基于单片机的数字时钟的设计.docx

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基于单片机的数字时钟的设计

基于单片机的数字时钟的设计

摘要

本次设计的数字时钟硬件部分主要包括STC89C52单片机、DS1302时钟芯片、LCD1602液晶显示屏、DS18B20温度传感器等部件｡STC89C52单片机具有低功耗高性能的特点,DS1302时钟芯片拥有高性能、低功耗、误差小、使用寿命长的特点｡它不仅可以对年、月、日、时、分、秒进行记录,同时还拥有闰年补偿功能｡LCD1602液晶显示屏则可以将年、月、日、时、分、秒和温度等信息显示出来｡DS18B20温度传感器具有实时检测温度的功能。

该数字时钟最终具有时间显示、闹钟提醒、温度显示、秒表计时功能｡

关键词:

单片机；液晶屏；数字时钟；

Designofelectronicclockbasedonsinglechip

Abstract

ThedigitalclockhardwarepartofthisdesignmainlyincludesSTC89C52single-chipmicrocomputer,DS1302clockchip,LCD1602LCDscreen,DS18B20temperaturesensorandothercomponents.STC89C52MCUhasthecharacteristicsoflowpowerconsumptionandhighperformance,DS1302clockchiphasthecharacteristicsofhighperformance,lowpowerconsumption,smallerror,longservicelife,itcannotonlyforyears,months,days,hours,minutes,secondstorecord,atthesametimealsohasaleapyearcompensationfunction.TheLCD1602LCDscreencanbeyear,month,day,hours,minutes,secondandtemperatureinformationdisplay.DS18B20temperaturesensorhasthefunctionofreal-timetemperaturedetection.Theelectronicclockfinallyhastimedisplay,alarmclockreminder,temperaturedisplay,stopwatchtimingfunctions.

Keywords:

Singlechipmicrocomputer;TheLCDpanel;Electronicclock

第1章前言

1.1数字时钟设计的背景

在古代,人们通过观察太阳影子来估算时间｡到了近代,因为工业革命的爆发,西方科学家们发明出沿用至今的摆钟｡在现代,因为单片机的问世以及大规模集成电路的发明,越来越多的单片机技术产品逐渐成熟｡

单片机技术产品中,最具有代表性的电子产品就是数字时钟｡数字时钟相对于传统的机械钟,无论是在黑夜或白天都能够清晰显示年、月、日、星期、以及温度等信息,还拥有秒表计时和闹钟功能｡同时,石英技术的发展让数字时钟拥有更低的价格,更准确的精度,以及更稳定的性能｡传统的电子钟除显示时间之外,功能上比较单一,在市场上也逐渐的被淘汰｡而顺应人们需求的数字时钟,将是未来钟表发展的趋势｡

1.2数字时钟设计的意义

人们在日常生活中需要一款新式、便于携带、功能强大的钟表,而数字时钟以优异的性能满足了人们的需求｡数字时钟在生活中已经成为不可缺少的一部分,机场,码头,车站等公众场所随处可见它的身影｡自动定时打铃器,定时广播,自动开关电梯,自动报警器等机器都是基于数字时钟的基础创造出来的｡未来的电子钟将会向自动一体化方面发展,让人们的生活更加便捷｡所以,进行数字时钟的设计有着非常重大的意义｡

第2章总体方案设计

2.1系统的概述

我设计的数字时钟这个产品的核心是单片机STC89C52,它能对于整个工作的协调化进行控制,还能对于数据进行快速处理｡本设计采取了模块化设计,主要包含了七大模块，这七大模块依次是时钟模块、显示模块、电源模块、最小系统模块、蜂鸣器模块、温度传感器模块以及键盘模块。

本次设计的输入主要通过键盘模块来控制，其能够处理多种控制指令，在单片机STC89C52中进行指令的处理，通过处理后,结合相应的复位电路以及时钟电路来进行LCD显示的驱动，通过这样的控制方式，像温度年、月、日、星期、时、分、秒等都可以被显示。

在设计中，时钟芯片采用了美国DALLAS公司的DS1302涓流充电时钟芯片;输入控制方面,本设计采用了五个按键来进行时间的设置、闹钟的设置、秒表计时和温度显示;温度传感器则采取DS18B20;显示电路采取LCD1602液晶显示器实现；闹铃提醒功能通过蜂鸣器模块实现。

最后，电源模块采用USB连接方式与电源进行连接。

系统整体框图如图2.1所示:

图2.1系统总体框图

2.2方案的选择

2.2.1单片机的选择

方案一：

系统控制器采用单片机AT89C51。

这种单片机拥有的标准功能如下：

5向量两级中断结构、16位定时/计数器两个、全双工串行通信口一个、128字节内部RAM、4k字节Flash闪速存储器、32位I/O口线、片内振荡器及时钟电路｡同时，AT89C51型的单片机可实现节电工作模式的选用，也可以将静态逻辑操作降至0Hz。

当处于空闲模式的时候，中断系统、定时/计数器、RAM以及串行通信口仍会继续工作，而CPU将停止工作。

单片机处于掉电工作状态下RAM的内容将会被保存，振荡器将停止运作，且其他的所有部件都会被禁止，这个状态将持续到对下个硬件的初始化。

方案二：

采用单片机STC89C52作为系统控制器｡这种单片机拥有的标准功能如下：

定时器、512字节RAM、8k字节Flash、32位I/O口线、内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断,全双工串行口｡STC89C52型的单片机可实现两种软件选用节电工作模式，也可以实现静态逻辑操作降至0Hz。

当处于空闲模式的时候，中断系统、定时/计数器、RAM以及串行通信口是会继续工作的，而CPU将会停止工作。

在进行掉电保护状态下，振荡器将被冻结，保存RAM内容，而单片机将会停止运作，这个状态一直持续到下个硬件复位或中断。

最高运作频率35MHz,6T/12T可选｡

通过对比发现:

前者为12T模式,后者可以是12T模式,也可以是6T模式｡前者只有128字节的RAM,后者除此之外,有内部1280RAM扩展｡前者只有4K内部程序存储空间,后者最多能有64K存储空间｡前者只能通过编程器编程,后者有ISP功能，所以本设计的控制器采用的单片机型号为ST89C52。

2.2.2温度传感器的选择

方案一：

DS18B20，DS18B20型号的数字温度传感器所测量的温度范围为-55℃~125℃，而被测温度值是直接可以通过DS18B20被读出的。

此类传感器具有易使用和低成本的特点，且外部硬件电路将得到简化。

Dallas半导体公司数字化温度传感器DS18B20，这种温度传感器支持“一线总线”接口。

这种一线总线接口的特点就是经济，这样的模式可让用户更容易组建传感器网络，从而将全新的概念引进到构建测量系统当中。

独特的信号和电源通过一线总线复合起来，仅仅使用一条线即可实现，具有零功耗等待、支持联网寻址、每个芯片拥有唯一编码以及简单网络化的温度感知等优势。

方案二：

美国模拟器件公司在电流输出型温度传感器的选择上选用的是模拟温度传感器AD590和AD590，此类传感器的拥有3~30V的供电电压范围，在输出电流信号传输距离方面AD590可达到1km以上。

这种高阻电流最高值可达20MΩ，CMOS多路转换器或者选择开关所引入的附加电阻产生的误差都是这类传感器可忽略的。

此类传感器控制可适用于远距离温度测量和多点温度测量。

基于以上比较可知：

AD590和DS18B20相比需要模拟转数字电路,成本高,精确度低、测温点数数量少、电路繁多、对线阻有较多要求｡所以我们使用DS18B20温度传感器｡

2.2.3显示模块的选择

方案一：

动态扫描采用LED数码管，此类数码管适于数字显示，价格适中，且动态扫描法占用较少的单片机口线来连接单片机。

由于数码管动态扫描进行移位时必须借助74LS164移位寄存器来实现，从而会有很多障碍影响到该芯片的电路调试，因此显示不采用LED数码管。

方案二：

在显示屏方面选用LCD液晶显示屏，此类显示屏的功能很强大，可以大量显示多样、清晰的图形和文字，这从数字时钟方面来考虑，LCD1602液晶屏完全就可以满足本设计显示模块要求，且价格实惠，故选用它。

2.2.4时钟模块的选择

方案一：

选择单片机时，计数器和单片机需要搭配使用，而且还需设计中断和查询等，这完全占用了硬件资源，对单片机的资源造成了浪费。

而且某些测控系统可能准确,会导致时间误差大｡

方案二：

选择DS1302时钟芯片，这种芯片是一种带有RAM、低功耗以及高性能的时钟芯片，它是由美国DALLAS公司制造的，可对闰年进行补偿，而且能够计时年、月、日、时、分、秒，而且工作电压为2.5V~5.5V｡同步通信通过CPU与SPI三线接口实现，多个字节的RAM数据或时钟信号可采用突发方式进行一次传送。

DS1202的升级版是DS1302，这两个产品是互相兼容的，DS1302拥有主电源/后备电源双电源引脚，而且可反复给后备电源充电，31×8RAM寄存器是DS1302的特性，这个寄存器是用于临时性寄存数据的。

此类芯片优势在于采取串行数据传输之后，可以关闭充电功能，把可编程的充电功能传输给掉电保护电源，采用普通32.7kHz晶振｡通过对比,我们使用DS1302时钟芯片作为时钟模块｡

第3章系统硬件设计

3.1最小系统模块

STC89C52单片机是本次设计的主要系统,它在51单片机的基础上做出许多改进,使得它拥有比51单片机更加强大的功能｡根据其工作原理可知，晶振、复位、电源三个模块构成了单片机的最小系统。

在对52单片机进行实际应用的过程中，有以下几个方面尤其需要注意：

如图3.1，引脚31所接电平的状态与单片机的执行位置有关，接高电平，从内部ROM执行，接低电平，从外部ROM执行，当然，无论内外，都是从0000H开始。

在本次设计过程中，我们的控制程序存储于单片机内部，因此，为了保证执行的有效性，需要将31引脚保持在高电平状态。

图3.1最小系统原理图

3.1.1复位电路设计

在上电或复位的过程当中,控制系统的复位状态:

这段时间内让CPU维持复位状态,而不是一上电或刚复位结束就工作,避免系统发出错误的指令,执行错误操作｡也可以提升电磁兼容性能｡经过细致的研究判断后，我们最终采用极性电容C1（10uF）、电阻R4（10K）来实现上电复位｡其工作原理表现为：

电容两端电源的状态存在一定的滞后性，其在上电瞬间无法跟随电路发生突变，故两端电位呈现为VCC（此时充电电流最大,电容相当于短路）,即RST高电平｡一段时间后，电容被充电至压差为VCC,此时，电容相当于断路（此时电容充电电流为0）,RST的电平为低电平,单片机正常工作｡复位电路图如图3.2所示:

图3.2复位电路图

3.1.2晶振电路设计

该模块的原理即为利用电容来完成起振｡其主要组成元件为2个30pF的电容和12M的晶振｡在进行电路设计的时候,晶振电路越靠近单片机越好｡晶振电路图如图3.3所示:

图3.3晶振电路图

3.1.3电源电路设计

为满足各个模块的供电需求，通过电源电路模块向各个模块提供所需要的工作电源，在本文的设计过程中，使用5V电源来实现各模块的工作电源供应。

通过J1电源插座供电,由SW1电源开关进行送电｡本设计由USB接口直接供电,可用电脑USB接口,充电宝电源供电｡电源电路图如图3.4所示:

图3.4电源电路图

3.2时钟电路设计

本系统时钟芯片选择的是DS1302时钟芯片,该芯片应用广泛，功能强大，并同时具有实施时间记录与RAM存储两部分，可以提供给用户年、月、日数据以及精确到秒的24小时制的具体时间和对应日期，无需外界辅助，即可自动的根据不同月份之间的天数差异对相关信息进行自主调节。

该芯片是美国DALLAS公司研发设计的一款高性能芯片，只需简单的外部电路设计即可实现与单片机的信息交互。

为了实现其功能，需要对其进行以下设置，即将1、4引脚分别作为接地端与电源端与地和VCC连接，引脚8为备用电池启动端，与纽扣电池相连，为断电状态下的芯片提供紧急电源供给，引脚2、3与晶振（32.7K）相连，为芯片的正常工作提供所需的时钟脉冲，将引脚5、6、7作为传输控制引脚，与单片机的输入输出端口进行连接。

需要注意的是，工作电源的提供方并不唯一，当VCC2>（VCC1+0.2V），由VCC2提供，反之，由VCC1提供，即，谁大谁供电。

除此之外，DS1302还具有许多优点，例如，工作功耗低，仅需1mW功率即可维持工作｡电路图如图3.5所示:

图3.5时钟电路图

3.3显示电路设计

本系统的显示电路部分选用的是液晶显示屏LCD1602。

为实现其功能，需要对其进行以下设置，即将1、2引脚分别作为接地端与电源端与地和VCC连接，将引脚3用作显示对比度调节端口，实现方法为通过一个可调的电阻后与地相连，引脚4作为数据存储状态的控制引脚，若其表现为低电平，不存储数据，反之存储。

低电平时选择指令寄存器,接到了单片机的P27脚上｡第5脚是液晶的读写控制脚,在高电平时进行读操作,在低电平时进行写操作,连接在单片机的P26脚上｡连接在P25上的第6脚是液晶的使能脚,高电平时读取信息,负电平时｡液晶显示装置由7~14脚控制，其分别与8位总线一一对应。

除此之外，添加电阻R1（阻值10K）于漏极的输出端口来进行限流，可以作为上拉电阻使用｡最后第15脚和第16脚是液晶的背光电源脚,15脚背光正极,16脚背光负极,直接连接系统VCC和GND｡电路图如图3.6所示:

图3.6显示电路图

3.4DS18B20温度检测

本系统采取DS18B20（美国DALLAS公司研发的一款应用型传感器）来完成整个系统对于温度数据的采集与获取。

同时将DS18B20与AT89C2051相结合，来搭建完整的温检系统，以完成对于室内温度的精准快速的信息采集。

DS18B20温度传感器中,2号引脚DQ为数据输入/输出端,1号引脚GND为电源地,3号引脚VCC为外接供电电源输入端｡DS18B20通过达拉斯公司独有的单线协议依靠一个单线端口通讯,当全部器件经过一个三态端口或者漏极开路端口（DQ引脚在DS18B20上的情况下）与总线连接的时候,控制线要连接一弱上拉电阻｡图中,控制线处连接了一个4.7K电阻｡DS18B20具有许多独特的性能特点，例如转换迅速，分辨率高，耗时短，可传距离长等。

能够高效的完成数据的采集与转换，为使用者的设计与应用提供便利｡电路图如图3.7所示:

图3.7DS18B20温度检测电路图

3.5按键电路设计

该部分电路的作用为对不同的工作模式进行按键切换以及外部信息输入。

例如调时间，设闹钟，定时与温度显示,最后确定由五个按键来实现上叙功能｡我们所设计的电路仅需5个按键即可完成全部功能，按键设置简洁清晰。

K1,进行时钟的设置｡K2,用来实现闹钟定时的设置｡K3,用来实现秒表计时的功能｡K4,它是减键,有开始和暂停秒表、减小时间的功能｡K5,它是加键,有增大时间和秒表清零的功能｡最终采取了独立键盘的形式｡电路图如图3.8所示:

图3.8按键电路图

3.6蜂鸣器模块设计

在本设计电路中,采用了PNP管8550作为控制蜂鸣器的开关,其对应模式如下：

当引脚BEEP表现出高电平状态的时候,三极管截止，蜂鸣器阻断，呈停止工作态。

该模块的实现电路如图3.9所示，该电路通过一个大阻值的电阻R2进行限流，同时，为了保持蜂鸣器仅在确定状态下工作，本文选取三极管8550来进行开关控制，根据该三极管的特点可知，其能够有效的避免上电过程中的意外导通问题。

在进行初始化操作过后，利用软件编程，使用者能够利用变换BEEP管脚的电平的高低状态来实现对蜂鸣器的工作状态的控制，其工作时会发出报警声，反之则不会。

并且，在此基础上，可以通过把控管脚高电平的保持时间和波形特点来调整蜂鸣器的声音高低和强度。

图3.9蜂鸣器电路图

第4章数字时钟软件设计

4.1主程序流程图设计

完成硬件部分的电路搭建完成之后，需要通过软件编程对各个芯片进行控制，来实现各模块的相应功能。

该系统的软件部分主要分为时钟的显示控制程序，温度数据获取程序以及按键设置程序三部分。

如流程框图4.1所示，在整体设计过程中，第一步，初始化，对显示装置进行功能初始与内容复位;对时钟芯片进行复位，特别是将其引脚电平进行复位;对定时器进行复位，这一步的有无关乎着整个系统是否能正确完成计时功能。

下一步，通过循环结构，依次完成时钟芯片的信息提取，显示装置的信息显示，然后比对其是否为闹钟时刻，并通过判断结果来控制蜂鸣器是否工作。

接下来，发送控制指令，进行传感器当前数据信息的获取，并将获得的数据信息呈现在显示装置上。

再下一步，对按键状态进行判断，对应相应的按键状态，进入不同的工作模式。

例如秒表计时模式有与其直接对应的秒表控制键。

整个流程执行到这一步，就完成了一个完整的循环。

是

否

是

否

是

否

图4.1主程序流程图

4.2DS1302时钟芯片程序设计

4.2.1DS1302时钟芯片流程图

本系统使用的是时钟芯片DS1302，须注意的是，应用过程中，需在芯片复位（即初始化）之后，才能进行年、月、日、星期、时、分、秒等信息的读取｡把读取的数据处理后,再送给液晶屏显示｡DS1302时钟芯片流程图如图4.2所示:

图4.2DS1302时钟芯片流程图

4.2.2LCD1602液晶流程图

众所周知，显示模块的设计是时钟设计领域至关重要的一个环节。

显示模块设计的第一部分即确定显示位置，显示屏通过设计者所设置的行、列信息完成显示定位，然后才能够对相关内容进行显示。

LCD1602按照逐位进行的方式实现时间信息的显示。

需要格外注意，液晶在对一串内容进行显示的过程中，无论是字符还是数字，仅对第一位按行列进行定位，其余位次的信息在此位置的基础上依次后移一位进行显示。

图4.3LCD1602液晶流程图

4.2.3DS18B20温度传感器流程图

在控制程序的设计过程中，为简洁有效的对其检测功能进行应用，本文按照流程图4.4中所示的工作原理框架进行程序设计。

第一步，完成对传感器的复位，通过0xcc指令，0x44指令跳过ROM，启动传感器的转换功能，再次初始化，并发送指令0xcc跳过ROM。

下一步，向传感器发送0xbe指令，进行数据读取准备，最后一步，获取检测得到的温度结果数据。

图4.4DS18B20温度传感器流程图

5章系统的软硬件设计

5.1硬件的功能介绍

硬件通过USB数据线连接电源后,按下开机按钮｡LCD1602液晶屏上会依次显示年、月、日、星期、时间与温度值｡仿真电路到成品实物，是一个漫长且又十分容易出错的过程，在进行电路板的焊接的时候，需要很高的耐心。

然而，完成焊接只是第一步，之后还需细致的检查，确认电路是否焊接无误，避免虚焊、短接，保证元件的参数与仿真一致。

然后分级逐一对各个模块的功能实现情况进行验证，例如指示灯能否正确亮灭，复位按键是否正常工作等。

实物图如下图5.1所示:

图5.1系统硬件图

5.1.1时间的设置

连接电源以后,屏幕上依次显示年份、星期、时间、和温度｡我们按下“设置时间按键（按键K1）”,就进入了时间设置的模式｡这时可以看到光标在“2020”年中“0”的位置闪烁,代表现在可以调节年份的大小｡

图5.2时间设置图

我们现在可以使用“减键（按键K4）”和“加键（按键K5）”两个按键进行年份大小的调整｡比如我们需要将年份调整到2019年10月20号、我们只需按一下按键K4，就可以完成目标。

年份调整图如下图5.3所示:

图5.3年份设置图

设置好年份之后,当再次按下“设置时间按键（按键K1）”,光标就跳到了月份“10”的位置闪烁,代表现在我们可以调节月份的大小｡月份调整图如下图5.4所示：

图5.4月份设置图

通过设置年份与月的操作,我们分别进行日、星期、小时、分钟、秒钟、温度的设置｡设置好温度以后,我们再按一次“设置时间按键（按键K1）”就退出了时间设置模式｡

5.1.2闹钟的设置

连接电源以后,我们按下“设置闹钟按键（按键K2）”,就进入了闹钟设置模式｡屏幕上依次显示“ALARMCLOCKSET”、时间、和“OFF”，闹钟的设置是通过“设置闹钟按键（按键K2）”进行切换设置选项的｡闹钟界面图如下图5.5所示：

图5.5闹钟的设置

我们通过“减键（按键K4）”和“加键（按键K5）”来进行闹钟定时｡如果我们需要启动闹钟,必须在闹钟的设置界面中,把状态设置从“OFF”改成“ON”｡例如，我们在“14:

33”的时候进行闹钟定时。

那么，当时间到达“14:

33”的时候，闹钟会启动，蜂鸣器发出声音提示。

如果需要关闭闹钟，只需要将闹钟设置界面中的“ON”再次调成“OFF”即可。

闹钟开关图如下图5.6所示：

图5.6闹钟开关图

闹钟的持续响铃时间是一分钟,一分钟后会自动关闭闹钟,以后每一天会在同一时间点再次响铃｡在闹钟响铃的时间里,如果需要关闭闹钟的话,可以通过“减键K4”或“加键K5”进行调节｡

5.1.3秒表的设置

连接电源以后,按下“设置秒表按键（按键K3）”,就进入了秒表设置模式｡屏幕上会依次显示“STOP-WATCH”和“00:

00:

00:

00”，我们按下“开始/暂停秒表键（按键K4）”就可以在开始和暂停秒表的工作状态之间来回切换｡比如,我们需要计时到第4秒。

先按下按键K4,时间到第4秒后,再按一次按键K4,就可以完成计时。

时间秒表的界面图如下图5.7所示：

图5.7秒表设置图

当我们需要重新计时，我们只需按下“秒表清零键（按键K5）”,之前的计时就会清零｡再次按下“开始/暂停秒表键（按键K4）”，秒表就会重新开始计时。

秒表清零图如下图5.8所示

图5.8秒表清零图

当我们再按一次“设置秒表按键”之后,就可以退出秒表模式｡

5.1.4液晶对比度的调试

液晶的内容要清晰显示,就要调节电位器来调节液晶的对比度,本设计的电位器位于液晶的下面,可以用螺丝刀等工具进行转动调节｡因为液晶的供电电压会不同,所以显示的对比度也会不同｡因为本设计是USB供电,电压相对于稳定,所以只要在初次使用时调节就可以了｡液晶图如下图5.9所示:

图5.9液晶显示图

第6章结束语

在忙碌了几个月后,本次的基于单片机的数字时钟的设计终于算是圆满结束｡从开头选题到最终调试电路板成功,中间面临的问题可谓一言难尽｡但是能够从设计中得到锻炼自己的机会,我觉得还是非常值得的｡本论文着重描述了系统的设计与制作方案,通过所学的理论知识和实践相结合,让我对52单片机有了更多了解｡课堂上听到的知识是片面的,经过毕业设计这一工作,我学会了将课堂所学的知