多功能电子钟[1][1]doc柳龙龙.docx
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1、阳泉职业技术学院毕 业 论 文毕业生姓名:柳龙龙专业: 电气自动化技术学号: 080723047指导教师 刘辉所属系(部): 信息系二一一年五月45阳泉职业技术学院毕业论文评阅书题目:单片机实现电子钟电路设计 信息系 电气自动化技术 专业 姓名柳龙龙 设计时间:2011年3月7日2011年5月8日 评阅意见:成绩 指导教师:(签字)职务: 年月日阳泉职业技术学院毕业论文答辩记录卡 信息 系电气自动化技术 专业 姓名柳龙龙答 辩 内 容问 题 摘 要评 议 情 况记录员: (签名)成 绩 评 定指导教师评定成绩答辩组评定成绩综合成绩注:评定成绩为100分制,指导教师为30%,答辩组为70%。 专
2、业答辩组组长:(签名) 年月日 前 言电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化,拥有时钟精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点,被广泛应用于生活和工作当中。本设计主要为实现一款可正常显示时钟、带有定时闹铃的多功能电子时钟。本文对当前电子钟开发手段进行了比较和分析,最终确定了采用单片机技术实现多功能电子时钟。本设计应用AT89C51芯片作为核心,7位LED数码管显示,使用DS1302实时时钟芯片完成时钟的基本功能,这种实现方法的优点是电路简单,性能可靠,实时性好,时间精度高,操作简单,编程容易。该电子时钟可以应用于一般的生活和工作中,也可通过改装,提高性能,增加新功能,从而给人们的生活
3、和工作带来更多的方便。目 录前 言III第一章 引 言11.1 多功能电子时钟研究的背景和意义11.2 电子时钟的功能2第二章 电子时钟设计方案分析31.3 FPGA设计方案31.4 NE555时基电路设计方案41.5 单片机设计方案5第三章基于单片机的电子时钟硬件设计61.6 主要IC芯片选择61.6.1 微处理器选择61.7 电子时钟硬件电路设计81.7.1 时钟电路设计81.7.2 显示电路81.7.3 按键电路设计101.7.4 闹铃电路设计111.7.5复位电路设计13第四章 电子时钟软件设计161.8 主程序设计161.9 子程序设计171.9.1 实时时钟子程序设计171.9.2
4、 显示子程序设计171.9.3 键盘扫描子程序181.9.4 闹铃子程序设计18第五章 系统调试231.10 硬件调试241.10.1 单片机基础电路调试241.10.2 显示电路调试251.11 软件调试28结 论29参考文献30附录A 程序31附录B 多功能电子时钟元器件一览表55附录C 多功能电子时钟硬件原理图56致 谢57第一章 引 言时间是人类生活必不可少的重要元素,如果没有时间的概念,社会将不会有所发展和进步。从古代的水漏、十二天干地支,到后来的机械钟表以及当今的石英钟,都充分显现出了时间的重要,同时也代表着科技的进步。致力于计时器的研究和充分发挥时钟的作用,将有着重要的意义。一.
5、1 多功能电子时钟研究的背景和意义20世纪末,电子技术获得了飞速的发展。在其推动下,现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域,有力的推动和提高了社会生产力的发展与信息化程度,同时也使现代电子产品性能进一步提升,产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵,工作的忙碌性和繁杂容易使人忘记当前的时间。然而遇到重大事情的时候,一旦忘记时间,就会给自己或他人造成很大麻烦。平时我们要求上班准时,约会或召开会议必然要提及时间;火车要准点到达,航班要准点起飞;工业生产中,很多环节都需要用时间来确定工序替换时刻。所以说能随时准确的知道时间并利用时间,是我们生活和工作中必不可少的。想知道时间,手表当
6、然是一个很好的选择,但是,在忙碌当中,我们还需要一个“助理” 及时的给我们提醒时间。所以,计时器最好能够拥有一个定时系统,随时提醒容易忘记时间的人。 最早能够定时、报时的时钟属于机械式钟表,但这种时钟受到机械结构、动力和体积的限制,在功能、性能以及造价上都没办法与电子时钟相比。 电子钟是采用电子电路实现对时、分、秒进行数字显示的计时装置,广泛应用于个人家庭,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
7、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,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。一.2 电子时钟的功能电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化,拥有时间精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点,被广泛应用于生活和工作当中。当今市场上的电子时钟品类繁多,外形小巧别致。也有体型较大的,诸如公共场所的大型电子报时器等。电子时钟首先是数字化了的时间显示或报时器,在此基础上,人们可以根据不同场合的要求,在时钟上加置其他功能,比如定时闹铃,万年历,环境温度、湿度检测,环境空气质量检测,秒表
8、及USB扩展口功能等。本设计电子时钟主要功能为:1. 具有时间显示和手动校对功能,24小时制;2. 具有年、月、日显示和手动校对功能;3. 具有闹铃功能;4. 具有贪睡功能;5. 秒表功能。第二章 电子时钟设计方案分析电子闹钟既可以通过纯硬件实现,也可以通过软硬件结合实现,根据电子时钟里的核心部件秒信号的产生原理,通常有以下三种形式:一.3 FPGA设计方案现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA),是20世纪70年代发展起来的一种可编程逻辑器件,是目前数字系统设计的主要硬件基础。FPGA在结构上由逻辑功能块排列为阵列,并由可编程的内部连线连接这些
9、功能块,来实现一定的逻辑功能。可编程逻辑器件的设计过程是利用EDA开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。由于EDA技术拥有系统的模拟和仿真功能,可读性、可重复性、可测性非常好,所以利用EDA开发FPGA是目前比较流行的方式。当然,有时根据需要,也会应用MAX+plus开发集成环境进行设计。正因为FPGA在设计过程中方便、快捷,而且FPGA技术功能强大,能够应用其制作诸如基代码发生器、数字频率计、电子琴、电梯控制器、自动售货机控制系统、多功能波形发生器、步进电机定位控制系统、电子时钟等。应用FPGA能够将时钟设计为为四种类型:全局时钟、门控时钟、多级逻辑时钟和波动式时钟。一.4 NE555时基
10、电路设计方案555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路,因输入端设计有三个5K的电阻而得名。目前,流行的产品主要有4种:BJT两个:555,556(含有两个555);CMOS两个:7555,7556(含有两个7555)。555定时器是一种数字与模拟混合型的集成电路,应用广泛。成本较低,外加电阻、电容等元件就可以构成多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等,常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等领域5。采用NE555时基电路或其他振荡电路产生秒脉冲信号,作为秒加法电路的时钟信号或微处理器的外部中断输入信号,可构成电子钟。由55
11、5构成的秒脉冲发生器电路见图2.1。输出的脉冲信号V0的频率F为: 式(2.1)可通过调节式2.1中的3个参数,使输出V0的频率为精确的1Hz。图2.1 基于的秒脉冲发生器采用555定时器设计电子时钟,成本低,容易实现。但是受芯片引脚数量和功能限制,不容易实现电子时钟的多功能性。一.5 单片机设计方案单片机是微型机的一个主要分支,它在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言,一块单片机芯片就是一台计算机。单片机具有如下特点:有优异的性能价格比;1 集成度高、体积小、有很高的可靠性;2 控制功能强;3 低功耗、低电压,
12、便于生产便携式产品;4 外部总线增加了I2C、SPI等串行总线方式,进一步缩小了体积,简化了结构;5 单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用系统。所以单片机的应用非常广泛,在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统以及人们的生活中均有用武之地。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路和设计方法。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。这种用软件代替硬件的控制技术,是对生产控制技术的一次革命。利用单片机的智能性,可方便地实现具有智能的电子钟设计。单片机均具有时钟振荡系统,利用系统时钟借助微处理器的
13、定时器/计数器可实现电子钟功能。第三章 基于单片机的电子时钟硬件设计在比较了第二章的三种实现方案之后,考虑单片机货源充足、价格低廉,可软硬件结合使用,能够较方便的实现系统的多功能性,故采用单片机作为本设计的硬件基础。一.6 主要IC芯片选择一.6.1 微处理器选择目前在单片机系统中,应用比较广泛的微处理器芯片主要为8XC5X系列单片机。该系列单片机均采用标准MCS-51内核,硬件资源相互兼容,品类齐全,功能完善,性能稳定,体积小,价格低廉,货源充足,调试和编程方便,所以应用极为广泛。例如比较常用的AT89C2051单片机,带有2KB Flash可编程、可擦除只读存储器(E2PROM)的低压、高
14、性能8位CMOS微型计算机。拥有15条可编程I/O引脚,2个16位定时器/计数器,6个中断源,可编程串行UART通道,并能直接驱动LED输出。仅仅是为了完成时钟设计,应用AT89C2051单片机完全可以实现。但是将多种功能结合在一片单片机上,就需要更多的I/O引脚,故本设计采用具有32根I/O引脚的AT89C51单片机。AT89C51单片机是一款低功耗,低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含4KB(可经受1000次擦写周期)的FLASH可编程可反复擦写的只读程序存储器(EPROM),器件采用CMOS工艺和ATMEI公司的高密度、非失性存储器(NU易RAM)技术制造,其输出引脚和指令系统都与
15、MCS-51兼容。片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此,AT89C51是一种功能强,灵活性高且价格合理的单片机,可方便的应用在各个控制领域6。AT89C51具有以下主要性能:1. 4KB可改编程序Flash存储器;2. 全静态工作:024Hz;3. 1288字节内部RAM;4. 32个外部双向输入/输出(I/O)口;5. 6个中断优先级; 2个16位可编程定时计数器;6. 可编程串行通道;7. 片内时钟振荡器。此外,AT89C51是用静态逻辑来设计的,其工作频率可下降到0Hz,并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式(Idle Mode)和掉
16、电方式(Power Down Mode)。在空闲方式中,CPU停止工作,而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中,片内振荡器停止工作,由于时钟被“冻结”,使一切功能都暂停,只保存片内RAM中的内容,直到下一次硬件复位为止8。图3.1 AT89C51芯片PDIP封装引脚图一.7 电子时钟硬件电路设计电子闹钟至少要包括秒信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电源、闹铃指示电路等几部分。一.7.1 时钟电路设计系统时钟应用了实时时钟日历芯片DS1302,其连接如图3.8。该硬件电路设计简单,抗干扰能力强。如图,AT89C51单片机P1.7直接接DS1302的RST端,上电
17、后,AT89C51的P1.7脚自动输出高电平。P1.5作为串行时钟接口,P1.6作为时钟数据的I/O。DS1302采用双电源供电,平时由+5V电源供电,当+5V掉电之后,由图中BT1(+3V备用电池)供电。特别需要注意X1和X2两端连接的晶振Y1,该晶振频率为32.768KHz。图3.8 系统时钟电路一.7.2 显示电路就时钟而言,通常可采用LCD显示或LED显示。对于一般的段式LCD,需要专门的驱动电路,而且LCD显示的可视性较差;对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块(字符或点阵),一般采用并行接口,对微处理器的接口要求较高,占用资源多。另外,AT89C51本身没有专门的液晶驱动接口
18、。LED结构简单,体积小,功耗低,响应速度快,易于匹配,寿命长,可靠性高,而且显示亮度高,价格便宜,市场上也有专门的时钟显示组合LED。故本设计中应用7位8段共阴LED实现显示部分,显示面板分布如图3.6。LED显示分动态显示和静态显示:动态显示方式的硬件电路简单。但设计上如果处理不当,易造成亮度低,闪烁问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证图像稳定,无闪烁。动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式,复用的程度不是无限增加的, 因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短,发光的亮度等因素。静态显示,是由微型计算机一次输出显示
19、模型后,就能保持该显示结果,直到下次发送新的显示模型为止。静态显示驱动程序简单,且CPU占用率低,但每个LED数码管需要一个锁存器来锁存每一个显示位的笔段代码,硬件开销大,仅适合显示位数较少的场合。为了在显示部分节省单片机I/O口,故采用静态显示方式。电路图参见图3.10。74LS164是8位移位寄存器,应用该芯片驱动LED做显示部分,其优点在于连线简单,节省单片机I/O口,软件编程容易。图3.10 显示面板LED分布图 一.7.3 按键电路设计根据功能需要,本时钟需要设置以下功能键:校对选择键,加1操作键,减1操作键,显示日期键,闹铃开关键。按照键盘与CPU的连接方式可分为独立式键盘和矩阵式
20、键盘。独立式键盘是各个按键相互独立,每个按键占用一个I/O口线,每根I/O口线上的按键不会影响其他I/O口上按键工作状态。独立式键盘电路配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根I/O口,在按键数量较多时,I/O口线浪费较大,且电路结构复杂。矩阵式键盘适合按键较多时使用。由于本设计的电子钟最多需要7个按键,若采用矩阵式键盘时会有按键浪费,故采用的是独立式键盘。键盘电路如图3.11。对于内置了上拉电阻的I/O引脚来说,外接上拉电阻没有意义1516。如图3.11。图3.11 键盘电路其中K5为带自锁按键,每次按下后,其对应的P2.7、P2.6、P2.1管脚接地,从高电平被拉至低电平。只有再次按
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