電子時鐘論文

1、“創(chuàng)意電子”設(shè)計大賽設(shè) 計 報 告題 目： 電子時鐘 參 賽 者： 李燕燕、張曉麗、劉剛 指導(dǎo)教師： 李曉紅 設(shè)計時間： 2016年4月3日 計算機信息工程學(xué)院3摘 要本文介紹了基于STC89C52單片機的多功能電子時鐘筆筒的硬件結(jié)構(gòu)和軟硬件設(shè)計方法。本設(shè)計由數(shù)據(jù)顯示模塊、溫度采集模塊、時間處理模塊和調(diào)整設(shè)置模塊四個模塊組成。系統(tǒng)以STC89C52單片機為控制器，以串行時鐘日歷芯片DS1302記錄日歷和時間，它可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，還具有閏年補償?shù)榷喾N功能。溫度采集選用DS18B20芯片，采用直觀的數(shù)字顯示，數(shù)據(jù)顯示采用1602液晶顯示模塊，可以在LCD上同時顯示年、月、日、周

2、日、時、分、秒，還具有時間校準(zhǔn)等功能。此電子時鐘具有讀取方便、顯示直觀、功能多樣、電路簡潔、成本低廉等諸多優(yōu)點，具有廣闊的市場前景。關(guān)鍵字： 52單片機、液晶顯示、電子時鐘I3目 錄摘 要I一、緒論11.課題研究的背景1二、 系統(tǒng)的方案設(shè)計與論證11.單片機芯片設(shè)計與論證12.時鐘模塊設(shè)計與論證23.溫度采集模塊設(shè)計與論證24.顯示模塊模塊設(shè)計與論證3三、系統(tǒng)硬件的設(shè)計31.STC89C52單片機32.時鐘芯片DS1302接口設(shè)計與性能分析43.溫度芯片DS18B20接口設(shè)計與性能分析54.LCD顯示模塊65.按鍵模塊設(shè)計76.復(fù)位電路的設(shè)計8四系統(tǒng)的軟件設(shè)計91.程序設(shè)計流程圖9五 系統(tǒng)測試

3、與分析9六結(jié)論11參考文獻12附錄13一、緒論1.課題研究的背景隨著科技的快速發(fā)展，時間的流逝,從觀太陽、擺鐘到現(xiàn)在電子鐘，人類不斷研究，不斷創(chuàng)新紀(jì)錄。它可以對年、月、日、時、分、秒進行計時，還具有閏年補償?shù)榷喾N功能，而且DS1302的使用壽命長，誤差小。采用直觀的數(shù)字顯示，可以同時顯示年、月、日、時、分、秒和溫度等信息，還具有時間校準(zhǔn)等功能。該電路采用STC89C52單片機作為核心，功耗小，能在3V的低壓工作，電壓可選用35V電壓供電。此電子時鐘具有讀取方便、顯示直觀、功能多樣、電路簡潔、成本低廉等諸多優(yōu)點，符合電子儀器儀表的發(fā)展趨勢，具有廣闊的市場前景。二、 系統(tǒng)的方案設(shè)計與論證單片機電子

4、時鐘的制作有多種方法，經(jīng)過成本，性能，功耗等多方面的考慮決定用三個8位74LS164串行接口外接LED顯示器，RESPACK-8對單片機STC89C52進行供電，時間芯片DS1302連接單片機STC89C52。按照系統(tǒng)設(shè)計的要求，初步確定電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。 圖1 硬件電路框圖1.單片機芯片設(shè)計與論證方案一: 采用AT89C51芯片作為硬件核心，采用Flash ROM，內(nèi)部具有4KB ROM 存儲空間,能用于3V的超低電壓工作,而且與MCS-51系列單片機完全兼容,但是運用于電路設(shè)計中時由于不具備ISP在線編程技術(shù), 當(dāng)在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤?/p>

5、序時，對芯片的多次拔插會對芯片造成一定的損壞。方案二:采用STC89C52芯片作為硬件核心,采用Flash ROM，能以3V的超低電壓工作，而且與MCS-51系列單片機完全兼容，該芯片內(nèi)部存儲器為8KB ROM 存儲空間。同樣具有STC89C52的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)，當(dāng)在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，不需要對芯片多次拔插，所以不會對芯片造成損壞。由于STC89C52內(nèi)部具有8KBROM存儲芯片并且支持ISP在線編程，因此采用STC89C52作為主控芯片。2.時鐘模塊設(shè)計與論證方案一：直接采用單片機定時計數(shù)器提供秒信號，使用程序?qū)崿F(xiàn)年、月、日、

6、星期、時、分、秒計數(shù)。采用此種方案雖然減少芯片的使用，節(jié)約成本，但是，實現(xiàn)的時間誤差較大。方案二：采用DS1302時鐘芯片實現(xiàn)時鐘，DS1302芯片是一種高性能的時鐘芯片，可自動對秒、分、時、日、周、月、年以及閏年補償?shù)哪赀M行計數(shù)，而且精度高,位的RAM作為數(shù)據(jù)暫存區(qū)，工作電壓2.5V5.5V范圍內(nèi)。由于DS1302時鐘芯片計數(shù)時間精度高，而且具有閏年補償功能等優(yōu)點，故采用方案二。3.溫度采集模塊設(shè)計與論證方案一：采用溫度傳感器（如熱敏電阻或AD590），再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，精度較準(zhǔn)，但價格昂貴，電路較復(fù)雜。方案二：采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際

7、要求通過簡單的編程實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，但準(zhǔn)確度不高，誤差最大達2度。因為用DS18B20溫度芯片，采用單總線訪問，降低成本、降低制作難度且可節(jié)省單片機資源，故采用方案二。4.顯示模塊模塊設(shè)計與論證方案一：采用靜態(tài)顯示方法，靜態(tài)顯示模塊的硬件制作較復(fù)雜及功耗大，要用到多個移位寄存器，但不占用端口，只需兩根串口線輸出。方案二：采用動態(tài)顯示方法，動態(tài)顯示模塊的硬件制作簡單，段掃描和位掃描各占用一個端口，總需占用單片機14個端口，采用間斷掃描法功耗小、硬件成本低及整個硬件系統(tǒng)體積相對減小。方案三:采用LCD的方法,具有硬件制作簡單可直接與單片機接口,顯示內(nèi)容多,功耗小,成本低等優(yōu)點,LCD

8、1602可顯示32個字符,采用LCD的缺點是亮度不夠。比較以上三種方案：方案一硬件復(fù)雜體積大、功耗大；方案二硬件簡單、功耗小；方案三硬件簡單，顯示內(nèi)容多,功耗小,成本低等。本系統(tǒng)設(shè)計要求達到功耗小、體積小、成本低，顯示信息多等要求，權(quán)衡三種方案，選擇方案三。三、系統(tǒng)硬件的設(shè)計1.STC89C52單片機本系統(tǒng)采用的是美國ATMEL公司生產(chǎn)的STC89C52單片機如圖2。1.STC89C52單片機有40個引腳。2.STC89C52單片機與MCS-51完全兼容。圖2 STC89C52單片機2.時鐘芯片DS1302接口設(shè)計與性能分析2.1DS1302性能簡介DS1302是Dallas公司生產(chǎn)的一種實時

9、時鐘芯片。DS1302時鐘芯片內(nèi)主要包括移位寄存器、控制邏輯電路、振蕩器。DS1302與單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送依靠RST，I/O，SCLK三根端線即可完成。DS1302引腳說明： X1，X2 32.768kHz晶振引腳GND 地線RST 復(fù)位端I/O 數(shù)據(jù)輸入/輸出端口SCLK 串行時鐘端口 圖3 DS1302的引腳VCC1 慢速充電引腳VCC2 電源引腳 2.2DS1302接口電路設(shè)計1時鐘芯片DS1302的接口電路及工作原理： 圖4 DS1302與MCU接口電路圖4為DS1302的接口電路，其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。DS1302在每次進行讀、寫程序前都必須初始化，先把SCLK

10、端置 “0”，接著把RST端置“1”，最后才給予SCLK脈沖?？刂谱止?jié)總是從最低位開始輸入/輸出的。3.溫度芯片DS18B20接口設(shè)計與性能分析3.1DS18B20簡介1.DS18B20工作原理    DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。 DS18B20測溫原理如圖5所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在5

11、5所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。LSB位置/清除增加計數(shù)器1斜率累加器計數(shù)比較器溫度寄存器減到0預(yù)置計數(shù)器2減到0停止預(yù)置低溫度系數(shù)晶振高溫度系數(shù)晶振圖5 DS18B20測溫原理3.2 DS18B20接口電路設(shè)計如圖6所示，該系統(tǒng)中采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，具有測量精度高，電路連接簡單特點，此類傳感器僅需要一條數(shù)據(jù)線進行

12、數(shù)據(jù)傳輸，用P3.7與DS18B20的DQ口連接，Vcc接電源，GND接地。 圖6溫度傳感器DS18B20接口電路4.LCD顯示模塊4.1LCD1602的特性及使用說明1.LCD1602的接口信號說明如表1:表1 LCD1602的接口信號編號引腳符號功能說明編號引腳符號功能說明1VSS電源地9D2DATA I/O2VDD電源正極10D3DATA I/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4DATA I/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5DATA I/O5R/W讀/寫選擇端（H/L）13D6DATA I/O6E使能信號14D7DATA I/O7D0DATA I/O15BLA背光正極8D1DATA

13、 I/O16BLK背光負(fù)極2、基本操作時序如下：1）讀狀態(tài)：RS=L，RW=H，E=H2）寫指令：RS=L，RW=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖3）讀數(shù)據(jù)：RS=H，RW=H，E=H4）寫數(shù)據(jù)：RS=H，RW=L，D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖5.按鍵模塊設(shè)計本系統(tǒng)用到了5個按鍵，其中一個用作系統(tǒng)手動復(fù)位，另外4個采用獨立按鍵（如圖7），該種接法查詢簡單，程序處理簡單,可節(jié)省CPU資源，按鍵電路如圖15所示，4個獨立按鍵分別與STC89C52的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7接口相連。對以下4個按鍵作簡要說明：S4SET 鍵，S3UP鍵，S2DOWN鍵，S5OUT/STOP鍵。圖7 按鍵電

14、路6.復(fù)位電路的設(shè)計當(dāng)STC89C52單片機的復(fù)位引腳RST（全稱RESET）出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就完成了復(fù)位操作。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位、手動復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。STC89C52單片機的上電復(fù)位POR（Power On Reset）實質(zhì)上就是上電延時復(fù)位，也就是在上電延時期間把單片機鎖定在復(fù)位狀態(tài)上。本設(shè)計采用上電且開關(guān)復(fù)位電路，如圖8所示上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。當(dāng)單片機已在運行之中時，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。圖8 復(fù)位電路四系統(tǒng)的軟件設(shè)計1

15、.程序設(shè)計流程圖 圖9 程序設(shè)計流程圖 5 系統(tǒng)測試與分析整個系統(tǒng)設(shè)計完成后，要進行運行調(diào)試，排除軟件和硬件的故障，同時驗證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，使系統(tǒng)符合設(shè)計要求。在對系統(tǒng)進行實際調(diào)試時，首先應(yīng)對硬件進行靜態(tài)調(diào)試，同時對系統(tǒng)軟件進行初步調(diào)試，此后再對軟件和硬件進行動態(tài)調(diào)試，最后才能使系統(tǒng)進入正常工作。（1）靜態(tài)調(diào)試：靜態(tài)調(diào)試主要是排除明顯的硬件故障。在電路搭建好后，對其進行仔細(xì)檢查。查看端口是否正確連接，連接是否可靠。同時還應(yīng)當(dāng)用萬用表檢查電路，看應(yīng)當(dāng)開路的地方是否開路，有無虛焊或短路等等。（2）軟件調(diào)試：系統(tǒng)軟件程序在編制好以后，可通過軟件對源程序進行編程，變成可執(zhí)行的目標(biāo)代碼，在編程過程

16、中出現(xiàn)錯誤，要及時糾正。（3）動態(tài)調(diào)試：控制系統(tǒng)的軟件和硬件是密切相關(guān)的，軟件調(diào)試不能對硬件部分進行診斷，也不能在線仿真，所以用戶程序還需跟硬件連接起來進行聯(lián)調(diào)，調(diào)試對軟件和硬件進行檢查和診斷，整個單片機系統(tǒng)進行在線調(diào)試時，需借助仿真開發(fā)工具來對用戶軟件及硬件電路進行診斷、調(diào)試。 程序調(diào)試完成后，將程序下載到單片機里，使整個系統(tǒng)運行起來。圖10 時鐘筆筒實物圖圖11 仿真圖六結(jié)論在整個設(shè)計過程中學(xué)到了許多沒學(xué)到的知識，在電路焊接時雖然沒什么大問題，但從中也知道了焊接在整個作品中的重要性，電路工程量大，不能心急，一個個慢慢來不能急于求成。反而達到事半功倍的效果。對電路的設(shè)計、布局要先有一個好的構(gòu)

17、思，才顯得電路板美觀、大方。程序編寫中，由于思路不清晰，開始時遇到了很多的問題，經(jīng)過靜下心來思考，理清了思路，反而得心應(yīng)手。在此次設(shè)計中，知道了做事要有一顆平常的心，不要想著走捷徑，一步一個腳印。也練就了我的耐心，做什么事都要有耐心。在本次設(shè)計中學(xué)到了很多很多東西，這是最重要的?？傊?，此次畢業(yè)設(shè)計使我的能力得到了全方位的提高，設(shè)計的電子時鐘筆筒也存在著不足，有待于以后的改進。參考文獻1蘇平.單片機的原理與接口技術(shù)M.北京:電子工業(yè)出版社。2王忠民.微型計算機原理M.西安:西安科技大學(xué)出版社。3周雪.模擬電子技術(shù)M西安: 西安電子科技大學(xué)出版社。4左金生.電子與模擬電子技術(shù)M.北京:電子工業(yè)出版

18、社。5馬忠梅，籍順心等單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計M北京航空航天大學(xué)出版社。6張萌.單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)綜合實例M. 北京：清華大學(xué)出版社。7李廣弟. 單片機原理及應(yīng)用M 北京航空航天大學(xué)出版社。18附錄附錄1核心程序：（1）讀取寫程序設(shè)計如下：sbit clk = P13; /ds1302時鐘線定義sbit io = P14; /數(shù)據(jù)線sbit rst = P15; /復(fù)位線/秒 分 時 日 月 年 星期 uchar code write_add=0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8c,0x8a; /寫地址uchar code read_add =0x81,0x83,0x85

19、,0x87,0x89,0x8d,0x8b; /讀地址uchar code init_ds =0x58,0x00,0x00,0x01,0x01,0x13,0x1; uchar miao,fen,shi,ri,yue,week,nian;uchar i;uchar fen1=0x11,shi1=0; /兩個鬧鐘變量的定義bit open1;/*寫一個數(shù)據(jù)到對應(yīng)的地址里*/void write_ds1302(uchar add,uchar dat)rst = 1; /把復(fù)位線拿高for(i=0;i<8;i+) /低位在前clk = 0; /時鐘線拿低開始寫數(shù)據(jù)io = add & 0x

20、01; add >>= 1; /把地址右移一位clk = 1; /時鐘線拿高for(i=0;i<8;i+)clk = 0; /時鐘線拿低開始寫數(shù)據(jù)io = dat & 0x01;dat >>= 1; /把數(shù)據(jù)右移一位clk = 1; /時鐘線拿高rst = 0; /復(fù)位線合低clk = 0;io = 0;/*從對應(yīng)的地址讀一個數(shù)據(jù)出來*/uchar read_ds1302(uchar add)uchar value,i;rst = 1; /把復(fù)位線拿高for(i=0;i<8;i+) /低位在前clk = 0; /時鐘線拿低開始寫數(shù)據(jù)io = add

21、& 0x01; add >>= 1; /把地址右移一位clk = 1; /時鐘線拿高for(i=0;i<8;i+)clk = 0; /時鐘線拿低開始讀數(shù)據(jù)value >>= 1;if(io = 1)value |= 0x80;clk = 1; /時鐘線拿高rst = 0; /復(fù)位線合低clk = 0;io = 0;return value; /返回讀出來的數(shù)據(jù)/*把要的時間 年月日 都讀出來*/void read_time()miao = read_ds1302(read_add0);/讀秒fen = read_ds1302(read_add1);/讀分s

22、hi = read_ds1302(read_add2);/讀時ri = read_ds1302(read_add3);/讀日yue = read_ds1302(read_add4);/讀月nian = read_ds1302(read_add5);/讀年week = read_ds1302(read_add6);/讀星期Conversion(0,nian,yue,ri);/農(nóng)歷轉(zhuǎn)換 n_nian = year_moon ;n_yue = month_moon ;n_ri = day_moon ;/*把要寫的時間 年月日 都寫入ds1302里*/void write_time()write_ds

23、1302(0x8e,0x00);/打開寫保護write_ds1302(write_add0,miao);/寫秒write_ds1302(write_add1,fen);/寫分write_ds1302(write_add2,shi);/寫時write_ds1302(write_add3,ri);/寫日write_ds1302(write_add4,yue);/寫月write_ds1302(write_add5,nian);/寫星期write_ds1302(write_add6,week);/寫年write_ds1302(0x8e,0x80);/關(guān)閉寫保護/*把數(shù)據(jù)保存到ds1302 RAM中*0

24、-31*/void write_ds1302ram(uchar add,uchar dat)add <<= 1; /地址是從第二位開始的add &= 0xfe; /把最低位清零 是寫的命令add |= 0xc0; /地址最高兩位為 1 write_ds1302(0x8e,0x00);write_ds1302(add,dat);write_ds1302(0x8e,0x80);/*把數(shù)據(jù)從ds1302 RAM讀出來*0-31*/uchar read_ds1302ram(uchar add)add <<= 1; /地址是從第二位開始的add |= 0x01; /把最高位置1 是讀命令add |= 0xc0; /地址最高兩位為 1 return(read_ds1302(add);/*初始化ds1302時間*/void init_ds1302()uchar i;rst = 0;/第一次讀寫數(shù)據(jù)時要把IO品拿低clk = 0;io = 0;i = read_ds1302ram(30); if(i != 3)i = 3;write_ds1302ram(30,i); /4050 4100 3080write