基于AVR单片机的创意闹钟设计

摘要时间是现代社会中不可缺少的一项参数,无论是平时生活还是社会生产都需要对时间进行控制,有的场合对其精确性还有很高的要求采用单片机进行计时，对于社会生产有着十分重要的作用。本文首先在绪论中介绍了单片机和时钟的概念和现状，然后在对单片机系统、喇叭装置和显示电路做了深入的研究之后，提出了系统总体设计方案，并设计了各部分硬件模块和软件流程，在用C语言设计了具体软件程序后，用仿真软件进行了仿真和调试,结果证明了该设计系统的可行性。由于ATMEGA16单片机的控制器运算能力强，处理速度快，可以精确计时，很好地解决了实际生产生活中对计时高精确度的要求，因此该设计在现代社会中具有广泛的适用性。关键字ATMEGA16定时LCD显示仿真调试ABSTRACTMODERNSOCIETYISINDISPENSABLETOAPARAMETER,WHETHERINPEACETIMEORINSOCIALPRODUCTIONNEEDTOCONTROLTHETIME,THEREARESOMEOCCASIONSTOITSHIGHACCURACYREQUIREMENTSMICROCONTROLLERUSEDTOTIME,THECOMMUNITYHASAPRODUCTIONVERYIMPORTANTROLETHISPAPERFIRSTINTRODUCEDINTHEINTRODUCTIONOFTHECONCEPTOFCANDCLOCKANDTHESTATUSQUO,THENTHESCMSYSTEM,SPEAKERSANDDISPLAYCIRCUITDEVICESDOANINDEPTHSTUDY,THEOVERALLDESIGNOFTHESYSTEMPROPOSEDPROGRAMME,ALLPARTSOFTHEDESIGNOFTHEHARDWAREMODULEANDSOFTWAREPROCESSESUSEDINTHECOMPILATIONOFTHESPECIFICLANGUAGEOFTHESOFTWAREDESIGNPROCESS,USESOFTWARESIMULATIONANDDEBUGGING,THERESULTSPROVEDTHEFEASIBILITYOFTHEDESIGNASTHECONTROLLERATMEGA16MCUCOMPUTINGCAPABILITYANDPROCESSINGSPEED,PRECISIONTIMING,AGOODSOLUTIONTOTHELIFEOFTHEACTUALPRODUCTIONOFHIGHPRECISIONTIMINGOFTHEREQUEST,SOTHEDESIGNINMODERNSOCIETYHASABROADAPPLICABILITYKEYWORDATMEGA16TIMINGLCDDISPLAYSIMULATIONDEBUGGINGI目录第一章绪论111设计本电子定时闹钟的目的和意义112单片机和数字钟介绍1121单片机介绍1122数字钟介绍313本LCD电子闹钟的特点和功能介绍4131本电子钟设计特点4132本电子钟的主要功能4第二章总体方案设计与硬件设计521总体设计方案522电路总体概念图设计523ATMEGA16单片机硬件结构设计6231ATMEGA16单片机内部总体结构6232ATMEGA16单片机的引脚7233ATMEGA16的微处理器8234ATMEGA16存储器的结构8235ATMEGA16的并行I/O口10236系统时钟及时钟选项11237ATMEGA16的复位和复位电路1324时钟电路部分设计1425LCD显示电路部分16251LCD介绍16252LCD的选材2026喇叭部分的电路21第三章软件设计2231软件设计概述2232主函数的设计22II33部分设计思想的说明23331闹钟的实现23332显示程序24总结24参考文献27致谢28附录271第一章绪论11设计本电子定时闹钟的目的和意义一、复习和巩固所学过的知识，利用此毕业设计正好可以对所学过的知识进行系统的回顾和总结。二、拓展知识面，课堂的知识是远远满足不了设计的要求的，这就需要我们主动去找寻更多的资料，了解更多的知识。三、培养了设计能力和解决实际问题的能力，同时增强了自学能力，通过设计完整的单片机系统也初步掌握了组成系统、编程、调试等能力。四、通过本LCD电子钟的设计初步了解了单片机应用系统开发研制过程，软件和硬件设计的方法。12单片机和数字钟介绍121单片机介绍1单片机定义“单片机”就是将计算机的基本部件集成到一块芯片上，包括CPU（CENTRALPROCESSINGUNIT）、ROMREADONLYMEMORY、RAM（RANDOMACCESSMEMORY）、并行口（PARALLELPORT）、串行口SERIALPORT、定时器计数器TIMER/COUNTER、中断系统INTERRUPTSYSTEM、系统时钟及系统总线等。2单片机分类单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。通用型单片机具有比较丰富的内部资源，性能全面且适应性强，能覆盖多种应用需求。专用单片机是专门针对某个特定产品的，例如，专用于电机控制的单片机、车载电子设备、语音信号处理和家用电器中的单片机等。3单片机的发展概况单片机的发展经历了探索完善MCU化百花齐放四个阶段。（1）芯片化探索阶段220世纪70午代，美国的FAIRCHILD仙童公司首先推出了第一款单片机F8，随后INTEL公司推出了影响面大、应用更广的MCS48单片机系列。MCS48单片机系列的推出标志着在工业控制领域，进入到智能化嵌入式应用的芯片形态计算机的探索阶段。参与这一探索阶段的还有MOTOROLA、ZILOG和TI等大公司，它们都取得了满意的探索效果，确立了在SCMC的嵌入式应用中的地位。这就是SINGLECHIPMICROCOMPUTER的诞生年代，单片机一词即由此而来。这一时期的特点是嵌入式计算机系统的芯片集成设计；少资源、无软件，只保证基本控制功能。（2）结构体系的完善阶段在MCS48探索成功的基础上很快推出了完善的、典型的单片机系列MCS5L。ATMEGA16系列单片机的推出，标志着SINGLECHIPMICROCOMPUTER体系结构的完善。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机的体系结构。1）完善的总线结构并行总线8位数据总线、16位地址总线及相应的控制总线，两个独立的地址空间；串行总线通信总线，扩展总线。2）完善的指令系统具有很强的位处理功能和逻辑控制功能，以满足工业控制等方面的需要；功能单元的SFR特殊功能寄存器集中管理。3）完善的ATMEGA16成为SCMC的经典体系结构日后，许多电气商在ATMEGA16的内核和体系结构的基础上，生产出各具特色的单片机。（3）从SCMC向MCU化过渡阶段INTEL公司推出的MCS96单片机，将一些用于测控系统的模数转换器ADC、程序运行监视器WDT、脉宽调制器PWM、高速I/O口纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。由于ATMEGA16单片机系列向各大电气商的广泛扩散，许多电气商竞相使用80C51为核，将许多在测控系统中使用的电路技术、接口技术、可靠性技术应用到单片机中；随着单片机内外围功能电路的增强，进一步强化了智能控制器的特征。微控制器MICROCONTROLLERS成为单片机较为准确表达的名词。其特点是1）满足嵌入式应用要求的外围扩展，如WDT、PWM、ADC、DAC、高速I/0口等。32）众多计算机外围功能集成，如提供串行扩展总线SPI、I2C、BUS、MICROWIRE；配置现场总线接口CANBUS。3）CMOS化，提供功耗管理功能。4）提供OTP供应状态，利于大规模和批量生产。（4）MCU的百花齐放阶段单片机发展到这一阶段，表明单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具小到玩具、家电行业，大到车载、舰船电子系统，遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等领域。为满足不同的要求，出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的8位、16位、32位通用型单片机，小型廉价型、外围系统集成的专用型单片机，以及形形色色各具特色的现代单片机。可以说，单片机的发展进入了百花齐放的时代，为用户的选择提供了广阔的空间。122数字钟介绍时钟是将小时、分钟、秒钟显示于人的肉眼的计时装置。而单片机模块中最常见的正是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比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。而LCD电子定时闹钟是以单片机为基础的数字电路实现对时、分、秒的数字显示的数字计时装置,它的计时周期为24小时，另外应有校时功能和一些显示日期、闹钟等附加功能。一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”，“星期”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。目前电子钟广泛用于各种私人和公众场合,成为我们生活、工作和学习中不可缺少的好帮手。由于时钟的实用性和在人们生活中的重要性，所以尝试设计以单片机为核心的数字时钟是很有意义的。钟表原先的报时功能已经原不能满足人们日益增长的要求，现代的电子时钟多带有类似自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等功能，本设计4中LCD电子时钟采用LCD显示时间和日期年月，直观实用，而且可以方便的校调，附带的万年历和定时功能也是很方便和实用的13本LCD电子闹钟的特点和功能介绍131本电子钟设计特点本LCD电子定时闹钟是一种基于单片机技术的多功能、多用途的电子产品，有电子时钟、日期显示、定时闹铃等多种功能。本设计产品性能卓越，功能丰富，采用LCD显示更加直观，是一个比较实用的电子产品。132本电子钟的主要功能1可以显示24小时制“时时分分秒秒”，LCD显示。2可以方便的设定定时时间、修改定时时间，闹铃功能，预设定时时间到将发出闹铃声。5第二章总体方案设计与硬件设计21总体方案设计本LCD定时闹钟，是以单片机及外围接口电路为核心硬件，辅以其他外围硬件电路，用C语言设计的程序来实现的。根据MEGA16单片机的外围接口特点扩展相应的硬件电路，然后根据单片机的指令设计出数字钟相应的软件，再利用软件执行一定的程序来实现数字钟的功能。由于采用集成芯片性的单片机来制作电子钟，这样设计制作简单而且功能多、精确度高，也可方便扩充其他功能，实现也十分简单。本设计是利用MEGA16单片机为主控芯片，由LCD、晶振、电阻、电容、发光二极管、开关、喇叭等元件组成硬件电路，通过编写软件程序来实现和控制的数字定时闹钟。22电路总体概念图设计总体的硬件系统结构框图如图21所示ATMEGA16震荡电路定时电路喇叭LCD片选代码图21硬件电路概念示意图其中ATMEGA16为硬件系统的核心部分，震荡电路为单片机芯片提供时钟信号，调时电路用来设置时间和闹铃时间，输出分为两部分；一部分连接到LCD用于时间的显示，一部分连接到喇叭，用于闹铃声音的输出。623ATMEGA16单片机硬件结构设计231ATMEGA16单片机内部总体结构ATMEGA16单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、输入/输出接口、系统总线等基本部件构成微型计算机基本部件的单片机，其内部构造如图22所示图22ATMEGA16单片机内部总体结构图7232ATMEGA16单片机的引脚1ATMEGA16单片机的引脚图、逻辑图见图23图23ATMEGA16单片机的引脚图2引脚功能说明（1）VCC数字电路的电源（2）GND地（3）端口APA7PA0端口A做为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。（4）端口BPB7PB0端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口B也可以用做其他不同的特殊功能（5）端口CPC7PC0端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使8用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5TDI、PC3TMS与PC2TCK的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能（6）端口DPD7PD0端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口D也可以用做其他不同的特殊功能（7）RST复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。（8）XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。（9）XTAL2反向振荡放大器的输出端。（10）AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。（11）AREFA/D的模拟基准输入引脚。233ATMEGA16的微处理器ALU算术逻辑单元AVRALU与32个通用工作寄存器直接相连。寄存器与寄存器之间、寄存器与立即数之间的ALU运算只需要一个时钟周期。ALU操作分为3类算术、逻辑和位操作。此外还提供了支持无/有符号数和分数乘法的乘法器234ATMEGA16存储器的结构1状态寄存器状态寄存器包含了最近执行的算术指令的结果信息。这些信息可以用来改变程序流程以实现条件操作。如指令集所述，所有ALU运算都将影响状态寄存器的内容。这样，在许多情况下就不需要专门的比较指令了，从而使系统运行更快速，代码效9率更高。在进入中断服务程序时状态寄存器不会自动保存，中断返回时也不会自动恢复。这些工作需要软件来处理。BIT7I全局中断使能I置位时使能全局中断。单独的中断使能由其他独立的控制寄存器控制。如果I清零，则不论单独中断标志置位与否，都不会产生中断。任意一个中断发生后I清零，而执行RETI指令后I恢复置位以使能中断。I也可以通过SEI和CLI指令来置位和清零。BIT6T位拷贝存储位拷贝指令BLD和BST利用T作为目的或源地址。BST寄存器的某一位拷贝到T，而BLD把T拷贝到寄存器的某一位。BIT5H半进位标志半进位标志H表示算术操作发生了半进位。此标志对于B运算非常有用。BIT4S符号位,SNVS为负数标志N与2的补码溢出标志V的异或。BIT3V2的补码溢出标志支持2的补码运算。BIT2N负数标志表明算术或逻辑操作结果为负。BIT1Z零标志表明算术或逻辑操作结果为零。BIT0C进位标志表明算术或逻辑操作发生了进位。2通用寄存器文件寄存器文件针对AVR增强型RISC指令集做了优化。为了获得需要的性能和活性，寄存器文件支持以下的输入/输出方案输出一个8位操作数，输入一个8位结果输出两个8位位操作数，输入一个8位结果输出两个8位位操作数，输入一个16位结果输出一个16位位操作数，输入一个16位结果大多数操作寄存器文件的指令都可以直接访问所有的寄存器，而且多数这样的指令的执行时间为单个时钟周期。10图24AVR通用寄存器结构235ATMEGA16的并行I/O口图25AVR并行I/O结构图11作为通用数字I/O使用时，所有AVRI/O端口都具有真正的读修改写功能。这意味着用SBI或CBI指令改变某些管脚的方向或者是端口电平、禁止/使能上拉电阻时不会无意地改变其他管脚的方向或者是端口电平、禁止/使能上拉电阻。输出缓冲器具有对称的驱动能力，可以输出或吸收大电流，直接驱动LED。所有的端口引脚都具有与电压无关的上拉电阻。本节所有的寄存器和位以通用格式表示小写的“X”表示端口的序号，而小写的“N”代表位的序号。但是在程序里要写完整。例如，PORTB3表示端口B的第3位，而本节的通用格式为PORTXN。物理I/O寄存器和位定义列于P63“I/O端口寄存器的说明”。每个端口都有三个I/O存储器地址数据寄存器PORTX、数据方向寄存器DDRX和端口输入引脚PINX。数据寄存器和数据方向寄存器为读/写寄存器，而端口输入引脚为只读寄存器。但是需要特别注意的是，对PINX寄存器某一位写入逻辑“1“将造成数据寄存器相应位的数据发生“0“与“1“的交替变化。当寄存器MCUCR的上拉禁止位PUD置位时所有端口引脚的上拉电阻都被禁止。作为通用数字I/O时的端口请参见P48“作为通用数字I/O的端口”。多数端口引脚是与第二功能复用的，如P53“端口的第二功能”所示。请参见各个模块的具体说明以了解引脚的第二功能。使能某些引脚的第二功能不会影响其他属于同一端口的引脚用于通用数字I/O目的。236系统时钟及时钟选项1、始终系统及其分布时钟系统及其分布FIGURE11为AVR的主要时钟系统及其分布。这些时钟并不需要同时工作。为了降低功耗，可以通过使用不同的睡眠模式来禁止无需工作的模块的时钟，时钟系统详见图26。12图26AVR时钟分布图时钟系统及其分布FIGURE11为AVR的主要时钟系统及其分布。这些时钟并不需要同时工作。为了降低功耗，可以通过使用不同的睡眠模式来禁止无需工作的模块的时钟，时钟系统详见FIGURE11。CPU时钟CLKCPUCPU时钟与操作AVR内核的子系统相连，如通用寄存器文件、状态寄存器及保存堆栈指针的数据存储器。终止CPU时钟将使内核停止工作和计算。I/O时钟CLKI/OI/O时钟用于主要的I/O模块，如定时器/计数器、SPI和USART。I/O时钟还用于外部中断模块。要注意的是有些外部中断由异步逻辑检测，因此即使I/O时钟停止了这些中断仍然可以得到监控。此外，USI模块的起始条件检测在没有CLKI/O的情况下也是异步实现的，使得这个功能在任何睡眠模式下都可以正常工作。FLASH时钟CLKFLASHFLASH时钟控制FLASH接口的操作。此时钟通常与CPU时钟同时挂起或激活。13异步定时器时钟CLKASY异步定时器时钟允许异步定时器/计数器与LCD控制器直接由外部32KHZ时钟晶体驱动。使得此定时器/计数器即使在睡眠模式下仍然可以为系统提供一个实时时钟。ADC时钟CLKADCADC具有专门的时钟。这样可以在ADC工作的时候停止CPU和I/O时钟以降低数字电路产生的噪声，从而提高ADC转换精度。237系统控制和复位复位AVR复位时所有的I/O寄存器都被设置为初始值，程序从复位向量处开始执行。复位向量处的指令必须是绝对跳转JMP指令，以使程序跳转到复位处理例程。如果程序永远不利用中断功能，中断向量可以由一般的程序代码所覆盖。这个处理方法同样适用于当复位向量位于应用程序区，中断向量位于BOOT区或者反过来的时候。复位源有效时I/O端口立即复位为初始值。此时不要求任何时钟处于正常运行状态。所有的复位信号消失之后，芯片内部的一个延迟计数器被激活，将内部复位的时间延长。这种处理方式使得在MCU正常工作之前有一定的时间让电源达到稳定的电平。延迟计数器的溢出时间通过熔丝位SUT与CKSEL设定。ATMEGA16有5个复位源上电复位电源电压低于上电复位门限VPOT时，MCU复位。外部复位引脚RESET上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时MCU复位。看门狗复位看门狗使能并且看门狗定时器溢出时复位发生。掉电检测复位掉电检测复位功能使能，且电源电压低于掉电检测复位门限VBOT时MCU即复位。JTAGAVR复位复位寄存器为1时MCU复位。141524时钟电路部分设计ATMEGA16系列的单片机的时钟方式分为内部方式和外部方式。内部方式就是在单片机的XTAL1和XTAL2的两引脚外接晶振，就够成了自激振荡器在单片机内部产生时钟脉冲信号。外部时钟方式是把外部已经有的时钟信号引入到单片机内部。时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间。本LCD电子闹钟设计是采用内部时钟方式，用一个12MHZ晶振和两个30PF瓷片电容组成，为单片机提供标准时钟，其中两个瓷片电容起微调作用其电路图见图29XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P00/AD039P01/AD138P02/AD237P03/AD336P04/AD435P05/AD534P06/AD633P07/AD732P101P112P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P37/RD17P36/WR16P35/T115P27/A1528P20/A821P21/A922P22/A1023P23/A1124P24/A1225P25/A1326P26/A1427U1AT89C51X1CRYSTALC1220PC2220P图27时钟电路之所以采用高性能的振荡电路，因为1单片机电子钟的计时脉冲基准是由外部晶振的频率经过12分频后提供，采用16内部的定时/计数器来实现计时功能。所以，外接晶振频率精确度直接影响电子钟计时的准确性。2单片机电子钟利用内部定时/计数器溢出产生中断（12M晶振一般为50MS）再乘以相应的倍率来实现秒、分、时的转换。大家都知道从定时/计数器产生中断请求到响应中断需要38个机器周期，定时中断子程序中的数据入栈和重装定时/计数器的初值还需要占用数个机器周期，还有从中断入口转到中断子程序也要占用一定的机器周期。25LCD显示电路部分251LCD介绍1LCD背景LCD（LIQUIDCRYSTALDISPLAY）对于许多的用户而言可能是一个比较新鲜的名词，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想象早在1888年，一位奥地利的植物学家FRENITZER便发现了液晶特殊的物理特性。在85年之后，这一发现才产生了商业价值，1973年日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数字显示。现在，LCD是笔记型计算机和掌上计算机的主要显示设备，在投影机中，它也扮演着非常重要的角色，而且它开始逐渐渗入到桌面显示器市场中。液晶得名于其物理特性它的分子晶体，不过以液态存在而非固态。大多数液晶都属于有机复合物。高信息密度显示技术中首先商品化的是被动矩阵显示技术。它得名于控制液晶单元的开和关的简单设计。主动矩阵LCD的上下表层也纵横有序排列着用铟锡氧化物做成的透明电极。所不同的是在每个单元中都加入了很小的晶体管，由晶体管来控制电流的开和关。2视角在传统的CRT显示器或电视机中，图像的显示是通过发光物体磷来实现的，光线从这一层向各个方向发射，只是强弱稍有不同而已。因此，你可以从一个很大的可视角范围来观看屏幕，无论从哪个角度去观察，显示的亮度、色彩都和正视效果相近。LCD和其它大多数显示技术，都需要强的背景光线穿过液晶层或者其它显示层来形成图像，从而完成图像的传递过程。LCD的特性决定了它所需的背景光是定向的。举一个形象的例子来说，就好比你手中握有一把吸管，它们的一端对准光17源。如果你通过另一端直视吸管，你将会看到光源射出的光线。但是如果你稍微移开眼睛，从其它的方向去看的话，你就无法观察到光线了。LCD技术正是如此。虽然液晶分子并不像吸管一样是中空的，但是它们的有序排列阻止了光线向其它方向发射。为了解决视角问题，制造商们也想出了许多方法。直接在显示器外面附加一层漫射膜是办法之一，漫射膜可以将特定传播方向的光线散射向各个方向，从而增大可视角度。不过这种方法只能达到一定程度的改善。另一种做法是改变通过液晶的电流方向来增大可视角度。电流不再是从顶端流向底端，而是从侧面方向流过。这就使得液晶分子在水平方向上有序排列，从而增大了传递光线的可视角度。这两种技术通常用在水平可视角度的改善上。第三种解决方案比较复杂，而且会使制造成本大大增加。主要方法是将每个液晶单元分割成大量微小的部分，事先将这些微小子单元以不同的方向倾斜，这就使得传播光线在到达这些微小面板的时候向各个方向散射，从而增大可视角度。昂贵的成本限制了它的广泛使用，仅在一些具有需要同时从远处和近处观察的桌上型显示器中才应用这种技术。3反应速度LCD单元在控制信号到达与变化完成之间存在滞后现象，这使得LCD在显示快速移动图像时与CRT相比具有一种先天的缺陷。CRT的电子枪发射电子束到被激发的萤光粉发光之间几乎是瞬间的。这种时间滞后被称反应时间，其单位通常是毫秒。被动矩阵显示器响应时间很长，约有150毫秒或更多，所以不适于显示诸如电影的移动画面。在主动矩阵显示器中像素响应时间随设计的不同而异，主要受到几个因素影响，包括用来驱动单元。4显示色彩LCD显示的一个重要的技术指针是显示色彩。CRT显示器所能表现出的色彩几乎是无穷的，因为它是模拟设备。只需改变红绿蓝三种模拟信号的强度，你就可以得到不同的色彩。与CRT一样，LCD技术也是根据电压的大小来改变亮度，但是只有主动矩阵LCD可以单独控制每个像素，被动矩阵LCD每次都要驱动整行或整列像素，因此它的灰阶表现能力很差。每个LCD的子像素显示的颜色取决于色彩过滤器。由于液晶本身没有颜色，所18以用滤色片产生各种颜色，而不是子像素，子像素只能通过控制光线的通过强度来调节灰阶，只有少数主动矩阵显示采用模拟信号控制，大多数则采用数字信号控制技术。大部分数字控制的LCD都采用了8位控制器，可以产生256级灰阶。每个子像素能够表现256级，那么你就能够得到2563种色彩，每个像素能够表现16,777,216种成色。因为人的眼睛对亮度的感觉并不是线性变化的，人眼对低亮度的变化更加敏感，所以这种24位的色度并不1能完全达到理想要求。工程师们通过脉冲电压调节的方法以使色彩变化看起来更加统一。制造商还采用了两种技术来提高主动矩阵显示中每个液晶单元的灰阶显示数目。第一种是抖动方法。将四个毗连呈正方形的像素作为一个单元，如果其中一个的灰阶太低，那么相邻的像素就会提高自身的亮度，从而显示出一个比较适中的灰阶，四个像素最后会显示出三个适中的最终灰阶作为显示结果。这种方法的最大缺点在于降低了显示的分辨率。另一项技术是框架速率控制（FRC）或者暂时的高频振动。这种方法在显示每屏图像时多次刷新像素。与高频振动中将灰阶的混合用空间来显示不同，这种方法通过时间控制。如果显示一幅画面需要的时间分为很多帧，像素就可以在帧的切换当中造成一种灰阶的过渡态，四帧就可以造成三个过渡态。这种设计的优点是可以不降低图像的分辨率，被广泛应用于现代的主动矩阵显示器中。5耗电量主动矩阵式LCD显示器与CRT相比较小，需要很少的电量。事实上，它已经变成了便携式设备的标准显示器，从PDA到笔记型计算机均广泛运用。但不管怎样，LCD技术还是可悲的效率低下即使你将屏幕显示白色，从背景光源中发射的光也只有不到10穿过屏幕发出，其它的都被吸收。笔记型计算机的低效迫使其设计者面临一些艰难的选择。如果你希望在户外这样强光环境下图像更明亮，你就需要一个更亮的背景光源，这将需要更多的电力。如果你使用的电池容量一定，更亮的背景光源就会在较短的时间内耗尽电源。设计者用更大的电池容量解决这个问题，但是对于目前的电池技术来说，就意味着设备重量的增加，对消费者的吸引力就会下降。这三者之间的三角平衡推动着显示器、电池及节能技术的研究。总而言之，背景光源所耗能量是LCD显示器总耗电量的最大部分。更大的屏幕、更高的亮度和更高的分辨率都将使笔记型计算机显示器的耗电量大大增加。另一方19面，技术进步通过降低系统电压和提高孔径比使更多的光能通过液晶单元，降低系统的电源需求。结果是，笔记型显示器的总耗电量维持在2到5瓦之间。一根管子的背景光源大约需要12瓦，所以根据使用一只或两只管子一个屏幕中共需要12或24瓦的能量。PDA，如PALM和COMPAQIPAQ常使用反射显示器。这意味着环境光射进显示器中，穿过极化的液晶层，碰撞反射层，再反射出来显示成图像。据估计，在此过程中84的光被吸收，所以只有六分之一的光起作用，虽然还有待改进，但已足以提供可视影像需要的对比度。单向反射和反射显示器使得不同光照条件下耗费最少能源使用LCD显示器成为可能。LCD显示器的关键因素之一是它的价格。如果比CRT更加便宜，它将会占据几乎全部的显示器市场。但不幸的是，对于桌上计算机经常使用的15、17吋显示器来说，相同显示面积的LCD的造价几乎是CRT的3到5倍。显示面积越大，造价差距越大。为什么LCD造价如此之高这取决于它们的制造方式。它的制造工艺异常复杂，维持高良率需要不断努力。6传统工艺流程LCD的面板最早使用非常薄的玻璃制造。大约只有1104毫米厚，由于玻璃生产中，设备不同会造成玻璃厚度不同。所以，显示器只能在一套模具中制造。玻璃底层镀有一层非晶硅，从而在每个像素单元上可以制造半导体组件。经过一系列的平板照相、蚀刻、覆膜和沉积步骤，在每个像素上都生成了开关晶体管、滤色器及其它部分。在所有的元器件上沉积有一个透明数组膜，在顶层上贴上另一个相似的透明的数组膜。这些膜运用光化学工艺流程进行刻蚀或印刷，在每层膜上形成极小的刻槽。当液晶材料注入时，液晶分子就在这些槽中有序排列。在屏幕的两面间喷洒小隔片，保证在每个像素位置上有一到两个隔片。这样就可以分隔开玻璃层的上下面，为液晶材料提供一个存在的空间。接着，在每个显示器的底层玻璃的边沿涂上密封剂，同时在一边上留下一个缺口。最顶层和底层焊接在一起，最后切割成型。先抽出夹层中的空气，然后使用氮气压力将液晶材料从预先留下的缺口注入。密封缺口后经过检测保证其品质。偏振片和其它膜层材料在测试合格后添加。最后的步骤是将电子线路和与计算机或其它设备的接口装上，从而完成显示器的功能配设。LCD技术中最引人瞩目的是低温多晶硅的使用。传统工艺中使用非晶硅制造20LCD单元元器件，相对来说制造成本较低，但是比半导体芯片制造所使用的单晶硅的电子活性较低。电子活性随着硅结晶度的提高而增加，这样晶体管就可以越来越小，而这又意味着更大的孔径比更多光线将通过液晶显示器单元所以显示器耗电量更低，也就是说电池使用寿命将延长或整机重量降低。多晶硅用于小型LCD显示器例如资料读取设备中的面板但它们都需要可抵抗高温的特殊玻璃。覆盖在底层的硅被加热到一定温度然后冷却，从而产单晶硅。近几年，技术已经发展到了可以制造标准的玻璃底层和在室温下制造晶体硅。使用激光扫描硅膜，可以使膜表面特定的极小区域产生高温，冷却后生成单晶硅。这就意味着连接到面板上的接头数目减少95以上，而且同时增加显示的物理可靠性。如上所述，LCD面板的制造工艺非常复杂、所需设备非常昂贵，这些因素导致了显示器价格相对较高。252LCD的选材为了获得更好的效果本设计并没有采用常见的LED，而是采用了型号为1602的LCD。LCD有LED数码显示更好的更的直观效果，也更加经久耐用。液晶显示模块体积小功耗低、显示内容丰富，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一了。本LCD是2行16列液晶可显示2行16列英文字符，有8位数据总线D0D7，RS，R/W，EN三个控制端口（共14线），工作电压为5V。没背光，和常用的1602B功能和引脚一样（除了调背光的二个线脚）该模块也可只用D4D7作为四位数据分两次传送。这样的话可以节省MCU的I/O口资源。引脚说明，见表27。表27LCD显示屏引脚说明21VDD电源正极，4555V，通常使用5V电压；VLLCD对比度调节端，电压调节范围为05V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；RSMCU写入数据或者指令选择端。MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；R/W读写控制端。R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据；ELCD模块使能信号控制端。写数据时，需要下降沿触发模块。D0D78位数据总线，三态双向。如果MCU的I/O口资源紧张的话，该模块也可以只使用4位数据线D4D7接口传送数据。本充电器就是采用4位数据传送方式；BLALED背光正极。需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50MA左右；BLKLED背光地端。26喇叭部分的电路扬声器的电路部分比较简单，如图210，通过单片机发出的控制信号经过简单的放大和处理后直接控制LS1喇叭。22R91KQ12N508R1010LS1SPEAKERR11KK1图210SPEAKER部分电路图其中2N5088的参数为类型NPN集电极发射集最小雪崩电压VCEOV30集电极最大电流ICMAXMA0050直流电流增益HFE最小值DB350直流电流增益HFE最大值DB最小电流增益带宽乘积FTMHZ50封装/温度TO92/55150采用2N5088将获得更好更纯净的声音信号LS1是经典常见的喇叭。第三章软件设计31软件设计概述这里用C语言的单片机程序构成了本LCD电子闹钟的软件系统。该程序实现时间及定时时间以0点0分0秒为基准计算，闹铃定时以0时0分为基准计算）的显示，有外中断0和五个开关实现校时，闹钟功能。其中程序的晶振频率为12MHZ，最小计时单位为1/20秒。32主函数的设计本LCD电子闹钟的的主程序流程图如图31,32所示，。F键是否按下显示闹钟定时显示日期时间判断是否到闹钟定时时间LS1喇叭响显示算术题程序初始化23NOYESYES图31主函数流程图系统初始化定时器初始化LCD初始化串口初始化显示待机指示符设定闹铃时间判设置闹铃时间否显示刷新启动走时有关变量初始化刷新显示判断日期是否变化化否秒指示判断时间是否变化闹铃判是否到闹铃时间延时YYYY24图32主函数流程图33部分设计思想的说明331闹钟的实现闹钟功能的实现涉及到两个方面闹铃时间设定和是否闹铃判别与相应处理。闹铃时间设定模块的设计可参照时间设定模块，这里着重阐述闹铃判别与处理模块的设计问题。闹铃判别与闹铃处理的关键在于判别何时要进行闹铃。当时十位、时个位、分十位、分个位中任一位发生改变（进位）时，就必须进行闹铃判别。程序设计思想如图。图33闹铃实现思想流程图时十位、个位，分十位、个位改变了设置闹铃标志是否设置了闹铃清除闹铃标志判当前时间是设定时间中断返回中断返回闹铃判别处理25332显示程序显示程序包括时钟显示和定时显示程序。具体程序见附录1液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表31是TC1602EL液晶模块的内部显示地址。表31内部显示地址。12345678910111213141516000102030405060708090A0B0C0D0E0F404142434445464748494A4B4C4D4E4F比如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）10000000B（80H）11000000B（C0H），液晶模块内带标准字库，内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了192个57点阵字符，32个510点阵字符。另外还有字符生成RAM（CGRAM）512字节，供用户自定义字符。这些字符有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A26总结单片机是计算机技术发展的产物，是经济实用开发简便的高科技产品，在当今工业控制、家电等领域占据广泛的市场。通过此次单片机毕业设计来设计个简单的数字闹钟，我巩固了自己学习的单片机知识，来初步了解了小型单片机系统的设计和运用，并提高自己实际动手能力。，毕业设计过程也使我了解了自己能力的不足，不过通过资料收集和文献查询等方法，找出了设计过程中的一些问题以及解决问题的方法，从而比较顺利的完成了这个设计任务。这次自己所做的设计取得了一些宝贵的经验，提高了自己的动手能力，为将来的学习和工作很有好处。通过这次毕业设计我学到了很多全新的在课堂上没法学到的知识，同时也加深了以前所学知识的理解，也增强了理论联系实际的操作能力。但是，在实际的编程以及调试程序过程中，我发现自己应该学的还有太多太多。光靠书本上是远远行不通的总之，理论必须和实际结合才有威力，知识必须通过应用才能实现其价值所学的东西最终是要面向社会，是在以后的工作能够更好的应用，此时的知识积累是为以后的工作做好坚实的基础。这个设计总体上不算完美，但是在这个毕业设计的经历的好处是不可估量的。由于本人用单片机制作实际应用是第一次涉及，所以在设计的过程中，可能忽略了许多的问题，再加上能力与精力，还有时间的关系，对系统的设计中的每一个细节不能做到完全的完美。该系统还需要以后进行完善，而我所做的也仅供以后设计该系统时作为参考。27参考文献1陈明荧。单片机课程设计实训教材。清华大学出版社。2004年2罗亚非。凌阳16位单片机应用基础。北京北航出版社，2003年。3蔡方凯。单片机原理及基于单片机的嵌入式系统设计。水利水电出版社2007年。4阎石。数字电路技术基础。北京高等教育出版社，1998年。5童诗白、华成英。模拟电子技术基础。北京高等教育出版社，2001年。6楼然苗、李光飞。单片机课程设计指导。2007年7凌阳科技大学计划网站HTTP/WWWUNSPCOMCN8谭浩强。C语言程序设计。清华出版社。9彭传正、林春景。凌阳单片机原理与实践。北京航空航天大学出版社。2006年。10侯媛彬。凌阳单片机原理及毕业设计精选。科学出版社。2005年。11耿文静、钱珊珠。单片机原理与接口技术。国防工业出版社。2007年。12徐江海。单片机实用教程。机械工业出版社。2007年。13龚运新。单片机C语言开发技术。清华大学出版社。2006年。14凌阳科技。凌阳16位单片机开发实例。北京航空航天大学出版社。2006年15刘秀英。单片机应用设计200例。北京航空航天大学出版社。2006年28致谢在整个毕业设计期间，我得到了刘智老师全面、具体和耐心的指导。刘老师那渊博的学识、严谨的态度、雄阔的思维，和朴实无华、平易近人的人格魅力，使我终生难忘。感谢刘丹学姐在我书写设计论文的过程中给予的宝贵意见。感谢刘老师在我作毕业设计期间给予的帮助和鼓励。同时，也感谢每一位帮助过我的老师同学。感谢我的校友和朋友们在这四年对我的关心和帮助。感谢我的父母及家人多年来对我学业上的全力支持和生活上的关心照顾。对所有给予我关心和支持的亲人和朋友们表示深深的谢意29附录1源程序代码/按F键,依次进入闹钟功能，闹钟时,分,秒模式设置。按B键,结束闹钟设置，进入时间显