数字钟设计.docx

1、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 测控1 学生姓名 学号 指导教师 工学院电子与电气工程学院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

2、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-50100C，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

3、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。

4、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

5、测元件，测温范围为-55125，最大分辨率可达0.0625。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

6、 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： 8KB Flash ROM，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

7、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：024MHz。4.2 DS18B20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912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

8、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3.03.5V；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PR35封装或脚SOIC封装，其内部结构框图如图3.2.1所示。4.2.2 DS18B20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DS

9、18B20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。 4.2.2 DS18B20与单片机接口电路43 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LCD1602LCD主要技术参数： 显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5V 工作电流

10、:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm1602LCD尺寸图 图4.3 1602LCD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/DsPI

11、C33、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

12、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5.2 T0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4.3 DS18B20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

13、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

14、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、总结此次设计立足于电子技术的实际运用，不断实践，开拓了思维，设计以考查、调研、搜集资料、拟订方案、进行系统规划、编程、仿真、调试的流程，使我深刻的体会到了在学习我们专业的过程中理论与实践相结合的重要性，同时也解决了以前学习比较模糊的专业知识点，使自己掌握的专业知识更加结构化、系统化。总之，本次设计在指导老师的耐心指导下；在各位同学和朋友的贴心帮助下解决了许多设计中的实际困难，我以最低的成本和最简单的方案设计出了

15、功能强大的数字钟。参考文献1 代启化.基于Proteus的电路设计与仿真J.现代电子技术.2006,第19期.2 曹洪奎;马莹莹 基于Proteus单片机系统设计与仿真J. 辽宁工学院学报07年04期3 侯玉宝 基于Proteus的51系列单片机设计与仿真M电子工业出版社，2008.2702884 蔡希彪,曹洪奎; 单片机电子时钟系统的设计与仿真 J;中国科技信息; 2007年04期5 方怡冰.单片机课程的教学与实验改革J.电气电子教学学报.2006，第3期.6 刘文秀.单片机应用系统仿真的研究J.现代电子技术.2005, 第286 期7 张友德.单片微型机原理、应用与实验M.上海：复旦大学出版社，2003.225256.8 李光飞.单片机设计实例指导M.北京：北京航空航天大学出版社,2004.5,96100.9 胡汉才 单片机原理及其接口技术M. 北京： 清华大学出版社 , 1996.89110.