基于单片机控制的多功能数字时钟设计

编号 XXXXXXX 毕业论文 （ 2012 届本科）题 目：基于单片机控制的多功能数字时钟设计学 院： 物理与机电学院 专 业： 电气工程及其自动化 作者姓名： XXXXXX 指导教师： XXXX 职称： XXX 完成日期： 2012 年 5 月 16 日二一二 年 五 月目 录摘要：1Abstract:2第一章 绪论31.1 多功能时钟研究背景31.2 多功能时钟国内外发展现状41.3 单片机简介41.3.1 单片机的发展41.3.2 单片机的分类51.4 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72.1 显示模块选择方案72.2数字时钟模块选择方案72.3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93.1 多功能数字时钟系统的组成93.2 多功能时钟系统的控制要求103.2.1 时间与日历显示103.2.2 温度检测及调整103.2.3时间手动设置103.2.4 闹铃设置10第四章 多功能数字时钟硬件设计114.1 系统硬件总图构成及原理114.2 AT89S52介绍114.3 时钟模块124.4 温度测量模块134.4.1 DS18B20芯片介绍134.4.2 DS18B20的工作原理144.4.3 DS18B20工作过程144.5 LCD液晶显示模块154.6 晶振电路164.6.1 晶振电路的原理164.6.2 晶振电路的作用174.6.3 晶振电路图174.7 复位电路184.7.1 复位电路的原理184.7.2 复位电路复位方式184.7.3 复位电路图194.8 本章小结19第五章 多功能数字时钟系统软件设计205.1 系统总体设计205.2 系统主要模块流程图205.2.1 温度测量流程图205.2.2 时间与闹铃流程图21第六章 系统调试与仿真226.1 Keil Vision2软件平台226.1.1 编写程序代码226.1.2 按照系统硬件连线图连接好系统并调试226.2 键功能介绍236.3 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：55XX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）XX学院本科生毕业论文（设计）开题报告论文题目基于单片机的多功能时钟设计学生姓名XX所属学院物理与机电专业电气工程年级08级指导教师XXX所在单位物理与机电职称XX开题日期2011.12.20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：12011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。22011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。32011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。42012年3月11日-2012年4月30日：修改初稿，完成仿真与分析。52012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。62012年5月16日-2012年5月25日：最后修改定稿。72012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.2006,92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，19903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，19934宋建永. 基于MCS-51与8279的智能时控开关设计J . 电脑与电信，2008/095万胜前. 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，19967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 日单片机控制的多功能数字时钟设计摘要：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。关键词：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 peoples 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 绪论1.1 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。1.2 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56英寸硅片、0.81微米技术 ，大部分设计公司的技术水平在0.80.5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。1.3 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MCS51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SFR10) 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1.4 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。第二章 多功能数字时钟系统方案论证2.1 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。2.2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。2.3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。第三章 多功能数字时钟系统总体设计3.1 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（FPEROMFlash 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。3.2 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I0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I0 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I0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 多功能数字时钟硬件设计4.1 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。4.2 AT89S52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。图4-2 AT89S52引脚图4.3 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：D7D6D5D4D3D2D1D01R/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C0HFDH，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4.4 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55125 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3.05.5。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45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4.5 LCD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4.6 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4.7 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1F。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4.8 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性和编程中的注意事项。(3)提出时钟与测量芯片的相关知识，说明其原理，分析了工作过程。(4)说明了晶振与复位电路的知识，并分析了晶振电路在整个设计中的作用。第五章 多功能数字时钟系统软件设计5.1 系统总体设计系统软件设计主要思路为利用DS1302时钟芯片进行时钟计时。其控制程序主要分为以下几个模块：初始化程序，主程序、闹铃程序、调整程序、显示程序等。当电路接入电源后，首先进行初始化。初始化完成后若是模拟软件则显示屏幕会自动读取当前计算机时间进行显示，如果是实物电路则直接显示为零。此时通过按键进入子程序进行时间设置调整。主程序的框图如图5-1所示：图5-1 主程序流程图5.2 系统主要模块流程图5.2.1 温度测量流程图图5-2 温度测量程序流程图5.2.2 时间与闹铃流程图图5-3时间与闹铃流程图第六章 系统调试与仿真6.1 Keil Vision2软件平台Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（u