电子闹钟企划案).doc

1 简介 电子闹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 壁挂式 LED 数码管显示的日历钟逐渐受 到人们的欢迎 51 电子闹钟是集电子技术 数字显示技术为一体的高产品 具 有按时闹铃 显示清晰直观 走时准确 可以进行夜视 使用 方便等优点 并且还可以扩展出多种功能 高端的电子闹钟还 集成了多项功能 如播发音乐 短时间照明 室内温度显示 简单的算学计算 甚至天气预报功能等 首先介绍设计电子闹钟所涉及的主要硬件和特性 然后说明软 件设计的思路 程序结构及流程 并在测试软件上进行调试和修改 以完成电子闹钟的基本要求 即可以随意设定起始时间 有秒显示 功能 有 12 24 世制选择 可以设定闹钟 停电时由电池供电等功 能 现代社会电子闹钟发挥着很大的作用 也是它存在和发展的一 个重要方面 尤其是在代表集成电路技术的发展方面 通过不断提 高电子闹钟的计时的精确度可以极大促进定时技术芯片的发展 同 时电子闹钟与其他嵌入式电子产品一样是微处理器的应用 通过电 子闹钟的设计可以很好的掌握电子设计技术 2 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 概述 1 1 1 2 本课题研究的主要内容 1 1 2 51 电子闹钟简介 1 1 2 1 开发的目的和意义 2 1 2 2 51 电子闹钟的优点 2 1 2 3 51 电子闹钟的特点 2 第二章 系统方案的设计 3 2 1 系统概述 3 2 1 1 系统功能描述 3 2 1 2 系统方案的确定 3 2 1 3 系统设计思路与步骤 4 2 2 芯片基本工作原理及其应用 5 2 2 1 AT89S51 简介 5 2 2 2 引脚介绍 5 3 第一章 绪论 节节 1 01 1 011 1 1 1 概述概述 电子闹钟在科学技术高度发展的今天 千家万户都少不了它 所以很多家庭 个人都需要有一个电子闹钟 为人们提供报时方便 但普通电子闹钟不够方便实 用 本文给出了一种以 51 芯片电子闹钟设计方法 从而给人们带来更为方便的 工作与生活 a a 1 1 1 51 电子闹钟发展趋势 现代的快节奏生活给人们的精神上带来了很大压力 如何排解或缓解这些 压力已经成为很多人关心的问题 单片机电子闹钟是具发前闹钟创新性的系统 它代表了时代的发展趋势 2007 年 无论从国内外行业发展趋势 还是从闹钟 市场准入的要求来看 节能 环保 创新都已成为中国家电企业无法回避的大 问题 在原材料价格不断上涨 下游渠道商实力膨胀 价格战越来越激烈 行 业利润日趋微薄的背景下 日前 中国的电子闹钟在节能化 环保化 创新型 转变过程中 正进行新一轮闹钟赛跑 目前 国内专业 5151 电子闹钟厂家的数量正在迅速增长 5151 电子闹钟市场 在未来的三五年内会高速增长 新技术 新产品也会不断出现并投入应用 b 1 1 2 本课题研究的主要内容 设计一个 51 电子闹钟 1 能随意设定走时起始时间 2 12 小时 24 小时两种制式可选 以适应不同的需要 3 能指示秒节奏 即秒指示 4 采用交直流供电电源 与石英钟不同的是 电子钟一般采用数码管 等显示介质 因而必须以交流供电为主 以直流电源为后备辅助电源 并能自 动切换 该设计主要包括 按键 显示程序单元部分 AT89S51 单片机芯片 74HC245 驱动 LED 显示电路 集成电路 74HC245 和 LM386 各 1 个 4 节节 1 02 1 021 1 2 2 5151 电子闹钟简介电子闹钟简介 a 1 2 1 开发的目的和意义 目的 设计一个 51 电子闹钟的 该闹钟可由使用者自己设定一个时间 若想设置闹铃 应先按下复位按键 然后长时间按下 设置 按键 第一个数码 管会显示 C 然后变为 00 00 00 此时进入闹铃设置状态 设置方法跟上 面一样 闹铃设置完后 下一步要设置当前时间 调整方法跳到第一步 这样 设置好后 她就能按照主人的意思 定时的把你闹醒啦 意义 电子闹钟已经是现代生活中经常用到的工具之一 传统的电子闹钟 只是机械控制 另外 体积也很大 又不美观也不实用 而现在我设计的电子闹钟 是用单片机做的 只要简单的设置好后 她就能按照主人的意思 定时的把你闹 醒啦 也能给人们的生活带来方便 b 1 2 2 51 电子闹钟的优点 1 简单好用 美观 体积小 实用 2 用电量少 电压低 节能 环保 创新 按键 显示程序单元部分 AT89S51 单片机芯片 74HC245 驱动 LED 显示电路 外接 3 个按钮组成键盘 AT89S51 为 51 内核 另外 AT89S51 本身 无专门的液晶驱动接口 因此 本时钟采用数码管显示方式 数码管作为一种 主动显示器件 具有亮度高 价格便宜等优点 而且市场上也有专门的时钟显 示组合数码管 51 电子闹钟的用途 我设计的电子闹钟是用单片机做的 只要简单的设置 好后 她就能按照主人的意思 定时的把你闹醒啦 也能给人们的生活 工作 学习带来方便 c 1 2 3 51 电子闹钟的特点 1 帮助您排解或缓解那些来自现实生活的压力 2 数码管作为一种主动显示器件 亮度高 价格便宜等 显示数字清晰 3 简单好用 可任意设 24 式时间 4 使用 LED 发光 省电 灯泡寿命长 5 第第 II II 条条第二章第二章 系统方案的设计系统方案的设计 节节 2 01 2 012 2 1 1 系统概述系统概述 a 2 1 1 系统功能描述 本系统是利用AT89S51为51内核 集成电路74HC245和LM386各1个 制作完成一个 电子闹钟 该设计中采用液晶显示或数码管显示 因此 本时钟采用数码管显 示方式 充分体现系统的简易性 使我们了解简易闹钟的设计方法 并自己动 手设计电路和编写实现闹钟功能的程序 简易闹钟要实现以下功能 1 能正 确显示闹钟的走时2 可以进行当前时间的设置3 可以设置闹钟时间 并在时 间到时发出响声 整个系统的任务要求 1 输入数字按键的功能 保证数字的输入 2 复位电路的功能 所有时间回到初始化状态 用于启动设定时间参数 对时或定闹 3 显示电路的功能 当输入数字时显示 24 小时时间功能 4 闹铃功能 设置好闹铃时间后 能按设置好的时间准时闹铃 b 2 1 2 系统方案的确定 根据以上各模块并结合显示屏的功能及元器件材料的情况 决定采用 AT89S51 为 51 内核显示设计方案 c 2 1 3 系统设计思路与步骤 先进行系统的整体规划确定整个系统的功能 然后按照每个功能的具体要 求 进行各个模块的实物设计并逐个调试 待全部通过后 进行整个系统的联 调 最终实现一个完整的系统 并制成印刷线路板 整个系统的设计步骤如下 6 在单片机最小系统的基础上 完成按键电路和复位电路的设计 完成显示电路 数字按键 复位电路 具有 3 个功能按键 1 在复位后的待机状态下 用于启动设定时间参数 对时或定闹 2 在设定时间参数状态而且不是设定最低位 即分个位 的状态下 用于 结束当前位的设定 当前设定位下移 3 在设定最低位 分个位 的状态下 用于结束本次时间设定 2 键 用于对当前设定位 编辑位 进行加 1 操作 根据 12 24 小时工作 模式和正在编辑的当前位的含义 时十位 时个位 分十位 分个位 自动进 行数据的上限和下限判断 例如 对 12 小时制 小时的十位只能是 0 1 如 果当前值为 0 则按 1 键后为 1 再按 1 键则又回复到 0 把以上各个模块联结起来 整体调试功能 整个系统的原理框图如图 2 1 所示 图 2 1 整个系统的原理图 按键与按钮电路 复位等辅助电路 位数码管显示电路 闹铃声光指示电路 电源系统 7 节节 2 02 2 022 2 2 2 芯片基本工作原理及其应用芯片基本工作原理及其应用 a 2 2 1 AT89S51 简介 AT89S51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令 系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储 单元 功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高 性价比的解决方案 b 2 2 2 引脚介绍 AT89S51 具有如下特点 40 个引脚 4k Bytes Flash 片内程序存储器 128 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 32 个外部双向输入 输出 I O 口 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串 行通信口 看门狗 WDT 电路 片内时钟振荡器 图 2 2 引脚图 此外 AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模 式 空闲模式下 CPU 暂停工作 而 RAM 定时计数器 串行口 外中断系统可 继续工作 掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据 停止芯片其它功能直至外 中断激活或硬件复位 同时该芯片还具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求 8 主要功能特性 兼容 MCS 51 指令系统 32 个双向 I O 口 2 个 16 位可编程定时 计数器 全双工 UART 串行中断口线 2 个外部中断源 中断唤醒省电模式 看门狗 WDT 电路 灵活的 ISP 字节和分页编程 4k 可反复擦写 1000 次 ISP Flash ROM 4 5 5 5V 工作电压 时钟频率 0 33MHz 128x8bit 内部 RAM 低功耗空闲和省电模式 3 级加密位 软件设置空闲和省电功能 双数据寄存器指针 c 2 2 3 电源 89S51 有很宽的工作电源电压 电源范围宽达 4 5 5V d 2 2 4 存储器 89S51 支持 ISP 在线可编程写入技术 串行写入 速度更快 稳定性更好 烧写电压也仅仅需要 4 5V 即可 2 2 5 应用 就目前中国市场的情况来看 89S51 有很大的市场 其原因有下列几点 1 AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式 2 AT89S51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 3 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为 许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案 4 同时该芯片还具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求 2 3 LM386 简介 LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器 主要应用于低电压 消费类产品 为使外围元件最少 电压增益内置为 20 但在 1 脚和 8 脚之间增 加一只外接电阻和电容 便可将电压增益调为任意值 直至 200 输入端以地 9 位参考 同时输出端被自动偏置到电源电压的一半 在 6V 电源电压下 它的静 态功耗仅为 24mW 使得 LM386 特别适用于电池供电的场合 专为低损耗电源所 设计的功率放大器 e 2 3 1LM386 介绍 LM386适用于电脑 仪器 汽车电子 电源 通信 开关电源等电子产品 f f 2 3 2LM386 特点 静态功耗低 约为4mA 可用于电池供电 工作电压范围宽 4 12V or 5 18V 外围元件少 电压增益可调 20 200 低失真度 2 2 4 4 74HC24574HC245简介简介 由于通过数码管公共及的电流较大 因此用三极管来驱动位码 为了避免过多地使用 分立元件 采用了一片74HC24574HC245来驱动段码 第第 III III 条条 第三章第三章 系统的设计系统的设计 一个完整的系统 离不开硬件和软件的设计 硬件与软件各有所长 如何 合理的安排软硬件的任务是系统设计的第一步 节节 3 01 3 013 3 1 1 系统硬件设计系统硬件设计 系统硬件的设计可以根据系统的各个功能 把整个系统划分成若干个模块 分别对这些模块来进行设计 然后在通过单片机程序来实现对各个硬件模块功 能的调度 本系统涉及到的硬件模块有 按键电路 复位电路 显示电路 a a 3 1 1 单片机系统的设计 单片机最小应用系统实际上就是一个内置程序存储器的单片机 可由单片 10 机芯片 配以必要的外部器件构成 这些外部功能器件无法集成到芯片内部 主要有按键电路 显示电路等 图 3 1 单片机系统图 b 3 1 2 按键电路的设计 作为一个按键从没有按下到按下以及释放是一个完整的过程 也就是说当 我们按下一个按键时 总希望某个命令只执行一次 而在按下的过程中不要有 干扰进来 因为在按下的过程中 一旦有干扰过来可能造成误触发过程 因此 我们在设计按键电路的时候应注意不要有干扰进来以用在焊接时应注意 独立式按键 如果设置过多按键 将会占用较多 I O 口 而且会给布线带 来不便 因此 此方案适用于按键较少的情况 如果选择此方案 由于按键较 少 在修改时间或设置闹铃时间时就不能直接输入 只能通过加或减完成 稍 为麻烦一些 但其程序简单 1 执锡补焊时应按照从左到右 由上到下的顺序 避免检查时漏检或焊 接时漏修 2 焊接时要经常清洗烙铁头 防止烙铁头的杂物造成虚焊 针孔 加焊 等不良发生 11 3 不要在基板上给烙铁头加焊锡 生产过程中不能抖锡 敲锡 甩锡 防止焊锡渣 焊锡 珠掉到基板上面 4 在压件或拆件时要先在线路板的铜箔面上加焊锡 要求均匀加热 避 免松香失效或铜箔翘皮造成线路破坏 考虑到电路不要复杂性 因而设计成 3 个按键 一个为复位 其它 2 个为按数 字时间的按键和确定设好的时间确定 后 2 个按键要接 89C2051 端 若想设置闹 铃 应先按下复位按键 然后长时间按下 设置 按键 第一个数码管会显示 C 然后变为 00 00 00 此时进入闹铃设置状态 设置方法跟上面一样 闹 铃设置完后 下一步要设置当前时间 调整方法跳到第一步 在复位后的待机状态下 用于启动设定时间参数 对时或定闹 在设定时间参数状态而且不是设定最低位 即分个位 的状态下 用于 结束当前位的设定 当前设定位下移 在设定最低位 分个位 的状态下 用于结束本次时间设定 2 键 用于对当前设定位 编辑位 进行加 1 操作 根据 12 24 小时 工作模式和正在编辑的当前位的含义 时十位 时个位 分十位 分个位 自 动进行数据的上限和下限判断 例如 对 12 小时制 小时的十位只能是 0 1 如果当前值为 0 则按 1 键后为 1 再按 1 键则又回复到 0 c 3 1 3 复位电路的设计 目前为止 单片机复位电路主要有四种类型 1 微分型复位电路 2 积分型复 位电路 3 比较器型复位电路 4 看门狗型复位电路 另外 Maxim 等公司也推出 了专用于复位的专用芯片复位电路的基本功能是 系统上电时提供复位信号 直 至系统电源稳定后 撤销复位信号 为可靠起见 电源稳定后还要经一定的延 时才撤销复位信号 以防电源开关或电源插头分 合过程中引起的抖动而影响复 位 当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效 用完成单 片机的复位初始化操作 单片机目前已被广泛地应用于家电 医疗 仪器仪表 工业自动化 航空航天等领域 市场上比较流行的单片机种类主要有 Intel 公司 Atmel 公司和 Philip 公司的 8051 系列单片 机 Motorola 公司的 M6800 系列单片机 Intel 公司的 MCS96 系列单片机以及 Microchip 公司的 PIC 系列单片机 无论用户使用哪种类型的单片机 总要涉及到单片机复位电路的 设计 而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 许多用户在设 计完单片机系统 并在实验室调试成功后 在现场却出现了 死机 程序走飞 等现象 这 主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的 图 1 是一个单片机与大功率 LED 八段显示器 共享一个电源 并采用微分复位电路的实例 在这种情况下 系统有时会出现一些不可预 12 料的现象 如无规律可循的 死机 程序走飞 等 而用仿真器调试时却无此现象发生或极 少发生此现象 又如图 2 所示 在此图中单片机复位采用另外一种复位电路 在此电路的 应用中 用户有时会发现在关闭电源后的短时间内再次开启电源 单片机可能会工作不正 常 这些现象 都可认为是由于单片机复位电路的设计不当引起的 图 3 2 复位电路图 d d 3 1 4 显示电路的设计 就时钟而言 通常可采用液晶显示或数码管显示 由于一般的段式液晶屏 需要专门的驱动电路 而且液晶显示作为一种被动显示 可视性相对较差 对 于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块 字符或点阵 一般多采用并 行接口 对微处理器的接口要求较高 占用资源多 另外 89C2051 本身无专 门的液晶驱动接口 因此 本时钟采用数码管显示方式 数码管作为一种主动 显示器件 具有亮度高 价格便宜等优点 而且市场上也有专门的时钟显示组 合数码管 基于 AT89S51 单片机的控制系统包括四部分 数据采集 控制系统 时钟电路 语音录音电路和报音提示信息电路 用数码管作为显示器 数码管的驱动电路简单 使用方便 如果选择了此 方案 那么在夜间看时间的时候就不需要有光源 非常方便 其缺点是功耗较 大 由于数码管使用起来较为方便 在夜间看时间也很方便 因此我们选择了 数码管作为显