基于单片机电子钟的设计.doc

湖南软件职业学院毕业设计 论文 湖南软件职业学院毕业设计 论文 基于单片机电子钟的设计基于单片机电子钟的设计 Microcontroller based design of intelligent electronic clock 专专 业业 名名 称 称 电子信息工程技术电子信息工程技术 指指 导导 老老 师 师 唐启见唐启见 毕业生姓名 毕业生姓名 向成向成 毕业生学号 毕业生学号 201103080131 论文提交日期 论文提交日期 分类号 分类号 学校代码 学校代码 4711 密码 无密码 无 毕业生学号毕业生学号 201103080131 基于单片机电子钟的设计基于单片机电子钟的设计 Microcontroller based design of intelligent electronic clock 专 业 名 称 电子信息工程技术 指 导 教 师 唐启见 毕 业 生 姓 名 向成 毕 业 生 学 号 201103080131 论 文 课 题 来 源 教师科研课题 论 文 提 交 日 期 论 文 评 审 单 位 湖南软件职业学院 湖南软件职业学院毕业设计 论文 目录 2 湖南软件职业学院毕业设计 论文 I 摘 要 随着计算机在社会领域的渗透 单片机的应用正在不断地走向深入 同时带 动传统控制检测技术不断更新 单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机 主 要包括 CPU 随机存储器 只读存储器 基本输入 输出接口电路 定时器 计数器 等部件 本文设计的主要思路是采用 ATMEL 公司的 AT89C52 单片机作为中央处理器 应用 LED 数码显示器 设计具有计时和倒计时功能的电子秒表 论文概述中主要 介绍了本次课题的课题背景 研究意义以及要求完成的任务 正文中首先介绍了 系统硬件的设计思路以及工作原理 其次简单阐述了程序的流程 程序各功能模 块的分析和实现过程 最后简单总结了本次设计的难点 关键点以及收获的经验 关键词 单片机 LED 灯数码管显示器 AT89C52 湖南软件职业学院毕业设计 论文 II ABSTRACT With computer penetration in the social sphere SCM applications are constantly deepening and promote the traditional control detection technology update Single chip is integrated on a chip microcomputer including CPU random access memory a read only memory input output interface circuit timer counter and other parts In this paper the main train of thought of the design is the use of AT89C52 microcontroller as the central processor the application of LED digital display design has a timer and countdown function electronic stopwatch The paper summarizes mainly introduced this topic research background research significance and tasks The text firstly introduces the system hardware design and working principle then briefly discusses the process flow process of each function module of the analysis and the realization of the process finally summarizes the design difficulty key points and gain experience Key words Single Chip Microcomputer LED figures tube display AT89C52 湖南软件职业学院毕业设计 论文 III 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT II 引 言 1 第一章 单片机概述 2 1 1 单片机概念 2 1 2 单片机和微处理器 2 1 3 单片机和嵌入式系统 3 第二章 电子时钟设计方案分析 4 2 1 FPGA 设计方案 4 2 2 NE555 时基电路设计方案 4 2 3 单片机设计方案 5 第三章 基于单片机的电子时钟硬件设计 6 3 1 主要芯片选择 6 3 1 1 微机处理器选择 6 3 1 2 环境温度传感器选择 7 3 2 电子时钟硬件电路设计 8 3 2 1 时钟电路设计 8 3 2 2 环境温度采集电路 9 3 2 3 显示电路 10 3 2 4 按键电路设计 11 3 2 5 闹铃电路设计 12 第四章 电子时钟软件设计 14 4 1 主程序设计 14 4 2 子程序的设计 14 4 2 1 实时时钟日历子程序设计 14 4 2 2 环境温度采集子程序设计 15 4 2 3 显示子程序设计 19 4 2 4 闹铃子程序设计 19 第五章 系统调试 21 5 1 硬件调试 21 5 1 1 单片机基础电路调试 21 5 1 2 显示电路调试 22 5 1 3 DS1302 电路测试 24 5 1 4 按键电路测试 25 5 2 软件测试 25 湖南软件职业学院毕业设计 论文 IV 5 2 1 环境温度采集子程调试 25 结 论 26 致谢 27 湖南软件职业学院毕业设计 论文 引言 1 引引 言言 时间是人类生活必不可少的重要元素 如果没有时间的概念 社会将不会有 所发展和进步 从古代的水漏 十二天干地支 到后来的机械钟表以及当今的石 英钟 都充分显现出了时间的重要 同时也代表着科技的进步 致力于计时器的 研究和充分发挥时钟的作用 将有着重要的意义 电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化 数字化 拥有时间精确 体积 小 界面友好 可扩展性能强等特点 被广泛应用于生活和工作当中 当今市场 上的电子时钟品类繁多 外形小巧别致 也有体型较大的 诸如公共场所的大型 电子报时器等 电子时钟首先是数字化了的时间显示或报时器 在此基础上 人 们可以根据不同场合的要求 在时钟上加置其他功能 比如定时闹铃 万年历 环境温度 湿度检测 环境空气质量检测 USB 扩展口功能等 该电子时钟不但 具有定时作用还有温度采集作用 定时部分可以显示时 分 秒 而且用按键还 可以实现时间的调整和闹铃的设定 温度采集部分实现环境温度数据的采集 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第一章单片机概述 2 第一章第一章 单片机概述单片机概述 1 11 1 单片机概念单片机概念 所谓单片机 即把组成微型计算机的各个功能部件 如中央处理器 CPU 随 机存储器 RAM 只读存储器 ROM 输入 输出接口电路 定时器 计数器以及串行 通信接口等集成在一块芯片中 构成一个完整的微型计算机 因此单片机早期的 含义为单片微型计算机 SCM Single Chip Microcomputer 直接译为单片机 并 一直沿用至今 由于单片机面对的是测控对象 突出的是控制功能 所以它从功能和形态上 来说都是应控制领域应用的要求而诞生的 随着单片机技术的发展 它在芯片内 集成了许多面对测控对象的接口电路 如 ADC DAC 高速 I O 口 PWM WDT 等 这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机 Microcomputer 传统的体系结构 所以更为确切反映单片机本质的名称应是微 控制器 单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机 它有惟一的 专门为嵌入式 应用而设计的体系结构和指令系统 加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下 可高速可靠地运行的特点 因此单片机又称之为嵌入式微控制器 Embedded Micro Controller 但是 在国内单片机的叫法仍然有着普遍的意义 我们已经把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器 它是一个典型的嵌入式应 用计算机系统 目前按单片机内部数据通道的宽度 把它们分为 4 位 8 位 16 位及 32 位单片机 1 21 2 单片机和微处理器单片机和微处理器 随着大规模与超大规模集成电路技术的快速发展 微计算机技术形成了两大 分支 微处理器 Micro Processor Unit MPU 和微控制器 Micro Controller Unit MCU 微处理器 MPU 是微型计算机的核心部件 它的性能决定了微型计算机的性能 通用型的计算机已从早期的数值计算 数据处理发展到当今的人工智能阶段 它 不仅可以处理文字 字符 图形 图像等信息 而且还可以处理音频 视频等信 息 并正向多媒体 人工智能 数字模拟和仿真 网络通信等方向发展 它的存 储容量和运算速度正在以惊人的速度发展 高性能的 32 位 64 位微型计算机系统 正向中 大型计算机挑战 单片机 MCU 主要用于控制领域 它构成的检测控制系统应该有实时的 快速 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第一章单片机概述 3 的外部响应 应该能迅速采集到大量数据 能在做出正确的逻辑推理和判断后实 现对被控制对象参数的调整与控制 单片机的发展直接利用了 MPU 的成果 也发 展了 16 位 32 位的机型 但它的发展方向是高性能 高可靠性 低功耗 低电压 低噪音和低成本 目前 单片机的主流仍然是以 8 位机为主 16 位 32 位机为辅 单片机的发展主要还是表现在其接口和性能不断满足多种多样检测控制对象的要 求上 尤其突出表现在它的控制功能上 构成各种专用的控制器和多机控制系统 1 31 3 单片机和嵌入式系统单片机和嵌入式系统 面向检测控制对象 嵌入到应用系统中去的计算机系统称之为嵌入式系统 实时性是它的主要特征 对系统的物理尺寸 可靠性 重启动和故障恢复方面也 有特殊的要求 由于被嵌入对象的体系结构 应用环境等的要求 嵌入式计算机 系统比通用的计算机系统应用设计更为复杂 涉及面也更为广泛 从形式上可将 嵌入式系统分为系统级 板级和芯片级 系统级嵌入式系统为各种类型的工控机 包括进行机械加固和电气加固的通 用计算机系统 各种总线方式工作的工控机和模块组成的工控机 它们大都有丰 富的通用计算机软件及周边外设的支持 有很强的数据处理能力 应用软件的开 发也很方便 但由于体积庞大 适用于具有大空间的嵌入式应用环境 如大型实 验装置 船舶 分布式测控系统等 板级嵌入式系统则有各种类型的带 CPU 的主板及 OEM 产品 与系统级相比 板级嵌入式系统体积较小 可以满足较小空间的嵌入式应用环境 芯片级嵌入式系统则以单片机最为经典 单片机嵌入到对象的环境 结构体 系中去作为其中一个智能化的控制单元 是最典型的嵌入式计算机系统 它有惟 一的专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统 加上它的芯片级的体积和 在现场运行环境下的高可靠性 它最能满足各种中 小型对象的嵌入式应用要求 因此 单片机是目前发展最快 品种最多 数量最大的嵌入式计算机系统 但是 一般的单片机目前还没有通用的系统管理软件或监控程序 而只是放置由用户调 试好的应用程序 它本身不具备开发能力 常常需要专门的开发工具 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第二章 各模块方案选择和论证 4 第二章第二章 电子时钟设计方案分析电子时钟设计方案分析 电子闹钟既可以通过纯硬件实现 也可以通过软硬件结合实现 根据电子时 钟里的核心部件 秒信号的产生原理 通常有以下三种形式 2 12 1 FPGAFPGA 设计方案设计方案 现场可编程门阵列 Field Programmable Gate Array FPGA 可编程逻辑器 件的设计过程是利用 EDA 开发软件和编程工具对器件进行开发的过程 由于 EDA 技术拥有系统的模拟和仿真功能 可读性 可重复性 可测性非常好 所以利用 EDA 开发 FPGA 是目前比较流行的方式 当然 有时根据需要 也会应用 MAX plus 开发集成环境进行设计 正因为 FPGA 在设计过程中方便 快捷 而且 FPGA 技术功能强大 能够应 用其制作诸如基代码发生器 数字频率计 电子琴 电梯控制器 自动售货机控 制系统 多功能波形发生器 步进电机定位控制系统 电子时钟等 应用 FPGA 能够将时钟设计为为四种类型 全局时钟 门控时钟 多级逻辑时钟 和波动式时钟 多时钟系统能够包括上述四种时钟类型的任意组合 2 22 2 NE555NE555 时基电路设计方案时基电路设计方案 555 定时器是一种数字与模拟混合型的集成电路 应用广泛 成本较低 外加 电阻 电容等元件就可以构成多谐振荡器 单稳电路 施密特触发器等 常作为 定时器广泛应用于仪器仪表 家用电器 电子测量及自动控制等领域 5 采用 NE555 时基电路或其他振荡电路产生秒脉冲信号 作为秒加法电路的时 钟信号或微处理器的外部中断输入信号 可构成电子钟 由 555 构成的秒脉冲发 生器电路见图 2 1 输出的脉冲信号 V0 的频率 F 为 CRRF 2 443 1 21 式 2 1 可通过调节式 2 1 中的 3 个参数 使输出 V0 的频率为精确的 1Hz 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第二章 各模块方案选择和论证 5 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 9 Jun 2008 Sheet of File H 业业 业业业业业业 业业业 555业业业 ddbDrawn By R DIS 7 THR 6 TRIG 2 GND 1 CVolt 5 R 4 VCC 8 Q 3 555 CC R VCC V0 1 2 图 2 1 基于 555 的秒脉冲发生器 采用 555 定时器设计电子时钟 成本低 容易实现 但是受芯片引脚数量和 功能限制 不容易实现电子时钟的多功能性 2 32 3 单片机设计方案单片机设计方案 单片机是微型机的一个主要分支 它在结构上的最大特点使把 CPU 存储器 定时器和多种输入 输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上 就其组成 和功能而言 一块单片机芯片就是一台计算机 单片机具有如下特点 有优异的性能价格比 1 集成度高 体积小 有很高的可靠性 2 控制功能强 3 低功耗 低电压 便于生产便携式产品 4 外部总线增加了 I2C SPI 等串行总线方式 进一步缩小了体积 简化了结 构 5 单片机的系统扩展 系统配置较典型 规范 容易构成各种规模的应用系统 所以单片机的应用非常广泛 在智能仪表 机电一体化 实时控制 分布式多 机系统以及人们的生活中均有用武之地 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路和设计方法 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 这种用软件代替硬件 的控制技术 是对生产控制技术的一次革命 利用单片机的智能性 可方便地实现具有智能的电子钟设计 单片机均具有时 钟振荡系统 利用系统时钟借助微处理器的定时器 计数器可实现电子钟功能 然 而系统时钟误差较大 电子钟的积累误差也可能较大 所以可以通过误差修正软件 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第二章 各模块方案选择和论证 6 加以修正 或者在设计中加入高精度时钟日历芯片 以精确时间 另外很多功能不 同的单片机是兼容的 这就更便于实现产品的多功能性 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第三章 系统的硬件电路设 计 7 第三章第三章 基于单片机的电子时钟硬件设计基于单片机的电子时钟硬件设计 在比较了第二章的三种实现方案之后 考虑单片机货源充足 价格低廉 可 软硬件结合使用 能够较方便的实现系统的多功能性 故采用单片机作为本设计 的硬件基础 3 3 1 1 主要芯片选择主要芯片选择 3 3 1 11 1 微机处理器选择微机处理器选择 目前在单片机系统中 应用比较广泛的微处理器芯片主要为 8XC5X 系列单片 机 该系列单片机均采用标准 MCS 51 内核 硬件资源相互兼容 品类齐全 功 能完善 性能稳定 体积小 价格低廉 货源充足 调试和编程方便 所以应用 极为广泛 例如比较常用的 AT89C2051 单片机 带有 2KB Flash 可编程 可擦除只读存 储器 E2PROM 的低压 高性能 8 位 CMOS 微型计算机 拥有 15 条可编程 I O 引脚 2 个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 可编程串行 UART 通道 并能直接 驱动 LED 输出 AT89C51 单片机是一款低功耗 低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4KB 可经受 1000 次擦写周期 的 FLASH 可编程可反复擦写的只读程序存储器 EPROM 器件采用 CMOS 工艺和 ATMEI 公司的高密度 非易失性存储器 NURAM 技术制造 其输出引脚和指令系统都与 MCS 51 兼容 片内的 FLASH 存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程 因此 AT89C51 是一种功能强 灵活性高且价格合理的单片机 可方便的应用在 各个控制领域 9 AT89C51 具有以下主要性能 1 4KB 可改编程序 Flash 存储器 2 全静态工作 0 24Hz 3 128 8 字节内部 RAM 4 32 个外部双向输入 输出 I O 口 5 6 个中断优先级 2 个 16 位可编程定时计数器 6 可编程串行通道 片内时钟振荡器 此外 AT89C51 是用静态逻辑来设计的 其工作频率可下降到 0Hz 并提供 两种可用软件来选择的省电方式 空闲方式 Idle Mode 和掉电方式 Power Down Mode 在空闲方式中 CPU 停止工作 而 RAM 定时器 计数器 串行口 和中断系统都继续工作 在掉电方式中 片内振荡器停止工作 由于时钟被 冻 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第三章 系统的硬件电路设 计 8 结 使一切功能都暂停 只保存片内 RAM 中的内容 直到下一次硬件复位为止 6 图 3 1 AT89C51 芯片引脚图 AT89C51 为适应不同的产品需求 采用 PDIP TQFP PLCC 三种封装形式 本系统采用双列直插 PDIP 封装形式 如图 3 1 3 1 23 1 2 环境温度环境温度传感器选择传感器选择 在日常生活中和工农业生产中常要用到温度检测及控制 传统的测温元件有 热电偶和热电阻 一般用来测量中高温 输出的是电压 将其转换成对应的二进 制温度码值 需要较多的硬件支持 硬件电路复杂 软件调试较为复杂 制作成 本高 另外 采集环境的温度也可采用 IC 化的温度传感器 常用的此类温度传感器 有 AD590 和 DS18B20 AD590 测量到不同温度之后 将把应温度转化为线性电流输出 为 1 A K 正比于热力学温度 该传感器宽量程 为 55 150 精度高 激光校准精度到 0 5 电源范围宽 4 30V AD590 优点很多 但是由于它只能将采集来的 温度转化为电流输出 所以在实际应用中 需要先将 AD590 输出的电流转化为电 压 再利用 A D 转换元件进行模 数转换 将模拟量转化为数字量 最后送入单片 机中 8 与 AD590 不同的是 DS18B20 数字温度传感器能直接将被测温度转化成串行 数字信号 以供单片机处理 既节省了硬件 又有效避免了模拟方式的干扰问题 它还具有微型化 低功耗 高性能 等优点 通过编程 DS18B20 可以实现 9 12 位温度读数 信息经过单线接口送入 DS18B20 或从 DS18B20 送出 因此从单片机到 DS18B20 仅需要连接一条线 读 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第三章 系统的硬件电路设 计 9 写和完成温度变换所需的电源可由数据线本身提供 而无需外部电源 测量范围 为 55 125 增量值为 0 5 电源电压范围为 3 0 5 5V 通过编程 用户 还以自行设定告警上下限温度 告警寻找命令可以识别和寻址那些温度超出预设 告警界限的器件 3 3 2 2 电子时钟硬件电路设计电子时钟硬件电路设计 电子闹钟至少要包括秒信号发生器 时间显示电路 按键电路 供电电源 闹铃指示电路等几部分 另外 本设计要求该电子钟能够采集环境温度 所以还 需要温度采集芯片 硬件电路框图参照图 3 7 该系统使用 AT89C51 单片机作为核心 通过读取时钟日历芯片 DS1302 和温 度传感器 DS18B20 的数据 完成此电子时钟的主要功能 时钟 日历和环境温度 采集 使用比较通用的 8 段共阴数码管 做 7 位显示 分别显示时 年 分 月 秒 日 以及环境温度值 AT89C51 温温度度传传感感器器 DS18B20 闹闹铃铃电电路路 5V电电源源 7位位共共阴阴 LED显显示示 键键盘盘 时时钟钟日日历历芯芯片片 DS1302 3V电电源源 图 3 7 多功能电子时钟硬件系统框图 键盘是为了完成时钟 日历的校对和日历 温度的显示功能 由于此电子时钟要 求具有闹铃功能 所以设计有闹铃电路 进行声音响铃 整个电路使用了两种电源 5V 电源将为整个电路供电 而 3V 电源仅作为 DS1302 的备用电源 当 5V 电源被切断后 DS1302 启用 3V 电源 可以保持 DS1302 继续工作 当 5V 电源恢复供电 LED 依旧显示当前时间 而不会因为断 电使系统复位到初始化时间 避免了重新校时的麻烦 3 2 13 2 1 时钟电路设计时钟电路设计 系统时钟应用了实时时钟日历芯片 DS1302 其连接如图 3 8 该硬件电路设 计简单 抗干扰能力强 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第三章 系统的硬件电路设 计 10 如图 AT89C51 单片机 P1 7 直接接 DS1302 的 RST 端 上电后 AT89C51 的 P1 7 脚自动输出高电平 P1 5 作为串行时钟接口 P1 6 作为时钟数据的 I O DS1302 采用双电源供电 平时由 5V 电源供电 当 5V 掉电之后 由图中 BT1 3V 备用电池 供电 特别需要注意 X1 和 X2 两端连接的晶振 Y1 该晶振频率为 32 768KHz 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 5 Jun 2008 Sheet of File C Documents and Settings Administrator 业业 业业业业业业 业业业 业业业业业业业业业业业业业业 ddbDrawn B y Y1 32 768K Hz BT 1 BA TTER Y VC C1 1 X1 2 X2 3 GN D 4 VC C2 8 SCL K 7 I O 6 RST 5 U2 DS 1302 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 6 7 P1 5 6 P1 7 8 RST 9 P3 0 RX D 10 P3 1 TX D 11 P3 2 INT 0 12 P3 3 INT 1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XT AL2 18 XT AL1 19 GN D 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSE N 29 AL E PR OG 30 EA VPP 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VC C 40 U1 AT 89S51 5 图 3 8 系统时钟电路 3 2 23 2 2 环境温度采集电路环境温度采集电路 本设计中使用 DS18B20 温度传感器进行环境温度采集和转化 如图 3 9 所示 AT89C51 单片机的 P3 3 脚接 DS18B20 的 I O 脚 作为数据的读入和写出口 电阻 R11 作为 DS18B20 的 I O 口的上拉电阻 在读时隙结束时 I O 引脚将通过此上拉 电阻拉回至高电平 13 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第三章 系统的硬件电路设 计 11 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date 8 Jun 20 08 Sheet o f File C Do cuments an d Settings Ad ministrator 业业 业业业业业业 业业业 业业业业业业业业业业业业业业 ddbDrawn B y Y2 11 0592M HZ P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 6 7 P1 5 6 P1 7 8 RST 9 P3 0 RX D 10 P3 1 TX D 11 P3 2 INT 0 12 P3 3 INT 1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XT AL2 18 XT AL1 19 GN D 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSE N 29 AL E PR OG 30 EA VPP 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VC C 40 U1 AT 89S51 C1 30p F C2 30p F 5 5 R11 4K 7 5 VC C 3 DQ 2 GN D 1 U3 DS 18B20 图 3 9 系统环境温度采集电路 3 2 33 2 3 显示电路显示电路 就时钟而言 通常可采用 LCD 显示或 LED 显示 对于一般的段式 LCD 需 要专门的驱动电路 而且 LCD 显示的可视性较差 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 AT89C51 本身没有专门的液晶驱动接口 LED 结构简 单 体积小 功耗低 响应速度快 易于匹配 寿命长 可靠性高 而且显示亮 度高 价格便宜 市场上也有专门的时钟显示组合 LED 故本设计中应用 7 位 8 段共阴 LED 实现显示部分 显示面板分布如图 3 6 LED 显示分动态显示和静态显示 动态显示方式的硬件电路简单 但设计上 如果处理不当 易造成亮度低 闪烁问题 因此合理的设计既应保证驱动电路易 实现 又要保证图像稳定 无闪烁 动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示 方式 复用的程度不是无限增加的 因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定 画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短 发光的亮度 等因素 静态显示 是由微型计算机一次输出显示模型后 就能保持该显示结果 直 到下次发送新的显示模型为止 静态显示驱动程序简单 且 CPU 占用率低 但每 个 LED 数码管需要一个锁存器来锁存每一个显示位的笔段代码 硬件开销大 仅 适合显示位数较少的场合 为了在显示部分节省单片机 I O 口 故采用静态显示方 式 电路图参见图 3 10 74LS164 是 8 位移位寄存器 应用该芯片驱动 LED 做显示部分 其优点在于 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第三章 系统的硬件电路设 计 12 连线简单 节省单片机 I O 口 软件编程容易 关于 74LS164 的具体编程方法 请参见第四章 4 2 5 显示子程序设计部分 14 15 图 3 10 显示电路图 3 2 43 2 4 按键电路设计按键电路设计 根据功能需要 本时钟需要设置以下功能键 校对选择键 加 1 操作键 减 1 操作键 显示日期键 显示温度键 闹铃开关键 按照键盘与 CPU 的连接方式可分为独立式键盘和矩阵式键盘 独立式键盘是 各个按键相互独立 每个按键占用一个 I O 口线 每根 I O 口线上的按键不会影响 其他 I O 口上按键工作状态 独立式键盘电路配置灵活 软件结构简单 但每个按 键必须占用一根 I O 口 在按键数量较多时 I O 口线浪费较大 且电路结构复杂 矩阵式键盘适合按键较多时使用 由于本设计的电子钟最多需要 7 个按键 若采 用矩阵式键盘时会有按键浪费 故采用的是独立式键盘 键盘电路如图 3 11 对 于内置了上拉电阻的 I O 引脚来说 外接上拉电阻没有意义 15 16 如图 3 11 图 3 11 键盘电路 其中 K1 K2 K7 为带自锁按键 每次按下后 其对应的 P2 7 P2 6 P2 1 管脚接地 从高电平被拉至低电平 只有再次按下 按键弹出 与之连接的单片 机管脚才会重新被拉回高电平 K3 K4 K5 K6 键为自动复位按键 每次按下 后 会自动弹出 单片机管脚只有在按键按下时为低电平 按键弹出后重新恢复 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 5 Jun 2008 Sheet of File C Documents and Settings Administrator 业业 业业业业业业 业业业 业业业业业业业业业业业业业业 ddbDrawn B y K2 K4 K5 K6 K7 SW PB K3 K1P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第三章 系统的硬件电路设 计 13 高电平 按键功能参见表 3 8 表 3 8 按键功能表 按键按键键名键名功能功能属性属性 K1Calendar 显示日历自锁 K2T 显示温度自锁 K3FUN 功能选择自动复位 K4UP 数值加一操作自动复位 K5DOWN 数值减一操作自动复位 K6Enter Snooze 确认键 贪睡自动复位 K7Alarm 闹铃开关自锁 按键操作说明如下 K1 键 该键为带自锁按键 在正常显示时间状态下 每次将按键按下 LED 数码管将显示日期 再次按下 按键弹出 重新显示时间 K2 键 该键为带自锁按键 在正常显示时间状态下 每次将按键按下 LED 数码管将显示环境温度 再次按下 按键弹出 重新显示时间 K3 键 该键为自动复位键 在正常显示时间状态下 第一次按下后 开始校 对小时 以后每次按下都会分别进入对分 秒 闹铃时 闹铃分 年 月 日的 校对状态 K4 键 该键为自动复位键 在校对状态下 每次按动该键 都会使相应校对 位进行加 1 操作 例如 校对小时状态 每按一下 小时位加 1 当加至小时最高 值 23 时 再按 K4 键 小时位回 0 调分 秒 年 月 日与皆之相同 只是各 位最高值不同 K5 键 该键为自动复位键 与 K4 键类似 不同之处是该键每次按下将使相 应校对位进行减 1 操作 K6 键 该键为自动复位键 在校对状态下 按下该键 从校对状态返回时间 显示状态 在响铃状态下 按下该键 闹铃进入贪睡状态 K7 键 该键为带自锁按键 按下后闹铃开启 弹出后闹铃关闭 3 2 53 2 5 闹铃电路设计闹铃电路设计 闹铃音乐可以直接采用蜂鸣器闹铃 如当前时刻与闹铃时间相同 单片机向 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第三章 系统的硬件电路设 计 14 蜂鸣器送出高电平 蜂鸣器发声 采用蜂鸣器闹铃结构简单 控制方便 但是发 出的闹铃声音单一 也可以在编程的时候编写一段音乐程序 待闹铃时间到时 调用该音乐程序给扬声器 便响起音乐 不过该方法只能做一些简单音乐 并且 音乐程序会占用很多单片机存储资源 购置一块音乐集成电路 加置在单片机和蜂鸣器之间 当单片机连接闹铃电 路的管脚送出高电平时 音乐集成电路会给蜂鸣器特定脉冲 使蜂鸣器发声 此 类集成电路体积较小 使用方便 不足的是音乐简单 单一 闹铃的音乐不是本设计中的重点 故采用最简单的方法 占用单片机一根 I O 口 P2 0 中间用 PNP 型三极管 S9012 连接 P2 0 和蜂鸣器 当 P2 0 引脚为低电平 时 S9012 的发射极和集电极导通 使蜂鸣器发声 当响铃标志位为 1 时 P2 0 送一定频率脉冲 使蜂鸣器 U11 发出声音 12 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 8 Jun 2008 Sheet of File C Documents and Settings Administrator 业业 业业业业业业 业业业 业业业业业业业业业业业业业业 ddbDrawn B y U11 BU ZZER Q1 S9012 R8 10K 5 P2 0 图 3 12 闹铃电路 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第四章 系统的软件设计 15 第四章第四章 电子时钟软件设计电子时钟软件设计 C51 单片机可以应用汇编语言和 C 语言进行编程 汇编语言与机器指令一一 对应所以用汇编语言编写的程序在单片机里运行起来效率较高 C 语言程序可读 性高 更便于理解 本设计使用 C 语言编程 4 4 1 1 主程序设计主程序设计 第一次上电 系统先进行初始化 LED 显示初始时间 14 28 00 并开 始走时 初始日期为 2008 年 5 月 12 日 此刻若按 K1 键 LED 显示 080512 单片机依次开始调用键盘扫描子程序 DS1302 子程序 DS18B20 子程序 闹 铃子程序 经过延时 返回程序开头循环运行 主程序流程图如图 4 1 开始 初始化 显示子程序 键盘扫描子程序 DS1302子程序 DS18B20子程序 闹铃子程序 延时子程序 图 4 1 多功能电子钟主程序流程图 4 24 2 子程序的设计子程序的设计 4 2 14 2 1 实时时钟日历子程序设计实时时钟日历子程序设计 该程序主要实现对 DS1302 写保护 充电 对年 月 日 时 分 秒等寄存 器的读写操作 在读写操作子程序中都执行了关中断指令 因为在串行通信时对 时序要求比较高 而且在此是用 I O 口软件模拟串行时钟脉冲 所以在通信过程中 最好保证传输的连续性 不要允许中断 其流程图如图 4 2 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第四章 系统的软件设计 16 开始 初始化 写入时钟初值 开始计时 读出数据 返回 图 4 2 实时时钟日历子程序流程图 DS1302 每次上电时自动处于暂停状态 必须把秒寄存器的位 7 置位 0 时钟 才开始计时 如果 DS1302 一直没有掉电 则不存在此问题 在进行写操作时 需要先解除写保护寄存器的 禁止 状态 当用多字节模 式进行操作时 必须写够 8 字节 18 4 2 24 2 2 环境温度采集子程序设计环境温度采集子程序设计 DS18B20 是 1 wire 单线器件 它在一根数据线上实现数据的双向传输 这 就需要一定的协议来对读写数据提出严格的时序要求 而 AT89C51 单片机并不支 持单线传输 因此 必须采用软件的方法来模拟单线的协议时序 主机操作单线器件 DS18B20 必须遵循下面的顺序 1 初始化 单线总线上的所有操作均从初始化开始 初始化过程如下 主机通过拉低单 线 480 s 以上 产生复位脉冲 然后释放该线 进入 RX 接收模式 主机释放总 线时 会产生一个上升沿 单线器件 DS18B20 检测到该上升沿后 延时 15 60 s 通过拉低总线 60 240 s 来产生应答脉冲 主机接收到从机的应答脉 冲后 说明有单线器件在线 2 操作命令 一旦总线主机检测到应答脉冲 便可以发起 ROM 操作命令 共有 5 位 ROM 操作命令 如表 4 1 ROM 表 4 1 DS18B20 的 ROM 操作命令 命令类型命令类型命令字节命令字节功能说明功能说明 Raed Rom33H 此命令读取激光 ROM 中的 64 位 只能用于总线上单个 DS18B20 器件的情况 多挂则会发生数据冲突 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第四章 系统的软件设计 17 Match Rom 匹配 ROM 55H 此命令后跟 64 位 ROM 序列号 寻址多挂接总线上的 DS18B20 只有序列号完全匹配的 DS18B20 才能响应后面的内 存操作命令 其他不匹配的将等待复位脉冲 此命令可用于 单挂接或者多挂接总线 Skip Rom 跳过 ROM CCH 此命令用于单挂接总线系统时 可以无需提供 64 位 ROM 序 列号皆可运行内存操作命令 如果总线上接多个 DS18B20 并 且在此命令后执行读命令 将会发生数据冲突 Search Rom 搜索 ROM F0H 主机调用此命令 通过一个排除法过程 可以识别出总 线上所有器件的 ROM 序列号 Alarm Search 告警搜索 ECH 此命令流程图和 Search Rom 命令相同 但是 DS18B20 只 有在最近的一次温度测量时满足了告警触发条件 才会响应 此命令 3 内存操作命令 在成功执行了 ROM 操作命令之后 才可以使用内存操作命令 主机可以提供 6 种内存操作命令 如表 4 2 表 4 2 DS18B20 内存操作命令 命令类型命令类型命命 令令 字字 节节 功能说明功能说明 Write Scratchpad 写暂存器 4EH 此命令写暂存器中地址 2 4 的 3 个字节 TH TL 和配置寄存器 在发起复位脉冲之前 3 个字节都必须要写 Rrad Scratchpad BEH 此命令读取暂存器内容 从字节 0 一直读取到字节 8 主机可 以随时发起复位脉冲以停止此操作 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第四章 系统的软件设计 18 读暂存器 Copy Scratchpad 复制暂存 器 48H 此命令将暂存器中的内容复制进 E2RAM 以便将温度告警触发 字节存入非易失内存 如果在此命令后产生读时隙 那么只要器件 在进行复制就会输出 0 复制完成后 再输出 1 Convert T 温度转换 44H 此命令开始温度转换操作 如果在此命令后主机产生读时隙 那么只要器件在进行温度转换就会输出 0 转换完成后再输出 1 Recall E2 重调 E2 存储器 B8H 将存储在 E2RAM 中的温度告警触发值和配置寄存器值重新拷贝 到暂存器中 此重调操作在 DS18B20 加电时自动产生 Read Power Supply 读供电方 式 B4H 主机发起此命令后的每个读数据时隙内 DS18B20 发信号通知 它的供电方式 0 为寄生电源方式 1 为外部供电方式 4 数据处理 DS18B20 要求有严格的时序来保证数据的完整 在单线 DQ 上 存在复位脉 冲 应答脉冲 写 0 写 1 读 0 和读 1 几种信号类型 其中 除了 应答脉冲之外 均由主机产生 而数据位的读和写则是通过使用读 写时隙实现 的 首先了解写时隙 当主机将数据线从高电平拉至低电平时 产生写时隙 有 2 种类型的写时隙 写 1 和写 0 所有写时隙必须在 60 s 以上 即由高拉 低后持续 60 s 以上 各个写时隙之间必须保证最短 1 s 的恢复时间 DS18B20 在 DQ 线变低后的 15 60 s 的窗口对 DQ 进行采样 如果为高电平 就为写 1 如果为低电平 就为写 0 对于主机产生写 1 时隙的情况 数据线必须先被 拉低 然后释放 在写时隙开始后的 15 s 允许 DQ 线拉至高电平 对于主机写 0 时隙的情况 DQ 线必须被拉至低电平且至少保持低电平 60 s 再来了解读时隙 当主机从 DS18B20 读数据时 把数据线从高电平拉至低电 湖南软件职业学院毕业设计 论文 第四章 系统的软件设计 19 平 产生读时隙 数据线 DQ 必须保持低电平至少 1 s 来自 DS18B20 的输出数 据在读时隙下降沿之后 15 s 内有效 因此 在此 15 s 内 主机必须停止将 DQ 引脚置低 在读时隙结束时 DQ 引脚将通过外部上拉电阻拉回至高电平 所有的 读时隙最短必须持续 60 s 各个读时隙之间必须保证最短 1 s 的恢复时间 开始 初始化DS18B20 应答脉冲否 发起Skip Rom命令 发起Convert T命令 延时1s 等待温度转换完成 初始化DS18B20 应答脉冲否 发起Resd Scratchpad命令 读低8位字节TL数据 读高8位字节TH数据 温度 T TH 4 N N Y Y 图 4 3 环境温度采集子程序流程图 所有的读写时隙至少需要 60 s 且每两个独立的时隙之间至少需要 1 s 的 恢复时间 在写时序中 主机将在拉低总线 15 s 内释放总线 并向 DS18B20 写 1 若主机拉低总线后能保持 60 s 的低电平 则向单总线器件写 0 DS18B20 仅在主机发出读时隙时才向主机传输数据 所以 当主机向 DS18B20 发 出读数据命令后 必须马上产生读时隙 以便 DS18B20 能传输数据 13 实现环境温度采集转换并读取数据的程序流程图参见图 4 3 湖南软件职业学院毕业设计 论文 致谢 20 4 2 34 2 3 显示子程序设计显示子程序设计 用 74LS164 驱动 LED 数码管静态显示电路 编程也很容易 只要将需要显示 的数字编辑成对应的 BCD 码 逐位送入 74LS164 的 A B 串行输入端 数码管将 正常显示 关键之处是要实现根据键值显示不同的数字 该程序流程图参见图 4 4 4 2 44 2 4 闹铃子程序设计闹铃子程序设计 闹铃子程序任务是不断用时钟分 min 与时 hour 同设定的闹铃分 clk min 与闹 铃时 clk hour 比较 只要满足 min 等于 clk min hour 等于 clk hour 响铃启动 5 分钟 并根据外部按键执行相应贪睡任务 该程序流程图参见图 4 5 开始 初始时间显示 送入function count值 function count 1否 调hour显示 调min显示 function count 2否 function count 3否 调sec显示 function count 4否 调clk hour显示 调clk min显示 function count 5否 function count 6否 调sec显示 function count 7否 调year显示 调month显示 function count 8否 function count 9否 调date显示 确认标志位 1否 时间显示 继续调时显示 N N N N N N N N N N 日期显示标志位 1否 日期显示 温度显示 温度显示标志位 1否 Y Y Y Y Y Y Y Y Y N N 返回 延时 A A 图 4 4 显示子程序流程图 湖南软件职业学院毕业设计 论文 致谢 2