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多功能数字时钟
山东职业学院
毕业设计（论文）
题目：
多功能数字时钟的设计
系别：
电气工程系
专业：
电气自动化
班级：
电气0934
学生姓名：
范友福
指导教师：
陈海燕
完成日期：
2012.03.11
多功能电子时钟
摘要
数字时钟在日常生活中最常见，应用也最广泛。
本次数字时钟电路根据设计要求采用AT89C51单片机作为控制核心，采用DS1302来实现年、月、日、时、分、秒24小时计时，采用DS18B20来实现温度的测量，采用LED实现显示，采用蜂鸣器实现报警功能。
文章的核心主要是硬件设计和软件编程两个大的方面。
硬件电路设计主要包括中央处理单元电路、时钟电路、温度测量电路、键盘扫描电路、报警电路。
软件用汇编语言及C语言来实现，主要包括主程序、时间设置子程序、温度测量子程序、键盘扫描子程序、报警电路子程序等软件模块。
电路实现了显示时间、调整时间、测量并显示温度、报警、闹钟定时等功能，达到了设计的要求和目的。
并在伟福软件上进行了仿真和调试。
关键词：
数字时钟；AT89C51；DS1302；DS18B20；LED；蜂鸣器
目录
摘要2
目录4
第一章绪论1
1.1课题研究背景1
1.2课题研究意义2
1.3本文的主要内容2
第二章方案论证及设计4
2.1总体方向的选择4
2.1.1基础FPGA的多功能数字时钟的设计4
2.1.2基于VHDL的多功能数字时钟的设计4
2.1.3基于单片机的多功能数字时钟的设计4
2.2控制芯片及数字时钟芯片的选择5
2.2.1AT89S51及DS12887芯片5
2.2.2AT89C51及DS1302芯片5
2.3温度测量芯片的选择7
2.4显示部分的选择8
2.4.1静态显示8
2.4.2动态显示8
2.5方案小结9
第三章核心芯片简介10
3.1AT89C51简介10
3.2DS1302简介14
3.2.1DS1302引脚功能与内部结构14
3.2.2DS1302的控制字15
3.2.3DS1302的复位引脚16
3.2.4DS1302的数据输入输出16
3.2.5DS1302的寄存器16
3.3DS18B20简介18
3.3.1DS18B20特性18
3.3.2DS18B20引脚排列19
3.3.3详细说明20
第四章系统硬件设计25
4.1硬件主要电路设计25
4.2时钟电路的设计26
4.3温度测量电路的设计27
4.4键盘扫描电路的设计28
4.5显示电路的设计29
4.6AT89C51复位电路，时钟电路31
4.7单片机系统电路图32
第五章系统软件设计33
结论34
参考文献35
谢辞36
第一章绪论
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。
单片机在这种情况下诞生了。
截止今日，单片机应用技术飞速发展，纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
单片计算机即单片微型计算机。
（Single-ChipMicrocomputer）,是集CPU,RAM,ROM,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。
它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。
而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。
这次毕业设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。
本文通过对一个基于单片机的能实现时间，闹钟，测量温度，报警等功能的多功能数字时钟的设计学习，详细介绍了单片机应用中的数据转换显示，液晶显示原理。
从而达到学习、了解单片机相关指令在各方面的应用。
系统由AT89C51、DS1302时钟芯片、DS18B20、8位数码管、键盘等部分构成，能进行时、分、秒的显示，也具有年、月、日的显示，定时时间报警、测量温度功能。
1.1课题研究背景
人类的生活和工作均离不开时钟。
从古代的滴漏更鼓到近代的机械钟，从电子表到目前的数字时钟，为了准确的测量和记录时间，人们一直在努力改进着计时工具。
钟表的数字化，大力推动了计时的精确性和可靠性。
在单片机构成的装置中，数字时钟是必不可少的部件。
它的用途十分广泛，只要有计时的存在，便要用到数字时钟的原理及结构；同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱。
随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断地提高。
时钟已不仅仅被看成一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。
高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。
在这种趋势下，时钟的数字化、多功能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。
现在是一个知识爆炸的新时代。
新产品、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，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。
在这快速发展的年代，时间对人们来说是越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦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系统来提醒这些忙碌的人。
数字化的钟表给人们带来了极大的方便。
近些年，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。
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，有电子闹钟、数字闹钟等等。
单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。
但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。
由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。
通过键盘可以进行定时、校时功能。
输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。
1.2课题研究意义
基于MCS-51单片机的数字时钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点。
单片机自诞生以来给全世界人类的生活和工作起到了剧烈的变化，而MCS-51单片机是我国使用最早、最易掌握和应用的一款单片机。
通过该系统的设计，对单片机的原理和功能有个较系统和全面的掌握，初步学习到有关工程设计的方法和思路。
这样以后的就业面会更加宽广，也可以满足当今社会对单片机开发人才的大量需。
纵观传统的电路设计，大部分是采用分立元件进行设计，既复杂成本又高。
随着集成化的发展，现在系统的设计都是在模块化的基础上设计系统的。
本课题是基于智能化和模块化的前提下设计数字时钟的，通过对设计目标的分析，分立出各个模块，然后根据各个模块的功能，选择适当的芯片进行设计的。
本课题的研究，对智能化、模块化设计具有较强的推广应用价值。
1.3本文的主要内容
本文的主要内容是利用51单片机设计一个数字时钟系统，使其实现以下功能：
1.数字显示
利用八段数码管实现世界的数字化显示，显示包括时、分、秒、星期、年、月、日、温度以及闹钟定时时间。
2.闹钟功能
能够实现预定时间的设定，到时报警提醒，手动终止报警和无人应答自动终止报警。
3.温度测量功能
能够实现环境温度的测量且显示。
温度测量包括单路温度测量和多路温度测量。
第二章方案论证及设计
2.1总体方向的选择
2.1.1基础FPGA的多功能数字时钟的设计
基于FPGA的数字时钟设计方法：
DCM（数字时钟管理器）。
DCM使用完全数字反馈系统确保多个时钟同步，使用完全数字延线技术可以精确控制时钟的频率和相位。
用户可以编程控制时钟任意倍率和分频及任意相位移动，使用非常方便可靠。
缺点：
设计较为复杂，成本高，无法实现温度测量功能
2.1.2基于VHDL的多功能数字时钟的设计
利用VHDL硬件描述语言设计的多功能数字时钟的思路，在MAX+PLUSⅡK开发环境中编译和仿真了所设计的程序，并在可编程逻辑器上下载验证。
缺点：
结构简单，实现功能不全面
2.1.3基于单片机的多功能数字时钟的设计
基于MCS-51单片机的数字时钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点。
系统的设计是在模块化的基础上设计系统的。
基于智能化和模块化的前提下设计数字时钟的，通过对设计目标的分析，分立出各个模块，然后根据各个模块的功能，选择适当的芯片进行设计的。
对智能化、模块化设计具有较强的推广应用价值。
通过以上三种设计方案的比较,我们可以看到,设计方案三综合性能良好。
所以选用第三种设计方案
2.2控制芯片及数字时钟芯片的选择
2.2.1AT89S51及DS12887芯片
使用并行接口时钟芯片DS12887设计时钟电路。
该设计方案用AT89S51主控，利用并行时钟芯片DS12887为核心计时芯片，组成数字时钟电路。
该电路能够准确计时，还附加许多其它功能，在掉电时能保存用户设置参数和故障状态参数等重要参数。
设计电路图如下
图2.1S12887与CPU接口电路
该设计虽然能完成所要求的任务，综合性能也较好，但其并行接口方式占用大量接口资源，给其它设计带来诸多不便。
2.2.2AT89C51及DS1302芯片
使用串行接口时钟芯片DS1302设计时钟电路。
该设计方案以单片机AT89C51为主控芯片，以串行时钟芯片DS1302为核心计时芯片，组成数字时钟电路。
该电路不但能准确地计时，而且，其三线接口可以节省接口资源，在断电后不丢失时间和数据信息。
该设计方案的接口电路如图所示
图2.2DS1302与C51的接口电路
通过以上两种设计方案的比较,我们可以看到,设计方案二接口简单,计时可靠,综合性能良好。
所以选用第二种设计方案。
2.3温度测量芯片的选择
DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器芯片，具有结构简单、体积小、功耗低、抗干扰能力强、使用简单等优点。
它的ROM中存有其芯片的唯一标识码，即任意两个DS18B20的标识码是不同的，特别适合于微处理芯片构成多点温度测控系统。
它支持“一线总线”接口，使用户可以轻松地组建传感器网络。
其内部采用在板温度测量专利技术，测量范围为-55~+125℃，精度为0.5℃。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的稳定报警触发器TH和TL、配置寄存器。
该芯片非常适合本设计，予以采用。
2.4显示部分的选择
用单片机驱动LED数码管显示有很多方法，按显示方式分有静态显示和动态显示。
2.4.1静态显示
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出去后，数码管始终显示该数据（不变），CPU不再控制LED。
到下一次显示时，再传送一次新的显示数据。
静态显示的接口电路采用一个并行口接一个数码管，数码管的公共端按共阴极或共阳极分别接地或接VCC。
这种接法，每个数码管都要单独占用一个并行I/O口，以便单片机传送字形码到数码管控制数码管的显示。
显然其缺点就是当显示位数多时，占用I/O口过多。
为了解决静态显示I/O口占用过多的问题，可采用串行接口扩展LED数码管的技术。
静态显示方式的优点是显示的数据稳定，无闪烁，占用CPU时间少。
其缺点是由于数码管始终发光，功耗比较大。
2.4.2动态显示
动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的COM端，使每个显示器轮流电亮。
在轮流点亮过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。
动态驱动一般用于多位LED数码管显示，主要是节省驱动管脚，减少器件
通过以上两种设计方案的比较,我们可以看到,设计方案二可靠,综合性能更好。
所以选用第二种设计方案。
2.5方案小结
通过上面的方案选择，我使用串行接口时钟芯片DS1302设计时钟电路，使用DS18B20设计温度测量电路。
该设计的硬件电路由主控部分（单片机AT89S51）、计时部分（实时时钟芯片DS1302）、测量温度部分（DS18B20）显示部分（动态显示）、电源部分几个部分组成。
各部分之间相互协作，构成一个统一的有机整体，实现设计所需求的功能。
第三章核心芯片简介
3.1AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图所示主要特性：
•与MCS-51兼容
•4K字节可编程闪烁存储器
•寿命：
1000写/擦循环
•数据保留时间：
10年
•全静态工作：
0Hz-24MHz
•三级程序存储器锁定
•128×8位内部RAM
•32可编程I/O线
•两个16位定时器/计数器
•5个中断源
•可编程串行通道
•低功耗的闲置和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.2DS1302简介
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5～5.5V。
时钟可工作在24小时格式或12小时（AM/PM）格式。
DS1302与单片机的接口使用同步串行通信，仅用3条线与之相连接。
可采用一次传送一个字节或突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源／后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
3.2.1DS1302引脚功能与内部结构
DS1302的引脚功能如表1所示，外形及内部结构如图3.1所示：
表3.1DS1302引脚功能表
引脚号
引脚名称
功能
1
VCC2
主电源
2、3
X1、X2
振荡源，外接32768Hz晶振
4
GND
地线
5
RST
复位/片选线
6
I/O
串行数据输入/输出端（双向）
7
SCLK
串行时钟输入端
8
VCC1
后备电源
图3.1DS1302管脚图及内部结构图
3.2.2DS1302的控制字
DS1302的控制字节如图3.2所示：
76543210
1
RAM
A4
A3
A2
A1
A0
RAM
图3.2DS1302控制字节的含义
控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。
位6如果为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。
3.2.3DS1302的复位引脚
通过把
输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
输入有两种功能：
首先，
接通控制逻辑，允许地址／命令序列送入移位寄存器；其次，
提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。
当
为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中置
为低电平，则会终止此次数据传送，并且I/O引脚变为高阻态。
上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，
必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
3.2.4DS1302的数据输入输出
在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。
同样，在8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302数据，读出数据时从低位0位至高位7，数据读写时序如下图所示：
图3.3数据读写时序
3.2.5DS1302的寄存器
DS1302共有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。
其日历、时间寄存器及其控制字见表2。
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RAM相关的寄存器等。
时钟突发寄存器分为两类，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，其命令控制字尾COH—FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下得RAM寄存器，次方式可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字尾FEH（写）、FFH（读）。
表3.2DS1302的日历、时钟寄存器及其控制字
寄存器名
命令字
取值范围
各位内容
写操作
读操作
7
6
5
4
3
2
1
0
秒寄存器
80H
81H
00--59
CH
10SEC
SEC
分寄存器
82H
83H
00--59
0
10MIN
MIN
时寄存器
84H
85H
01-12或00-23
12/24
0
10
HR
HR
日寄存器
86H
87H
01-28,29,30,31
0
0
10DATE
DATE
月寄存器
88H
89H
01--12
0
0
0
10M
MONTH
周寄存器
8AH
8BH
01--07
0
0
0
0
0
DAY
年寄存器
8CH
8DH
00--99
10YEAR
YEAR
3.3DS18B20简介
DS1820数字温度计提供9位温度读数,指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DS1820或从DS1820送出，因此从中央处理器到DS1820仅需连接一条线（和地）。
读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。
因为每一个DS1820有唯一的系列号（siliconserialnumber），因此多个DS1820可以存在于同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件，此特性的应用范围包括HVAC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。
3.3.1DS18B20特性
•独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信
•多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化
•不需要外部元件
•可用数据线供电
•不需备份电源
•测量范围从-55至+125，增量值为0.5
•以9位数字值方式读出温度
•在1秒典型值内把温度变换为数字
•用户可定义的非易失性的温度告警设置
•告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度告警情况）
•应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统
3.3.2DS18B20引脚排列
图3.4引脚说明
GND地
DQ数字输入输出
VDD可选的VDD
NC空引脚
DNC不连接
引脚
8脚SOIC
引脚
FR35
符号
说明
5
1
GND
地
升级会员 