基于单片机的数字时钟设计大学论文.docx

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基于单片机的数字时钟设计大学论文

学号1109111029

毕业论文（设计）

课题基于单片机的数字时钟设计

学生姓名

院部电气工程学院

专业班级2011级自动化

（1）班

指导教师

二○一五年四月

插图清单

表格清单

基于单片机的数字时钟设计

摘要

最近几年，单片机在许多地方都得到了广泛的使用。

不管是在在工业生产中或者是生活中，很多产品都是由单片机进行控制的。

其由于体积小，低功耗，高性能，广泛受到人们的喜爱

单片机作为这些设备的核心，再相应的外围设备（液晶显示器，键盘电路，复位电路，报警电路）结合，再使用相关的软件来设计一个数字时钟，数字时钟在我们的日常生活中的应用是非常广泛的，到处都是，可谓是无处不在。

上班要看时间，开会要看时间，工业生产要看时间，所以我们对于时间的把握可谓非常重要。

本次设计的数字时钟要求能够显示实时时钟，能够显示年、月、日、时、分、秒以及实时气温还能够有远程通信的功用。

在这些中硬件部分中最困难的地方就在于元器件的筛选、排版以及线路的焊接上。

关键字：

单片机；数字时钟；定时

DesignofDigitalclockbasedonMCU

Abstract

Inrecentyears,SCMhasbeenappliedinmanyfields.Whetherinindustryorinlife,manyproductsarecontrolledbythemicrocontroller.SCMtoitssmallsize,lowpowerconsumptionandhighperformancewidelylovedbythepeople.

Thispapercombinedwithamicrocontrollercoresomerelatedperipheraldevices（LCD,keypadcircuit,resetcircuit,alarmcircuit）andusetheappropriatesoftwaretoachievethepurposeofmakingadigitalclock,adigitalclockinourdailylivesapplicationisverywide,itcanbeeverywhere.Timetolookforwork,meetingsdependsontime,industrialproductiondependsontime,sowecanbedescribedasaveryimportanttimeforsure.

Thedesignofthedigitalclockrequirestheabilitytodisplayreal-timeclock,candisplayyear,month,day,hour,minute,second,andreal-timetemperaturealsofeaturesremotecommunications.Difficultiesinthehardwarepartisthattheselection,placementandsolderingcomponents.

Keywords:

single-chip-microcontroller.；digitalclock；timing

第一章绪论

1.1数字时钟设计的背景

单片机最早是在1976年由Inter公司开发的MCS-48开始的。

但当时的单片机发展的不太成熟，然后经过二十多年的发展单片机已经具有价格低、性能好、体积小、方便使用等一系列优点。

并且十分广泛的运用在我们的生活生产的各个环节。

很多半导体芯片生产厂家都是从Inter公司得到8051内核的核心技术，这里面有ATMEL公司、PHILIPS公司等。

所以，这些公司所生产出来的单片机的引脚及指令系统可以说都是互通的。

从目前来看我们把这些微控制器可分为基本型，增强型，低功率型，特殊型，LED闪存型和超8位型。

本文论述了数字时钟是单片机作为编程定时系统的核心与外围设备的配置不仅可以满足需求，还可以扩展很多功能，在实践领域有着广泛的应用。

1.2集成电路

本次设计我们要用到集成电路，它是一种微型的电子器件，这里面每一个芯片所集成的元件舒叫集成度，规模小的集成度的限度是1~100，规模中等的集成电路的集成度是100~1000，规模大的集成电路的集成度范围是1000~100000，最后集成度大于1000000为极大规模的集成电路。

集成电路的体积小，引线焊接点少，成本高，性能也可靠，广泛应用于卫星，弹道导弹，移动电话，液晶显示。

所以无论是生活还是生产环节都离开不了集成电路。

1.3课题来源

在生活中，工作中，我们通常会使用定时控制，如在打印过程中，曝光时间等。

早期的控制单位的做法是用模拟电路来设计和生产的，所以复制的准确度和精密度不是很好，但是经过发展，到了现在基本上都是在数字技术的基础上的新一代产品。

伴随单片机性能的越来越好，价格也越来越便宜，新一代的应用就会越来越多，大到可以构成比较复杂的工业过程控制系统，满足复杂的控制功能。

小到可以在家电控制，儿童的玩具中进行应用。

它的体积小，性能好，稳定性高，使用方便，再配上相应的接口芯片就可以构成各种各样的小型电子产品。

最近几年电子技术得到了飞速的发展，家用电器盒电子设备的使用也越来越多，但是每个设备都有自己的控制器，这样就会给我们的使用带来很大的不方便。

就与此，设计一个基于单片机的定时系统就可以改善这种不方便的状况。

我们使用一个控制器来控制多个电器，也可以进行时钟校正和定点报警，还可以任意设定时间。

这种根据人们的实际需要设计的智能产品可以给我们的生活带来很大的方便。

第二章时间计数原理

我们知道数字信号是单片机的接口信号，如果我们要以单片机来得到这些非电信号的一些相关参数，那么就要用到芯片，把时间信号转变为电流的方式也可以转变成电压输出的方式。

但是一旦发现转变之后我们看到的电流或者是电压输出时模拟信号的话，那么我们还要完成下一步，那就是还要采取A/D转换，从而达到单片机的接口需要的条件。

如果是数字信号，那么我们就不用那么麻烦，不需要任何处理就能够送到单片机处理。

2.1时钟计时的方案选择

第一种方案：

相对以前老式的基于单片机的数字时钟的设计选用的是在里面的晶振来产生脉冲，紧接着再经过内部的计时器通过分频来得到秒脉冲，接着再用软件编程实现时钟的显示来说，此方案的特点就在于它的外围器件比较少，电路结构也非常简单和清晰，焊接也会相对来说比较容易一点，所以出现问题的概率就会比较小。

不过这中设计方案也有它自己的缺点，例如该方案要用软件编程来得到秒脉冲，还有就是编程会复杂一点，这样就会对排除故障带来不方便。

此外还有便是由单片机的内部时钟而得到的秒脉冲因为遭到温漂和所在程序实行的时候所产生的副作用，从而会对计时有着一定的影响。

此外，这个方案的另一个要求就是此次设计所用的晶振一定要通过分频来得到秒秒冲。

最后，尚有一个很大的缺陷：

如果发生单片机断电，那么这时的时间计时就会立即停止计时，这样通电后进行新的计时的时候就要重新调整时间，从而使得会非常不方便。

第二种方案：

对在一些老式的基于单片机的数字时钟的设计进行一些修改和增加或删减一些东西，然后再加入12887的时间芯片，这样，电路的控制部分和计时部分就会分离开来，在这其中，所用的12887时间芯片的内部有一个锂电池，这样就会给时钟的操作带来很大的方便，还有就是这样设计方案会更加环保，当要观察的时候例如日间时给主电路供电，当在晚间时将主电路进行断电，从而就会节省很多电能。

综上所述，后一种方案会比较准确并且电路的硬件设计不是很难，软件设计也是比较简单，所以最后我选择了后一种方案。

2.2时钟显示的方案选择

第一种方案:

时钟显示将用多位七段LED数码管。

其中七段LED数码管的显示消耗的能量会比较多，并且位数也是有限制的，当我们需要加一位就会使得程序的设计及硬件设计方面增加许多困难以及消耗时间，就会给电路的扩展带来麻烦，还有就是不能够显示年、月、日、星期，这样就不够直接。

不过这种方案的性价比很高然后就是价格也相对便宜。

第二种方案：

使用点阵式数码管。

八行八列的发光二极管是点阵式数码管的最主要的特色，设计之中字符的显示相对较少，还有就是这种方案损耗的能量比较多，不能够满足现代节能的要求，这样就不能用这种显示。

第三种方案：

使用LCD液晶显示器进行显示。

用LED液晶显示，这样耗能就会比较少，也可以进行年、月、日、星期等的显示，这种方案在显示的方面会比较灵活。

能够在不改变电路的情况下，能够把电路的扩展变得相对容易。

还有，该设计的硬件也相对比较简单。

但是这种方案的不足就是显示的位数少，费用也会较贵。

将上述的三种方案进行比较可以看出来第三种方案比较适合，它的显示很灵活，便于电路的扩展，无论是软件设计和硬件设计相对来说都简单一点。

基于此，我的这次设计将用独立计时以及使用时钟芯片12887的设计方案和选用LCD液晶显。

第三章系统的硬件设计

基于实时时钟所需要的功用，在采用单片机的设计的基础上，我们可以选用集成的时钟芯片，从而完成记录实时数据的要求，并且在同一时刻记录下实现的数据和呈现这类数据的时间。

实时时钟的要求：

（1）基本的要求

a）具有显示年、月、日、星期、时、分、秒等功能；

a）具备年、月、日、星期、时、分、秒校准的功能；

b）具备远程通信的功能

（2）创新的要求

能够对时钟进行及时的掌控，而后还可以利用远程电脑对时间校准和读取，从而达到远程操纵和掌控。

3.1硬件的整体设计

主控芯片使用的是STC89C52单片机，它内置电池使用时钟DS12887作为时钟芯片。

我们为了计时的精准，所以使用DS12887为主要的时钟芯片。

整个体系是由主控制器STC89C52、时钟芯片DS1302、键扫描电路、LCD液晶显示电路以及通信系统模块电路构成的。

设计框图如图3-1所示。

图3-1系统硬件设计框图

3.2主控制模块的方案选择和设计

我们要使系统的设计得到成功，就要既能够选用数字电路同时也要能够选取单片机来实现。

如果采用前者，那么它的电路设计就会比较麻烦，它的功用也必须要依靠数字电路的各个模块来得以实现。

如果采用后者，因为它是通过软件编程来实现其主要功能的，所以这种设计就会必然降低其电路的复杂程度。

再有就是这样的毕业设计所用到的软件程序会比较容易，所以就能够不必用到功能强的单片机，只需相对功能比较少的单片机就行。

所以我选择了STC89C52单片机。

3.2.1单片机STC89C52简介

我采用的STC89C52单片机是电压比较低以及具有功能较高的CMOS8位单片机，和那些标准的MCS-51指令系统和8052的引脚都是能够互通的。

STC89C52单片机具有40引脚双列直插芯片，I/O口也有四个，而且，这里的每一个I/O线都能够自己单独的输入及输出。

其中STC89C52PDIP管脚封装如图3-2所示。

图3-2STC89C52PDIP管脚封装

STC89C52有以下几个部分，它的结构图如图3-3

（a）8位的微型处理器CPU

（b）内部的时钟电路

（c）4个8位的可编程的I/O口，即可输出也可以输入

（d）中断控制系统

（e）片内程序存储器ROM

（f）片内数据存储器以及特殊功能寄存器SFR

（g）定时器和计数器T0、T1

（h）1个串行端口，可以用在数据的串行通信

图3-3STC89C52结构图

3.2.2主控制模块电路

单片机STC89C52的P0口是输入端口。

时间数据的收集是由DS12887的AD是与P0口的连接来完成的，然后13引脚的CS（DS12887）与P2.7连接，最后14脚AS（DS12887）和30引脚ALE相连。

虽然我们的外部电容器不是很严格，但稳定的振荡器，高和低的频率温度稳定性和振荡的快慢都将受到电容的大小的影响。

因此，振荡器的价值体系是11.0592MHz以及电容如果可能的话，尽量选择陶瓷电容器，值约22μF。

接地端是20脚，电源端是40引脚再加上+5V电压接在31脚上就会构成单片机的最小系统，如图3-4。

图3-4单片机的最小系统结构图

3.3时钟模块的方案选择与设计

第一种方案：

有家公司生产的串行时钟DS1302芯片便是一种性能较高而且还可以自动的进行计数的芯片，电压工作时的限度是2.5V~5.5V，当电压为2.5V时的耗电小于300nA，不妨与单片机连接，如此就克服了并行实时芯片形成电路很麻烦的问题，然而这个芯片无内置电池，这样就会导致当电路突然断电的时候就要停止计时，供电恢复后又要重新进行校正时间，这样就会给我们带来不便。

第二种方案:

串行时钟芯片DS12887具有很高的性能，可以自动定时芯片，有一个内置的电池，因此不需要关闭电源后重新校准，所以我最终选择了此芯片。

3.3.1DS12887时钟芯片简介

DS12887是由DALLAS公司研发出来的一款芯片，首先它是一个时钟芯片，并且有24个引脚。

这款芯片自己内部自带电池还有内部集成芯片。

它既能够选用MTOROLA总线模式也可以选用INTEL总线模式。

采用的是地址总线，模式为复用，它的內键含有128个字节的RAM，这其中的128个字节的前14字节是时钟控制寄存器，剩下的就全部是通用的RAM。

这个芯片能产生3种可编程的中断；中断一，时间中断；中断二，周期性中断；中断三，时间更新结束中断。

该芯片有24个引脚如图3-5。

图3-524个引脚图

（1）MOT为总线类型选择管脚

（2）ADO-AD7为数据复用总线

（3）CS为片选信号

（4）AS为ALE信号管脚

（5）R/W在INTEL总线模式下是WR

（6）DS在INTEL总线模式下是RD

（7）RESET为复位信号

（8）IRQ为中断请求输出

（9）SQW为方波输出引脚

（10）VCC为电源引脚。

（11）NC为空引脚

DS12887芯片地址分布图如图3-7所示，包含114字节的通用RAM，日历和RAM和4字节的控制报警信息，其中10个字节记录时间，所有的字节可以直接读写除非以下状态。

1，寄存器A的第七位为只读2，秒字节的高位为只3，寄存器C、D为只读。

寄存器A的功能描述

（a）UIP：

更新进行标志。

（b）DV2-DV0：

为010时晶振工作，其他组合停止。

（c）RS3-RS0：

频率选择。

寄存器B的功能描述

（1）SET：

1为禁止更新。

0为正常。

（2）PIE：

1为允许周期中断。

（3）UIE：

1为允许更新结束中断。

（4）DM：

当为0时是BCD码，当为1时是二进制

（5）SQWE：

1为允许方波输出

（6）24/12：

当是0的时候为12小时进制，当是1的时候为24小时进制。

（7）DSE：

置0

寄存器C的功能描述

（1）IRQF：

为中断申请标志。

（2）PF：

为周期中断标志。

（3）AF：

为警报中断标志。

（4）UF：

为更新结束中断标志。

寄存器D

VRT：

当为0的时候表示的是内部锂电池的电量已经用完了。

3.3.2时钟模块电路

AD接口和芯片DS12887和P0端口连接，以日历时间和输出，同时它的其他功能如端口按前面我所说的，所以不会有重复。

不过要说明的是DS12887的24引脚是应该和电源相连接的，另一个12引脚和电源地连接，端口MOT与电源地连接。

电路图如图3-8。

图3-6时钟模块电路

3.4按键电路的设计

由于此次所设计的系统的需要，此系统只需要4个按键以及1个拨码开关就能够实现对时间的矫正，再由于电动式按钮比较简单，所以按键可以用它，然后再由I/O口来开始对它扫描，从而来得到该系统的按键功能。

在这里，单片机STC89C52的P3.5口是和时间调整按钮相连接的。

它们的作用是我们按下按钮时，立即为年，月，日，星期，小时，分钟，秒调整，当我们点击按钮会对对应位置的作出调整；单片机的STC89C52的P2.5接口是和加法按钮相连接的，它的作用就是每当我们按一下这键时就开始将相应的需要改变的位自动加一；单片机STC89C52的P2.6口是和减法按钮相连接的，它的作用就是每当我们按下这键时就会将需要改变的位减一；电路图如图3-9。

图3-7按键电路

3.5显示模块的方案设计

这个方案我用的是LCD液晶显示，这就表示此次这个设计就不太要显示过多的内容，所以就可以选择12232F图形点阵液晶显示器。

3.5.1图形点阵液晶显示器

数字电路中的数据是通过0和1来保存的。

在显示的英文的操作过程中，英语的字母的种类就会比较少，所以只需要8位的字节就行了。

如果要显示中文，就要常常压迫至少6000，这样比我们先前的设计者们就想出了一个解决办法，就是用ASCII表的128个用到的比较少的数值中以两个位一组来表示汉子也就是它的内码。

剩下的就给那些英文字符。

汉字的内码得到之后又怎么样才能得以显示呢？

这样就会牵扯到字模，尽管字模的本身是数字，但是根本概念却发生了本质的变化，因为这时的它记录的英文或者是汉子的形状要用到数字的各位信息。

12864LCD的引脚说明如表3-2所示。

表3-1液晶模块12864的管脚说明

管脚号

管脚名称

LEVER

管脚功能描述

1

VSS

0

电源地

2

VDD

+5.0V

电源电压

3

V0

-

液晶显示器驱动电压

4

D/I（RS）

H/L

D/I=“H”，表示DB7∽DB0为显示数据

D/I=“L”，表示DB7∽DB0为显示指令数据

5

R/W

H/L

R/W=“H”，E=“H”数据被读到DB7∽DB0

R/W=“L”，E=“H→L”数据被写到IR或DR

6

E

H/L

R/W=“L”，E信号下降沿锁存DB7∽DB0

R/W=“H”，E=“H”DDRAM数据读到DB7∽DB0

7

DB0

H/L

数据线

8

DB1

H/L

数据线

9

DB2

H/L

数据线

10

DB3

H/L

数据线

11

DB4

H/L

数据线

12

DB5

H/L

数据线

13

DB6

H/L

数据线

14

DB7

H/L

数据线

15

CS1

H/L

H:

选择芯片（右半屏）信号

16

CS2

H/L

H:

选择芯片（左半屏）信号

17

RET

H/L

复位信号,低电平复位

18

VOUT

-10V

LCD驱动负电压

19

LED+

-

LED背光板电源

20

LED-

-

LED背光板电源

我们必须首先了解12864LCD的功能后才能够进行编程。

它的各部分器件及功能如下：

（1）指令寄存器（IR）

IR是用于寄存指令码，若是D/I=0的时候，而且是E信号又处于下降沿的功能，此时指令代码就会写入IR。

（2）数据寄存器（DR）

DR是用于寄存数据的，如果D/R=1而且处于下降沿的作用的时候，这时候图形显示数据就会写入DR。

（3）忙标志（BF）

标志BF的用处是提供内部工作的情况的，当BF=1，这时候表达的意思示是模块在内部的操作，这个时候就不会接收外部的指令以及数据。

如果BF=0的时候，就可以任何时候都能够接受外部的指令以及数据。

（4）显示控制触发器DFF

这个触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制上的，DFF=1的时候表示的是开显示，DFF=0的时候表示的是关显示。

（5）XY地址计数器

XY地址计数器是DDRAM的地址指针。

（6）显示数据RAM（DDRAM）

DDRAM负责保存图形和显示数据的，当数据是1的时候表达的意思是选择，

当数据是0的时候表示的是非选择。

（7）Z地址计数器

它是一个6位的计数器，功能主要用在显示的是行扫描同步。

如果扫描完一行时，这个计数器就会主动的加1并且再指向下一行的扫描数据。

当RST复位之后，0才会被显示出来。

这样就表示显示屏幕的起始行就是有这个指令进行控制的。

（8）字符显示

FYD12864-0402B每一个屏都可以显示4行8列的汉字，1个中文字符或还可以是2个16×8点阵全高ASCII码字符，FYD12864-0402B的里面可以供给128×2字节的字符来显示RAM缓冲区（DDRAM）。

为了实现字符的显示，要将字符显示编码写入该字符来显示RAM。

字符显示的RAM是和32个字符显示区域有着相互对应的关系的。

对应关系表如表3-3。

表3-2字符显示RAM在液晶模块中的地址表

80H

81H

82H

83H

84H

85H

86H

87H

90H

91H

92H

93H

94H

95H

96H

97H

88H

89H

8AH

8BH

8CH

8DH

8EH

8FH

98H

99H

9AH

9BH

9CH

9DH

9EH

9FH

3.5.2显示模块电路

显示模块电路如图3-10，电源地接液晶模块的1管脚、15管脚和19管脚。

然后，2管脚用于接电源从而给液晶显示器提供电源，3管脚也是和电源连接供给液晶显示器的显示驱动电压。

单片机的P1.3口和4管脚相连接从而实现接收数据和指令，单片机的P1.4口和6管脚相连接用在提供锁存信号上面。

图3-8显示模块

3.6通信模块电路方案选择设

通信模块电路的方案选择：

RS-232、RS-422和RS-485是串行数据的接口标准。

此中RS-232是在1962年时公布并命名EIA-232-E为工业标准从而能够与各个厂家生产的产品通用。

不过，RS-232也有它的弊端，比如说它的通讯不太好，此外速率也比较低。

RS-485在此基础上改进了通信的功能，也就是可以将很多发送器连接在一条总线的上面，另外还增强了保护能力以及发送器的驱动功能，从而就会扩大总线的共模的范围，传输速度最大时是10Mb/s以及最大的传输距离大约为1219米。

经过各个方面的考虑，最后还是选用RS-485的通信方案。

3.6.1通信电路设计

通信模块电路选用RS-485，这类芯片的1脚是和单片机的10脚连接，如此就很好的可以和软件相配合从而达到远程通信的功能。

电路图如图3-11。

图3-9通信电路

第四章系统软件设计

系统的主要组成成分是软件，同时也是最重要的构成部分和所有调试的困难点和核心点。

这次的设计我选用的是汇编语言，因为它和机器语言比较相近，不需要任何变动就能够存取寄存器和I/O，并且执行编写的代码也很准确。

所以，我根据此次的要求，选择了汇编语言。

4.1汇编语言的选择

可以说的是，它和机械语言的本质是相同的，相同点是都是能够对硬件进行直接操作，不同的地方就在于汇编用的标识符是英文缩写的，这样就会更加容易记住。

一般来说，指令，伪指令和宏指令是汇编程序的三个主要组成部分。

在操作的时候，它的每一句指令只对应的动作都是很小的。

然而汇编语言也有它自己的优点，便是汇编语言可以完成一些高级语言所不能够进行的操作，执行文件的大小比较小而且速度也很快。

那么就来举几个例