重介绍了各硬件接口技术和各个接口模块的功能；其次，详细的阐述了程序的各个模块和实现过程。关键词：单片机;万年历;DS1302;LCD12864;DHT21Design of digital clock based on MCU Jiang DechunSchool of physics and electronic information Grade 2007 Instructor: Xiao ShunwenAbstract: The design is based on digital integrate circuit, microcontroller technology is the core of the system. The software design uses module structure and adapts microcontroller C language. The system can display temperature,calendar date, including year, month, week, hour, minute, second and week. And it has alarm clock. The work principle of the system is discussed in this paper, hardware interface and module function are reported primarily in the system. Every module of program is described explicitly. Keywords: MCU ; Calendar; DS1302; LCD12864;DHT21第一章 绪论 20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。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想和设计方法。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。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。 数字钟是采用数字电路实现对.时,分,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。数字钟已成为人们日常生活中：必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时自动报时及自动控制的领域LCD（ Liquid Crystal Display），对于许多的用户而言可能是一个并不算新鲜的名词了，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想像 早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。现在的时代其实还是模拟时代，而未来的时代从目前的发展趋势来看是数字时代。显示器智能化操作，数字控制、数码显示是未来显示器的必要条件。随着数字时代的来临，数字技术必将全面取代模拟技术，LCD不久就会全面取代现在的模拟CRT显示器。 第二章 方案论证与设计2.1设计要求本设计准备实现的功能： (1) 显示公历日期功能（年、月、日、时、分、秒以及星期） (2) 可通过按键切换年、月、日及时、分、秒的显示状态(3) 可随时调校年、月、日或时、分、秒(4) 可实时显示温、湿度(5) 可动态完整显示年份，实现真正的万年历显示(6) 可实现闹钟功能2.2方案论证 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3、3代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性方向发展。凌阳16位单片机有丰富的中断源准确度相当高，并且C语言和汇编兼容的编程环境也很方便来实现一些递归调用。I/O口功能也比较强大，方便使用。用凌阳16位单片机做控制器最有特色的就是它的可编程音频处理，可完成语音的录制播放和识别。这些都方便对设计进行扩展，使设计更加完善。成本也相对低一些。但是，在控制与显示的结合上有些复杂，显示模组资源相对有限，而且单片机的稳定性不是很高，而且就需要完成万年历这个不太复杂的设计可以不必用凌阳16位单片机来完成，采用单片机既能够实现既定功能，成本也不高。综合考虑最后选择用单片机来作为中心控制器件。 液晶显示效果出众，可以运用菜单项来方便操作，比较简单，所以，最后选择液晶显示方案。 传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。但是，如果在系统中采用时钟芯片DS1302，则能很好地解决这个问题。2.3 系统设计2.3.1 晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体荡器电路。本设计中的震荡电路如图2.1所示 图2.1 晶振电路 2.3.2 分频器电路分频器电路将高频方波信号经分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数，分频器实际上也就是计数器。2.3.3 时间计数器电路 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器，分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器，分个位和分十位计数器为60进制计数器而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器。2.3.4 内部时钟电路内部时钟电路如图3.2所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常石英晶体和电容组成的并联谐振回路，晶体振荡器选择12MHZ，电容采用30PF 图2.2 内部时钟电路2.3.5复位电路 MCS-51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。上电复位：上电复位电路是种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。图2.3 复位电路RC上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。电路如图2.3所示2.2.6 按键部分本设计总的用了五个按扭开关作为键盘，用于调整时间和设置状态。电路如图3.4所示 图2.4 按键电路 2.2.7声光报警电路利用单片机的IO口控制一个8550的三极管，三极管控制蜂鸣器的电源通断。从而实现输出声音。声光报警电路如图2.5所示 图2.5 声光报警电路2.2.8 根据各模块的功能互相连接成数字时钟的控制电路 图2.6控制模块示意图第三章 设计所用器件及硬件介绍3.1器件 6V电源 单片机1个液晶显示器LCD12864 1个DS1302 1个 DHT21 1个电阻 10K的滑动变阻器1个、1K的电阻的2个、2K的1个、排阻1个、导线若干8550三极管晶振12M的一个 32768K的一个电容（30P的4个）蜂鸣器1个LED二极管1个1f电容2个、47f的电解电容1个、轻触开关6个、发光二极管2个3.2 硬件介绍3.2.1 AT89S52 本设计采用的是PDIP封装40管脚的单片机，各引脚如图3.1所示。40个引脚中， 4组8位共32个I/O口，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，现在对这些引脚的功能加以说明：（1）Pin9:RESET/Vpp复位信号复用脚，当AT89S52通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统开始复位。而RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址单元开始执行程序。（2）Pin29:PESN当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。（3）Pin30:ALE/PROG 地址锁存允许信号端。单片机上电后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号， ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。（4）Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，89S52单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指图3.1 AT89S52的PDIP封装引脚图图3.1 AT89S52的PDIP封装引脚图令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令 3.2.2 LCD12864简介 1. 概述 带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块2. 基本特性（1）低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）（2）显示分辨率:12864点 （3）内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选) （4）内置 128个168点阵字符 （5）2MHZ时钟频率 （6）显示方式：STN、半透、正显 （7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）视角方向：6点（9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10 （10）通讯方式：串行、并口可选 （11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压 （12）无需片选信号，简化软件设计（13）工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +603.模块接口说明管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式（见注释1）16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效（见注释2）18VOUT-LCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（+5V）（见注释3）20KVSS背光源负端（见注释3）*注释1：如在实际应用中仅使用串口通讯模式，可将PSB接固定低电平，也可以将模块上的J8和“GND”用焊锡短接。*注释2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。*注释3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。 3.2.3 DS1302S1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，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，一个月小与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，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部引脚分图4.2 DS1302的外部引脚分配配如图4.2所示及内部结构如图4.3所示。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。图4.3 DS1302的内部结构各引脚的功能为：Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当Vcc2Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc22.0V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。其总的流程图如图4.4 所示：图 4.4 DS1302 程序流程图在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。DS1302的程序设计包含有写单字节数据程序模块、读单字节数据程序模块、初始化设置程序模块。4.3.1 写单字节数据程序模块该程序模块是对DS1302进行写一个字节数据的子程序，其工作方式：先给RST端口一个低信号，禁止数据传递。然后拉低SCLK，确保写数据前SCLK被拉低，升高RST，延时2us，稍微等待，使硬件做好准备。取出dat的第0位数据写入1302，稍微延时等待，使硬件做好准备，拉高SCLK, 上升沿写入数据,再稍微等待，重新拉低SCLK，形成脉冲将dat的各数据位右移1位，准备写入下一个数据位。循环八次，传送一个字节。4.3.2 读单字节数据程序模块该程序模块是对DS1302进行写一个字节数据的子程序，其工作方式：先给RST端口一个低信号，禁止数据传递。然后拉低SCLK，确保写数据前SCLK被拉低，升高RST，延时2us，稍微等待，使硬件做好准备。将dat的各数据位右移1位，因为先读出的是字节的最低位，稍微延时等待，使硬件做好准备，如果读出的数据是1，写在dat的最高位。将SCLK置于高电平，为下降沿读出，形成脉冲。将dat的各数据位右移1位，准备写入下一个数据位。循环八次，接受一个字节。4.3.3 初始化设置程序模块该程序模块是对DS1302进行初始化，根据写状态寄存器命令字，写入不保护指令，然后分别对秒、分、时、日、月、周、年 进行初始化，初始化结束后，写入保护指令。流程图如4.5所示。图4.5 DS1302初始化流程图4.4 按键处理当系统在正常显示状态下要进行调整时，按一下切换键进入按键处理中断程序，并且此时默认的是调整年，在液晶显示器上显示N，此时按加或减按钮可以进行加减调整，若再按一下切换键，则跳到月上显示Y，同样可以调整加减，同样的道理，进入日(R)、时(S)、分(F)、秒(M)的调整，最后再按一下切换键时退出中断程序，星期系统自动的调整过来。第五章 调试与检测安全 调试与检测过程中，要接触各种电路和仪器设备，特别是各种电源及高压电路，高压大容量电容器等，为保护检测人员安全，防止测试设备和检测线路的损坏，除严格遵守一般安全规程外，还必须注意调试和检测工作中制定的安全措施。5.1 供电安全、测量仪器安全：大部分故障检测过程中都必须加电，所以调试检测过的设备仪器，最终都要加电检验。抓住供电安全就抓住了安全的关键。5.2 几个必须记住的安全操作观念：（1） 不通电不等于不带电。对大容量高压电容只有进行放电操作后才可以认为不带电。（2） 断开电源开关不等于断开电源。可能相关部分仍然带电，只有拔下电源插头才可认为是真正断开电源。（