多功能数字时钟毕业设计Word下载.docx
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1绪论
一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。
从古至今，时间是人们生活中不可缺少的重要伴侣。
郭沫若先生曾说：
时间就是生命，时间就是速度，时间就是力量。
时间对我们来说总是那么宝贵，在我们的日常工作、学习、生活中，时间概念愈加显得重要。
如果没有时间概念，社会将停滞不前。
从古代的圭表、水漏，到后来的机械钟表以及当今的电子钟，都充分显现出了时间的重要。
因此利用当今先进的科技致力于电子钟的研究将能更好的服务于人们的生活。
1.1课题背景
1.1.1多功能数字电子钟研究的背景
20世纪末，电子技术得到了极速的发展，毫无疑问，在其推动下，现代电子产品以及各种高科技产品几乎渗透到了社会的各个领域，这有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度以及综合科技水平的提高，但产品更新换代的频率也越来越快。
随着科技的发展社会的进步和全球化竞争的日益激烈，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。
多功能电子钟不管在性能还是在样式亦或是用途上都发生了重大的变化，许多电子钟都已具备电子闹钟、电子秒表、温湿度检测等功能。
同时单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的。
多功能数字电子钟除了具有时钟的功能外还可以包含对环境温度湿度检测的功能。
温湿度是一种最基本的环境参数。
在各个行业生产及日常生活中，对温湿度的测量及控制始终占据着非常重要的地位。
数字电子时钟是采用数字电路实现对时，分，秒数字显示的装置，广泛用于个人家庭，车站，码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可或缺的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，数字时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。
例如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电器的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
1.1.2多功能电子钟研究现状与意义
数字电子时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
但随着时间的推移，科学技术的不断发展，生活节奏越来越快，竞争日益激烈，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。
可以说时间的准确已成为各行各业安全运行的基础，如果时间出现误差而不能及时校正，会造成一系列严重的后果和经济损失。
电子时钟的设计方法有多种，可用中小规模集成电路组成电子钟，也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟，还可以利用对单片机编程来实现电子钟。
其中，利用单片机实现的电子时钟具有硬件结构简单、编程灵活、便于功能扩展等特点。
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或者数码管显示技术。
液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的优点，近年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。
LCD可分为段式LCD、字符式LCD和点阵式LCD。
其中，段式LCD和字符式LCD只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；
而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线以及汉字、动画，并且可以实现屏幕滚动、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。
由此可见LCD的应用是如此广泛，所以用MPU控制液晶显示器是很普遍的应用。
温湿度传感器是上世纪90年代中期问世的。
此类传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。
目前，国际上已开发出多种温湿度传感器。
其传感器内部一般包含温度传感器、湿度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器、随机存取存储器和只读存储器。
他能实时更新并输出数据，适配于各种微控制器也就是通常所说的单片机（MCU），并且可通过软件来实现显示功能，其智能化取决于软件和硬件的综合开发水平，二者缺一不可。
目前，新型温湿传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。
21世纪后，温湿传感器毫无疑问正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及高安全性等高科技的方向迅速发展。
在日常生活和自动控制系统中，我们时常会遇到对时间和温度湿度实时监控的需求。
这就给具有多种功能的时钟提供了市场，也有了市场开发的前景。
因此，研究多功能电子钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
1.1.3多功能电子钟的功能
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，USB扩展口功能等。
本设计电子时钟主要功能为：
⑴具有时间显示和手动校对功能，24小时制；
⑵具有闹铃定时功能；
⑶具有倒计时秒表功能；
⑷具有环境温湿度采集；
⑸具有液晶（LCD1602）显示功能
2硬件设计
2.1系统的设计思路
本次设计完成电子时钟时、分、秒的显示及环境温湿度测量等功能的基础上完成定时闹钟，倒计时的功能。
硬件电路包括单片机最小系统电路、LCD1602液晶显示模块、按键模块、DHT11温湿度传感器模块、蜂鸣器报警电路模块；
软件部分主要通过C语言的编程实现电子时钟，闹钟，倒计时，温湿度采集，然后通过液晶显示程序将时间显示出来，通过按键操作实现功能的转换和屏幕的切换。
设计中结合硬件、软件的分步调试，达到要求的控制效果。
2.1.1设计流程
该设计的主要流程如下：
首先阅读大量参考文献，进行设计方案的确定，然后在protues上进行原理图的绘制和修改，在仿真通过的情况下，购买所需要的元器件（元器件应考虑裕量）。
接着把元器件焊接到各个功能电路的模块上，并结合程序进行调试。
最后将各个功能的电路程序组合起来，然后再进行总体调试直到成功。
图2-1硬件设计框图
2.2单片机的选择
2.2.1单片机的发展趋势
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
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。
2.2.2单片机主要应用领域和特点
单片机芯片的集成度很高，它将微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，具有以下特点：
⑴体积小、重量轻、价格便宜、耗电少；
⑵根据工控环境要求设计，且许多功能部件集成在芯片内部，其信号通道受外界影响小，故可靠性高，抗干扰性能优于采用一般的CPU；
⑶控制功能强，运行速度快。
其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。
有丰富的条件分支转移指令和很强的位处理功能及I/O口逻辑操作功能；
⑷片内存储器的容量不可能很大；
引脚也嫌少，I/O引脚常不够用，且兼第二功能以至第三功能。
但存储器和I/O接口都易于扩展；
自单片机出现至今，单片机技术已走过了30多年的发展路程。
纵观30年来单片机发展里程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。
单片机应用最多的领域主要有以下：
因它具有“小、轻、廉、省”的特点，所以特别适用于“电脑型产品”，在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备、家庭安防设备等许多产品上得到应用。
适用于仪器、仪表，不仅能完成测量，还具有处理、监控等功能，易于实现数字化和智能化。
2.3单片机STC89C52简介
对于单片机的选型，主要应用从单片机应用系统的技术性，实用性和要开发性三方面来考虑。
⑴技术性:
要从单片机的技术指标角度,对单片机芯片进行选择，以保证单片机应用系统在一定的技术指标下可靠运行；
⑵实用性:
要从单片机的供货渠道、信誉程序等角度，对单片机的生产厂家进行选择以保证单片机应用系统在能长期、可靠运行；
⑶可开发性：
选用的单片机要有可靠的可以开发手段，如程序开发工具、仿真调试手段等。
综合考虑本设计还是选用了STC89C52单片机。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
该器件采用ATMEL搞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。
表2-1给出了其主要功能。
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
表2-1STC89C52主要功能
STC89C52各引脚如图2-2所示。
图2-2STC89C52引脚图
⑴主电源引脚（2根）
VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源
GND（Pin20）：
接地线
⑵外接晶振引脚（2根）
XTAL0（Pin18）：
片内振荡电路的输入端
XTAL1（Pin19）：
片内振荡电路的输出端
⑶控制引脚（4根）
RST/VPP（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存允许信号
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
⑷可编程输入/输出引脚（32根）
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
PO口（Pin39～Pin32）：
名称为P0.0～P0.7。
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平（晶体管-晶体管逻辑电平）。
P1口（Pin1～Pin8）：
名称为P1.0～P1.7。
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
P1引脚第二功能
P1.0：
T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1：
T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5：
MOSI（在线系统编程时用到）
P1.6：
MISO（在线系统编程时用到）
P1.7：
SCK（在线系统编程时用到）
P2（Pin21～Pin28）：
名称为P2.0～P2.7。
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口（Pin10～Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7。
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0）
P3.3INT1（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
2.4温湿度传感器
2.4.1DHT11概述
DHT11是一款湿温度一体化的数字传感器。
该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。
DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。
传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。
DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。
性能指标和特性如下：
工作电压范围：
3.5V-5.5V
工作电流：
平均0.5mA
湿度测量范围：
20－90％RH
温度测量范围：
0－50℃
湿度分辨率：
1％RH8位
温度分辨率：
1℃8位
采样周期：
1S
单总线结构
与TTL兼容（5V）
表2-2性能指标和特性
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
湿度
分辨率
1
%RH
8
Bit
重复性
±
精度
25℃
4
0－50℃
5
互换性
可完全互换
量程范围
0℃
30
90
20
50℃
80
响应时间
1/e（63%）25℃，
1m/s空气
6
10
15
S
迟滞
长期稳定性
典型值
%RH/yr
温度
℃
2
50
1/e（63%）
2.4.2应用电路连接说明
DHT11数字湿温度传感器连接方法极为简单。
第一脚接电源正，第四脚接电源地端。
数据端为第二脚。
可直接接主机（单片机）的I/O口。
为提高稳定性，建议在数据端和电源正之间接一只4.7K的上拉电阻。
第三脚为空脚，此管脚悬空不用
表2-3DHT11的引脚说明图
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