多功能数字钟设计.docx
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多功能数字钟设计
《测控系统原理》课程设计
课题:
多功能数字钟设计
班级
学生姓名学号
指导教师
多功能数字钟设计
一、绪论
1.1引言
随着微电子技术和超大规模集成电路技术的不断发展,家用电子产品不但种类日益丰富,而且变得更加经济实用,单片微型计算机体积小、性价比高、功能强、可靠性高等独有的特点,在各个领域得到了广泛的应用。
数字钟是一种应用非常广泛的日常计时工具,数字显示的日历钟已经越来越流行,特别是适合在家庭居室、办公室、大厅、会议室、车站和广场等使用。
LCD数字显示的日历钟显示清晰直观、走时准确、可以进行夜视,并且还可以扩展出多种功能。
功能也越来越齐全,除了时、分、秒显示及闹铃。
但通过我们对各种电子钟表、历的不断观察总结发现目前市场的钟、历都存在一些不足之处,比如:
时钟不精确、产品成本太高、无环境温度显示等,这都给人们的使用带来了某些不便。
为此设计了一种功能全面、计时准确、成本低廉的基于51单片机的多功能数字钟设计。
二、功能要求
1.数字钟能用LCD液晶显示]时、分、秒并设置指定时间的闹铃。
2.数字式温度计要求测温范围-50~100°C,LCD液晶直读显示。
三、系统设计
3.1方案论证与设计
3.1.1控制部分的方案选择
1.用可编程逻辑器件设计。
可采用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。
设计起来结构清晰,各个模块,从硬件上设计起来相对简单,控制与显示的模块间的连接也会比较方便。
但是考虑到本设计的特点,EDA在功能扩展上比较受局限,而且EDA占用的资源也相对多一些。
从成本上来讲,用可编程逻辑器件来设计也没有什么优势。
2.用凌阳16位单片机设计。
凌阳16位单片机有丰富的中断源和时基,方便本实验的设计。
它的准确度相当高,并且C语言和汇编兼容的编程环境也很方便来实现一些递归调用。
I/O口功能也比较强大,方便使用。
用凌阳16位单片机做控制器最有特色的就是它的可编程音频处理,可完成语音的录制播放和识别。
这些都方便对设计进行扩展,使设计更加完善。
成本也相对低一些。
但是,在控制与显示的结合上有些复杂,显示模组资源相对有限,而且单片机的稳定性不是很高。
3.主控芯片使用stc系列stc89C52单片机,宏晶公司生产的ST89C52单片机采用高性能的静态80C51设计,由先进工艺制造,并带有非易失性Flsah程序存储器。
它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片,市场应用最多。
本系统采用了此方案。
3.1.2测温部分的方案选择
1.在日常生活及工农业生产中经常要乃至温度的检测及控制,传统的测温元件有热电偶和热电阻。
而热电偶和热电阻测一般都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的外部硬件支持,硬件电路复杂,软件调试复杂,制作成本高。
2.与前面相比,采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件,测温范围为-55~125°C,最大分辨率可达0.0625°C。
DS18B20可以直接读出被测温度值,而且采用3线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点。
3.1.3显示部分的选择
1.8段数码管虽然可视范围十分宽,而且经济实惠,也不需要复杂的驱动程序,但操作繁琐,显示的内容简单。
2.相比于数码管,液晶显示方式虽然价格相对较贵,但液晶显示效果出众,可以运用菜单项来方便操作,。
所以最后选择LED数码管显示方案。
3.2数字钟系统组成
按照系统设计功能的要求,确定数字钟系统由主控制器、时钟模块、测温电路、显示模块、键盘接口共5个模块组成。
总体系统构成框图如图3.2所示。
图3.2数字钟系统构成框图
四、硬件电路设计
系统由主控制器STC89C51、温度传感器DS18B20传感器、LCD显示电路及键盘扫描电路,声光闹铃电路组成。
系统原理图如图4.1所示
图4.1系统原理图
4.1主控器STC89C52
宏晶公司生产的ST89C52单片机采用高性能的静态80C51设计,由先进工艺制造,并带有非易失性Flsah程序存储器。
它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片,市场应用最多。
主要性能特点有:
8KBFlashROM,可以檫写1000次以上,数据保存10年。
256字节内部RAM。
电源控制模式
——时钟可停止和恢复;
——空闲模式;
——掉电模式。
6个中断源。
4个中断优先级。
4个8位I/O口。
全双工增强型UART。
3个16位定时/计数器,T0、T1(标准80C51)和增加的T2(捕获和比较)。
全静态工作方式:
0~24MHz。
4.2DS18B20温度传感器
测温电路主要使用温度传感器DS18B20,由于LCD液晶实现温度显示。
4.2.1温度传感器原理
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要示通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
DS18B20的性能特点如下:
独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;
多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现多点组网功能;
无须外部器件;
可通过数据线供电,电压范围为3.0~3.5V;
零待机功耗;
温度以9或12数字量读出;
用户可定义的非易失性温度报警设置;
报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件;
负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
DS18B20采用3脚PR—35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图3.2.1所示。
4.2.2DS18B20与单片机接口电路
DS18B20可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式,此时DS18B20的1脚接地,2脚作为引线,3脚接电源。
另一种是寄生电源供电方式。
单片机端口接单线总线,为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流,可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10us。
采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。
由于单线制只有一根线,因此发送接口必须是三态的。
其原理框图如图4.2.2所示。
4.2.2DS18B20与单片机接口电路
4.3显示电路设计
显示部分主要采用LCD液晶显示,LCD液晶采用1602尺寸的液晶显示器。
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD
1602LCD主要技术参数:
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35(W×H)mm
1602LCD尺寸图
图4.31602LCD尺寸图
4.4按键接口电路
由于按键只有6个,采用独立式接法,并用查询法完成读键功能。
按键功能图如下:
图4.4按键功能图
4.5软件仿真
Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
软件仿真图如下:
图4.5软件仿真图
五、软件设计
软件设计主要由时钟模块,温度采集模块,按键控制模块,显示模块等组成。
5.1主程序设计
图5.1.主程序框图
5.2时钟模块设计
时钟模块采用单片机自身的定时中断进行设计。
定时器T0用于时间计时。
定时溢出中断周期设为50ms,中断进入后先进行定时中断初值校正,当中断累计20次(即50ms*20=1s)时,对秒计数单元进行加以操作。
最大计数值为23时59分59秒。
在计数单元中,采用十进制BCD码计数,满10进位。
T0中断计时程序流程图如图5.2所示。
图5.2T0中断计时程序流程图
5.3温度采集模块
温度采集模块程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等等。
DS18B20温度计主程序流程图如图4.3所示。
图4.3DS18B20温度计主程序流程图
六、调试及性能分析
6.1调试步骤
系统的调试分为硬件调试和软件调试。
其中硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊现象。
时钟和测温部分的硬件电路很简单,DS18B20只通过1根线与单片机相连接,很容易检测,主要是检测引脚晶振和电源是否接好。
另外可以通过软件来调试硬件,如编写一个简单的显示程序来测试显示电路连接是否正确。
接下来可进行软件调试,。
最后调试日历、时间、闹钟、报警和温度程序。
主要步骤如下:
1.开闹铃时显示闹铃符号,关时不显示;
2.设置闹铃按1下进入设置状态;按2下,退出设置状态;
3.设置时间按1下进入设置状态,并停止计时;按2下,推出设置状态,并开始计时;
4.当设置闹铃、时间没按下时,调时、调分不起作用;
5.不可以在设置时间的过程中设置闹铃,不可以在设置闹铃的过程中设置时间;
6.设置闹铃后,闹铃时间在第一行显示;
7.切换温度用到了调时键,为避免冲突,看温度与设置时间、设置闹铃不可同时有效;
8.每当设置闹铃时,闹铃都初始化为00:
00,设置完后,闹铃消失;
6.2性能分析
计时器最关键的是计时的精度,由于数字钟中用自身的中断计时,经测试制作的数字钟,误差较大,设计可以通过换用标准晶振或用软件进行修正。
七、总结
通过本次课程设计,我对本专业学到的知识有了进一步的了解。
加强了我的学习能力和分析问题解决问题的能力,让我意识到理论联系实际的重要性。
实际操作中我遇到了很多问题,通过老师的耐心指导还有来自同学们的帮助,我独立自主的完成了本次课程设计。
相信在未来的工作中我会从这次课程设计中得到很多帮助及指导,当遇到困难时最初想到的不因该是放弃,而是想该如何去完成这件事。
机会只会留给那些曾经准备,正在准备,时刻准备着的人。
参考文献
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