课设论文电子时钟的设计.docx
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课设论文电子时钟的设计
目录
第一章前言..................................................................1
1.1时钟简介.................................................................1
1.2课程设计的主要任务.......................................................1
第二章硬件电路设计..........................................................2
2.1设计方案论证..........................................................2
2.2总体设计图...............................................................2
2.3硬件设计图......................................................2
2.4元件简介...........................................................3
2.4.1AT89C52.............................................................3
2.4.2DS1302...............................................................4
2.4.2.1DS1302结构及工作原理.................................................4
2.4.2.2DS1302引脚功能及结构.................................................5
2.4.2.3DS1302的控制字节.....................................................5
2.4.2.4DS1302的寄存器......................................................6
2.4.3DS18B20简介...........................................................6
2.4.4LCD1602简介...........................................................8
第三章软件设计............................................................9
3.1程序设计..............................................................9
3.2主程序设计...............................................................9
3.2温度转换子程序..........................................................10
第四章系统调试............................................................10
4.1PROTUES仿真.............................................................10
4.2功能特点..............................................................11
4.3功能模块..............................................................11
4.4PROTEUS所提供的资源..................................................11
4.5用PROTEUS实现软件仿真.................................................12
4.6仿真结果..............................................................12
第五章总结................................................................13
5.1设计特点................................................................13
5.2设计心得................................................................14
参考文献..................................................................15
第一章前言
1.1时钟简介
时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。
怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？
这就要求人们不断设计出新型时钟。
现今，高精度的计时工具大多使用了石英晶体振荡器，由于电子钟、石英钟、石英表都采用了石英技术，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，译码代替机械式传动，用LCD显示器代替指针显示。
减小了计时误差，这种表具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。
1.2课程设计的主要任务
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
本设计的内容是数字时钟，该设计实现了时钟的基本功能，除了显示年、月、日时间之外，还对环境温度进行测量并显示，同时能进行高低温提示。
本设计采用AT89C52单片机做为控制芯片，用DS18B20做为温度采集器，DS1302做为时钟芯片，用于获取温度和计时，并在LCD1602上进行显示。
该设计易于实现，功能齐全，显示简洁明了，具有很高的实用性。
第二章硬件电路设计
2.1设计方案论证
2.1.1方案一
由于本设计是时钟和测温电路。
时钟电路可以用单片机延时来实现，但是延时不可能非常精确，随着时间的积累，误差越来越大。
测温电路可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。
这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦且计时误差较大。
2.1.2方案二
进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。
时钟电路可以用DS1302时钟芯片可以实现精确计时。
从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。
2.2总体设计图
总设计图2.2
2.3硬件设计电路图
系统可以分为控制、采集、显示三个模块，控制部分由51单片机和DS1302芯片组成，采集部分由DS18B20做为信号采集器，显示部分由LCD1602做为显示器。
系统电路图如下：
总电路图2.3
2.4元件简介
2.4.1AT89C52
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
AT89C51提供一下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
最小系统2.4.1
2.4.2DS1302
2.4.2.1DS1302结构及工作原理
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用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/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
2.4.2.2DS1302引脚功能及结构
DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。
在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。
当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能：
首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST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RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。
上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST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。
I/O为串行数据输入输出端（双向），后面有详细说明。
SCLK为时钟输入端。
下图为DS1302的引脚功能图：
DS1302封装图
2.4.2.3DS1302的控制字节
DS1302的控制字如图2所示。
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。
数据输入输出（I/O）
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，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。
2.4.2.3DS1302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C0H～FDH，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）。
2.4.3DS18B20简介
DS18B20采用了独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
DS18B20的管脚排列
1.GND为电源地；
2.DQ为数字信号输入／输出端；
3.VDD为外接供电电源输入端
图2.4.3.1
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（地址：
28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，并且每个DS18B20的序列号都不相同，因此它可以看作是该DS18B20的地址序列码；最后8位则是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
由于每一个DS18B20的ROM数据都各不相同，因此微控制器就可以通过单总线对多个DS18B20进行寻址，从而实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
图2.4.3.2
DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位二进制形式提供，形式表达，其中S为符号位。
图2.4.3.3
DS18B20的工作时序
DS18B20的一线工作协议流程是：
初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。
其工作时序包括：
初始化时序，写时序，读时序
初始化时序
图2.4.3.4
主机首先发出一个480－960微秒的低电平脉冲，然后释放总线变为高电平，并在随后的480微秒时间内对总线进行检测，如果有低电平出现说明总线上有器件已做出应答。
若无低电平出现一直都是高电平说明总线上无器件应答。
做为从器件的DS18B20在一上电后就一直在检测总线上是否有480－960微秒的低电平出现，如果有，在总线转为高电平后等待15－60微秒后将总线电平拉低60－240微秒做出响应存在脉冲，告诉主机本器件已做好准备。
若没有检测到就一直在检测等待。
2.4.4LCD1602简介
引脚功能说明：
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如如下图所示:
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
图2.4.4.1
LCD1602的一般初始化（复位）过程
延时15mS
写指令38H（不检测忙信号）
延时5mS
写指令38H（不检测忙信号）
延时5mS
写指令38H（不检测忙信号）
以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号
写指令38H：
显示模式设置
写指令08H：
显示关闭
写指令01H：
显示清屏
写指令06H：
显示光标移动设置
写指令0CH：
显示开及光标设置
第三章软件设计
3.1程序设计
系统程序主要包括主程序，键盘扫描子程序，时间显示子程序，时间调整子程序，读出温度子程序，温度转换命令子程序，计算温度子程序，显示数据刷新子程序等。
3.2主程序
主程序实现时间温度的现实，当模式切换按键按下时实现时间调整。
主程序流图如下：
图3.2
3.3温度转换子程序
温度转换程序流程图如下：
图3.3
第四章系统调试
4.1PROTUES仿真
本设计采用了Proteus软件仿真。
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编辑器。
4.2功能特点
Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：
multisim）的功能。
这些功能是：
（1）原理布图
（2）PCB自动或人工布线
（3）SPICE电路仿真
（4）互动的电路仿真
（5）仿真处理器及其外围电路
可以仿真51系列、AVR、PIC等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
4.3功能模块
（1）—个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；
（2）PROSPICE混合模型SPICE仿真;
（3） ARES PCB设计.
4.4PROTEUS所提供的资源
（1）Proteus可提供的仿真元器件资源：
仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。
（2）Proteus可提供的仿真仪表资源：
示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。
理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。
（3）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。
（4）Proteus可提供的调试手段
Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。
这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
4.5用PROTEUS实现软件仿真
1） 支持多种主流单片机系统的仿真
2）提供软件调试功能
3）提供丰富的外围接口器件及其仿真
4） 提供丰富的虚拟仪器
5） 具有强大的原理图绘制功能
6）用proteus单独仿真
在绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：
*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
4.6仿真结果
第五章总结
5.1设计特点
本系统采用MSC-51系列单片机AT89C51芯片为中心控制器来制作电子时钟。
整个系统实现了时钟的功能，能够显示当前时间的时、分、秒，并能调节时、分的显示。
同时，系统还能够测量当前环境的温度，并且能进行高低温报提示。
时钟和测量的温度在液晶上进行了显示。
本设计的特点是显示简单明了，使用方便，实用性高，而且可以根据需要添加一些其他功能，是一个合格的电子时钟。
本设计缺点为占用了较多的I/O接口，可通过接8255实现扩展。
可扩展功能：
多点测温，温度报警，温度上下限设置等等。
5.2设计心得
经过2周紧张的单片机课程设计，终于完成了基于单片机的数字温度计和数字钟的设计。
在这2周的课程设计中，有很多的心得体会，
这次的设计，我得到了很大的锻炼。
从最初的设计电路，到购买原器件和电路的焊接，到后来各个部分的调试我都参与其中，看着我们的设计从无到有，并能够按照我们的设想去工作，是一个很美妙的过程。
而和同组的同学一同调试，一起修改设计也是人生很难得的经历。
在这次课程设计的整个过程中，我做了一次全面、较规范的设计练习，全面地温习了以前所学过的知识，用理论联系实际并结合单片机原理课程和解决实际问题，巩固、加深和扩展了有关单片机设计方面的知识。
尤其重要的是让我们养成了科学的习惯，在设计过程中一定要注意掌握设计进度，按预定计划完成阶段性的目标，在底图设计阶段，注意设计计算与结构设计画图交替进行，采用正确的设计方法。
在整个设计过程中注意对设计资料和计算数据的保存和积累，保持记录的完整性。
在课程设计的实践中进行了设计基本技能的训练，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、数据处理等方面的能力。
在本次设计过程中，我也发现很多的问题，虽然以前学习并设计过简单单片机电路，但这次课程设计仍然让我学到了很多。
本次单片机课程设计重点就在于软件算法的设计及液晶显示，不仅需要巧妙的程序算法，而且需要一些单片机编程经验。
在编程设计过程中，遇到了许多困难，每当这个时候，我就再仔细检查几遍，如果自己仍然不能解决，就主动去找其他同学帮忙，相互讨论，相互学习，逐步解决遇到的一个个问题，最终完成整个系统的设计。
通过对通用89C52单片机机处理器铁电存储器芯片、常用元器件的设计，掌握了一般单片机设计的程序和方法，让我对整个单片机程序的设计，C语言有了一个比较深的理解。
更对PROTUES，KEIL软件进一步熟悉，在以后的应用中更加方便。
从这次的课程设计中，我真正的意识到，在学习过程中理论联系实际的重要性。
只有把所学的理论知识用到实际当中，所学的知识才会有价值，学习单机片机更是如此，软件编程能力只有在经常的写与读的过程中才能得到提高，这是我在这次课程设计中的最大收获。
参考文献
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西安电子科技大学出版社.2008.8
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西安电子科技大学出版社.2009.2
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人民邮电出版社.2008.4
[5]朱蓉，等.基于MCS—51定时精确控制的研究
[6]http:
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