毕业设计基于TFTLCD的指针式时钟设计.docx

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毕业设计基于TFTLCD的指针式时钟设计

基于TFT-LCD的指针式时钟设计

摘要

自时钟发明的那天起，它就注定了与人们有着密不可分的关系，但科学技术在不断发展，人们随着时间的推移对时间计量的精度要求越来越高，机械式时钟也越来越满足不了人们日益增高的要求了。

取而代之的事具有高度准确性和直观性且无机械装置，使用寿命更长更长等优点的电子时钟。

电子时钟更具人性化，更能提高人们的生活质量，更受人们欢迎，机械时代已经远去，电子时代已经到来。

因此本设计是基于ATMEL公司的ATmega128单片机开发平台实现一种高精度，智能化的指针式时钟系统,采用单片机与时钟芯片DS1302设计电子时钟时,通常是数字显示,这是由于选用数码管和1602等器件的显示能力有限。

而12864是基于点阵式的液晶屏,其像素点为128×64,但12864自身像素较低,使其显示指针式时钟效果远低于1.8寸TFT-LCD液晶,但两者所基于的原理相同。

因此本设计采用ATmega128单片机为控制核心，辅以DS1302时钟采集系统，1.8寸TFT-LCD液晶作为显示芯片，构成了一个指针式电子时钟。

关键词：

ATmega128单片机；DS1302；TFT-LCD

ThedesignbasedonTFT-LCDClockTop

Abstract

Sincetheinventionoftheclock,itisdestinedtohaveacloserelationshipwithpeople,butscienceandtechnologyindevelopment,higherandhigherovertimetheaccuracyoftimemeasurementrequirements,themechanicalclockincreasinglymeetnottheincreasingrequirements.Instead,thingshaveahighdegreeofaccuracyandintuitiveandnomechanicaldevice,servicelifelongerlonger,andtheadvantagesoftheelectronicclock.Theelectronicclockismorehumane,moretoimprovepeople'squalityoflife,butalsowelcomedbythepeople,haspassedtheMechanicalAge,theelectronicagehasarrived.ThisdesignisbasedontheATMELATmega128MCUdevelopmentplatformtoachieveahighprecision,intelligentanalogclocksystems.Usingasingle-chipclockchipDS1302designelectronicclock,digitaldisplay,whichisduetothelimitedcapacityofthedisplayoftheselecteddigitaltubeand1602devices.12864isbasedonadotmatrixLCDscreen,thepixelsof128×64,but12864pixelitselflowtodisplayanalogclockeffectismuchlowerthanthe1.8inchTFT-LCDLCD,butbotharebasedontheprincipleofthesame.ThisdesignusestheATmega128MCUforthecontrolofthecore,supplementedbytheDS1302clockacquisitionsystem,1.8-inchTFT-LCDliquidcrystaldisplaychipstoformapointerelectronicclock.

Keywords:

ATmega128microcontroller；DS1302；TFT-LCD

第1章绪论

1.1引言

随着科学技术的发展和电子技术产业结构调整，单片机开始迅速发展，由于家用电器逐渐普及，市场对于智能时钟控制系统的需求也越来越大。

单片机以其芯片集成度高、处理功能强、可靠性高等优点，成功应用于工业自动化、智能仪器仪表、家电产品等领域。

近些年，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。

多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等。

而目前，对于指针式时钟来说，所用的指针大多是靠机械装置驱动达到显示时间的目的，例如手表，挂钟，钟楼等等，单片机在指针式时钟中的应用也已经非常普遍的，人们对指针时钟的功能及工作顺序都非常熟悉。

但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。

由单片机作为指针时钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。

输出设备显示器可以用液晶显示技术。

1.2本设计的目的和意义

1.2.1设计目的

（1）巩固,加深和扩大AVR系列单片机应用的知识面,提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；

（2）培养针对课题需要,选择和查阅有关手册,图表及文献资料的自学能力,提高组成系统,编程,调试的动手能力；

（3）对课题设计方案的分析、选择、比较,熟悉用AVR单片机做系统开发,研制的过程,软硬件设计的方法,内容及步骤；

（4）进一步掌握C语言在硬件编程中的应用,熟悉怎样用C语言实现TFT-LCD上的绘图功能；

（5）掌握时钟芯片DS1302的原理和应用。

1.2.2设计意义

数字指针式时钟是采用数字电路实现对时,分,秒，星期，年，月，日等数字以及指针表盘显示的计时装置,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少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,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。

诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。

因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

1.3本设计的主要研究内容

（1）在硬件设计方面，本系统采用AVR单片机作为整个电子钟系统的核心处理器，通过高精度时钟芯片DS1302来控制时间和日期的读取，最后再通过单片机对TFT-LCD液晶进行驱动并实现在液晶上显示整个指针式电子时钟。

（2）在软件设计方面，重点研究了下列内容：

A.TFT-LCD的驱动函数如何编写，包括LCD的读函数（读数据，读LCD状态），写函数（写数据，写命令），初始化函数，清屏函数等一系列驱动函数。

B.用C语言在LCD上绘图必须先写出打点函数，这是绘图的基本要求，由于本设计需要在液晶屏上模拟指针式时钟，因而还要写出绘圆和画线函数，于是便实现了表盘的绘制，时分秒指针的绘制等，从而在LCD上可以模拟指针式电子钟。

C.时钟芯片DS1302负责时间和日期信息的读取，自动计时，调整等一列功能，通过掌握DS1302的时序图，指令和功能表完成其驱动函数的编写，如读一字节函数，写一字节函数,指定位置读数据函数，指定位置写数据函数等等。

再通过读时间函数实现与LCD信息传输。

第2章方案设计及方案论证

2.1时钟系统的总体设计思路

按照系统的设计功能要求，本时钟系统的设计必须采用单片机软件系统实现，用单片机的自动控制能力配合ds1302来控制时钟的调整显示。

获得时钟数据信息，单片机对其进行一系列的处理，最后通过液晶显示出来。

2.2时钟系统方案论证

2.2.1单片机的选择

对于单片机的选择，如果用8031系列，由于它没有内部RAM，系统又需要大量内存存储数据，因而不可用；51系列单片机的ROM为4K，对于我们设计的系统可能有点小；AVR单片机具有高速度、低功耗的特点，在和51单片机外接相同晶振条件下，AVR单片机的工作速度是51单片机的30~40倍，并且增加了休眠功能及CMOS技术，其功耗远低于51单片机。

ATmeaga128A单片机作为主控单片机，该型单片机具有丰富的资源和接口，内部ROM和RAM完全能满足AVR单片机高级开发要求，内置大容量程序Flash空间和SRAM数据空间，还包含非易失性存储器EEPROM，对于那些实际项目中的数据存储也不需要扩展外部存储空间因此，我们选择ATMEL公司megaAVR系列的单片机ATmeaga128A。

2.2.2时钟系统方案选择

方案1：

本方案通过单片机内部的定时器/计数器，用软件实现，直接用单片机的定时器编程以实现时钟；

方案2：

本方案用专门的时钟芯片（DS1302）实现时钟的记时，再把时间数据送入单片机，由单片机控制显示。

虽然用软件实现时钟硬件线路简单，但是程序运行的每一步都需要时间，多一步或少一步程序都会影响记时的准确度，对定时器定时也不是十分准确，时钟精度很低，对于我们实现所需要的功能造成软件编程非常复杂。

用专用时钟芯片硬件成本相对较高，但它的精度很高，软件编程很简单。

综上所述，选择方案2。

2.2.3显示系统的方案比较

方案1：

用数码管或点阵LED显示；

方案2：

用液晶1602显示；

方案3：

用液晶12864显示；

方案4：

用1.8寸TFT-LCD彩屏显示。

时钟的显示可以用数码管或LED，而且价格便宜。

但是数码管的只能显示简单的设计的系统，与我们设计要求也不相符。

有很多东西需要显示，还是用显示功能更好的液晶显示器比较好，它能显示更多的数据，用1602液晶显示数据有限，1602不能够显示指针时钟，只能够显示一些基本的西文字符，显示数据的可读性不好，用可以显示汉字的12864液晶显示器还可以增加显示信息的可读性，用12864的绘图功能即可绘制出指针时钟的框架，至于指针的转动则采用12864加ds1302同步控制，让人看起来会很方便。

当然12864液晶和1.8寸TFT-LCD彩屏的显示所基于的原理都一样，只是彩屏的分辨率更高，能显示的颜色更是丰富多彩。

由于1602只能显示字符的缺陷，不能达到我们的要求，所以我们只能选择12864液晶或者TFT彩屏，虽然它们在价格上有差距，但是1.8寸TFT彩屏显示显示效果更好，因此我选择了TFT彩屏作为显示芯片。

第3章硬件系统设计

3.1系统框图与说明

初步确定设计系统由AVR单片机主控模块、时钟模块DS1302、TFT-LCD显示模块组成，电路系统框图。

主

控

单

片

机

ATmeaga128A

系统框图如下图3.1所示

最小电路系统

1.8寸TFT彩屏显示系统

DS1302时钟系统

图3.1系统框图

图3.1系统框图

3.2硬件设计部分

3.2.1单片机芯片选择

作为电子爱好者或者电子行业硬件工程的开发者，单片机技术的掌握是必须的，但是目前很多的初学者选择入门的单片机都是基于MCS-51内核的单片机，虽然此类单片机学习简单，使用方便，但是其性能在很多场合却是大打折扣，要么速度欠缺，要么存储空间欠缺，因此，由于MCS-51自身的结构所限制，与目前的新技术有明显的脱节。

AVR单片机是近10年来发展起来的新型的、基于增强型RISC结构的单片机。

AVR在运行速度，存储器空间，内部功能模块的集成化，以串行接口为主的外围扩展，适合使用高级语言编程，以及在开发技术和仿真调试方面都比MCS-51内核的单片机要先进。

ATmega128具有如下特点：

128K字节的系统内可编程Flash（具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW）、4K字节的EEPROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器（T/C）、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC（具有可选的可编程增益）、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口（此接口同时还可以用于片上调试），以及六种可以通过软件选择的省电模式。

空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；ADC噪声抑制模式时CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC继续工作，以减少ADC转换时的开关噪声；Standby模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。

器件是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的。

片内ISPFlash可以通过SPI接口、通用编程器，或引导程序多次编程。

引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用Flash存储器。

在更新应用Flash存储器时引导Flash区的程序继续运行，实现RWW操作。

通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega128为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。

ATmega128的封装图如下图图3.2所示：

图3.2ATmega128的封装图

ATmega128的引脚图如下图图3.3所示：

图3.3ATmega128的引脚图

3.2.2单片机管脚说明

VCC数字电路的电源。

GND接地。

端口A（PA7..PA0）端口A为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电

阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收

大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口

被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口A为三

态。

端口B（PB7..PB0）端口B为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电

阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收

大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口

被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口B为三

态。

端口C（PC7..PC0）端口C为8位双向I/O口，并具有

可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特

性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上

拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。

复位

发生时端口C为三态。

在ATmega103兼容模式下，端口C只能作为输出，而且

在复位发生时不是三态。

端口D（PD7..PD0）端口D为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电

阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸

收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端

口被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口D为三态。

端口E（PE7..PE0）端口E为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电

阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收

大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口

被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口E为三

态。

端口F（PF7..PF0）端口F为ADC的模拟输入引脚。

如果不作为ADC的模拟输入，端口F可以作为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口F为三态。

如果使能了JTAG接口，则复位发生时引脚PF7（TDI）、PF5（TMS）和PF4（TCK）的上拉电阻使能。

端口F也可以作为JTAG接口。

在ATmega103兼容模式下，端口F只能作为输入引脚。

端口G（PG4..PG0）端口G为5位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电

阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收

大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口

被外部电路拉低时将输出电流。

复位发生时端口G为三

态。

端口G也可以用做其他不同的特殊功能。

在ATmega103兼容模式下，端口G只能作为外部存储器

的所存信号以及32kHz振荡器的输入，并且在复位时这

些引脚初始化为PG0=1，PG1=1以及PG2=0。

PG3

和PG4是振荡器引脚。

~RESET复位输入引脚。

超过最小门限时间的低电平将引起系统

复位。

门限时间在P47Table19说明。

低于此时间的脉冲

不能保证可靠复位。

XTAL1反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。

XTAL2反向振荡器放大器的输出。

AVCCAVCC为端口F以及ADC转换器的电源，需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也应该如此。

使用ADC时应该通过一个低通滤波器与VCC连接。

AREFAREF为ADC的模拟基准输入引脚。

PENPEN是SPI串行下载的使能引脚。

在上电复位时保持PEN

为低电平将使器件进入SPI串行下载模式。

在正常工作过

程中PEN引脚没有其他功能。

3.2.3单片机最小系统

单片机最小系统主要由复位电路，晶振电路，电源等几部分组成。

（1）复位电路

ATmega128已经内置了上电复位设计。

并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：

直接拉一只5.1K的电阻到VCC即可（R26）。

为了可靠，再加上一只0.1uF的电容（C9）以消除干扰、杂波。

当AVR在工作时，按下S3开关时，复位脚变成低电平，触发AVR芯片复位。

重要说明：

实际应用时，如果你不需要复位按钮，复位脚可以不接任何的零件，AVR芯片也能稳定工作。

即这部分不需要任何的外围零件。

复位电路如下图3.4所示：

图3.4复位电路原理图

（2）晶振电路

ATmega128已经内置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。

不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。

早期的90S系列，晶振两端均需要接27pF左右的电容。

Mega系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。

不过为了线路的规范化，我们仍建议接上。

重要说明：

实际应用时，如果你不需要太高精度的频率，可以使用内部RC振荡。

即这部分不需要任何的外围零件。

晶振电路原理图如下图3.5所示：

图3.5晶振电路原理图

选取原则：

电容选取27pF，晶振为7.3728MHz。

（3）电源电路

系统电源模块提供整个开发板的电源，该开发板支持USB接口和外接电源供电，使用USB供电显得尤其方便，一条USB线即可供电。

开发板支持3.3V系统和5V系统，板上集成5V到3.3V的电压稳压芯片ASM1117-3，可以通过跳线自由选择，确定使用何种电压，对于低功耗场所使用提供了方便，有助于项目开发的使用。

电源电路原理图如下图3.6所示：

图3.6电源电路原理图

（4）JTAG仿真接口设计

仿真接口也是使用双排2＊5插座。

需要一只10K的上拉电阻（R30—R33）。

JTAG仿真接口原理图如下图3.7所示：

图3.7JTAG仿真接口原理图

（5）ISP下载接口设计

ISP下载接口，不需要任何的外围零件。

使用双排2＊5插座。

由于没有外围零件，故PE0（MOSI）、PE1（MISO）、PB1（SCK）、复位脚仍可以正常使用，不受ISP的干扰。

RST连接倒RESET（20），即单片机的管脚20.

ISP下载接口原理图如下图3.8所示：

图3.8ISP下载接口原理图

3.2.4时钟系统电路设计

（1）时钟芯片选择与介绍

我们采用的是由美国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DS1302。

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，主要特点是采用串行数据传输，采用普通32.768kHz晶振，工作电压为2.5V～5.5V，DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,可以达到我们设计的基本的要求。

内部的寄存器为我们调时，闹钟定时提供了寄存空间。

备用用电源也实现了当系统断电后，时钟仍然可以保持。

而且它是串行接口，与单片机通信所需要的接口少。

不像DS12887等芯片并行通信需要很多IO口。

DS1302的外部引脚分配如下图3.9所示：

图3.9DS1302的外部引脚分配图

DS1302的内部结构如下图3.10所示：

图3.10DS1302的内部结构图

（2）DS1302管脚及寄存器说明

DS1302的引脚排列

Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。

在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。

当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。

当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。

因此，我们vcc1用3V的纽扣电池作为备用电源，vcc2用系统电源作为主电源。

X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：

首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。

当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。

如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。

只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。

I/O为串行数据输入输出端（双向）。

SCLK为时钟输入端。

DS1302的寄存器说明

DS1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器（读时81h～8Dh，写时80h～8Ch），存放的数据格式为BCD码形式，如下图3.11所示。

图3.11DS1302有关日历、时间的寄存器

小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。

当为高时，选择12小时模式。

在12小时模式时，位5是，当为1时，表示PM。

在24小时模式时，位5是第二个10小时位。

秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。

当该位置为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位置为0时，时钟开始运行。

控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是写保