本科毕业设计单片机多功能数字电子时钟设计.docx

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本科毕业设计单片机多功能数字电子时钟设计

单片机多功能数字电子时钟设计

绪论

概述

时间对人们来说是非常宝贵的，准确的掌握时间和分配时间对人们来说至关重要。

因此自从时钟发明的那刻起，就成为人类的好朋友。

随着时间的流逝，科学技术的不断发展和提高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、更方便、更精确的显示时间，这就要求人们不断设计研发。

出新型的时钟。

高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，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时译码代替机械式传动，用LCD显示器代替指针进而显示时间、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。

时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用是保证系统正常工作的基础。

在单片机的应用系统中，时钟有两个方面的含义。

一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号、主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢二是指系统的标准定时时钟即定时时间。

它通常有两种实现方法：

一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时器/计数器来实现，二是用专门的时钟芯

实现。

2研究目的

通过利用STC89C52单片机和DS1302芯片和DS18B20以及外围的按键和LCD显示器等部件显示完整的日历和温度，设计一个基于单片机的电子时钟。

通过设计可以很好的学习单片机的基础知识。

具有日历、时间、温度显示功能。

设计的电子时钟通过液晶显示器显示并能通过按键对时间进行设置。

第一章设计要求与方案论证

1.1设计要求

1具有年、月、日、星期、时、分、秒显示功能，

2具有年、月、日、星期、时、分、秒校正功能，

3具有12/24小时切换显示功能，

4具有显示温度功能。

1.2系统基本方案选择和论证

1.2.1单片机芯片的选择方案和论证

方案一:

采用STC89C52芯片作为硬件核心。

STC89C52内部具有8KBROM存储空间,512字节数据存储空间、带有2K字节的EEPROM存储空间与MCS-51系列单片机完全兼容,STC89C52可以通过串口下载。

方案二:

采用AT89S52。

AT89S52片内具有8K字节程序存储空间、256字节的数据存储空间没有EEPROM存储空间也与MCS-51系列单片机完全兼容，具有在线编程可擦除技术。

两种单片机都完全能够满足设计需要、STC89C52相对ATS89C52价格便宜且抗干扰能力强。

考虑到成本因素，因此选用STC89C52。

1.2.2显示模块选择方案和论证

方案一

采用点阵式数码管显示。

点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，可用来显示数。

但体积较大、且价格也相对较高、从便携实用的角度出发，不采用此种方案。

方案二

采用LED数码管动态扫描。

LED数码管价格便宜,对于显示数字最合适,但功耗较大且显示容量不够，所以也不用此种方案。

方案三

采用LCD液晶显示屏。

液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字、显示多样,清晰可见,且价格适中所以采用了LCD数码管作为显示。

1.2.3时钟芯片的选择方案和论证

方案一

直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。

采用此种方案虽然减少芯片的使用、节约成本，但是实现的时间误差较大。

所以不采用此方案。

方案二

采用DS1302时钟芯片实现时钟。

DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高,工作电压2.5V5.5V范围内2.5V时耗电小于300nA.

1.2.4温度传感器的选择方案与论证:

方案一：

使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。

此设计方案需用A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。

方案二：

采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路。

另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。

1.3电路设计最终方案决定

综上各方案所述,对此次作品的方案选定:

采用STC89C52单片机作为主控制系统;采用DS1302作为时钟芯片;采用1602LCD液晶作为显示器件。

第二章主要元器件介绍

2.1STC89C52介绍

2.1.1STC89C52主要功能及PDIP封装

STC89C52是由深圳宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机。

STC89C52主要功能如表1所示其PDIP封装如表1所示主要功能特性。

表2-1STC89C52主要功能表:

主要功能特性32

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

两个外部中断

共6个中断源

2个读写中中断口线

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

2.1.2STC89C52引脚介绍

①主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）:

电源输入，接+5V电源

GND（Pin20）:

接地线

②外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端

③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。

④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。

P0口（Pin39∽Pin32）：

8位双向I/O口线名称为P0.0∽P0.7

P1口（Pin1∽Pin8）：

8位准双向I/O口线名称为P1.0∽P1.7

P2口（Pin21∽Pin28）：

8位准双向I/O口线名称为P2.0∽P2.7

P3口（Pin10∽Pin17）：

8位准双向I/O口线名称为P3.0∽P3.7

其功能引脚如图2-1所示。

图2-1STC89C52PDIP封装图

2.1.3STC89C52最小系统

最小系统是指能进行正常工作的最简单电路。

STC89C52最小应用系统电路如图2.2所示。

它包含五个电路部分：

电源电路、时钟电路、复位电路、片内外程序存储器选择电路、输入/输出接口电路。

其中电源电路、时钟电路、复位电路是保证单片机系统能够正常工作的最基本的三部分电路，缺一不可。

①电源电路芯片引脚VCC一般接上直流稳压电源+5V，引脚GND接电源+5V的负极，电源电压范围在4∽5.5之间，可保证单片机系统能正常工作。

为提高电路的抗干扰性能，通常在引角VCC与GND之间接上一个10uF的电解电容和一个0.1uF陶片电容，这样可抑制杂波串扰，从而有效确保电路稳定性。

②时钟电路单片机引脚18和引脚19外接晶振及电容，STC89C52芯片的工作频率可在2∽33MHz范围之间选，单片机工作频率取决于晶振XT的频率，通常选用11.0592MHz晶振。

两个小电容通常取值3pF，以保证振荡器电路的稳定性及快速性。

③复位电路一般若在引脚RST上保持24个工作主频周期的高电平，单片机就可以完成复位但为了保证系统可靠地复位复位电路应使引脚RST保持10ms以上的高电平。

如图复位电路带有上电自动复位功能当电路上电时，由于C1电容两端电压值不能突变，电源+5V会通过电容向RST提供充电电流，因此在RST引脚上产生一高电平，使单片机进入复位状态。

随着电容C1充电，它两端电压上升使得RST电位下降，最终使单片机退出复位状态。

正常运行时可按复位按钮对单片机复位，如图2-2所示

图2-2STC89C52最小系统

2.2DS1302时钟芯片介绍

2.2.1DS1302概述

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，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。

采用双电源供电，主电源和备用电源，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

采用三线接口与CPU进行同步通信，图2-3所示

图2-3DS1302封装图

2.2.2DS1302引脚介绍

各引脚功能为：

VCC：

主电源Vcc2:

备用电源。

当Vcc2>Vcc1+0.2V时,由Vcc2向DS1302供电:

当Vcc2

SCLK:

串行时钟输入端,控制数据的输入与输出

I/O:

三线接口时的双向数据线

CE:

输入信号,在读、写数据期间必须为高

2.2.3DS1302使用方法

（1）时钟芯片DS1302的工作原理

DS1302在每次进行读、写程序前都必须初始化,先把SCLK端置“0”,接着把RST端置“1”,最后才给予SCLK脉冲;读/写时序如图5所示。

表2为DS1302的控制字,此控制字的位7必须置1,若为0则不能把对DS1302进行读写数据。

对于位6,若对程序进行读/写时RAM=1,对时间进行读/写时,CK=0。

位1至位5指操作单元的地址。

位0是读/写操作位,进行读操作时,该位为1;该位为0则表示进行的是写操作。

控制字节总是从最低位开始输入/输出的。

表6为DS1302的日历、时间寄存器内容:

“CH”是时钟暂停标志位当该位为1时,时钟振荡器停止,DS1302处于低功耗状态当该位为0时时钟开始运行。

“WP”是写保护位,在任何的对时钟和RAM的写操作之前WP必须为0。

当“WP”为1时写保护位防止对任一寄存器的写操作。

（2）DS1302的控制字节

DS1302的控制字如表所示。

控制字节最高有效位（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为0,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传输

表2-2DS1302的控制字格式

RAMRD

1A4A3A2A1A0

/CK/WR

（3）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。

其读写时序如图2-4示

图2-4DS1302读写程序

（4）DS1302寄存器；

DS1302中与时间、日期有关的寄存器共有12个，其中7个存放数据的格式为BCD码格式，其读写地址如下表所示。

表2-3DS1302时钟寄存器

读寄

存器

写寄

存器

Bit7

范围

81H

80H

10秒

秒

00—59

83H

82H

10分

分

00—59

85H

84H

时

0—23

AM/PM

1—12

87H

86H

10月

日

0—23

89H

88H

10月

月

1—12

8BH

8AH

周

1—31

8DH

8CH

10年

年

1—12

8FH

8EH

——

。

第一行秒寄存器，CH为时钟暂停标志位、该位为1时时钟停止，该位为0时时钟运行。

第二行分寄存器，bit0—bit6表示分钟数因采用BCD编码所以低四位最大能表示的数字为9，计数满向高三位进1。

第三行时寄存器、12/24用来定义DS1302小时的运行模式，12小时模式下bit5为1表示PM下午，bit5为0表示AM上午。

第八行控制寄存器bit7是写保护位WP当WP为1时写保护位可防止对任一寄存器的写操作，在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。

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）。

2.31602字符液晶介绍

2.3.11602液晶概述

工业字符型液晶，1602是指显示的内容为16*2，能同时显示两行，每行16个字符。

常见的1602字符液晶有两种，一种显示绿色背光黑色字体，另一种显示蓝色背光白色字体目前市面上绝大多数基于HD44780液晶芯片控制，原理是完全相同的。

本课题所用1602液晶模块，显示屏是蓝色背光白色字体。

如图2-5所示。

图2-51602字符液晶

2.3.21602引脚介绍

图2-6LCD液晶显示

表2-41602字符液晶引脚说明

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

GND

电源地

VCC

电源正极

液晶显示对比

度调解端

数据/命令选

择端

R/W

读写选择

使能信号

数据口

BLA

背光电源正

BLK

背光电源负

各个引脚具体功能说明：

第1脚，GND为地电源。

第2脚，VCC接5V正电源。

第3脚，VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生重影，使用一个1K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择高电平时选择数据寄存器低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线高电平时进行读操作低电平时进行写操作。

第6脚：

E端为使能端当E端由高电平跳变成低电平时液晶模块执行命令。

第7—14脚：

DB0~DB7为8位双向数据线。

第15—16脚：

背光灯电源。

2.3.31602字符液晶使用方法

1基本操作时序

表2-51602字符液晶读写状态表

操作

输入

输出

读指令

RS=L,RW=H,E=H，

D0—D7=状态字

写指令

RS=L,RW=L,D0—D7=指令码，E=H，

无

读数据

RS=H,RW=H,E=H，

D0—D7=数据

写数据

RS=H,EW=L,D0—D7=数据，E=高脉冲，

无

读写操作时序如图2-7和2-8所示：

图2-71602液晶读时序图

图2-81602液晶写时序图

2RAM

1602液晶控制器芯片内部带有80个8位的RAM缓冲区其地址和屏幕的对应关系如图2-9示

图2-91602字符液晶字库表

31602字符液晶字库

1602液晶模块内部的字符发生存储器，CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如下表所示，这些字符有，阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

第三章系统的硬件设计与实现

3.1电路设计框图

图3-1硬件框图

3.2硬件系统硬件概述

本电路以STC89C52单片机为控制核心，以STC89C52最小系统为基础。

时钟电路由高精度低功耗的DS1302提供，采用三线接口与CPU进行同步通信，输入部分采用四个独立式按键S1、S2、S3、S4。

1602液晶显示部分，D0—D7口与单片机P0口相连。

具体线路连接，详见附录1

3.3温度采集模块设计

如图3-2所示。

采用数字式温度传感器DS18B20，它是数字式温度传感器，具有测量精度高，电路连接简单特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用Ｐ0.7与DS18B20的I/O口连接加一个上拉电阻,Vcc接电源,Vss接地。

①、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。

②、测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

③、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

④、工作电源:

3~5V/DC。

⑤、在使用中不需要任何外围元件。

⑥、测量结果以9~12位数字量方式串行传送。

图3-2DS18B20温度采集模块

3.4键盘输入模块设计

图3-3键盘模块原理图

本系统四个按键占用了四个I/O口，分别接在STC89S52单片机的P2口的P2.4P2.5P2.6P3.4引脚上。

采用独立式键盘接口，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态很容易判断哪个键被按下。

根据多功能数字钟设置键，加一键，减一键，确定键，通过键盘可以随时手动设置日期、时间、闹钟、温度上限和下限数值报警功能.

3.5蜂鸣器模块设计

该系统采用一个普通的发光二极管和一个蜂鸣器组成来实现闹钟、当时间到达设定值，蜂鸣器响，蜂鸣器占用了1个I/O口P2.7，它的动作由P2.7控制，当温度超过设定温度上下限值时，二极管导通，二极管和蜂鸣器发出光声报警。

图3-8声音模块原理图

图3-4蜂鸣器发声电路

3.6DS1302时钟电路模块

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时实钟/日历和字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。

实时时钟/日历电路提供秒分时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。

DS1302与单片机之间能简单地采用同步的方式进行通信，仅需用到三个口线

（1）RST复位

（2）I/O数据线（3）SCLK串行时钟。

时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。

DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。

图3-5DS1302时钟电路

3.7显示模块设计

602是指显示的内容为16*2，能同时显示两行，每行16个字符。

常见的1602字符液晶有两种，一种显示绿色背光黑色字体，另一种显示蓝色背光白色字体，如下图所示。

图3-6显示模块电路

3.8总电路图设计

图3-7总电路图

第四章系统的软件设计

4.1程序流程框图和程序概述

DS1302时钟芯片具有通电自动计时的功能。

向DS1302中写入一个初值，如写入2011-05-0100：

00：

00，星期日，在通电时，时间就会自动走，过60秒分加1，过60分时加1，过24小时天加1，星期日变成星期一，一周有7天，7天一循环，芯片能够自动判断每月有多少天，5月有31天，31天后，月加1。

采用DS1302时钟芯片的单片机时钟，其实质就是读取时钟芯片内的时钟信息并把它显示出来。

只要时间初值正确时钟就能一直精准的走下去。

调整时间日期，实质就是向DS1302时钟芯片重新写入初值。

电子时钟的主程序框图如图4-1所示。

图4-1主程序流程图

图4-2时间调整程序流程图，

图4-3温度闹钟设置报警流程图

图4-4日期设置流程图

4.2延时函数

voiddelay（uintz）

{

uintx,y;

for（x=z;x>0;x--）

for（y=110;y>0;y--）;

}

由for循环构成的延时函数,z的取值为这个函数的延时ms数，如delay（200）;大约延时200ms.delay（500）;大约延时500ms。

因下文多次用到，固在此先作说明。

4.3对DS1302读写操作函数。

在对DS1302时钟芯片操作前，应对其操作时序有所了解，参看前文DS1302介绍。

DS1302采用串行方式与单片机进行通信，一个机器周期只能读写一个字节的一位，因此在单片机与DS1302芯片间传输一字节，8位数据要分8次进行且先从低位开始传输。

4.3.1向DS1302写数据

/***************************写数据字节子函数**************************/

voidwrite_1302_byte（uchartemp）//用来发送8位数据信息

{

uchari;

for（i=0;i<8;i++）//循环8次写入数据

{

sck=0;

sda=temp&0x01;//每次传输低字节

temp>>=1;//右移一位

sck=1;//在SCK上升沿的时候字节写入DS1302

}

/*************************1302写数据子函数**************************/

voidwrite_1302（ucharaddd,uchardat）

{

rst=0;

_nop_（）;

sck=0;

_nop_（）;

rst=1;

_nop_（）;

write_1302_byte（addd）;//发送地址

write_1302_byte（dat）;//发送数据

rst=0;

}

4.3.2从DS1302读数据

/***************************读DS1302数据函数*************************/

ucharread_1302（ucharadd）//输入地址add,返回读取的数据

{

uchari,temp=0x00;

rst=0;

sck=0;

rst=1;

write_1302_byte（add）;

for（i=0;i<8;i++）//循环8次读取

{

if（sda）

temp|=0x80;//每次传输低字节等价于temp=temp|0x80

sck=0;

temp>>=1;//右移一位

sck=1;//sck被置高在其下一次变为0时数据被写入

}

rst=0;//以下为DS1302复位的稳定时间

sck=0;

sck=1;

sda=0

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