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基于AT89C52单片机的电子时钟的硬件设计 第一章绪论第二章方案论证与比较第三章系统功能模块介绍第四章 探讨闪存AM29F016D第五章设计总结 1 1 3研究内容本文主要介绍用单片机控制时钟芯片实现电子时钟的方法 本设计由单片机AT89C52芯片和DS12887时钟芯片 LED数码管为核心 辅以必要的电路 构成了一个单片机电子时钟 时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用 是保证系统正常工作的基础 在一个单片机应用系统中 时钟有两方面的含义 一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号 主要由晶振和外围电路组成 晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢 二是指系统的标准定时时钟 即定时时间 它通常有两种实现方法 一是用软件实现 即用单片机内部的可编程定时 计数器来实现 但误差很大 主要用在对时间精度要求不高的场合 二是用专门的时钟芯片实现 在对时间精度要求很高的情况下 通常采用这种方法 典型的时钟芯片有 DS1302 DS12887 X1203等都可以满足高精度的要求 2 第二章方案论证与比较 2 1电子时钟的设计方案电子时钟是本设计的最主要的部分 根据需要 可利用两种方案实现 方案一 本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS12887A 该芯片内部采用石英晶体振荡器 其芯片精度不大于10ms 年 且具有完备的时钟闹钟功能 因此 可直接对其以用于显示或设置 使得软件编程相对简单 为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作 芯片内部包含锂电池 当电网电压不足或突然掉电时 系统自动转换到内部锂电池供电系统 而且即使系统不上电 程序不执行时 锂电池也能保证芯片的正常运行 以备随时提供正确的时间 方案二 本方案完全用软件实现数字时钟 原理为 在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时 分 秒信息 利用定时器与软件结合实现1秒定时中断 每产生一次中断 存储器内相应的秒值加1 若秒值达到60 则将其清零 并将相应的分字节值加1 若分值达到60 则清零分字节 并将时字节值加1 若时值达到24 则将十字节清零 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 基于软件电路和精度的考虑 本设计采用方案一完成电子时钟的功能 3 2 2数码管的显示方案方案一 静态显示 所谓静态显示 就是当显示器显示某一字符时 相应的发光二极管恒定的导通或截止 该方式每一位都需要一个8位输出口控制 静态显示时较小的电流能获得较高的亮度 且字符不闪烁 但当所显示的位数较多时 静态显示所需的I O口太多 造成了资源的浪费 方案二 动态显示 所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位 对于显示器的每一位来说 每隔一段时间点亮一次 利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示 但必须保证扫描速度足够快 字符才不闪烁 显示器的亮度既与导通电流有关 也于点亮时间与间隔时间的比例有关 调整参数可以实现较高稳定度的显示 动态显示节省了I O口 降低了能耗 由于方案一方便简单 还可以防止出现字符闪烁 采用方案一 2 4报警电路的选择方案 方案一 用555定时器组成的音频多谐震荡电路和一个扬声器构成 555定时器是一种模拟 数字混合式集成定时器 用它可以很方便的组成多谐振荡器 双稳态触发器和施密特触发器等脉冲电路 而且由于它工作可靠 使用方便 价格低廉 目前被广泛用于各种电子产品中 方案二 用一个三极管驱动的蜂鸣器作为系统的报警电路 其工作原理主要就是当温度要求超过设定的报警上限值时 报警电路就会自动的打开从而驱动蜂鸣器而引起报警 由于方案一稳定可靠 还可以调节声音的大小 采用方案一 4 2 3温度传感器的选择方案与论证 方案一 采用数字式温度传感器DS18B20 此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输 易于与单片机连接 可以去除A D模块 降低硬件成本 简化系统电路 另外 数字式温度传感器还具有测量精度高 测量范围广等优点 方案二 使用热敏电阻作为传感器 用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压 利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性 采集这两个电阻变化的分压值 并进行A D转换 此设计方案需用A D转换电路 增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的 会产生较大的测量误差 基于DS18B20的优点 采用方案一 5 3 2 1 1主要硬件AT89C52的介绍 单片机AT89C52的主要特性AT89C52有40个引脚 32个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含2个外中断口 3个16位可编程定时计数器 2个全双工串行通信口 2个读写口线 AT89C52可以按照常规方法进行编程 也可以在线编程 其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起 特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本 9 其主要功能特性如表1所示 6 表1单片机AT89C52的主要功能特性 7 3 2 3电源电路三端固定输出电压式稳压电源L78XXX系列运用其器件内部电路来实现过压保护 过流保护 过热保护这使它的性能很稳定 能够实现1A以上的输出电流器件具有良好的温度系数本产品有多种电压输出值5V 24V 因此产品的应用范围很广泛可以运用本地调节来消除噪声影响 解决了与单点调节相关的分散问题输出电压误差精度分为 3 和 5 3 2 3 1主要硬件三端稳压器7805的介绍 7805的封装图 8 3 2 3 2电源电路的工作原理 图6电源电路的原理在电子电路中 通常都需要电压稳定的直流电源供电 小功率的稳压电源的组成如下图所示 它由电源变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路四部分组成 先整流 可采用桥式整流电路 再滤波 可采用L型滤波电路或其他的电路 接着是稳压 可采用固定三端稳压电路78 系列或79 系列 输出电压是不可调的 或采用L7805可调三端稳压集成电路 输出电压是可调的 2 13 9 3 2 6典型时钟电路应用3 2 6 1单片机与时钟芯片的接法 时钟芯片DS12C887特性DS12C887实时时钟芯片功能丰富 可以用来直接代替IBMPC上的时钟日历芯片DS12887 同时 它的管脚也和MC146818B DS12887相兼容 由于DS12C887能够自动产生世纪 年 月 日 时 分 秒等时间信息 其内部又增加了世纪寄存器 从而利用硬件电路解决子 千年 问题 DS12C887中自带有锂电池 外部掉电时 其内部时间信息还能够保持10年之久 对于一天内的时间记录 有12小时制和24小时制两种模式 在12小时制模式中 用AM和PM区分上午和下午 时间的表示方法也有两种 一种用二进制数表示 一种是用BCD码表示 DS12C887中带有128字节RAM 其中有11字节RAM用来存储时间信息 4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息 称为控制寄存器 113字节通用RAM使用户使用 此外用户还可对DS12C88进行编程以实现多种方波输出 并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽 10 3 2 7 1温度传感器与单片机接口 DS18B20的主要特性 适应电压范围更宽 电压范围 3 0 5 5V 在寄生电源方式下可由数据线供电 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 DS18B20支持多点组网功能 多个DS18B20可以并联在唯一的三线上 实现组网多点测温 DS18B20在使用中不需要任何外围元件 全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 温范围 55 125 在 10 85 时精度为 0 5 可编程的分辨率为9 12位 对应的可分辨温度分别为0 5 0 25 0 125 和0 0625 可实现高精度测温 在9位分辨率时最多在93 75ms内把温度转换为数字 12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字 速度更快 测量结果直接输出数字温度信号 以 一线总线 串行传送给CPU 同时可传送CRC校验码 具有极强的抗干扰纠错能力 负压特性 电源极性接反时 芯片不会因发热而烧毁 但不能正常工作 11 NE555的主要特性555集成电路开始是作定时器应用的 所以叫做555定时器或555时基电路 但后来经过开发 它除了作定时延时控制外 还可用于调光 调温 调压 调速等多种控制及计量检测 此外 还可以组成脉冲振荡 单稳 双稳和脉冲调制电路 用于交流信号源 电源变换 频率变换 脉冲调制等 555集成电路内部有几十个元器件 有分压器 比较器 基本R S触发器 放电管以及缓冲器等 电路比较复杂 是模拟电路和数字电路的混合体 由于它工作可靠 使用方便 价格低廉 目前被广泛用于各种电子产品中 所以此次设计采用改装的555作为报警电路 报警电路的设计及工作原理 12 3 2 9 1数码管的工作原理数码管由7个发光二极管组成 行成一个日字形 它们可以共阴极 也可以共阳极 通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字 这就是它的工作原理 3 2 9 2数码管的显示器原理数码管是数码显示器的俗称 常用的数码显示器有半导体数码管 荧光数码管 辉光数码管和液晶显示器等 3 2 9驱动与显示电路 13 DM74LS154N的译码机理DM74LS154N是七段显示译码器输出高电平有效 用以驱动共阴极显示器 每一个四位 十六进制的译码器利用TTL电平二进制编码输入进去十六个互相独立输出中的一个 当两个输入频闪光 G1和G2都是低电平 这个 重要的是用四个输入地址线来输出 传输数据来自两个频闪光输出的中之一 用另外一个频闪光输出低电平 如果其中一个是高电平 这个 就会延迟到一个适合实现高性能译码器存储区 所有的输出都中断和输入钳位二极管提供将译码线使用减到最少 从而设计简单的系统 8 显示电路图 14 第四章 探讨闪存AM29F016D 外部闪存AM29FO16D特点AM29FO16D属于大容量的存储器 可以存储16Mbit的数据 它具备E2PROM的特点 但比E2PROM有更优越的性能和更低的价格 在此列举以下几点 1 读写操作使用同一的电压 内部自动产生编程电压 2 内嵌擦除和编程算法 自动在指定地址写人或校验数据 提供命令接口 状态寄存器 3 扇区保护功能 具有防止任何扇区进行擦除或编程的硬件保护机制 4 准备好信号RYBY信号 输出指示信号 提供硬件检测 5 硬件复位RESET引脚 芯片复位时 内部状态机自动处于读状态 6 最快读取速度70ns 单字节字节编程时间为7us 标准扇区擦除时间为1s CMOS工艺 具有100000次写人 擦除寿命 15 AM29FO16D在LED显示系统中的应用 不仅在故障 掉电 停机状态下 能确保数据记录数据的安全 而且电擦除的方式为程序和数据的存储和更新提供了方便 各种字体的汉字库也得以集成在到系统板上 使大屏幕显示内容更加丰富 地址扩展用的译码和锁存电路集成到系统上的可编程逻辑器件EPIK30中 简化了AM29FO16D与单片机的接口电路 提高了系统的可靠性 目前 闪速存储器在其他领域 如寻呼系统 智能仪表 嵌人式系统等领域也得到了广泛的应用 随着闪速存储器件朝着容量越来越大 工作电压越来越来低 支持共同接口标准的方向发展 将会使闪速存储器硬件接口和软件的设计越来越容易 应用范围将更加广泛 AM29FO16D与单片机接口 16 第五章设计总结 本设计能够很准确的走时 并能够通过软件对时钟进行时间调整 功能介绍 显示XXXX XX XX年月日 XX XX XX时间 XX度年月日 时间可调 调整键SET按下年位闪亮 此时按下UP键该个位数值加1 当加到9时 再按下UP键则该个位显示0 十位加1 若果按下DOWN键该个位数值减1 当减到0时 再按下DOWN键则该个位显示9 十位减1 继续按下调整键SET月位闪亮 此时按下UP该个位数值加1 当加到9时再按下加UP键则该个位显示0