基于单片机控制的多功能数字时钟设计

编号编号 XXXXXXXXXXXXXX 毕毕 业业 论论 文文 20122012 届本科 届本科 题题 目 目 基于单片机控制的多功能数字时钟设计基于单片机控制的多功能数字时钟设计 学学 院 院 物理与机电学院物理与机电学院 专专 业 业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 作者姓名 作者姓名 XXXXXXXXXXXX 指导教师 指导教师 XXXXXXXX 职称 职称 XXXXXX 完成日期 完成日期 20122012 年年 5 5 月月 1616 日日 二 一二 年 五 月 目目 录录 摘 要 1 Abstract 2 第一章 绪论 3 1 1 多功能时钟研究背景 3 1 2 多功能时钟国内外发展现状 4 1 3 单片机简介 4 1 3 1 单片机的发展 4 1 3 2 单片机的分类 5 1 4 本文的主要内容及意义 6 第二章 多功能数字时钟系统方案论证 7 2 1 显示模块选择方案 7 2 2 数字时钟模块选择方案 7 2 3 温度采集模块选择方案 8 第三章 多功能数字时钟系统总体设计 9 3 1 多功能数字时钟系统的组成 9 3 2 多功能时钟系统的控制要求 10 3 2 1 时间与日历显示 10 3 2 2 温度检测及调整 10 3 2 3 时间手动设置 10 3 2 4 闹铃设置 10 第四章 多功能数字时钟硬件设计 11 4 1 系统硬件总图构成及原理 11 4 2 AT89S52 介绍 11 4 3 时钟模块 12 4 4 温度测量模块 13 4 4 1 DS18B20 芯片介绍 13 4 4 2 DS18B20 的工作原理 14 4 4 3 DS18B20 工作过程 14 4 5 LCD 液晶显示模块 15 4 6 晶振电路 16 4 6 1 晶振电路的原理 16 4 6 2 晶振电路的作用 17 4 6 3 晶振电路图 17 4 7 复位电路 18 4 7 1 复位电路的原理 18 4 7 2 复位电路复位方式 18 4 7 3 复位电路图 19 4 8 本章小结 19 第五章 多功能数字时钟系统软件设计 20 5 1 系统总体设计 20 5 2 系统主要模块流程图 20 5 2 1 温度测量流程图 20 5 2 2 时间与闹铃流程图 21 第六章 系统调试与仿真 22 6 1 Keil Vision2 软件平台 22 6 1 1 编写程序代码 22 6 1 2 按照系统硬件连线图连接好系统并调试 22 6 2 键功能介绍 23 6 3 Protues 仿真 23 总结 26 参考文献 27 附录 A 源程序代码 28 附录 B 外文翻译 51 外文文献原文 51 中文文献译文 55 XX学院本科生毕业论文 设计 诚信声明 本人郑重声明 所呈交的本科毕业论文 设计 是本人在指导老师 的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 成果不存在知识产权争议 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已 在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 亲笔签名 二O 年 月 日 打印 X XX X学学院院本本科科生生毕毕业业论论文文 设设计计 开开题题报报告告 论论文文题题目目基于单片机的多功能时钟设计 学学生生姓姓名名XX所所属属学学院院物理与机电专专业业电气工程年年级级08级 指指导导教教师师XXX所所在在单单位位物理与机电职职称称XX开开题题日日期期 2011 12 2 0 选择的依据 1 本选题的理论 实际意义 随着生活节奏的加快 人们时间观念的加强 时钟已经成为人们日常生活中不可 或缺的一部分 而如何在时钟的基础上 根据人们生活的需要增加相应的功能以及方 便于人们的生活 成为时钟设计方面的重点 而传统的数字时钟 大多都只能显示小 时 分钟等信息 而且作用单一 没有定时 闹铃等功能 单片机具有微型化 可靠性高 耗电低 环境要求不高 灵活性好等优点 以其 极高的性价比 广泛应用于仪器仪表中 而且功能也比电子或数字电路更加强大 基 于单片机的多功能时钟设计 可以使时钟更加完善 而且单片机的集成性 也使时钟 设计方便 外表美观 基于单片机的时钟设计也具有重要的实践意义 能使自己在其中学到许多新的知 识并提高实践能力 2 综述有关本选题的研究动态和自己的见解 时钟 自从它发明的那天起 就成为人类的朋友 但随着科技的飞速发展 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 人们对时间计量的精度要求也越来越高 应用越来越广 怎样让时钟更好地为人 民服务 这就要求人们不断设计出新型时钟 传统的时钟虽然也可告诉人们时间 但 功能单一 性能与造价上没法与电子时钟相比 现今 高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器 由于电子钟 石英表 石英钟都采用了石英技术 因此走时精度高 稳定性好 使用方便 不需要经常调校 数字式电子钟用集成电路计时时 译码代替了机械式转动 用 LCD 显示器代替指针显 示进而显示时间 减小了计时误差 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 计方案 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 3 目前国内外发展的动态 现在单片机种类繁多 各具特色 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片 机 从 8 位 16 位到 32 位 数不胜数 应有尽有 甚至单片机厂商还可以根据用户 的要求量身定做 制造出具有自己特色的单片机芯片 此外 现在的产品普遍体积小 重量轻 这就要求单片机除了功能强和功耗低外 还要求其体积要小 目前 单片机正朝着高性能和多品种方向发展的趋势进一步向 CMOS 化 低能耗 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 基于单片机设计的电子时钟因此也获得了体积小 精度准确等特点 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 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 更为先进的电子钟的研究有着良好的发展前景和 市场潜力 4 研究方案 研究目标 通过理论推理和使用计算机的模拟 掌握单片机型号的选取 使用单片机设计时 钟的具体方法 研究内容 本文主要研究单片机的工作原理和编程 单片机的硬件连接 以及基于单片机的 多功能时钟设计 研究方法 以所学专业知识为基础 通过理论推理和使用计算机的模拟 利用计算机对单片 机进行源程序的模拟 研究单片机的时钟设计 通过模拟使单片机控制 LED 显示时 间 论文进度安排和采取的主要措施 1 2011 年 10 月 26 日 2011 年 11 月 20 日 收集查阅资料 了解设计内容 要求 熟悉设计题目 准备报告 2 2011 年 11 月 21 日 2011 年 12 月 20 日 根据设计要求与资料的归纳整理 撰写 开题报告 3 2011 年 12 月 21 日 2012 年 3 月 10 日 设计出主电路与控制电路 完成初稿 4 2012 年 3 月 11 日 2012 年 4 月 30 日 修改初稿 完成仿真与分析 5 2012 年 5 月 1 日 2012 年年 5 月 15 日 完成毕业设计 对细节进行修改 6 2012 年 5 月 16 日 2012 年 5 月 25 日 最后修改定稿 7 2012 年 5 月 26 日 2012 年 6 月 5 日 准备答辩 主要措施 通过自己多方面的查阅资料和同学老师分析讨论 在老师的指导下完成 设计 主要参考资料和文献 1 荣霞 谭宝成 倪原 张荷芳 MCS 51 单片机教学实验装置的研制 M 西安 西安 工业院 2006 9 2 丁志刚 李刚民 单片微机计算机原理与应用 M 北京 电子工业出版社 1990 3 何立民 MCS 51 系列单片机应用系统设计 系统配置与接口技术 M 北京 北 京航空航天大学出版社 1993 4 宋建永 基于 MCS 51 与 8279 的智能时控开关设计 J 电脑与电信 2008 09 5 万胜前 基于 KeilC51 软件的电子钟设计与制作 J 鄂州大学学报 2007 年第 2 期 6 孙涵芳 徐爱卿 MCS 51 96 系列单片机原理及应用 修订版 M 北京 北京航 空航天大学出版社 1996 7 李晓静 液晶显示控制器与单片机的接口及编程 J 电子技术 2004 年第 6 期 8 向继文 基于 AT89C51 的电子钟系统设计 J 机电产片开发与创新 2007 年第 2 期 9 万胜前 基于 KeilC51 软件的电子钟设计与制作 J 鄂州大学学报 2007 年第 2 期 10 李广弟 单片机基础 M 北京 北京航空航天大学出版社 1994 指导教师意见 签 名 亲笔签名 年 月 日 教研室 意见 负责人签名 年 月 日 学 院 意 见 负责人签名 年 月 日 单单片片机机控控制制的的多多功功能能数数字字时时钟钟设设计计 摘摘 要要 随着生活节奏的加快 人们时间观念的加强 时钟已经成为人们日常生活中 不可或缺的一部分 而如何在时钟的基础上 根据人们生活的需要增加相应的功能以 及方便于人们的生活 成为时钟设计方面的重点 本文介绍了一种以 AT89S52 单片机 为核心 以 DS18B20 为温度传感器的具有温度显示功能的多功能数字时钟设计方案 设计采用了 LED 液晶屏幕显示系统 由实时时钟 数字温度显示 定时闹铃 日期显 示等功能模块组成 整个系统的大部分功能都由软件实现 使得系统的稳定性大大提 高 本系统的软件部分由 Keil 环境下以单片机语言实现 关关键键词词 AT89S52单片机 数字温度 LED液晶显示 Abstract Due to the speeding up of circadian rhythm and the strengthening of the concept of time the clock has become an integral part of daily life Based on the clock how to increase the corresponding function and convenience in people s life according to the needs of human life increase becomes the focus of the clock design This paper introduces an AT89S52 SCM as the core based on the temperature sensor DS18B20 for temperature display with the function of multi function digital clock design scheme The design includes the LED LCD screen display system by real time clock digital temperature display regular alarm and date display function module Most of the system functions are realized by software which makes the stability of the system greatly increased The software part of this system realize by microcontroller language under the Keil environment Keywords AT89S52 SCM Digital Temperature LED LCD Display 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 多功能时钟研究背景多功能时钟研究背景 现在是一个知识爆炸的新时代 新产品与新技术层出不穷 电子技术的发展更是 日新月异 可以毫不夸张的说 电子信息技术的应用无处不在 电子技术正在不断地 深入我们的生活 改变着我们的世界 在这个快速发展的年代 时间对人们来说是越 来越宝贵 在更快更精准的生活同时 人们对时间的要求精度越来越高 而且事情一 旦多了以后 很可能遇到重要的事情而忘记了时间 这将会带来很大的损失 因此我 们需要一个定时的系统来提醒这些忙碌的人 随着科技的发展和社会的进步 人们对数字钟的要求也越来越高 传统的时钟已 不能满足人们的需求 传统时钟功能单一 体积大 而且不具有定时等功能 相反 由于单片微型计算机 Single Chip Microcomputer 的问世 多功能数字钟不管在性 能还是在样式上都发生了质的变化 由于单片机具有体积小 使用灵活 成本低 易 于产品化 抗干扰能力强 可在各种恶劣条件下工作等特点 广泛应用于仪器仪表中 结合不同类型的传感器 可实现诸如电压 功率 频率 湿度 温度 流量 速度 厚度 角度 长度 硬度 元素 压力等物理量的测量 如是 单片机成为了低复杂 问题 中等复杂度控制问题的选择 单片机设计的多功能时钟就是一个简单的例子 在生活中 我们发现 有时病人要在注射药物前做皮试实验 以防止过敏 因此护士 有必要在一定时间之后记录其结果 此时时间的精度尤为重要 而一旦病人过多 忘 记了记录时间 那么这会带来很大的麻烦 传统时钟只能显示时间等信息 功能单一 此时并不能满足 因此需要多功能时钟来满足要求 将单片机嵌入时钟构成一体 开发出多功能时钟 可以让人们对于时间更好的把 握 是发展的必然结果 现代的数字钟不仅需要数字电路技术而且需要模拟电路技术和单片机技术 增加 了数字钟的功能 其电路可以由实时时钟模块 环境温度检测模块 人机接口模块 报警模块等部分组成 利用软件编程尽量做到硬件电路简单稳定 减小电磁干扰和其 他环境干扰 充分发挥软件编程的优点 减小因元器件精度不够引起的误差 但是数 字钟还是可以改进和提高如选用更精密的元器件 但与机械式时钟相比已经具有更高 的准确性和直观性 且无机械装置 具有更长的使用寿命 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 1 21 2 多功能时钟国内外发展现状多功能时钟国内外发展现状 现在我国集成电路产业已经经过 30 多年的发展现已形成了近百家的产业规模 其中具备一定设计规模的单位有 20 多家 其中北京华大 大唐 深圳华威和无锡矽 科四家设计公司的销售额超过了 1 亿元 2000 年 我国集成电路总产量为 58 80 亿 块 销售额近 200 亿元 产量和销售额分别比 1999 年增长 50 3 和 75 并且集成电 路芯片目前主要采用 5 6 英寸硅片 0 8 1 微米技术 大部分设计公司的技术水 平在 0 8 0 5 微米之间 最高设计水平可达 0 35 微米 不少设计公司可以设计上万 门的集成电路产品 而北京华大和深圳华威最高可设计 80 万门的电路 目前国内的 通信芯片行业取得了突破性进展 例如南京东南大学射频与光电集成电路研究所设计 的第一批芯片已成功通过测试 其中的 3 个芯片还达到世界先进水平 填补了我国高 速 CMOS 集成电路设计的技术空白 在此基础上开发出的实用产品可以打入光纤通信 接口设备市场 多家外国著名公司也纷纷在中国建立起集成电路设计公司 对于多功能数字时钟及普通时钟 目前的技术发展趋势是 完善数字时钟的各项 功能 并在其基础上开发出更多的适合各种工作场合的新功用 从经济效益上看 相对于几乎淘汰的一般时钟 数字时钟占据了绝对的市场占有 率 从产品的创新性 新颖性看 多功能时钟无论在 外观设计和系统设计以及整体 性能方面都很优越 而且由于体积小 携带远比一般时钟小巧方便 基于单片机专用 控制系统开发等技术有更深入的研发 这些对数字时钟产品的开发和新品的推出等具 有了坚实的技术路线基率基准和时间基准溯源到地面的国家级时频基准上 以至于根 本上摆脱对卫星授时系统的依赖 从而可同时提供高可靠 高质量时间和频率服务的 光纤时间同步网 为忙碌中的人提供精确的时间 满足人们对于时间的高度把握和加 强人们的时间观念 1 31 3 单片机简介单片机简介 1 3 1 单片机的发展 单片微型计算机虽然历史非常短暂 但发展十分迅猛 自1971年美国Intel公司 首先研制出4位单片机4004以来 它的发展大致分为五个阶段 第一阶段 1971 1976 年 属于萌芽阶段 发展了各种四位单片机 多用于家用 电器 计算器 高级玩具等 第二阶段 1976 1980 年 为初级八位机阶段 发展了各种低档 8 位机 第三阶段 1980 1983 年 高性能 8 位单片机阶段 发展了各种高性能 8 位单片 机 第四阶段 1983 1986 年 16 位微控制器阶段 发展了 MCS 96 系列等 16 位单片 机 第五阶段 1986 年至今 1986 年英国 Inmos 公司推出 32 位 IMST414 单片机 1990 年 2 月美国推出 i80860 32 位超级单片机轰动了整个计算机界 1 3 2 单片机的分类 根据发展情况单片机可分为以下几种 1 按适用范围划分为通用型与专用型单片机 2 按是否提供并行总线分为总线型与非总线型单片机 总线型单片机设置有 DB AB CB引脚 用于扩展并行外围器件 非总线型单片机的外围器件通过串行接口 连接 3 按大致的应用领域分为工业型与家电型单片机 工业型单片机满足工业控制 用机 家电型单片机多数为专用单片机 1 3 3 MSC 51 单片介绍 MCS 51 的硬件结构特点如下 1 一个 8 位中央处理器 CPU 2 一个片内振荡器和时序电路 3 4KB 的程序存储器 ROM 或 EPROM 4 128B 的数据存储器 RAM 5 两个 16 位的定时 计数器 6 一个可编程全双工串行口 7 4 个 8 位的可编程并行 I O 口 共 32 根 I O 线 8 可寻址 64KB 的程序存储器和 64KB 的外部数据存储器 9 21 个特殊功能寄存器 SFR 10 5 个中断源 两个中断优先级的中断结构 图 1 1 MSC 51 单片机结构框图 1 41 4 本文的主要内容及意义本文的主要内容及意义 时间观念的越发提高是人类在社会生存的必要基础 随着时代的潮流 对时间的 精确要求越高 自1283年在英格兰的修道院出现史上首座以砝码带动的机械钟 到现 在的各种小巧玲珑的数字时钟 时钟的普及率基本上已经到达了100 此础 这将对 数字时钟更新换代提供技术依据 为整个产业的发展起了积极推动作用 可以肯定的是 数字时钟一定会在全国范围内几近取代一般时钟 而且位于公共 场所的数字时钟内部的单片机通用定时接口技术 能同时提供统一的时间和频率同步 可以很好地兼容现有的频率同步网和时间同步网 以及兼容现有通信网中所有需同步 的系统与设备 基于光纤并采用通用定时接口技术 还可以将现有的频时同步 时钟 也由原本最初仅仅能计时的功能 发展到现在的定时 闹铃 秒表等多功能 本课题 就是在这样的背景下进行的 本文介绍了单片机的发展 分类 应用领域和数字时钟出现的必然 在此基础上 展望了单片机及多功能数字时钟的前景 重点研究了单片机对多功能数字时钟的设计 其中定时闹铃的设计 数字温度显示设计是核心内容 最后 初步搭建了多功能数字 时钟的系统模型 并对其工作中的部分参数进行了测试和分析 第第二二章章 多多功功能能数数字字时时钟钟系系统统方方案案论论证证 2 12 1 显示模块选择方案显示模块选择方案 显示部分是本次设计的重要部分 一般有以下两种方案 方案一 采用 LED 显示 LED 的结构及连接如图 2 1 所示 图 2 1 LED 数码管结构与连接图 LED 显示器可以分为有静态显示方式和动态显示方式两种 静态显示就是当数 码管显示某个字符时 相应的段恒定的导通 直到要显示下一个字符为止 数码管工 作在静态显示方式时 共阴极 COM 端要接地 若为共阳极 COM 端接在 5V 电源 每位的段选线应分别与一个 8 位锁存器的输出端相连 数码管的各位是相互独立的 且要显示字符一经确定 相应锁存器的输出将维持不变 静态显示数码管一直在工作 因而数码管静态显的亮度较高 在这种显示方式编程比较容易 管理也较简单 但占 用 I O 口线资源较多 浪费资源 成本较高 需要加装锁存器 因而在显示位数较多 的情况下 我们大都都采用数码管动态显示方式进行显示 而对于动态显示方式 虽可以避免静态显示的问题 但设计上如果处理不当 易 造成亮度低 有闪烁等问题 方案二 采用 LCD 显示 LCD 液晶显示具有丰富多样性 灵活性 电路简单 易于控制而 且功耗小等优点 对于信息量多的系统 是比较适合的 鉴于上述原因 我们采用方案二 2 22 2 数字时钟模块选择方案数字时钟模块选择方案 数字时钟是本设计的核心的部分 根据需要可采用以下两种方案实现 方案一 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 则将时字节 清零 该方案具有硬件电路简单的特点 但当单片机不上电 程序将不执行 而且由 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 方案二 方案采用 Dallas 公司的专用时钟芯片 DS1302 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 可使系 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 基于时钟芯片的上述优点 本设计采用方案二完成数字时钟的功能 2 32 3 温度采集模块选择方案温度采集模块选择方案 由于现在用品追求多样化 多功能化 给系统加上温度测量显示模块 能够方便 人们的生活 使该设计具有人性化 方案一 采用热敏电阻 可满足 40 摄氏度至 90 摄氏度测量范围 但热敏电阻精度 重复 性 可靠性较差 对于检测小于 1 摄氏度的信号是不适用的 方案二 采用温度传感器 DS18B20 DS18B20 可以满足从 55 摄氏度到 125 摄氏度测量范 围 且 DS18B20 测量精度高 增值量为 0 5 摄氏度 在一秒内把温度转化成数字 测 得的温度值的存储在两个八位的 RAM 中 单片机直接从中读出数据转换成十进制就是 温度 使用方便 基于 DS18B20 的以上优点 我们决定选取 DS18B20 来测量温度 第第三三章章 多多功功能能数数字字时时钟钟系系统统总总体体设设计计 3 13 1 多功能数字时钟系统的组成多功能数字时钟系统的组成 多功能数字时钟主要由显示模块 时钟模块 晶振和复位电路 键盘输入与温度 模块组成 图 3 1 所示为五个主要部分系统组成原理图 图 3 1 多功能数字时钟系统组成原理图 系统工作时通过输入模块将点击按钮输入的电信号输入到单片机中 但是由于输 入信号繁杂 而且可能同时输入 因此在系统设计的时候需要注意信号的优先级问题 在系统组成方面 由于采用分块设计的方法 这样不仅减小了编程难度 使程序易于 理解 而且又能方便的添加各项功能 程序可分为闹铃程序 时间显示程序 日期显 示程序 时间调整程序 闹钟调整程序 定时调整程序 闹铃声音程序等 运用此方 法 关键在于各模块的兼容和配合 若各模块不匹配会出现意想不到的错误 显示模块是多功能数字时钟系统的关键部分 闹铃程序 时间显示程序 日期显 示程序 调整程序 都需要在LED液晶屏幕上进行显示 需要根据LED 响应速度快慢 特性 选择合适的方案及控制策略 并在输出中考虑优先级的问题 晶振和复位电路也是多功能数字时钟系统的重要组成部分 一旦系统出现问题 就需要对单片机进行复位 系统采用AT89S52单片机进行设计 这种单片机 是一种带8K字节FLASH存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能CMOS 8位微处理器 支持2种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU停 止工作 允许RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 AT89S52单片机为40 引脚双列直插芯片 与工业标准的 MCS 51指令集和输出管脚相兼容 这样 既能 做到经济合理又能实现预期的功能 在程序方面 采用分块设计的方法 这样不仅减小了编程的难度 使程序更加好 理解 又能方便添加各项功能 程序可分为闹钟的声音程序 闹钟调整程序 时间显 示程序 时间调整程序 日期显示程序 定时调整程序等 硬件部分主要分以下电路模块 显示电路用 LM016L 液晶显示器 对星期 年份 小时 分钟 月份 和秒 日 通过动态扫描进行显示 从而节约了 I 0 端口 使电 路更加简单 3 23 2 多功能时钟系统的控制要求多功能时钟系统的控制要求 本设计能模拟基本的多功能时钟系统 用 DS1302 进行时间和日历的计时 用 LCD 数码管进行显示 还能调整系统时间 设定闹铃和显示温度 3 2 1 时间与日历显示 时间与日历显示可以提示看钟表的人们准确的时间与日期 提高他们的时间观念 以便于尽早的对今后的时间做出安排 日历显示还可以提醒人们对于之后一段时间的 合理分配利用 3 2 2 温度检测及调整 随着社会科学的快速发展 医学 化学 物理学 建筑学等之类对于温度的要求 越来越精细 温度检测器作为多功能时钟统的基本组成部分 在时钟系统中占有重要 的地位 现阶段 温度检测器检测方式有很多 各有其优缺点 如红外线检测 热敏 电阻检测 电偶检测等 3 2 3 时间手动设置 除计时系统根据程序自动控制 也可以通过键盘进行手动设置 增加了人为的可 控性 避免系统程序崩溃或是系统出错等 键盘是单片机系统中最常用的人机接口 一般情况下有独立式和行列式两种 前者软件编写简单 但在按键数量较多时特别浪 费 I 0 口资源 一般用于按键数量少的系统 后者适用于按键数量较多的场合 但 是在单片机 I 0 口资源相对较少而需要较多按键时 此方法仍不能满足设计要求 本系统要求的按键控制不多 且 I 0 口足够 可直接采用独立式 3 2 4 闹铃设置 对于闹铃来说 其目的主要是为了防止使用者遗忘重要事件的时间 由于事情过 多容易遗忘 因此需要时钟来定时提醒 除此之外 定时闹钟在外挂某些设备后就能 达成精确到毫秒的程序控制生产 第四章第四章 多功能数字时钟硬件设计多功能数字时钟硬件设计 4 14 1 系统硬件总图构成及原理系统硬件总图构成及原理 本设计采用 AT89S52 单片机作为控制器 时间日历计时显示采用 LCD 数码管 温度与闹铃都可以再 LCD 上显示出来 如图 4 1 为系统总电路原理图 图 4 1 多功能数字时钟总硬件图 整套系统由显示模块 时钟模块 晶振和复位电路 键盘输入与温度模块组成 4 24 2 AT89S52AT89S52介绍介绍 AT89S52具有以下标准功能 8k字节Flash 256字节RAM 32 位I O 口线 看门狗定时器 2个数据指针 三个 16位定时器 计数器 一个 6向量2级中断结 构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52可降至0Hz 静态逻 辑操作 支持 2种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU停止工作 允许RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM内容被保存 振荡 器被冻结 单片机工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 1 10 0 1 11 1 1 12 2 1 13 3 1 14 4 1 15 5 1 16 6 1 17 7 1 18 8 1 19 9 2 20 0 4 40 0 3 39 9 3 38 8 3 37 7 3 36 6 3 35 5 3 34 4 3 33 3 3 32 2 3 31 1 3 30 0 2 29 9 2 28 8 2 27 7 2 26 6 2 25 5 2 24 4 2 23 3 2 22 2 2 21 1 V VC CC C P P0 0 0 0 A AD D0 0 E EA A P PP P A AL LE E P PR RO OG G P PS SE EN N X XT TA AL L2 2 X XT TA AL L1 1 G GN ND D P P0 0 1 1 A AD D1 1 P P0 0 2 2 A AD D2 2 P P0 0 3 3 A AD D3 3 P P0 0 4 4 A AD D4 4 P P0 0 5 5 A AD D5 5 P P0 0 6 6 A AD D6 6 P P0 0 7 7 A AD D7 7 P P2 2 7 7 A AD D1 15 5 P P2 2 6 6 A AD D1 14 4 P P2 2 5 5 A AD D1 13 3 P P2 2 4 4 A AD D1 12 2 P P2 2 3 3 A AD D1 11 1 P P2 2 2 2 A AD D1 10 0 P P2 2 1 1 A AD D9 9 P P2 2 0 0 A AD D8 8 T T2 2 P P1 1 0 0 T T2 2 E EX X P P1 1 1 1 P P1 1 2 2 P P1 1 3 3 P P1 1 4 4 M MO OS SI I P P1 1 5 5 M MI IS SO O P P1 1 6 6 S SC CK K P P1 1 7 7 R RX XD D P P3 3 0 0 T TX XD D P P3 3 1 1 I IN NT T0 0 P P3 3 2 2 I IN NT T1 1 P P3 3 3 3 T T0 0 P P3 3 4 4 T T1 1 P P3 3 5 5 W WR R P P3 3 6 6 R RD D P P3 3 7 7 R RS ST T 图 4 2 AT89S52 引脚图 4 34 3 时钟模块时钟模块 4 3 1 时钟芯片DS1302的工作原理 DS1302在每次进行读 写程序前都必须初始化 先把SCLK端置 0 接着把 RST端置 1 最后才给予SCLK脉冲 DS1302的控制字的位7必须置1 若为0则不能 把对DS1302进行读写数据 对于位6 若对程序进行读 写时RAM 1 对时间进行读 写 时 CK 0 位1至位5指操作单元的地址 位0是读 写操作位 进行读操作时 该位为 1 该位为0则表示进行的是写操作 控制字节总是从最低位开始输入 输出的 4 3 2 DS1302的字节 DS1302控制字节的高有效位 位7 必须是逻辑1 如果它为0 则不能把数据写 入DS1302中 位6如果0 则表示存取日历时钟数据 为1表示存取RAM数据 位5至位1 指示操作单元的地址 最低有效位 位0 如为0表示要进行写操作 为1表示进行读 操作 控制字节总是从最低位开始输出命令字节的格式如下表4 1所示 D7D6D5D4D3D2D1D0 1R CA4A3A2A1A0R W 表4 1 DS1302字节 4 3 3 DS1302的寄存器 DS1302有12个寄存器 其中有7个寄存器与日历 时钟相关 存放的数据位为BCD 码形式 此外 DS1302 还有年份寄存器 控制寄存器 充电寄存器 时钟突发寄存器及 与RAM相关的寄存器等 时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄 存器内容 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类 一类是单个RAM单元 共31个 每 个单元组态为一个8位的字节 其命令控制字为C0H FDH 其中奇数为读操作 偶数 为写操作 另一类为突发方式下的RAM寄存器 此方式下可一次性读写所有的RAM的31 个字节 命令控制字为FEH 写 FFH 读 图 4 3 时钟模块硬件图 4 44 4 温度测量模块温度测量模块 4 4 1 DS18B20芯片介绍 DS18B20是一种用一根信号线与一根返线来实现相互通信的集成电路芯片 采用 这种芯片构成的微型局域网系统具有成本低 建网快特点 非常适合现场应用 数字 温度计芯片DS18B20就是DALLAS公司推出的系列一线总线产品之一 它支持DALLAS触 摸接口 可以与处理器进行双向数字通信 性价比很高 是一种使用非常方便的廉价 经济温度传感器 DS18B20内部电路核心是一个直接数字输出的温度传感器 它可将 55 125 范围内的温度值按9位 10位 11位 12位的分辨率进行量化 且以上 的分辨率都包括一个符号位 因此对应的温度量化值分别是0 5 0 25 0 125 0 0625 即最高分辨率为0 0625 工作电压范围为3 0 5 5 4 4 2 DS18B20的工作原理 用DS18B20数字温度芯片测量温度的原理如图4 4所示 它没有采用传统的A D转 换原理 如逐次逼近法 双积分式和算术A D等 而是运用了一种将温度直接转换为 频率的时钟计数法 计数时钟由温度系数低的振荡器产生 因而非常稳定 而计数的 闸门周期则由温度系数很高 即对温度非常敏感 的振荡器来决定 计数器中的预置值以 55 时的计数值为基准 在闸门开放计数期间 每当计数 值达到0 则温度寄存器就加 温度寄存器中的预置值也以 55 的测量值为基准 同时计数器的预置值还与斜坡累加器电路有关 该电路用于补偿振荡器对温度的抛物 线特性 因此还要用时钟脉冲针对这个非线形校正预置值作计数操作 直至计数值达 到0为止 如果此时闸门还未关闭 则再重复计数过程 斜坡累加器补偿了振荡器对 温度的非线形特性 从而可以获得较高的温度测量分辨率 改变相对于测温量化级的 计数量大小即可获得不同的分辨率 图4 4 温度测量的原理框图 4 4 3 DS18B20工作过程 在测温时对DS18B20进行操作的步骤如下 a 初始化 READ ROM指令 代码33H 每次对DS18B20进行操作之前都要对其进 行初始化 主要目的在于确定温度传感器是否已经连接到单总线上 b 查找DS18B20 SEARCH ROM指令 代码FOH 该指令可使处理器通过排除法来 辨别总线上的DS18B20 c 匹配DS18B20 MACTH ROM指令 代码55H 只有完全符合64位ROM序列的 DS18B20才能响应其后的指令 当然 单点测温时可以使用SKIP ROM CC H 指令来 跳过这一步 d 发送温度转换指令 CONVERT 指令代码44H 发送该指令后应查询总线上的 电平 当电平为高时 温度转换完成 e 读取温度值 READ SCRTCHPAD指令代码BE H 将该指令发出后 就可从总线 上读取表示温度的两字节的二进制数 整个测温过程中的第4 5步才是DS18B20进行测温并将结果进行数字化转换和输出 的过程 DS18B20接收到转换命令 44H 将立刻实施温度转换 并将结果存储到16位 便笺式存储器中 数据格式为符号位扩展的二进制补码 然后用读便笺式存储器命令 BE H 将所得数据顺序置于总线上 最低位在前 最高位定义为符号位以表示温度 的正负 图4 5 温度测量模块的硬件图 4 54 5 LCDLCD 液晶显示模块液晶显示模块 LCD 液晶显示模块采用 LCD1602 型号 具有很低的功耗 正常工作时电流仅 2 0mA 5 0V 通过编程实现自动关闭屏幕能够更有效的降低功耗 LCD1602 分两行 显示 每行可显示多达 16 个字符 LCD1602 液晶模块内部的字符发生存储器 CGROM 已经存储了 160 个不同的点阵字符图形 通过内部指令可实现对其显示 多样的控制 并且还能利用空余的空间自定义字符 其接线如图 4 6 所示 图4 6 液晶显示模块的硬件图 4 64 6 晶振电路晶振电路 4 6 1 晶振电路的原理 晶振是晶体振荡器的简称 在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串 联一个电容的二端网络 电工学上这个网络有两个谐振点 以频率的高低分其中较低 的频率是串联谐振 较高的频率是并联谐振 由于晶体自身的特性致使这两个频率的 距离相当的接近 在这个极窄的频率范围内 晶振等效为一个电感 所以只要晶振的 两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路 这个并联谐振电路加到一个负反馈 电路中就可以构成正弦波振荡电路 由于晶振等效为电感的频率范围很窄 所以即使 其他元件的参数变化很大 这个振荡器的频率也不会有很大的变化 晶振有一个重要的参数 那就是负载电容值 选择与负载电容值相等的并联电容 就可以得到晶振标称的谐振频率 一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器 注意是放大器不是反相器 的两端接 入晶振 再有两个电容分别接到晶振的两端每个电容的另一端再接到地 这两个电容 串联的容量值就应该等于负载电容请注意一般IC的引脚都有等效输入电容 这个不能 忽略 一般的晶振的负载电容为15p或12 5p 如果再考虑元件引脚的等效输入电容 则 两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择 4 6 2 晶振电路的作用 对于晶振来说 微控制器的时钟源可以分为两类 基于机械谐振器件的时钟源 如晶振 陶瓷谐振槽路 RC 电阻 电容 振荡器 一种是皮尔斯振荡器配置 适用 于晶振和陶瓷谐振槽路 另一种为简单的分立RC振荡器 基于晶振与陶瓷谐振槽路的 振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数 RC振荡器能够快速启动 成 本也比较低 但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差 会在标称输出频率 的5 至50 范围内变化 但其性能受环境条件和电路元件选择的影响 需认真对待振 荡器电路的元件选择和线路板布局 在使用时 陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须 根据特定的逻辑系列进行优化 具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感 但在过 驱动时很容易产生频率漂移 甚至可能损坏 影响振荡器工作的环境因素有 电磁 干扰 EMI 机械震动与冲击 湿度和温度 这些因素会增大输出频率的变化 增加 不稳定性 并且在有些情况下 还会造成振荡器停振 上述大部分问题都可以通过使 用振荡器模块避免 这些模块自带振荡器 提供低阻方波输出 并且能够在一定条件 下保证运行 最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器 硅振荡器 晶振模块 提供与分立晶振相同的精度 硅振荡晶振器的精度要比分立RC振荡器高 多数情况下 能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度 选择振荡器时还需要考虑功耗 分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流 以及电路内部的电容值所决定 CMOS放大器功耗与工作频率成正比 可以表示为功率 耗散电容值 比如 HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF 在4MHz 5V电源下 工作时 相当于1 8mA的电源电流 再加上20pF的晶振负载电容 整个电源电流为 2 2mA 陶瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容 相应地也需要更多的电流 相比之 下 晶振模块一般需要电源电流为10mA 60mA 硅振荡器的电源电流取决于其类型与 功能 范围可以从低频 固定 器件的几个微安到可编程器件的几个毫安 一种低功 率的硅振荡器 如MAX7375 工作在4MHz时只需不到2mA的电流 在特定的应用场合优 化时钟源需要综合考虑以下一些因素 精度 成本 功耗以及环境需求 4 6 3 晶振电路图 本数字时钟设计用内部时钟 其晶振模块如下图4 7 图4 7 晶振电路图 4 74 7 复位电路复位电路 4 7 1 复位电路的原理 单片机在启动时都需要复位 以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态 并从 初态开始工作 而不是一上电或刚复位完毕就工作 防止CPU发出错误的指令 执行 错误操作 单片机复位电路设计的好坏 直接影响到整个系统工作的可靠性 89系列 单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的 当系统处于正常 工作状态时 且振荡器稳定后 如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期 24 个振荡周期 以上 则CPU就可以响应并将系统复位 4 7 2 复位电路复位方式 单片机系统的复位方式有 手动按钮复位 手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平 一般采用的办法是在RST 端和正电源Vcc之间接一个按钮 当人为按下按钮时 则Vcc的 5V电平就会直接加到 RST端 手动按钮复位的电路如所示 由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十 毫秒 所以 完全能够满足复位的时间要求 上电复位 AT89S52的上电复位只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端 下接一个电阻 到地即可 对于CMOS型单片机 由于在RST端内部有一个下拉电阻 故可将外部电阻 去掉 而将外接电容减至1 F 上电复位的工作过程是在加电时 复位电路通过电容 加给RST端一个短暂的高电平信号 此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回 落 即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间 为了保证系统能够可靠地复 位 RST端的高电平信号必须维持足够长的时间 上电时 Vcc的上升时间约为10ms 而振荡器的起振时间取决于振荡频率 如晶振频率为10MHz 起振时间为1ms 晶振频 率为1MHz 起振时间则为10ms 在复位电路中 当Vcc掉电时 必然会使RST端电压迅 速下降到0V以下 但是 由于内部电路的限制作用 这个负电压将不会对器件产生损 害 另外 在复位期间 端口引脚处于随机状态 复位后 系统将端口置为全 l 态 如果系统在上电时得不到有效的复位 则程序计数器PC将得不到一个合适的初值 因此 CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序 4 7 3 复位电路图 本数字时钟设计的复位电路为手动复位构成 其模块如下图4 8 图4 8 复位电路图 4 84 8 本章小结本章小结 本章主要对多功能数字时钟系统的组成原理及其各部分的特性进行了分析 1 对多功能数字时钟系统的组成进行了分析 阐述了各组成部分在系统中的作 用 2 提出了有关单片机的知识 说明了其原理 分析了单片机的工作特