多功能数字时钟 四院三队 李博.docx
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多功能数字时钟四院三队李博
多功能数字时钟
设计者：
李博
院别：
四院三队
系统方案
摘要：
本系统的设计电路由实时时钟模块、环境温度检测模块、电压检测模块、人机接口模块等部分组成。
其中实时时钟采用由11.0592M晶振控制单片机STC12C5A60S2内部中断实现，可实现年、月、日、时、分、秒等时间信息的采集和调整功能；温度检测模块由DS18B20集成温度传感器对现场环境温度进行实时检测；电压检测模块由单片机STC12C5A60S2上在P1口集成的AD功能检测等实现对电压的测量；人机接口模块由4*4薄膜键盘和1602液晶组成，可实现题目要求的时间显示、时间调整、环境温度测量、电压显示等功能；外接5V开关稳压电源则是采用MC34063芯片，该芯片既有稳压功能，还能放大电流，作为单片机的驱动。
总体方案比较与论证
方案一：
采用CPLD作为主控制器控制外围电路进行电压、频率测量、时钟控制、温度测量、键盘和LED控制。
此方案逻辑电路复杂，且灵活性较低、不利于各种功能的扩展。
方案二：
采用单片机来实现系统的控制。
键盘采用4*4矩阵薄膜键盘控制，手感良好，反应迅速；时钟采用外部晶振提供的11.0592M控制单片机内部中断和计数器，总体构成数字时钟；温度传感器采用DS18B20；电压信号可通过集成在STC12C5A60S2单片机P1口上的AD直接测得；电源由一个220~12V工频变压器、BPK310整流桥、以及后续由MC34063和外围电路构成的降压电路构成。
此系统硬件简洁，将复杂的硬件功能用软件实现，因此系统控制灵活，能基本满足本题的基本要求和扩展要求。
此方案基本原理框图如图1所示。
故采用方案2。
模块电路设计与比较
1．时钟方案选择
方案一：
因为题目中要求不高，因此可以用门电路组合构成时钟发生器，但此方案硬件复杂，稳定性低，且不易控制。
方案二：
因题目并未要求时钟为高精度，且时钟芯片外接电路复杂，故时钟采用外部晶振提供的11.0592M控制单片机内部中断和计数器，总体构成精度基本满意的数字时钟；
故采用方案2。
2．温度检测方案选择
方案一：
采用热电偶或热敏电阻作感温元件，但热电偶需冷端补偿，电路设计复杂，热敏电阻虽然精度较高，但需要标准稳定电阻匹配才能使用，而且重复性、可靠性都比较差。
方案二：
采用集成温度传感器DS18B20结构简单，不需外接电路，数据传输采用one—wire总线，可用一根I／0数据线既供电又传输数据，在-10～+100摄氏度范围内精度为±0．5摄氏度，能满足题目的要求，且分辨率较高，重复性和可靠性好。
故采用方案2。
3．电压测量方案选择
方案一：
采用0809外接AD转换芯片，精确度高，但是硬件电路搭接复杂，且芯片28脚稳定性能不好。
方案二：
采用STC12C5A60S2单片机集成在P1口上的8路10位高速AD转换器，既节约空间时间，电路简洁明了，又能达到题目要求的0~5V电压。
故采用方案2。
6．显示模块的选择
方案一：
采用数码管显示。
数码管亮度高、体积小、重量轻，但其显示信息简单、有限，在本题目中应用受到很大的限制。
方案二：
采用液晶显示。
液晶显示功耗低、轻便防震。
由于本题显示信息比较复杂，采用液晶显示界面友好清晰，操作方便，显示信息丰富。
7．其他设计的考虑
（1）考虑到最终成品只做出P10的1路电压检测，且题目要求能同时显示的数据越多越好，所以把题目所要求的所有数据都在1602的2行屏幕上显示出来（包括时间、星期、日历、温度、电压）。
理论分析和计算
（1）单片机最小系统组成：
单片机系统是整个硬件系统的核心，它既协调整机工作，又是数据处理器，还是软硬件系统连接的桥梁。
它包括：
单片机STC12C5A60S2，11.0592M晶振，上拉电阻，DS18B20温度模块，并行液晶驱动1602，4*4矩阵键盘，复位电路。
（2）时钟原理：
11.0592M的晶振可以近似看做12M，所以1个机器周期=12个时钟周期=12*（1/12）=1us。
当CPU设置为开启定时功能后，定时器便在晶振的作用下自动开始计时。
考虑时钟的精度，所以TMOD设置为0x20，即采用定时器1的方式2：
8位初值自动重装的8位定时器/计数器。
初值为TH1=56,TL1=56,所以中断一次所需要的时间为256-56=200个机器周期=200us,时钟走1S的所需要1s/200us=5000次中断，换算成11.0592M加上一些系统误差大约是4500次左右。
因此程序中取num==4506，秒++。
（3）测温模块原理：
测温模块采用了DS18B20芯片：
DS18B20引脚定义：
（1）DQ为数字信号输入/输出端；
（2）GND为电源地；
（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
因只采用一个DS18B20，复位成功后，写入跳过ROM，温度转换，读暂存器等命令。
最后得到两个八位的值，取高八位的后四位和低八位的前四位，组成的八位数值即为所要测得温度值的整数部分，低八位的后四位为16进制的小数部分*0.625即得所要测得温度的小数部分。
测试完毕。
（4）电压测试原理：
利用P1口集成的高速8路AD转换实现。
因为上拉电阻的存在，所以需要在电压采集程序的开头赋给P10口低电平，然后调节电位器，使P10口电压变为0.00，作为基准电压。
具体方法为：
先将P1ASF特殊功能寄存器设置为0x01:
即P10口作为模拟AD输入口，再将ADC_CONTR（ADC转换控制寄存器）设置为0x88：
即为允许转换和开始转换；然后检测ADC_CONTR是否变为0x90：
转换完成；如果是，取ADC_RES的全八位和ADC_RESL的低两位，然后舍去ADC_RES里面的高2位，剩下部分与ADC_RESL组成新的八位结果。
根据公式结果Y=1024*VIN/VCC。
VCC是单片实际工作电压，此处为5V，即可求得VIN：
输入电压值。
测试完毕。
（5）稳压电源电路原理：
题目要求做一个从220V~5V的AC-DC开关稳压电源，选用MC34063芯片作为主控芯片。
起始位置为220V~12V的工频变压器，再经过整流桥的整流，输出大概14V的直流电，然后通过3个滤波电容，1个瓷片电容，1个5819，1个电感，MC34063芯片，2个调节输出电压的电阻等构成的特定电路，最终输出1.25*（1+3/1）=5V的DC电压。
因为芯片里面带有放大效应的三极管以及稳压模块，最终得到的电源能够带动外围设备，并成功稳压。
电路及程序设计
单片机核心及其引脚：
：
并行液晶模块：
键盘模块：
4*4：
晶振和复位电路：
温度模块：
ADC模拟：
电源电路：
软件部分
注：
源程序贴于附录部分。
现对软件部分做出一些诠释：
系统软件部分为实现系统功能，系统软件共设五个运行状态（S1-S5）和一个中断处理程序。
各部分功能描述如下：
S1为时钟运行状态，即时钟自动秒时分乃至年月日的累加；
S2为键盘扫描状态，即先检测行列电平再消抖，最后扫描得到一定的键值然后执行相关功能：
包括按2键初始化光标，调整时间有效；按3键光标消失，调整时间无效；按5键光标右移一位（光标只出现在可调节位）；按8键，光标所在位组（2位为一位组）数值+1：
即光标在表示分（时、日、月）的位组时，分（时、日、月）+1，在秒位组时秒清零处理，在年的高2位和低2位时同时、分一样处理，且为了防止溢出具有自动循环功能；按9键同理8键，做减1运算。
S3为自动定位光标状态，每隔一定的中断数自动定位到当前光标一次，可以有效消除写数据带来的光标冲突。
S4为实时温度检测状态，利用软件读取DS18B20寄存器中的数值进行转化，然后显示在1602上第二行前4位。
S5为P10口电压检测状态，利用P10口上集成的高速AD转换器测试外接的输入电压Vin，显示在1602的第一行前4位。
S1-S5五种状态全由中断计数器控制刷新频率，能够满足题目的要求。
测试方法与测试结果
（1）时钟测试：
在带有单片机STC12C5A60S2的小系统上，使其在液晶上显示出时分秒年月日和星期，并可以通过键盘控制设定时间。
利用仿真机调试成功后通过编程器将程序写入芯片中调试。
最终测试结果与Casio的电波表（该表采用原子钟的电波，误差可忽略）相比，结果满足时钟基本精度。
时钟测试数据：
（2）温度测试：
利用仿真机通过程序读出温度传感器DS18B20中的温度数据，并且进行了定标，送到液晶显示，并与室内温度计测得的数值相比较，看是否在误差允许范围内。
在实际测量中，我们发现DS18B20在低温和高温时变化比较缓慢，误差相对较大一些，在室温时测量比较正常。
温度测试数据：
（3）电压测试：
调节稳压电源电位器，使电源输出0～5V的电压作为直流信号，先用数字万用表测量电压值，再用设计的电路测量此信号，然后求出误差，反复调整改进到在误差允许的范围内。
电压测试数据：
总结
本系统以STC12C5A60S2为核心部件，利用软件编程，通过键盘控制和液晶显示实现了时钟功能，并完成了对环境温度和电压值的测量显示，能实现题目的基本要求和部分选作部分。
尽量做到硬件电路简单稳定、减小电磁干扰和其他环境干扰，充分发挥软件编程的优点，减小因元器件精度不够引起的误差。
由于时间有限和本身知识水平的限制，我认为本系统还有需要改进和提高的地方，例如选用更高精度的元器件，硬件电路更加精确稳定，软件测量算法进一步地改进与完善等。
参考文献：
（1）谭浩强.C语言设计.北京：
清华大学出版社，1991
（2）宏晶科技STCMicrocontrollerHandbook,2007
（3）郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社,2009
（4）周坚.单片机C语言轻松入门.
北京航空航天大学出版社，2006
（5）江志红.51单片机技术应用与应用系统开发案例精选.
清华大学出版社，2008
附录：
源程序：
/*******************************
软件版本：
KeiluV3
CPU:
STC12C5A60S2
时钟：
11.0592M
队别：
四院三队
设计者：
李博
开发时间：
2010/10/1
最后修改时间:
2010/10/14
*******************************/
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
ucharcodedat[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};
ucharcodeLCDCode[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','*','#'};
ucharcodetable[]={'1','2','3','4','5','6','7'};
sfrKey_Port=0x80;
sfrP4SW=0xbb;
sfrP1ASF=0x9d;
sfrADC_CONTR=0xbc;
sfrADC_RES=0xbd;
sfrADC_RESL=0xbe;
sfrAUXR1=0xa2;
sfrP1M1=0x91;
sfrP1M0=0x92;
sbitX=P1^0;
sbitP44=0xc4;
sbitlcdrs=P0^7;
sbitQA=P3^3;
uintnum=0;
intshi=8,fen=0,miao=0,nian=2010,yue=10,ri=17;
charxinqi=6;
charlow2,high2;
uintguangbiao=0;
bitcursor=0;
intm;
bitKeyon=0;
bitFirst_Getkey=0;
bitGetkey=0;
ucharKey_Num=0xff;
ucharKey_NumValid=0xff;
voidInitial（）;
voidRead_Key（）;
voidInitialT0（）;
voidwrite_com（uchar）;
voidwrite_data（uchar）;
voidinit（）;
voiddelay（uint）;
voiddelayus（longint）;
voidDelay_100ns（）;
voidwrite_clock（uint,uint）;
voidwrite_clock2（uint,uint）;
voidhand（）;
voidouto（ucharcom1）;
ucharinter（void）;
voidADC_Collection（）;
voidInitial（）
{
TMOD=0x20;
TH1=0xFF-200;
TL1=0xFF-200;
EA=1;
ET1=1;
TR1=1;
}
voidinit（）
{
P44=0;
write_com（0x38）;
write_com（0x0c）;
write_com（0x06）;
write_com（0x01）;
write_com（0x80+9）;write_data（'-'）;
write_com（0x80+12）;write_data（'-'）;
write_com（0x80+0x40+7）;write_data（'-'）;
write_com（0x80+0x40+10）;write_data（'-'）;
write_clock（11,miao）;
write_clock（8,fen）;
write_clock（5,shi）;
write_clock2（13,ri）;
write_clock2（10,yue）;
write_clock2（5,high2）;
write_clock2（7,low2）;
}
voidwrite_clock（uintlocation,uinttime）
{
ucharshi,ge;
shi=time/10;
ge=time%10;
write_com（0x80+0x40+location）;
write_data（LCDCode[shi]）;
write_data（LCDCode[ge]）;
}
voidwrite_clock2（uintlocation,uintcalendar）
{
ucharshi,ge;
shi=calendar/10;
ge=calendar%10;
write_com（0x80+location）;
write_data（LCDCode[shi]）;
write_data（LCDCode[ge]）;
}
voiddelay（uintx）
{
inti,j;
for（i=x;i>0;i--）
for（j=110;j>0;j--）;
}
voiddelayus（longintz）
{
while（z--）;
}
voidDelay_100ns（）
{
uchari;
for（i=0;i<100;i++）;
}
voidhand（）
{intn=1;
while（n）
{
QA=1;
delayus（8）;
QA=0;
delayus（80）;
QA=1;
delayus（10）;
n=QA;
delayus（10）;
}
}
voidouto（ucharcom1）
{
uchari;
for（i=0;i<8;i++）
{
QA=1;
QA=0;
QA=com1&0x01;
delayus（5）;
QA=1;
com1>>=1;
}
}
ucharinter（void）
{ucharda=0;
uinti;
for（i=0;i<8;i++）
{
QA=0;
da>>=1;
QA=1;
if（QA）
da|=0x80;
delayus（5）;
}
return（da）;
}
voidADC_Collection（）
{
floatvin;
ucharPd;
uintx,y;
uinta,b;
P1ASF=0x01;
ADC_CONTR=0x88;
Delay_100ns（）;
Pd=ADC_CONTR;
if（Pd==0x90）
{
X=0;
delay（50）;
ADC_CONTR=0x88;
a=ADC_RES;
b=ADC_RESL;
a<<=2;
a=（a|b）;
vin=（a*5.0/1024）;
x=vin;
y=（（vin-x）*100）;
write_com（0x80）;
write_data（LCDCode[x]）;
write_data（0x2e）;
write_data（LCDCode[y/10]）;
write_data（LCDCode[y%10]）;
write_com（0x80+5+guangbiao）;
}
}
voidwrite_com（ucharcom）
{
lcdrs=0;
P2=com;
delay（10）;
P44=1;
delay（10）;
P44=0;
}
voidwrite_data（uchardate）
{
lcdrs=1;
P2=date;
delay（10）;
P44=1;
delay（10）;
P44=0;
}
voidTimer1_Int（）interrupt3
{
num++;
}
voidRead_Key（）
{
ucharKey_Sbuf=0;
Key_Port=0x0f;
Key_Sbuf=Key_Port;
if（Key_Sbuf!
=0x0f）
{
if（First_Getkey==0）
{
First_Getkey=1;
}
else
{
if（Keyon==0）
{
Key_Port=0x7f;
Key_Sbuf=Key_Port;
if（Key_Sbuf!
=0x7f）
{
switch（Key_Sbuf）
{
case0x77:
Key_Num=0x01;
break;
case0x7b:
Key_Num=0x02;
break;
case0x7d:
Key_Num=0x03;
break;
}
}
else
{
Key_Port=0xbf;
Key_Sbuf=Key_Port;
if（Key_Sbuf!
=0xbf）
{
switch（Key_Sbuf）
{
case0xb7:
Key_Num=0x04;
break;
case0xbb:
Key_Num=0x05;
break;
case0xbd:
Key_Num=0x06;
break;
}
}
else
{
Key_Port=0xdf;
Key_Sbuf=Key_Port;
if（Key_Sbuf!
=0xdf）
{
switch（Key_Sbuf）
{
case0xd7:
Key_Num=0x07;
break;
case0xdb:
Key_Num=0x08;
break;
case0xdd:
Key_Num=0x09;
break;
}
}
else
{
Key_Port=0xef;
Key_Sbuf=Key_Port;
if（Key_Sbuf!
=0xef）
{
switch（Key_Sbuf）
{
case0xe7:
Key_Num=0x0E;
break;
case0xeb:
Key_Num=0x00;
break;
case0xed:
Key_Num=0x0F;
break;
}
}
}
}
}
Keyon=1;
}
}
}
else
{
Key_Num=0xff;
First_Getkey=0;
Keyon=0;
}
}
voidmain（）
{
P4SW=0xff;
low2=nian%100;
high2=nian/100;
init（）;
Initial（）;
write_com（0x80+0x40+15）;
write_data（table[xinqi]）;
while
（1）
{
if（num%350==0）
{
Read_Key（）;
if（Key_NumValid!
=Key_Num）
{
if（Key_NumValid!
=0xff）
{
switch（Key_NumValid）
{
case0x02:
write_com（0x80+5+guangbiao）;write_com（0x0f）;cursor=1;break;
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