液晶數(shù)字鐘論文

1、液晶數(shù)字鐘論文 目錄緒論2第1章設計方案31.1方案論證與比較31.2方案確定4第2章硬件設計52.1單片機最小系統(tǒng)52.2時鐘模塊52.2.1DS1307的引腳功能62.2.2DS1307的內(nèi)部結(jié)構(gòu)62.2.3DS1307的讀寫操作72.2.4DS1307硬件電路設計92.3鬧鈴模塊92.4鍵盤模塊92.5.1LCD1602的引腳功能102.5.2LCD1602的顯示操作10第3章軟件設計143.1系統(tǒng)流程圖143.2鍵盤處理模塊流程圖14第4章系統(tǒng)測試19總結(jié)20參考文件21附錄1系統(tǒng)仿真電路圖22附錄2主要源程序23附件3 軟件設計變24附件4 程序模塊及參數(shù).25緒論本次課程設計的目的

2、是為我們更好的掌握單片機的應用知識，有助于提高我們的職業(yè)素質(zhì)，同時加深對知識的了解，本次設計也是為我們的畢業(yè)設計打基礎，加強知識的綜合應用。本設計以AT89C51單片機為核心，以實時時鐘芯片DS1307和液晶顯示LCD1602為主體設計了一款簡易數(shù)字時鐘。該時鐘系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、時鐘模塊、鬧鐘模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊組成。系統(tǒng)具有簡單清晰的操作界面，能夠準確顯示時間（顯示格式為時時：分分：秒秒，24小時制），可隨時進行時間調(diào)整，具有鬧鐘時間設置、鬧鐘開/關。設計以硬件軟件化為指導思想，充分發(fā)揮單片機功能，大部分功能通過軟件編程來實現(xiàn)，電路簡單明了，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。同時，該時鐘系統(tǒng)

3、還具有功耗小、成本低的特點，具有很強的實用性。由于系統(tǒng)所用元器件較少，單片機所被占用的I/O口不多，因此系統(tǒng)具有一定的可擴展性。軟件程序均采用C語言編寫，便于移植與升級。報告詳細介紹了整個系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)、工作原理和系統(tǒng)的軟件程序設計。 通過一個階段的對知識點的了解更加明確，同時也了解了做項目不是件容易的事，需要多方面的知識，還需要大量的查閱資料，再把自己的所學知識綜合應用，這樣才有可能做出項目來。第1章設計方案1.1方案論證與比較方案一：基于FPGA的系統(tǒng)總體設計方法。為了實現(xiàn):(1)顯示年、月、日、時、分、秒、星期，并且可以進行調(diào)整時間；(2)可以設定鬧鐘和整點報時的功能，數(shù)字時鐘在總體

4、上主要分為三大部分：輸入人機界面部分、FPGA核心功能部分和輸出界面部分，其系統(tǒng)設計框圖如圖1-1所示。圖1-1基于FPGA的系統(tǒng)設計方框圖方案二：采用單片機技術來實現(xiàn)數(shù)字鐘的功能。系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心控制器件，它除了具備微機CPU的數(shù)值計算功能外，還具有靈活強大的控制功能，以便實時檢測系統(tǒng)的輸入量、控制系統(tǒng)的輸出量，實現(xiàn)自動控制。與傳統(tǒng)機械表相比，它具有走時精確,顯示直觀等特點。它的計時周期為24小時，顯滿刻度為“23時59分59秒”，另外具有校時功能，斷電后有記憶功能，恢復供電時可實現(xiàn)計時同步等特點。外圍主要有串行通信器件實時時鐘芯片DS1307等，使得系統(tǒng)線路簡單可靠性高。系

5、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示。圖1-2基于單片機實現(xiàn)的數(shù)字時鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖單片機最小系統(tǒng)：其作用是和外圍的時鐘芯片通信，并控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，采集時間信息并予以處理。鍵盤模塊：鍵盤模塊可以設置時間信息，通過單片機寫入時鐘芯片，以更新時間；也可以設置鬧鐘，由單片機存入其內(nèi)部RAM中。時鐘模塊：此模塊由專用的實時時鐘芯片構(gòu)成，由它提供實時的日歷時鐘信息。液晶顯示模塊：單片機讀取時鐘芯片DS1307中的信息，通過液晶顯示器實時顯示。采用LCD作為顯示器，具有界面友好、功耗低的優(yōu)點。鬧鐘模塊：單片機主控模塊讀取日歷芯片中的時間信息，與所設置的鬧鐘時間相比較，若相同時，鬧鐘模塊工作鬧鐘模塊。電源模塊：用22

6、0V市電經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后，輸出穩(wěn)定的+5V的直直流電為其供電。1.2方案確定綜合考慮以上兩種方案的優(yōu)缺點以及題目的基本要求和發(fā)揮要求，在本設計中，我采了第二種方案，即采用單片機來實現(xiàn)數(shù)字時鐘的功能。第2章硬件設計2.1單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，由單片機、時鐘電路、復位電路等組成如圖2-1所示。主要負責各個模塊的初始化工作；讀取并處理時間；處理按鍵響應；控制液晶實時顯示等。圖2-1單片機最小系統(tǒng)主控制器AT89C51單片機與MCS51系列單片機產(chǎn)品兼容，內(nèi)部自帶有4KB的Flash存儲器及256KBRAM單元，不需另外擴展EEPROM及靜態(tài)RAM，可以在線下載

7、程序，易于日后的升級。圖中，P2.0、P2.1、P2.2及P1口為單片機與液晶顯示器連接的控制和通信的數(shù)據(jù)端口；P2.6和P2.7為單片機與時鐘芯片DS1307通信的端口；P2.3為鬧鐘的控制端口；P0.0、P0.1、P0.2、P0.3為按鍵模塊的接口。時鐘電路是由XTAL1和XTAL2之間跨接的晶體振蕩器和微調(diào)電容構(gòu)成。時鐘電路中晶體振蕩器的頻率高則系統(tǒng)的時鐘頻率就高，所以該系統(tǒng)采用12M晶振；復位電路有兩種形式：手動按鍵復位和上電復位，在本系統(tǒng)中采用的是手動按鍵復位。如圖2-1所示，R1、R2、C3和SW組成系統(tǒng)手動按鍵復位電路。2.2時鐘模塊系統(tǒng)采用DS1307時鐘芯片。DS1307是美

8、國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的時鐘芯片，它是一款I2C總線接口的時鐘芯片，采用兩線與CPU進行通信，片內(nèi)含有8個特殊功能寄存器和56bit的SRAM。DS1307的主要技術指標：具有秒、分、時、日、星期、月、年的計數(shù)功能；12小時制和24小時制兩種計數(shù)模式；可自動調(diào)整每月的天數(shù)，具有閏年自動修正、掉電保護和上電復位功能。2.2.1DS1307的引腳功能DS1307采用8引腳雙列直插DIP封裝形式，引腳分布如圖2-2所示。相應功能如下：Vcc：主電源；Vbat：備用電源。當VbatVcc+0.2V時，由Vcc向DS1307供電，當VbatVcc時，由Vcc向DS1307供電；GND

9、：邏輯地；SCL：I2C總線時鐘線；SDA：I2C總線數(shù)據(jù)線；SQW/OUT：方波/輸出驅(qū)動器。圖2-2DS1307引腳分布圖2.2.2DS1307的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS1307芯片由晶體振蕩器、電源控制器、I2C總線控制、分頻處理、邏輯控制、RAM存儲、多路選擇器、時鐘/日歷寄存器、緩沖器組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。VccSQW/OUTSDASCLGNDVbatX2X1電源控制器邏輯控制時鐘/日歷寄存器多路選擇器RAM存儲分頻處理晶體振蕩器RAM存儲I2C控制總線1Hz圖2-3DS1307的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2寄存器DS1307有關日歷、時間的寄存器共有12個，其中有7個寄存器（讀時81H8DH

10、，寫時80H8CH），存放的數(shù)據(jù)格式為BCD碼形式，如表2-1所示。表2-1DS1307的日歷、時間寄存器地址D7D6D5D4D3D2D1D0功能取值范圍81HCH十位個位秒00-5983H0十位個位分00-5985H012十位十位個位時AM：1-12PM：00-23248B00000星期星期01-0787H00十位個位日01-3189H000十位個位月01-128DH十位Year年00-998FHOUT00SOWE00RS1RS0控制字-91HRAM56800H-FFH(1)小時寄存器（85H、84H）的位7用于定義DS1307是運行于12小時模式還是24小時模式。當為高電平時，選擇12小時

11、模式。在12小時模式時，位D5是，當為1時，表示PM。在24小時模式時，位5是第二個10小時位。(2)秒寄存器（81H、80H）的位7定義為時鐘暫停標志（CH）。當該位置為1時，時鐘振蕩器停止，DS1307處于低功耗狀態(tài)；當該位置為0時，時鐘開始運行。(3)控制寄存器（8FH、8EH）的位7是寫保護位（WP），其它7位均置為0。在任何的對時鐘和RAM的寫操作之前，WP位必須為0。當WP位為1時，寫保護位防止對任一寄存器的寫操作。2.2.3DS1307的讀寫操作DS1307是基于I2C總線接口的時鐘芯片，軟件上與I2C總線完全兼容。1.I2C總線的驅(qū)動I2C總線在傳送數(shù)據(jù)時，必須確認傳送數(shù)據(jù)的開

12、始和結(jié)束。而且每傳送一個字節(jié)，要發(fā)送一個應答位（0）；在一個周期發(fā)送結(jié)束后，要發(fā)送一個應答位（1）。具體如圖2-4所示，三種信號的格式如下：(1)啟動信號：當時鐘總線SCL為高電平時，數(shù)據(jù)線SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖蕉x為“啟動”信號。(2)停止信號：當時鐘總線SCL為高電平時，數(shù)據(jù)線SDA由低電平跳變?yōu)楦唠娖蕉x為“結(jié)束”信號。(3)應答位：當主器件發(fā)送完一字節(jié)的數(shù)據(jù)后，后面必須跟一個應答位（ACK）。在時鐘高電平期間，如果數(shù)據(jù)線SDA為低電平代表一個字節(jié)的傳送結(jié)束，并準備下一個要傳送的字節(jié)；在時鐘高電平期間，如果數(shù)據(jù)線SDA為低電平代表一個傳送周期結(jié)束，準備下一個傳送周期。圖2-4I2C總

13、線的數(shù)據(jù)傳送格式2.DS1307的寫控制圖2-5是DS1307的寫控制格式，首先發(fā)送啟動信號，然后發(fā)送的第一個字節(jié)是用來控制芯片的地址以及讀寫控制位（D0：0寫），之后是應答位，然后發(fā)送其它字節(jié)數(shù)據(jù)，在最后發(fā)送一個結(jié)束標志的應答位，緊跟著是停止信號。S0AXXXXXXXXAXXXXXXXXAXXXXXXXXAXXXXXXXXAP圖2-5CPU寫數(shù)據(jù)模式3.DS1307的讀控制圖2-6是DS1307的讀控制格式，首先發(fā)送啟動信號，然后發(fā)送的第一個字節(jié)是用來控制芯片的地址以及讀寫控制為（D0：1讀），之后是應答位，然后發(fā)送其它字節(jié)數(shù)據(jù)，在最后發(fā)送一個結(jié)束標志的應答位，緊跟著是停止信號。S1AXXX

14、XXXXXAXXXXXXXXAXXXXXXXXAXXXXXXXXAP圖2-6CPU讀數(shù)據(jù)模式2.2.4DS1307硬件電路設計DS1307采用與CPU進行通信，電路連接簡單。DS1307的內(nèi)部振蕩電路結(jié)構(gòu)如圖2-7所示，在芯片內(nèi)部連接有兩個電容，目的是為了使晶振起振，所以在電路設計中就不需要另外再加電容了。圖2-7DS1307的內(nèi)部振蕩電路時鐘模塊電路如圖2-8所示，其中晶振采用的是32.768kHz，經(jīng)內(nèi)部電路分頻后可獲得一個標準的秒脈沖信號；電阻R3、R4是I2C總線的上拉電阻。圖2-8DS1307的電路連接2.3鬧鈴模塊系統(tǒng)采用蜂鳴器作為鬧鈴輸出，電路連接如圖2-9所示。電路中采用PNP

15、管Q1來控制蜂鳴器的開關，由圖可以看出：當P2.3引腳為高電平時，PNP管截止，蜂鳴器不工作；當P2.3引腳為低電平時，PNP管導通，蜂鳴器工作。其中R9為限流電阻。圖2-9鬧鈴電路2.4鍵盤模塊鍵盤模塊設置了四個按鍵：KEY1、KEY2、KEY3、KEY4。其中KEY1為模式切換鍵，KEY2為設定值上升鍵，用KEY3為設定值減小鍵，KEY4是返回鍵。電路連接如圖2-10所示。4個上拉電阻可以保證在沒有按鍵輸入時，進入單片機四個I/O口的按鍵狀態(tài)均為高電平，防止干擾產(chǎn)生；當有按鍵按下時，相應的端口線狀態(tài)轉(zhuǎn)為低電平。圖2-10鍵盤電路2.5.1LCD1602的引腳功能LCD1602模塊的引腳如圖

16、2-11所示。圖2-11LCD1602模塊其引腳功能如下：RS：數(shù)據(jù)和指令選擇控制端，RS=0命令狀態(tài)；RS=1數(shù)據(jù)；R/W：讀寫控制線，R/W=0寫操作；R/W=1讀操作；A：背光控制正電源；K：背光控制地；E：數(shù)據(jù)讀寫操作控制位，E線向LCD模塊發(fā)送一個脈沖，LCD模塊與單片機間將進行一次數(shù)據(jù)交換；DB0DB7：數(shù)據(jù)線，可用8位連接，也可只用高4位連接，節(jié)約單片機資源；VDD：電源端；VEE：亮度控制端（1-5V）；VSS：接地端。2.5.2LCD1602的顯示操作1.四種基本操作LCD有四種基本操作，具體如表2-2所示。表2-2LCD與單片機之間有四種基本操作RSR/W操作00寫命令操作

17、(初始化，光標定位等)01讀狀態(tài)操作(讀忙標志位)10寫數(shù)據(jù)操作(要顯示內(nèi)容)11讀數(shù)據(jù)操作(可以把顯示存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)反讀出來)(1)讀狀態(tài)操作執(zhí)行讀狀態(tài)字操作，如表2-2所示須滿足RS=0、R/W=1。根據(jù)管腳功能，當為有效電平時，狀態(tài)命令字可從LCD模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總線。同時可以保持一段時間，從而實現(xiàn)讀狀態(tài)字的功能。如RS清0，等待RW置1，等待E置1，等待讀入狀態(tài)字，等待E清0，等待RW清0，等待結(jié)束圖2-12所示為讀入狀態(tài)字流程圖。圖2-12讀入狀態(tài)字流程圖(2)寫命令操作由表2-2可知當RS=0，R/W=0時，才可以通過單片機或用戶指令把數(shù)據(jù)即命令，寫到LCD模塊，此時就對LCD進行調(diào)

18、制?？刹捎貌樵兎绞剑合茸x入狀態(tài)字，再判斷忙標志，最后寫命令字。1)命令字表2-3所示為命令字，其主要介紹了指令名稱、控制信號及控制代碼。其指令名稱是指要實現(xiàn)的功能，控制代號是采用的十六進制的數(shù)值表示的。a.清零操作是指輸入某命令字后即能將整個屏幕顯示的內(nèi)容全部清除；b.歸home位：將光標送到初始位；其中的*號為任意，高低電平均可；c.輸入方式：設光標移動方向并指定整體顯示，是否移動。I/D=0：減量方式，S=1：移位，S=0：不移位；d.顯示狀態(tài)：D指設置整體顯示開關；C指設置光標顯示開關；B指設置光標的字符閃耀；e.光標畫面滾動：R/L指右移或左移；S/C指移動總體或光標；f.功能設置：D

19、L接口數(shù)位，L指顯示行數(shù)，F(xiàn)顯示字型；g.CGRAM地址設制：相當于一個數(shù)據(jù)庫，可以在其中選擇所需要的符號；h.DDRAM地址設制：顯示定位；i.讀BF和AC：B為最高位忙的標志，F(xiàn)為標志位；j.寫數(shù)據(jù)：將數(shù)據(jù)按要求寫入到對應的單元；k.讀數(shù)據(jù)：讀相應單元內(nèi)的數(shù)據(jù)。表2-3命令字指令名稱控制信號控制代碼RSRWD7D6D5D4D3D2D1D0清屏0000000001歸HOME位000000001*輸入方式設制00000001I/DS顯示狀態(tài)設制0000001DCB無標畫面滾動000001S/CRL*功能設置00001DLNF*CGRAM地址設制0001A5A4A3A2A1A0DDRAM地址設制

20、001A6A5A4A3A2A1A0讀BF和AC01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0寫數(shù)據(jù)10數(shù) 據(jù)讀數(shù)據(jù)11數(shù) 據(jù)2)如圖2-13為寫命令字的流程圖。寫命令字讀入狀態(tài)字AAC.7=0?不忙嗎？延時R/W=0RS=0E=1命令字A,AP1E=0RS=0返回圖2-13寫命令字流程圖3)定義光標位置把顯示數(shù)據(jù)要某個位置，就是把顯示數(shù)據(jù)寫在相應的DDRAM地址中，DDRAM地址占7位。SetDDRAMaddress命令如表2-3所示。光標定位，寫入一個顯示字符后，DDRAM地址會自動加1或減1，加或減由輸入方式設置。表2-4SetDDRAMaddress命令RSR/WDB7DB6DB5D

21、B4DB3DB2DB1DB0001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0第1行DDRAM地址與第2行DDRAM地址并不連續(xù)。如表2-4所示。表2-5DDRAM地址row12345141516line180H81H82H83H84H8dH8eH8fHline20c0H0c1H0c2H0c3H0c4H0cdH0ceH0cfH4)LCD初始化從通電開始通過延時，先經(jīng)過判忙后再進行功能設置，過一段時間后可以設制顯示狀態(tài)（如設置行、位或陣列）再經(jīng)過延時后清屏后再可以設置輸入方式，具體如圖2-14所示。上電延時20ms功能設置延時37us顯示狀態(tài)設置清屏延時1.52ms輸入方式設置返回圖2-14LCD

22、初始化流程圖2.LCD顯示程序設計LCD顯示程序的設計一般先要確定LCD的初始化、光標定位、確定顯示字符后，LCD就可以按如圖2-15顯示。開始LCD初始化光標定位顯示字符返回圖2-15LCD顯示程序流程圖第3章軟件設計系統(tǒng)的軟件設計可以分為幾個部分，首先編寫各個模塊的底層驅(qū)動程序，而后是系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試，編寫上層系統(tǒng)程序。本系統(tǒng)軟件程序主要包括：液晶LCD1602的底層驅(qū)動模塊、時鐘芯片DS1307的底層驅(qū)動模塊、鍵盤掃描及鍵值處理模塊、鬧鐘模塊等。3.1系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)的軟件主流程圖如圖3-1所示。開始初始化讀取時間信息液晶實時顯示是否有按鍵鍵值處理啟動鬧鈴鬧鈴工作NNY圖3-1主程序流程圖3.

23、2鍵盤處理模塊流程圖系統(tǒng)設制了四個按鍵，分別是功能設置、定值上升、定值下降和返回鍵。整個系統(tǒng)的軟件設計均采用C語言開發(fā)，采用查詢的方式對按鍵狀態(tài)進行掃描，確保系統(tǒng)的實時性。因此這些器件的底層程序均可以移植到其它系統(tǒng)中，這就是采用C語言開發(fā)的最大的優(yōu)點。鍵盤處理流程圖分別如圖3-2、3-3、3-4、3-5所示。設置日狀態(tài):+、不變實時顯示鍵掃描KEY4-ON計數(shù)值減1計數(shù)完畢計數(shù)完畢KEY2-ONKEY1-ONKEY1-ONKEY3-ON重裝初值實時顯示鍵掃描KEY2-ONKEY3-ONKEY4-ON計數(shù)值減1重裝初值調(diào)用設置小時函數(shù)YYYNNNNNNNNNYYYYYYY返回YNYY鍵掃描KEY

24、1-ONKEY4-ONKEY1-ONKEY2-ONKEY3-ON計數(shù)完畢計數(shù)值減1返回實時顯示鍵掃描KEY1-ONKEY4-ONKEY2-ONKEY3-ON計數(shù)值減1計數(shù)完畢重裝初值返回鍵掃描顯示設置日期返回YYYNNNNNNNN顯示設置時間鍵盤掃描/處理開始YYYYYN設置時狀態(tài):+、不變設置分狀態(tài):+、不變圖3-2時間設置模塊設置日態(tài):+、不變實時顯示鍵掃描KEY4-ON計數(shù)值減1計數(shù)完畢計數(shù)完畢KEY2-ONKEY1-ONKEY1-ONKEY3-ON重裝初值實時顯示鍵掃描KEY2-ONKEY3-ONKEY4-ON計數(shù)值減1重裝初值調(diào)用設置年函數(shù)YYYNNNNNNNNNYYYYYYY返回Y

25、NYY鍵掃描KEY1-ONKEY4-ONKEY1-ONKEY2-ONKEY3-ON計數(shù)完畢計數(shù)值減1返回實時顯示鍵掃描KEY1-ONKEY4-ONKEY2-ONKEY3-ON計數(shù)值減1計數(shù)完畢重裝初值返回鍵掃描顯示設置星期返回YYYNNNNNNNN顯示設置時間上接顯示日期YYYYYN設置年態(tài):+、不變設置月態(tài):+、不變圖3-3日期設置流程圖鍵掃描KEY4-ONKEY1-ONKEY2-ONKEY3-ON計數(shù)完畢計數(shù)值減1返回實時顯示鍵掃描KEY1-ONKEY4-ONKEY2-ONKEY3-ON計數(shù)值減1計數(shù)完畢重裝初值設置星期YYYYNNNNNNNNNY上接顯示星期YYY重裝初值NNY返回Y設置

26、星期狀態(tài):+、不變圖3-4星期設置流程圖Y A Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N N N N N N N N N N Y Y Y Y A Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N N N N N N N N N N Y Y Y Y A Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N N N N N N N N N N Y Y Y N A Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N N N N N N N N N N Y Y Y N A Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N N N N N N N N N N Y Y Y N A Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N N N N N N N N N N Y Y Y N A Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N N N N N N N N N N Y Y Y Y A Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N N N N N