多功能数字钟设计.doc

课题：多功能电子数字钟班 级 学生姓名 学号 指导教师 多功能电子数字钟一、绪论1.1 引言随着微电子技术和超大规模集成电路技术的不断发展，家用电子产品不但种类日益丰富，而且变得更加经济实用，单片微型计算机体积小、性价比高、功能强、可靠性高等独有的特点，在各个领域得到了广泛的应用。数字钟是一种应用非常广泛的日常计时工具，数字显示的日历钟已经越来越流行，特别是适合在家庭居室、办公室、大厅、会议室、车站和广场等使用。LCD数字显示的日历钟显示清晰直观、走时准确、可以进行夜视，并且还可以扩展出多种功能。功能也越来越齐全，除了时、分、秒显示及闹铃。但通过我们对各种电子钟表、历的不断观察总结发现目前市场的钟、历都存在一些不足之处，比如：时钟不精确、产品成本太高、无环境温度显示等，这都给人们的使用带来了某些不便。为此设计了一种功能全面、计时准确、成本低廉的基于51单片机的多功能数字钟设计。二、功能要求1. 数字钟能用LCD液晶显示时、分、秒、年、月、日、和星期并能调节闹钟。2. 数字式温度计要求测温范围-50100C，LCD液晶直读显示。三、系统设计3.1方案论证与设计3.1.1 控制部分的方案选择1. 用可编程逻辑器件设计。可采用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。设计起来结构清晰，各个模块，从硬件上设计起来相对简单，控制与显示的模块间的连接也会比较方便。但是考虑到本设计的特点，EDA在功能扩展上比较受局限，而且EDA占用的资源也相对多一些。从成本上来讲，用可编程逻辑器件来设计也没有什么优势。 2. 用凌阳16位单片机设计。凌阳16位单片机有丰富的中断源和时基，方便本实验的设计。它的准确度相当高，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。3. 主控芯片使用AT系列AT89S52单片机，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。本系统采用了此方案。3.1.2测温部分的方案选择1.在日常生活及工农业生产中经常要乃至温度的检测及控制，传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。2.与前面相比，采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55125，最大分辨率可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。3.1.3 显示部分的选择1. 8段数码管虽然可视范围十分宽，而且经济实惠，也不需要复杂的驱动程序，但操作繁琐，显示的内容简单。2. 相比于数码管，液晶显示方式虽然价格相对较贵，但液晶显示效果出众，可以运用菜单项来方便操作，。所以最后选择LCD液晶显示方案。3.2数字钟系统组成按照系统设计功能的要求，确定数字钟系统由主控制器、时钟模块、测温电路、显示模块、键盘接口共5个模块组成。总体系统构成框图如图3.2所示。键盘扫描控制电路AT89S52主控制器闹钟定时DS18B20温度探测LCD显示电路图3.2 数字钟系统构成框图四、硬件电路设计 系统由主控制器STC89C51、温度传感器DS18B20传感器、LCD显示电路及键盘扫描电路,闹铃电路组成。系统原理图如图4.1所示 图4.1系统原理图4.1 主控器 STC89C52 宏晶公司生产的ST89C52单片机采用高性能的静态80C51设计，由先进工艺制造，并带有非易失性Flsah程序存储器。它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片，市场应用最多。主要性能特点有： 8KB Flash ROM，可以檫写1000次以上，数据保存10年。 256字节内部RAM。 电源控制模式 时钟可停止和恢复； 空闲模式； 掉电模式。 6个中断源。4个中断优先级。 4个8位I/O口。 全双工增强型UART。 3个16位定时/计数器，T0、T1（标准80C51）和增加的T2（捕获和比较）。 全静态工作方式：024MHz。4.2 DS18B20温度传感器测温电路主要使用温度传感器DS18B20，由于LCD液晶实现温度显示。4.2.1 温度传感器原理DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要示通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.03.5V；零待机功耗；温度以9或12数字量读出；用户可定义的非易失性温度报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20采用3脚PR35封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图3.2.1所示。64位ROM 和单线接口图4.2.1DS18B20内部结构图存储器与控制逻辑高速缓存温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器 I/OCVDD4.2.2 DS18B20与单片机接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为引线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式。单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。其原理框图如图4.2.2所示。4.2.2 DS18B20与单片机接口电路43 显示电路设计 显示部分主要采用LCD液晶显示，LCD液晶采用1602尺寸的液晶显示器。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD1602LCD主要技术参数： 显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm1602LCD尺寸图图4.3 1602LCD尺寸图4.4按键接口电路由于按键只有3个，采用独立式接法，并用查询法完成读键功能。按键功能图如下： 图4.4按键功能图4.5 软件仿真Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。软件仿真图如下：图4.5软件仿真图五、软件设计软件设计主要由时钟模块，温度采集模块，按键控制模块，显示模块等组成5.1主程序设计图5.1.主程序框图5.2时钟模块设计时钟模块采用单片机自身的定时中断进行设计。定时器T0用于时间计时。定时溢出中断周期设为50ms，中断进入后先进行定时中断初值校正，当中断累计20次（即50ms*20=1s）时，对秒计数单元进行加以操作。最大计数值为23时59分59秒。在计数单元中，采用十进制BCD码计数，满10进位。 T0中断计时程序流程图如图5.2所示。 图5.2 T0中断计时程序流程图5.3温度采集模块温度采集模块程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等等。DS18B20温度计主程序流程图如图4.3所示。 图4.3 DS18B20温度计主程序流程图六、调试及性能分析6.1调试步骤系统的调试分为硬件调试和软件调试。其中硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊现象。时钟和测温部分的硬件电路很简单， DS18B20只通过1根线与单片机相连接，很容易检测，主要是检测引脚晶振和电源是否接好。另外可以通过软件来调试硬件，如编写一个简单的显示程序来测试显示电路连接是否正确。接下来可进行软件调试，。最后调试日历、时间、闹钟、报警和温度程序。主要步骤如下：1. 开闹铃时显示闹铃符号，关时不显示；2. 设置闹铃按1下进入 设置状态；按2下，退出设置状态；3. 设置时间按1下进入设置状态，并停止计时；按2下，推出设置状态，并开始计时；4. 当设置闹铃、时间没按下时，调时、调分不起作用；5. 不可以在设置时间的过程中设置闹铃，不可以在设置闹铃的过程中设置时间；6. 设置闹铃后，闹铃时间在第一行显示；7. 切换温度用到了调时键，为避免冲突，看温度与设置时间、设置闹铃不可同时有效；8. 每当设置闹铃时，闹铃都显示上次定时的时间,设置完后，闹铃消失；6.2性能分析计时器最关键的是计时的精度，由于数字钟中用自身的中断计时，经测试制作的数字钟，误差较大，设计可以通过换用标准晶振或用软件进行修正。七、总结通过本次课程设计，我对本专业学到的知识有了进一步的了解。加强了我的学习能力和分析问题解决问题的能力，让我意识到理论联系实际的重要性。实际操作中我遇到了很多问题，通过老师的耐心指导还有来自同学们的帮助，我独立自主的完成了本次课程设计。相信在未来的工作中我会从这次课程设计中得到很多帮助及指导，当遇到困难时最初想到的不因该是放弃，而是想该如何去完成这件事。机会只会留给那些曾经准备，正在准备，时刻准备着的人。参考文献1 代启化.基于Proteus的电路设计与仿真J.现代电子技术.2006,第19期.2 曹洪奎;马莹莹 基于Proteus单片机系统设计与仿真J. 辽宁工学院学报07年04期3 侯玉宝 基于Proteus的51系列单片机设计与仿真M电子工业出版社，2008.2702884 蔡希彪,曹洪奎; 单片机电子时钟系统的设计与仿真 J;中国科技信息; 2007年04期5 方怡冰.单片机课程的教学与实验改