基于单片机的多功能数字时钟论文1 推荐.docx

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基于单片机的多功能数字时钟论文1推荐

数字时钟论文

论文题目：

基于单片机的多功能数字时钟

学生姓名李勋贵（1010940419）

王华（1010940412）

张金婉（1010940428）

学院：

电子信息与工程学院

专业班级：

电科1004

起止时间:

2012年11月—2013年1月

摘要

电子钟已成为人们日常生活中的必需品，广泛应用于各种场所。

电子钟在使用时通常挂在高处,不便于时间的设置。

本设计利用按键手动对时间的修改和定时功能进行操作，使用更为便捷，应用前景更加广阔。

系统电路由时钟模块、主控模块、键盘及显示模块、电源模块组成。

实时时钟采用DS1302实现年、月、日、时、分、秒、星期等时间信息的采集及闹钟功能。

这样设计的结果使电路结构十分简洁，各种要求能完全保证，使系统电路的稳定性得到提高。

同时，它采用C语言对系统的各功能模块进行编程实现,并且系统具有键盘控制功能，方便校对时间。

关键词：

单片机STC89C52、电子闹钟、DS1302

Abstract

Electricclockhasbecomenecessaryinpeople'sdailylife,ithasbeenwidelyusedinvariousplaces.Electricclockwasusuallyhangedinhighplaces.Thisdesignhasintruducedinfraredremotecontroltechnologywhichmakethetimemodificationandtimingfunctionmoreconvenient,soithasabetterprospecttoputintopractice.Thesystemismadeupoftheclockcircuitmodule,controlmodule,temperaturesamplemodule,keyboardanddisplaymodule,andthepowersupplymodule.Inordertoachievethefunctionoftimeinformationcollectionsuchasminutes,secondsandyears,thereal-timeclockuseDS1302technologywhichmakesthecircuitstructureveryconcise.Itcanensuretoachievevariousrequirementsandmakethesystemcircuitstabilityimproved.Atthesametime,itusesClanguageonthefunctionalmodulesofthesystemprogramming,andithasthekeyboardcontrolfunction

Keywords:

single-chipmicrocomputer-STC89C52,clock,DS1302

目录

1引言1

2概述1

2.1系统设计任务1

2.2系统设计2

3系统硬件设计4

3.1系统硬件电路芯片选型介绍4

3.1．1STC89C52单片机介绍4

3.1．2DS1302时钟芯片介绍7

3.2系统硬件电路设计10

3.2.1单片机最小系统电路设计10

3.2.2系统供电系统电路设计12

3.2.3按键调整电路设计12

3.2.4时钟电路设计13

3.2.5LCD1602显示电路设计14

3.2.6系统闹钟电路设计15

3.3系统整体电路及PCB线路板绘制15

3.3.1Protel99SE软件介绍15

3.3.2系统原理图与PCB绘制16

4系统软件设计18

4.1C语言介绍18

4.2系统整体及各部分程序流程18

4.2．1系统整体程序流程18

4.2．2DS1302时钟读写程序流程19

4.2．3按键扫描子程序流程20

4.2．4闹铃部分程序流程21

5系统焊接与调试22

5.1电路焊接调试22

5.2系统功能测试22

5.3系统误差分析23

5.4设计总结23

致谢24

参考文献25

附录1系统元器件清单27

附录2系统源程序28

1引言

传统在信息高速发展的今天，几乎每个行业都实现了机械自动化，单片机（又称为微控制器）的出现是计算机发展史上的一个重要里程碑，它以体积小、功能全、性价比高等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。

51系列单片机是国内目前应用最广泛的8位单片机之一，单片机的使用使得仪器的智能化、小型化、可靠化方面都得到了很大的改善，让很多仪器的原理与设计都发生了很大变化。

目前，单片机得到了越来越多爱好者的推广，可谓是“众人拾柴火焰高”，特别是近些年来，基于51单片机电子产品的层出不穷，表明单片机在电子产品行业起着举足轻重的作用，各大城市公共场所出现大屏幕电子时钟已是很常见的现象，下面我们就电子时钟的原理及设计做些详细的介绍。

电子钟已成为人们日常生活中的必需品，广泛应用于各种场所,给人们的生活、学习和工作带来极大的方便。

目前市场上所售的数字电子钟其主要功能都是依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现的。

这些数字钟的芯片组合和电路连接都比较难，而且焊接的过程也比较复杂，相对成本比较高，为了克服这些缺点，且能适合多种场合使用，选择了以单片机编程为主的数字电子钟以满足更多人的需求。

这次主要是通过软件编程来完成的，这样就降低了硬件电路的复杂性，而且其成本也有所降低，摆脱了数字电路设计所带来的电路复杂，焊接过程复杂，成本高等的劣势。

所要设计的数字电子钟充分挖掘了单片机的资源和运算控制能力，具有功能多，显示全的优点。

本设计应用按键控制技术，时间的修改和定时功能更为便捷，应用前景更加广阔。

2概述

2.1系统设计任务

本课题主要任务是设计一个基于单片机多功能电子闹钟，采用常用的STC89C52芯片作为主控芯片，采用价格低廉的DS1302时钟芯片作为时间控制芯片，采用锂电池为DS1302供电，掉电保护，保证时间数据不会丢失。

显示应用的是LCD1602液晶屏，显示字体清晰，显示效果如图2.1所示。

图2.1电子闹钟显示效果示意图

本课题研究的基本内容是利用STC89S52单片机控制时钟芯片DS1302，在此过程中主要实现的功能有：

1）显示年、月、日；

2）显示星期；

3）显示当前的时间；

4）可设置闹钟；

5）通过按键可以调整时间，校正时间，闹钟设定；

在此过程中，需要完成的任务有：

1）设计出系统总体硬件电路图。

2）完成程序的编写与系统的仿真。

3）完成元器件的布局、PCB板的绘制、电路的焊接和调试。

2.2系统设计

本系统是利用STC89C52芯片为核心，控制DS1302时钟芯片及LCD1602液晶，实现年、月、日、星期、时间的准确显示。

STC89S52接受并处理DS1302数据的处理显示及键盘输入的控制信息的处理，输出时间、日期、温度的显示并具有校正功能。

系统模块组成框图如图2.2所示。

2.2系统硬件电路方框图

系统软件流程图如图2.3所示。

2.3系统软件程序流程图

3系统硬件设计

3.1系统硬件电路芯片选型介绍

3.1．1STC89C52单片机介绍

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，STC89S52引脚图如图3.1所示。

图3.1STC89C52引脚图

STC89C52主要功能及特性：

STC89C52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

●与MCS-51单片机产品兼容

●8K字节在系统可编程Flash存储器

●1000次擦写周期

●全静态操作：

0Hz～33Hz

●三级加密程序存储器

●32个可编程I/O口线

●三个16位定时器/计数器

●八个中断源

●全双工UART串行通道

●低功耗空闲和掉电模式

●掉电后中断可唤醒

●看门狗定时器

●双数据指针

●掉电标识符

STC89C52单片机的四个I/O口作用分别如下：

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表3-1P1口的第二功能

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口作为STC89C52的一些特殊功能口，如表3-2所示：

表3-2P3的特殊功能

口管脚

备选功能

P3.0RXD

（串行输入口）

P3.1TXD

（串行输出口）

P3.2/INT0

（外部中断0）

P3.3/INT1

（外部中断1）

P3.4T0

（记时器0外部输入）

P3.5T1

（记时器1外部输入）

P3.6/WR

（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD

（外部数据存储器读选通）

3.1．2DS1302时钟芯片介绍

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31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、周、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串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：

（1）RES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1mWDS1302是由DS1202改进而来增加了以下的特性：

双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。

它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域下面。

将主要的性能指标作一综合：

★实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力，还有闰年调整的能力；

★318位暂存数据存储RAM

★串行I/O口方式使得管脚数量最少

★宽范围工作电压2.0-5.5V

★工作电流2.0V时,小于300nA

★读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式

★8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配

★与TTL兼容Vcc=5V

★可选工业级温度范围-40+85

★双电源管用于主电源和备份电源供应上是DS1302的一些全面的预览，DS1302芯片外形及引脚定义图分别如图3.2与图3.3所示。

图3.2DS1302外形图

图3.3DS1302引脚图

VCC2：

主用电源引脚；

X1、X2：

DS1302外部晶振引脚；

GND：

地；

RST：

复位引脚；

I/O：

串行数据引脚，数据输出或者输入都从这个引脚；

SCLK：

串行时钟引脚；

VCC1：

备用电源；

DS1302的内部结构如图3.4所示：

图3.4DS1302的内部结构图

DS1302是SPI总线驱动方式。

它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。

要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。

DS1302的控制字如图3.5所示。

图3.5DS1302的控制字

控制字的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。

位6：

如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；

位5至位1（A4～A0）：

指示操作单元的地址；

位0（最低有效位）：

如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。

控制字总是从最低位开始输出。

在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。

同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。

数据读写时序如图3.6。

图3.6DS1302的读写时序图

DS1302是DALLAS公司的涓流充电时钟芯片，DS1302工作时功耗很低、保持数据和时钟信息功耗小于1mW，仅用一节电池就能唱时间保持数据。

所以总的来说DS1302的操作分2步（显示部分属于液晶显示的内容，不属于DS1302本身的内容），但是在讲述操作时序之前，我们要先看看寄存器：

寄存器样式.jpg上图是DS1302的寄存器样式，我们看到：

1、第7位永远都是12、第6位，1表示RAM，寻址内部存储器地址；0表示CK，寻址内部寄存器；3、第5到第1位，为RAM或者寄存器的地址；最低位，高电平表示RD：

即下一步操作将要“读”；低电平表示W：

即下一步操作将要“写”。

3.2系统硬件电路设计

由第2章的系统框图可知本系统主要包括五个部分组成即电源模块，键盘输入模块，DS1302时钟模块，单片机最小系统模块及LCD1602显示模块。

下面对各个模块进行介绍。

3.2.1单片机最小系统电路设计

单片机最小系统电路实现对采集数据的处理和输出显示的控制，主控电路由AT89S52单片机、晶振电路、复位电路三部分组成，各部分作用如下所述，由其三部分构成的单片机最小系统电路如图3.7所示。

图3.7最小系统电路图

复位电路是为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。

一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。

由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。

　　目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：

（1）微分型复位电路；

（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。

典型复位电路图如图3.8所示：

图3.8复位电路

晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。

典型应用电路如图3.9所示：

图3.9晶振电路

3.2.2系统供电系统电路设计

本系统采用三节干电池供电，由于三节干电池输出是大约4.5V直流电压，加上两个滤波电容滤除干扰，为系统供电，D1为电源指示灯，当上电后LED的亮灭来指示系统电源的正常与否，供电电路如图3.10所示。

图3.10系统电源电路图

3.2.3按键调整电路设计

采用6mm*6mm*6mm轻触按键，4个按键分别连接在单片机的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3口，Key1按键是调整模式键，按下Key1键分别是对时间的时、分、秒、日期等的设置，当完成设置后显示时钟界面；Key2是“减”功能键；Key3是“加”功能键；Key4是用来调闹钟的功能键，其连接图如图3.11所示。

图3.11键盘控制模块图

3.2.4时钟电路设计

方案一：

采用单片机本身的定时器，根据振荡频率来算时间，虽然这样价格最低廉，但是时间走的不精确，断电数据也会丢失。

方案二：

采用DS12C877时钟芯片，此芯片内置锂电，断电数据不会丢失。

但是DS12C877电路比较复杂同时价格比较昂贵。

方案三：

采用DS1302时钟芯片，此时钟芯片能产生准确的时间、年、月、日等，外加一块锂电池能保证断电后能保证数据部丢失，具有DS12C877的功能，同时电路简单，价格低廉。

综上所述，综合价格与功能等因素，因此我们采用方案三。

方案三与单片机的连接图如图3.12所示。

图3.12DS1302的连接电路图

1、VCC为主电源接5V，电源引脚需加滤波电容，一般电容选取104陶瓷电容；

2、X1、X2外接32.768K的晶振；

3、5、6、7脚分别与控制器相联，注意外部4.7K上拉电阻；

4、备用电源脚，注意是3.3V，DS1302要求备用电源电压稍微低于主用电源；

DS1302的具体操作的大致过程，就是将各种数据写入DS1302的寄存器，以设置它当前的时间以及格式。

然后使DS1302开始运作，DS1302时钟会按照设置情况运转，再用单片机将其寄存器内的数据读出。

再用液晶显示，就是我们常说的简易电子钟。

3.2.5LCD1602显示电路设计

本系统采用LCD1602液晶显示模块，LCD1602显示直观、美观、价格低廉、便于大批量开发。

LCD1602B可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光；显示电路图如图3.13所示：

图3.13LCD1602显示电路图

3.2.6系统闹钟电路设计

系统闹钟电路采用三极管驱动蜂鸣器来实现，当闹钟时间到时蜂鸣器演奏一首音乐，闹铃响的过程中按下KEY1键，闹铃停止，否则闹铃响一分钟后自动停止闹铃。

系统闹铃电路如图3.14所示。

图3.14闹铃电路

3.3系统整体电路及PCB线路板绘制

3.3.1Protel99SE软件介绍

本文在硬件电路的设计过程中，原理图和PCB的绘制采用Protel99SE软件，Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，该软件以其简单易操作的优势一直以来备受电子工程师的喜爱，因而也成了很多高校电子相关专业EDA工具的必选课程。

3.3.2系统原理图与PCB绘制

采用Protel99SE软件绘制原理图和PCB的主要步骤如下所述：

1.建立系统所需原件库；

2.加载所建原件库到工程项目中；

3.在原理图页面中放置所需元器件并按照电气性能连接各元件；

4.建立原件封装库并加载到工程文件中；

5.绘制好电路后进行ERC电气检测，并生成网络表；

6.在工程中建立PCB文件，导入生成的网络表；

7.按照网络飞线提示绘制PCB，最后完成DRC检测。

按照如上步骤最终完成绘制的电路原理图如图3.15所示，PCB线路板图如图3.16所示。

图3.15电子闹钟系统整体电路

图3.16电子闹钟系统PCB版图

4系统软件设计

4.1C语言介绍

该数字闹钟的软件部分采用C语言编程来实现各项功能，采用C语言编程有如下特点：

1简洁紧凑、灵活方便

2运算符丰富

3数据结构丰富

4C是结构式语言

5C语法限制不太严格，程序设计自由度大

6C语言适用范围大，可移植性好

4.2系统整体及各部分程序流程

4.2．1系统整体程序流程

系统的软件部分分为：

LCD1602液晶显示部分；时钟DS1302控制部分；单片机主控部分；按键控制部分组成。

系统的整体程序流程图如图4.1所示。

图4.1系统整体程序流程图

4.2．2DS1302时钟读写程序流程

单片机通过指令，从DS1302当中读取时间数据，送到单片机处理然后送到LCD1602显示。

其程序实现流程图如图4.2所示。

图4.2DS1302时钟读写程序流程图

4.2．3按键扫描子程序流程

系统通过按键来对时间进行校正及对闹钟的设定，由于按键会有机械性的都抖动，因此需要在程序中加入防抖动程序。

具体程序流程图如图4.3所示。

图4.3按键调整部分子程序流程图

4.2．4闹钟部分程序流程

闹钟部分可以通过按键设定闹铃时间，通过按键可以关闭