多功能定时闹钟毕业设计说明书.docx
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多功能定时闹钟毕业设计说明书
摘要
随着现代生活的节奏的日益加快，人们对于时间的安排掌握越来越重视。
本设计是多功能定时闹钟的设计，基于单片机来完成。
单片机自被开发以来以其体积小、重量轻、价格低廉等高性价比特性受到广大消费者的青睐。
这次设计以STC89C52芯片为核心，辅以必要的电路，用1602LCD显示年月日时分秒，作为显示装置，通过DS1302时钟芯片进行时间的控制，DS18B20对外界温度进行实时的监测。
单片机多功能定是闹钟无论是在外观还是性能上都能让人眼前为之一亮，发生的质的变化，并且经过实践证明由单片机为核心的时钟无论是成本还是性能都相比传统始终更具有优势。
本设计包含温度模块、显示模块、时钟模块、闹铃模块、按键电路以及电源模块。
分别对几大模块编写、调试、修改、完善乃至本设计的关键重点。
关键词：
单片机DS1302时钟
Abstract
Withthepaceofmodernlifeisaccelerating,arrangeatimeforpeopletograspmoreandmoreattention.Thisdesignisversatiletimingalarmdesignedbasedmicrocontrollertocomplete.SCMhasbeendevelopedsinceitssmallsize,lightweight,lowcost,highcostcharacteristicsbythemajorityofconsumers.ThedesignwithSTC89C52chipasthecore,supplementedbythenecessarycircuitfor1602LCDdatedisplayminutesandseconds,asadisplaydevice,DS1302clockchipbycontrollingthetime,DS18B20forreal-timemonitoring
oftheoutsidetemperature.
SCMversatilesetthealarmclockeitherinappearanceorperformancecanmakeoneofthebrighteyes,theoccurrenceofaqualitativechange,andprovenbythemicrocontrollercoreclockeithercostorperformancearealwayscomparedtomoretraditionaladvantage.Thedesignincludesatemperaturemodule,displaymodule,clockmodule,alarmmodule,keycircuitandpowermodules.Respectively,severalmodulestowrite,debug,modify,improveandevenkeyfocusofthisdesign.
KeyWords:
SCMDS1302CLOCK
第1章绪论
1.1课题来源和研究意义
在生活节奏飞快的现代社会，时钟是不能缺少的东西，在我们的日常工作、学习、生活中，对于时间的安排、掌握显得越来越重要。
生活中的每一件事有了准确的时间安排才能使繁琐的事情得到合理的安排，使之变得仅仅有条。
传统的时钟，钟表虽然也可以告知人们时间，但那还远远不够。
由于功能的缺少或者受到机械结构、动力和体积的限制，从而在功能、性能以及造价上都没法与电子时钟相比。
智能化的电子时钟大大扩展了其原有功能，为人们带来莫大的方便和更多的信息。
在我们设计同时，增强了我们自我学习能力，拓展我们的视野并且对单片机编程、调试的能力的培养，获益匪浅。
1.2课题研究现状
随着人们对生活质量要求的提高，功能较为单一的传统闹钟已不能满足人们的需求。
电子技术获得了飞速发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，闹钟的升级也随着技术的进步而升级，利用电子技术设计的多功能闹钟，在功能上得到了极大的扩展。
多功能数字时钟是一种以数字电路为基础，综合了模拟电路和电路基础知识设计出的一种时间数字显示装置。
他具有结构简单、设计方便、稳定性强等优点，闹钟的数字化以及多功能化给人们生活带来了极大的便利而且因在其传统的功能上扩展了许多其他的实用功能已经广泛应用于各种场合，诸如定时起床、定时广播，定时启闭电路、定时报警、温度检测设置各种定时电气的自动启动等等。
多功能闹钟已然成为人们日常生活中的必需品，给人们学习、生活、工作等带来极大的便利。
1.3课题研究内容
首先对硬件设计部分进行元器件的选型，分别是关于温度芯片、时钟芯片、显示器的选择，然后进行连接成硬件原理图。
之后进行各模块所对应功能进行程序的编写，待程序编写完成则用Proteus进行仿真调试。
待仿真部分完成，则可就进行最后的实物的焊接。
具体步骤如下：
1、了解定时闹钟的主要功能
2、确定多功能定时闹钟系统的设计方案
3、熟悉时钟芯片、温度传感器的使用方法
4、完成多功能定时闹钟系统的硬件设计
5、完成多功能定时闹钟系统的软件设计
6、完成系统仿真调试
1.4设计系统主要功能
1、实现定时时间、24小时时钟及年月日的LCD显示
2、到点闹铃
3、系统运行时可重新设定闹钟和时钟时间
4、时钟设定和闹钟设定由按键控制
5、可显示即时外界温度
1.5本章小结
本章为我们讲述课题的来源及研究意义，基于此意义来确定我们研究对象及内容。
第2章方案设计
此次课题设计将采用单片机及外围接口电路为核心硬件，加上其他外围硬件电路，用程序加以实现。
根据单片机的指令设计出数字钟相应的软件，再利用软件执行一定的程序来实现数字钟的功能。
总体系统框图如下图2-1所示：
电源
单片机
芯片
显示模块
温度检测模块
时钟模块
按键电路
闹钟模块
2-1系统总框图
此框图总共包含了温度检测模块用来实现温度的检测、按键电路模块实现按键控制、显示模块供人更直接方便了解实时信息、时钟模块实现始终计数、闹钟模块顾名思义实现闹铃功能以及电源，综上所有模块功能便能实现设计要求。
2.1核心控制方案
核心控制的方式有很多中，在此我们普通情况下采用数字电路来实现或者将采用单片机控制来实现。
对此，我们将比较两种方案的优劣性从而进行最优的方案选择。
方案一：
采用以数字电路实现的时钟系统
方案二：
采用单片机控制
比较论证：
闹钟中的时钟系统可采用数字电路来实现，随着科技技术的发展现状也可以采用单片机控制来实现。
假如采用传统的数字电路来设计，设计必要繁琐，而且其设计电路相当复杂，首先需要十片以上的数字集成块，其实现的功能大部分也依赖于数字电路的各个功能模块的组合来完成。
其次，数字电路的焊接的由于设计电路的复杂而变得相当繁琐，成本高、性价比也低。
假若采用单片机来实现设计制作完成，本身实现这种功能主要是通过软件编程仿真来达到，所以也就降低了硬件电路及其焊接的复杂和法索，而且其成本低，性价比高。
所以在该设计与制作中采用STC89C52单片机，它是一种可编程可擦除只读存储器的单片机，能在+5V的条件下稳定的工作，其能耗低、体积小、抗干扰能力强、集成度高、价格便宜。
STC89C52是一种高效微控制器将多功能8位CPU和闪烁存储器集成在单个芯片内。
是低功耗、高性能的CMOS型8位单片机，内带有8KB的Flash程序存储器，且允许在系统内改写或用编程器编程。
另外，STC89C52的指令系统和引脚完全兼容，片内有256B的RAM、32条I／O口线、2个16位定时计数器、5个中断源、一个全双工串行口等，具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏，由此可见使用单片机作为数字时钟的核心器件将更加具有快捷、高效的性能。
方案选定：
采用方案二STC89C52作为控制核心。
2.2时钟模块方案
对于时钟计数的实现，我们将对比单片机自身实现以及采用时钟芯片实现的方案。
方案一：
采用单片内部自带定时器编程
方案二：
采用时钟芯片实现
在单片机系统的应用过程中，经常需要一个时钟电路定时、测控之用，实现时钟计数的方法有很多种，最简单的就是利用单片机中内部的集成的定时器，通过软件编程来构成一个时钟系统来使用，但是基于这种方法，由于定时器工作在中断方式，它会频繁地中断CPU的工作。
每次开机都要重新设置标准时间，使用非常不方便而且还占用单片机的定时器资源，单片机直接编程做时钟电路虽然节省成本、简单，但功能却有许不足，而且可能导致单片机工作不是很稳定，容易出现死机、乱码等等，电路一复位就又要从新调整时间，显然这在实际生活中是很麻烦的，与社会的主流发展不相符合。
但是美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。
采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能，作为温度模块的核心，时钟芯片一般自带A/D转换，支持多点组网功能，测量结果大多以9~12位数字量方式串行传送，适用于各种数字领域的测温。
因此我们在这里将会采用采用时钟芯片来实现我们时钟模块的功能。
方案选定：
时钟模块采用时钟芯片来实现。
2.3显示模块方案
对于本设计的显示模块此块，我们将比较传统的数码管以及现在大受欢迎的液晶显示从中选出最适合本设计的显示方案。
方案一：
采用数码管实现显示
方案二：
采用液晶显示器实现
单片机应用系统最常用的显示器LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示屏），这两种显示器器件都可显示数字、字符及系统的状态，他们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉，因此得到广泛应用。
同时由于数码管只能显示数字数码管显示内容单一，液晶显示器显示质量高、能耗低、小体积外加显示内容也更丰富，除此之外液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器那样需要不断刷新亮点。
此液晶显示器功耗低，和单片机接口更加的简单可靠，操作也更方便。
在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，而在此设计中，要求功能较多，为了使电路显示的更清晰明了，在该设计当中我们决定采用液晶显示器作为我们单片机数字时钟的显示设备。
方案选定：
显示模块将采用液晶显示器。
2.4按键电路方案
按键模块，我们普通有两种按键选，一是才用独立式按键，二是采用矩阵式按键，各有优劣。
方案一：
采用矩阵式按键
方案二：
采用独立式按键
此案件电路将采用五个按键来实现系统所需功能，其大致各按键实现的功能分别为设定调整键、调整加时键、调整减时键、闹钟设定键以及复位键。
由于此次按键数量较少，我们将采用独立式按键来完成此次设计。
方案选定：
按键电路将采用方案二。
2.6闹钟模块方案
闹钟模块是本设计中的主题，必不可少，对于此模块我们就将进行使用简单的蜂鸣器实现。
2.5本章小结
本章主要拟定出总的系统框图，完成系统方案的讨论及选定。
方便接下来的工作。
第3章硬件设计
继第2章我们对系统总的框图的确定，此章将对于框图里面的模块所需硬件进行详细讨论。
首先我们将对单片机进行简要的前景概括说明以及选型。
3.1单片机的发展趋势
目前，单片机的发展方向的目标正是高性能和多品种，其进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性价比和外围电路的内装化也是以后的发展趋势。
下面将介绍单片机目前的主要发展趋势：
（1）CMOS化
近年，由于多方面的原因CHMOS技术得到了大大的提升，同时也变相的促进了单片机发展的朝向。
CMOS芯片首先具有低功耗特性，其次还具有功耗相当高的可控性，这两点技术的实现可以使单片机随时处于精细功耗的工作状态。
单片机芯片中的大多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。
CMOS电路非常的具有特点，例如高密度、低速度、低成本、功耗低。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度则比较快，但功耗相对来说也比较的高，且芯片面积较大。
所以CMOS的逐步取代，从而进入CMOS化。
（2）低功耗化
目前单片机的功能消耗已经降到1mA级，甚至可以说达到1uA以下；而其电压在3~6V之间，这个电压是完全可以使用电池工作的。
低功耗化的效应不仅仅是功能消耗变低，更是使产品的可靠性、抗干扰的能力得到了提高。
（3）低电压化
在现代绝大多数的单片机都拥有STOP、WAIT等多种省电的运行方式。
而且允许可以使用的电压范围也变得越来越宽，一般来说都是在3~6V范围内工作。
而如今低电压供电的单片机品种的电源下限已经可以低至1~2V。
（4）低噪声与高可靠性
单片机在实际应用中的优点很多，为提高单片机的抗电磁的干扰能力，使产品能适应多环境，满足其更宽广的兼容性方面从而达到高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了更好更有利的技术革新。
3.2单片机的选型
选择理由：
①体积小，成本低，可靠性好。
由于单片机将各个功能部件集成在一块芯片上且内部采用的总线结构，减少了各芯片之间的接线从而提高了单片机的可靠性以及防干扰能力。
②系统扩展和系统配比较经典、规范，易于构成各种规模的应用系统。
③控制运算能力强，其指令系统中有极丰富的转移指令、I/O接口的逻辑操作及为处理功能。
④STC89C52在市面上性价比极高且适合于本设计，所以本设计采用STC89C52作为核心控制芯片。
STC89C52是一种带4KB闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机，能稳定在5V电源下工作是一种高效微控制器，其引脚图如下图3-1所示：
图3-1STC89C52引脚图
引脚说明：
（1）电源引脚：
Vcc：
+5V
Gnd：
接地
（2）外部晶振：
X1,X2分别与晶体两端相连。
当采用外部始终信号时，X2接振荡信号，X1接地
（3）输入输出口引脚：
P0口：
I/O双向口。
作为输入口时，应先软设置“1”。
P1口：
I/O双向口。
作为输入口时，应先软设置“1”。
P2口：
I/O双向口。
作为输入口时，应先软设置“1”。
P3口：
I/O双向口。
作为输入口时，应先软设置“1”。
（4）控制引脚：
RST/VPD、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/VPP组成了MSC-51的控制总线。
RST/VPD（9脚）：
复位信号输入端（高电平有效）。
ALE/-PROG（30脚）：
地址锁存信号输出端。
PSEN（29脚）：
外部程序存储器读选通信号。
EA/VPP（30脚）：
外部程序存储器使能端。
3.3单片机的最小系统
1、时钟电路
时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个30pF的瓷片电容组成。
时钟电路用于产生
单片机工作所需的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。
单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。
其电路如下图3-2所示:
图3-2时钟电路模块
2、复位电路
复位电路电容在上接高电平，电阻1k在下接地，中间为RST。
这种复位电路为高电平复位。
其工作的原理是：
通电时，电容两端没有接通，此时相当于是短路，RST引脚上此时为高电平，然后电源通过电阻开始对电容充电，此时RST端的电压开始慢慢下降，降到低电平时，单片机开始正常工作。
其电路如下图3-3所示：
图3-3复位电路模块
3、电源电路
由于电路可能输入家用220V交流电，所以设计经过全桥整流，稳压后输出稳定的+5V直流电。
因为我们需要输出+5V电压，所以选用7805。
其电路模块图如下图3-4所示：
图3-4模块图
电路工作原理是在经过变压器变压后的电压u的正正半周D1，D3在负载R1上得到一半波整流电压，同理D2,D4导通时得到另外一半波整流电压，这样就在负载R1上得到一全波整流电压的波形，C2为47uf。
其计算过程为UL=0.9U，IL=0.9U/R1。
电路原理图如下图3-5所示：
图3-5电路原理图
3.4时钟模块的设计
第2章中我们在方案设计中提到，对于时钟模块设计的方案我们将采用时钟芯片来实现，在此我们将采用具有的代表性的DS1302时钟芯片来实现我们这一模块的功能。
3.4.1DS1302简介
DS1302时钟芯片是美国DALLAS公司研发出的一种必要适应现代要求的实时时钟芯片，它附加了31字节静态RAM，与CPU进行同步通信的方式采用的是SPI三线接口。
并且可一次性传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
实时时钟能够显示秒、分、时、日、月、年，以及星期。
正常工作电压宽达2.5V至5.5V。
采用两个电源供电，同时可设置备用电源充电方式，从而实现了电源供电方面的有力保障。
DS1302大多数用于数据方面记录，它能实现数据与出现该数据的时间同时的记录，受到广泛的欢迎，因此广泛应用于测量系统中。
3.4.2DS1302引脚及其功能
DS1302共有八个引脚：
1.两个电源引脚（Vcc1和Vcc2）2.两个晶振管脚（X1，X2）3.接地引脚（GND）4.串行时钟引脚（SCLK）5.输入/输出引脚（I/O）6.复位引脚（RST）引脚图如下图3-6所示:
图3-6DS1302引脚图
DS1302的引脚中,其中Vcc1和VCC2一个为后备电源，一个为主电源。
正因有两个电源，所以即使在主电源关闭的情况下，也可以保持时钟的连续运行。
关于Vcc1和Vcc2工作时，是由两者中的较大者供电。
当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，此时是Vcc2供电。
当Vcc2小于Vcc1时，则是Vcc1供电。
X1和X2是两个晶振引脚，外接的是32.768kHz的晶振。
RST是复位/片选线，数据传送是通过把RST输入驱动置于高电平来实现的。
RST输入可以实现两种功能：
RST首先接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入此时的移位寄存器；然后，RST提供终止多字节或单字节数据的传送方法。
如果RST为高电平时，所有数据的传送都将被初始化，此时允许对DS1302进行操作。
若在传送过程中RST被置于低电平，此次数据传送将被终止。
I/O引脚变为高阻态，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。
只有当SCLK置于低电平时，才允许将RST置于高电平。
图3-7与单片机引脚连接图
3.4.3DS1302中的寄存器
对DS1302的操作就是对其内部寄存器的操作，DS1302内部共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。
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以外的寄存器。
它的RAM寄存器总共可以分成两大类：
第一类为单个的RAM单元，总共有31个，其每个单元的组态共有一个8位的字节，命令控制字为COH~FDH，这些控制字奇数为读操作，偶数为写操作。
第二类寄存器是突发式下的RAM寄存器，在此类寄存器下可以一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FFH（读）和FEH（写）。
时钟日历寄存器及控制字如表3-8所示：
表3-8时钟日历寄存器与控制字对照表
寄存器名称
7
6
5
4
3
2
1
0
1
RAM/CK
A4
A3
A2
A1
A0
R/W
秒寄存器
1
0
0
0
0
0
0
/
分寄存器
1
0
0
0
0
0
1
/
时寄存器
1
0
0
0
0
1
0
/
日寄存器
1
0
0
0
0
1
1
/
月寄存器
1
0
0
0
1
0
0
/
周寄存器
1
0
0
0
1
0
1
/
年寄存器
1
0
0
0
1
1
0
/
写保护寄存器
1
0
0
0
1
1
1
/
慢充电寄存器
1
0
0
1
0
0
0
/
（时钟）突发寄存器
1
0
1
1
1
1
1
/
3.4.4DS1302控制字节及数据输入和输出
命令字格式如下图3-9所示：
1
R/C
A4
A3
A2
A1
A0
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
图3-9命令字格式
D7位：
固定为1
R/C位：
为0时选择操作时钟，为1时选择操作RAM
A4~A0：
操作地址
R/W位：
为0时进行写操作，为1时进行读操作
单字节操作如下图3-10所示：
图3-10写操作示意图
图3-11读操作示意图
多字节操作：
每次写入或读出8个字节时钟日历数据或31个字节RAM数据。
与单字节时相似，仅需将A0~A4换成“1111”。
DS1302中的控制字节最高位位7（有效位）必须为逻辑1，因为如果其为逻辑0，则此时不可以将数据写入DS1302中，位6如果为0，此时操作为存取日历时钟数据，为1则表示存取RAM的数据，其余的位5~位1指示操作单元的地址，其中最低有效位位0，如果为0则表示进行写操作，反之为1则表示读操作，所有的控制字都是从最低位开始输出。
下表3-12为日历寄存器功能表：
表3-12日历寄存器功能表
寄存器名
命令字节
范围
位内容
写
读
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
秒
80H
81H
00~59
CH
秒的十位
秒的个位
分
82H
83H
00~59
0
分的十位
分的个位
时
84H
85H
01~12或00~23
12/24
0
A/P
HR
时的个位
日
86H
87H
01~31
0
0
日的十位
日的个位
月
88H
89H
01~12
0
0
月的个位
星期
8AH
8BH
01~07
0
0
0
0
0
周的个位
年
8CH
8DH
00~99
年的十位
年的个位
3.5显示模块
在此章节之前我们已然确定显示模块将采用液晶显示器，经过最终考虑将采用1602LCD作为本设计的显示器。
3.5.1液晶显示简介
（1）液晶显示工作原理：
它是利用其液晶的物理特性从而通过电压来对其显示区域进行一些控制，有电的地方则显示，如此便可以显示出所需要的图形。
（2）液晶显示器的分类：
分类的依据有很多种，一般按照他的显示方式从而分为点阵式、段式、字符式、等等。
除了显示黑白两色外，液晶显示器还具有多灰度的色彩显示。
此外还可以根据驱动方式的不同来分，大致可分为主动矩阵驱动、静态驱动、单纯矩阵驱动三种。
（3）字符的显示：
当某个字符需要用LCD来显示时，由于一个字符由6x8或者8x8点阵组成，所以需要找到和显示屏上对应显示RAM区的8字节，并且使每个字节的不同位为1，其他的则需要为0.其中为1的字节处亮，为0的则是不亮。
如此便可以显示出字符。
现如今对于内部带有字符发生器的控制器而言，关于显示字符就没有以前那么复杂了，我们可以让控制器在文本方式上进行工作，然后再根据LCD上显
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