基于SPCE061A的多功能数字钟设计.doc

中国海洋大学中国海洋大学第一届电子设计竞赛结题设计论文题目：多功能数字钟学 校：中国海洋大学系 部：电子工程系 专 业：电子信息科学与技术 班 级：2007级 学 生 姓 名：杨勇 学 号：020242007048 2010年 6月 4 日目 录摘要 .3绪论 .5第1章 设计要求与方案论证.6第2章 系统硬件电路设计 .10第3章 系统的软件设计.14第4章 结束语.15参考文献.16附录:主程序.17摘要随着社会、科技的发展，人类得知时间，从观太阳、摆钟到现在电子钟，不断研究创新。为了在观测时间的同时，能够方便了解其它与人类密切相关的信息，方便人们的日常生活，比如温度、定时、电压测量等，多功能数字钟诞生了，它集时间、闹钟、电压和温度功能于一身，具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景。本系统的设计电路以凌阳单片机SPCE061A作为控制器。主要由显示电路, 功能控制电路(键盘)、温度传感器电路、电压转换电路四部分。吸收了硬件软件化的思想，大部分功能通过软件来实现，使电路简单明了，系统稳定性大大提高。本系统不仅成功的实现了要求的基本功能,发挥部分也得到部分的实现,而且有一定的创新。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式，温度测量范围为55125，可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。这使得DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。 关键字：凌阳单片机 TM1638 DS18B20 语音 数字钟 AbstractWith the society, science and technology, mankind learned that time, from the view of the sun, to the present electronic clock pendulum clock, continuous research and innovation. Observation time in the same time, be able to understand other human beings is closely related to information, such as temperature, week, date and so on, the birth of the electronic calendar, and it set the time, date, week and temperature-in-one, with easy to read, intuitive display functional diversity, and many other advantages of simple circuit with the electronic instrumentation of the development trend of the. market prospects are broadThis system is based on the single chip SPCE061A. It includes display circuit, control circuit, sensor circuit, voltage shift circuit. Many functions are finished by the software. So it simples the circuit and enhances the stability of the system. Not only all the basic and some of the extended functions are successfully realized, but also accomplished some innovation functions . Key words : SPCE061A TM1638 DS18B20 voice digitaleclock 绪论 随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，对时间的要求越来越高，精准数字计时的消费需求也是越来越多。二十一世纪的今天，最具代表性的计时产品就是电子数字时钟，它是近代世界钟表业界的第三次革命。第一次是摆和摆轮游丝的发明，相对稳定的机械振荡频率源使钟表的走时差从分级缩小到秒级，代表性的产品就是带有摆或摆轮游丝的机械钟或表。第二次革命是石英晶体振荡器的应用，发明了走时精度更高的石英电子钟表，使钟表的走时月差从分级缩小到秒级。第三次革命就是单片机数码计时技术的应用（电子万年历），使计时产品的走时日差从分级缩小到1/600万秒，从原有传统指针计时的方式发展为人们日常更为熟悉的夜光数字显示方式，直观明了，带来了钟表计时业界跨跃性的进步。我国生产的数字钟有很多种，本设计除了原有的显示时间这一基本功能外，还具有闹铃、报警、电压温度测量等功能。商家生产的电子万年历更从质量，价格，实用上考虑，不断的改进电子万年历的设计，使其更加的具有市场。本设计为软件，硬件相结合的一组设计。在软件设计过程中，应对硬件部分有相关了解，这样有助于对设计题目的更深了解，有助于软件设计。基本的要了解一些主要器件的基本功能和作用。除了采用集成化的时钟芯片外，还有采用MCU的方案，利用SPCE061A系列单片微机制成时钟电路，采用软件和硬件结合的方法，采用TM1638控制LED数码管输出，分别用来显示时、分、秒，其最大特点是:硬件电路简单，安装方便易于实现，软件设计独特,可靠。SPCE061A 是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。 本文介绍了基于SPCE061A单片机设计的多功能数字钟。首先我们在绪论中简单介绍了单片机的发展与其在中低端领域中的优势以及课题的开发意义；接着介绍了SPCE061A单片机的硬件结构和本毕业设计所要外扩的LED显示及其驱动方法，并在此基础上实现了数字钟基本电路的设计；然后使用单片机汇编语言进行万年历程序的设计，程序采用模块化结构，使得逻辑关系简单明了，维护方便。 第1章 设计要求与方案论证1.1 引言随着电子技术的发展，人类不断研究，不断创新纪录。电子数字钟得到了越来越广泛的应用，采用电子时钟作为时间显示已经成为一种时尚。目前市场上各式各样的电子时钟数不胜数，但多数是只针对时间显示，功能单一不能满足人们日常生活需求。 本文提出了一种基于SPCE061A单片机的万年历设计方案，本方案以SPCE061A单片机作为主控核心，与温度传感器DS18B20、按键、LED显示等模块组成硬件系统。在硬件系统中设有独立按键和LED显示器，能显示丰富的信息，根据使用者的需要可以随时对时间进行校准、选择时间等，综上所述此数字钟具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景。1.2功能要求1基本要求 （1）具有时间设置（小时和分钟）、闹钟时间设置、闹钟开、闹钟关功能。 （2）数字显示小时、分钟，有AM、PM指示器，闹钟就绪灯，蜂鸣器。2发挥部分 （1）键盘切换现场环境温度显示。（0601） （2）键盘切换电压显示。 （3）电压欠压、过压报警功能。（4）语音报时。1.3方案论证1.3.1 技术可行性 随着国内超大规模集成电路的出现，微处理器及其外围芯片有了迅速的发展。集成技术的最新发展之一是将CPU和外围芯片，如程序存储器、数据存储器、并行I/O口、串行I/O口、定时/计数器、中断控制器及其他控制部件集成在一个芯片之中，制成单片计算机（Single-Chip Microcomputer）。而近年来推出的一些高档单片机还包括有许多特殊功能单元，如A/D、D/A转换器、调制解调器、通信控制器、锁相环、DMA、浮点运算单元、PWM控制输出单元、PWM输出时的死区可编程控制功能等。因此，只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统，如工业流水线控制系统、作为家用电器的主控制器、分布式控制系统的终端节点或作为其主控制节点起中继的作用、数据采集系统、自动测试系统等。单片机的出现，并在各技术领域中得到如此迅猛的发展，与单片机构成计算机应用系统所形成的下述特点有关： 1、单片机构成的应用系统有较大的可靠性。这些可靠性的获得除了依靠单片机芯片本身的高可靠性以及应用有最少的联接外，还可以方便地采用软、硬件技术。2、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，应用系统有较高的软、硬件利用系数。 3、由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的测、控功能由软件实现，故具有柔性特征，不须改变硬件系统就能适当地改变系统功能。4、有优异的性能、价格比。1.3.2 单片机的选择方案一: 采用普通MCS-51单片机作为总的控制元件。方案二: 采用凌阳单片机SPCE061A作为总的控制元件比较论证: 方法一MCS-51单片机功能较少， 不含有模数转换等功能,因此需增加一些外围电路来实现一些功能,使电路复杂化,精确度不高，采样速率偏低。而方法二简化了电路，增加了系统稳定性。凌阳SPCE061A在设计方面提供了极大的方便，它的好处在于，功能较多,因为它不仅囊括了普通单片机的所有功能，更增加了许多新的功能，如: A/D、D/A转换， 语音等,另外又提供了便利的编程环境。更重要的是凌阳单片机接口较多，所需外部按键较少，因此可采用独立式键盘。 由于本系统对CPU运算速度要求很高，需要执行很复杂的运算，方案一成本比较低，适合做实际生产使用，方案二运算速度高，性能好，适合做设计开发，两种方案都有可取之处。这里选用方案二作为主方案，方案一作为备用方案。1.3.3 显示模块的选择 方案一：使用液晶显示屏LCD1604显示时间数字。 液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。但由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。方案二：使用传统的LED数码管显示。 数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，称重轻，精确可靠，操作简单。数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。 根据以上的论述，采用方案二。在本系统中，我们采用了八段四位一体数码管串口的动态显示，由于显示位数较多，故应使用显示驱动，在本设计中采用TM1638显示驱动芯片。1.3.4 键盘模块的选择在对日期和时间进行切换，对日期和时间进行调节校准过程中，系统需要产生激励电流，因此需要用按键。 方案一：使用独立式键盘。独立式键盘是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。 方案二：使用矩阵式键盘。矩阵式键盘是由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。其特点是简单且不增加成本，这种键盘适合按键数量较多的场合。 根据以上的论述，因本系统需要的按键不多，分数加1键，时数加1键，开闹钟键，电压测量键，温度测量键，时间/温度/闹钟/电压切换键，要求简单。所以采用方案一独立式键盘。1.3.5总体方案论证与选择按照系统设计功能的要求，初步确定系统由主控模块、温度测量模块、显示驱动及显示模块和键盘接口模块共4个模块组成，电路系统构成框图如图所示。 图1.1多功能数字钟电路系统构成框图显示驱动采用TM1638，TM1638是带键盘扫描接口的LED（发光二极管显示器）驱动控制专用电路，内部集成有MCU 数字接口、数据锁存器、LED 高压驱动、键盘扫描等电路。主要应用于冰箱、空调 、家庭影院等产品的高段位显示屏驱动。TM1638和微处理器只需三根导线连接，每位显示数字有一个地址由微处理器写入。允许使用者选择每位是BCD 译码或不译码。使用者还可选择停机模式、数字亮度控制、从18 选择扫描位数和对所有LED 显示器的测试模式。显示模块采用普通的共阴极四位一体八段LED数码管。 TM1638管脚定义及功能表第2章 系统硬件电路设计2.1电路设计（1）凌阳单片机接口电路输入/输出接口（简称为I/O口）是单片机与外设交换信息的通道。输入端口负责从外接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。输出端口负责向外界输送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。此单片机有两个16位通用的并行接口：A口和B口。这两个口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。B口除了具有常规的输入/输出功能外，还有一些特殊功能。（2）按键电路 按键电路简单，易于控制；按键控制接口部分由6个按键组成，加上61板上自带的3个按键共九个键 ： 小时按键、分钟按键、切换闹钟键、切换时间键、切换温度键、切换电压键、关闭闹钟键 （3）显示电路由TM1638驱动4x2共阴极LED数码管组成，外加8个发光二极管，共需VDD,GND,CLK,DIO,STB五个接口。（4）温度传感器共需VDD,GND,DQ三个接口，其中只有DQ需占用单片机一个IO口。（5） 电压测量/报警以单片机采样，充分发挥凌阳单片机的功能,简化了系统的硬件设计,并充分发挥数量不多的数字逻辑器件的作用,实现了题目要求的扩展部分。对于欠压、过压的监测是利用了凌阳加软件来实现A/D转换，其具体实现过程为： 单片机设定一低压直流标志电压值Y，输入电压为X，当0.9Y=X=1.10Y时供电电压正常；当X=1.10Y时倒数第一个LED灯过压报警 。第3章 系统软件流程设计总流程图：第4章 结束语自从报名参加中国海洋大学电子设计大赛的这些日子以来，我感到课余的生活更加充实了。刘教授的培训讲座让我学到了很多很多关于单片机编程的新方法和新思路，大大开阔了我的视野。作为一个正在进行中的国家大学生创新计划项目的成员，我深深感到了单片机世界的丰富多彩，很多思路都是以前没有使用过的，凌阳的61板也是让我学到了许多新的知识。在编程过程中，我遇到了许多困难，有时也是很烦躁的，但是通过查阅相关书籍资料和请教有经验的同学，我也一步一步的解决了很多问题。在结题前由于时间及成本原因，还有一些功能没有能够实现，比如电网频率的测试功能，但是我已经有了清晰的思路，相信如果再有一些时间的话一定能够做得出来的。通过这次竞赛我学到了很多知识，大大拓宽了思路，我感到受益匪浅。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。最后更要感谢工程学院的刘滨教授，是他利用自己的休息时间为我们介绍了凌阳板的一系列知识技能，并现场为我们演示了凌阳板的开发方法，是我们能够快速的认识了解了SPCE061A这一新型芯片。在此我向刘教授致以最衷心的感谢和深深的敬意。参考文献：1 侯媛彬凌阳单片机原理及其毕业设计精选科学出版社 20062 61板课程设计指导书 凌阳光盘资料 20053 数字电子技术基础 阎石 高等教育出版社 20064 C语言在凌阳十六位单片机中的应用凌阳光盘资料 20055 单片机外围器件实用手册存储器分册 窦振中 北京航空航天大学出版社附录 主程序：#include#include#include#include#include#define ClearWDog (*(volatile unsigned char *) 0x7012)=1#define dian 11#define fen 12#define ring 13unsigned int num=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x77,0x7C,0x39,0x5E,0x79,0x71;unsigned int 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