【正文】 設(shè)計出新型時鐘 ，不斷設(shè)計出適合實際應用的多功能時鐘。 本 畢業(yè)設(shè)計 方案 正是根據(jù)以上所述并結(jié)合日常生活中對時鐘功能需求的分析，運用單片機技術(shù)，結(jié)合時鐘芯片 ,在 LCD 顯示器的框架下實現(xiàn)時鐘的顯示， 設(shè)計出 的 一個適合日常生活需要的時鐘。 其研究的意義在于： ⒈ 為設(shè)計小型的 LCD 時鐘提供了有用的參考，為進一步的研究提供了有效的途徑。 ⒉ 拓展了 LCD 的應用范圍，為 LCD 的應用提供了新的思路。 ⒊ 對于 研究 電子 時鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。 ⒋ 通過本次畢業(yè)設(shè)計，能更熟悉單片機編程和控制電路的設(shè)計原理，對提高大學生的科研能力 、 實踐動手能力及豐富大學生課外生活具有重要意義。 2 課題的研究背景 單片機的應用與發(fā)展 單片機自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS48 開始，迄今已有 三 十多年了 ， 由于單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生活的方方面面。單片機的應用領(lǐng)域已從面向工業(yè)控制、 通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費產(chǎn)品、辦公自動化、汽車電子、 PC 機外圍以及網(wǎng)絡(luò)通訊等廣大領(lǐng)域。 單片機有兩種基本結(jié)構(gòu)形式 :一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合用一個存儲器空間的結(jié)構(gòu)，稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)。另一種是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，分別尋址的結(jié)構(gòu)，一般需要較大的程序存儲器，目前的單片機以采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開的結(jié)構(gòu)為多。 [1] 20 世紀 80 年代中期以后， Intel 公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把 8051 內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導體芯片生產(chǎn)廠家，如 ATMEL、 PHILIPS、 ANALOG、 DEVICES、 DALLAS等。這些廠家生產(chǎn)的芯片是 MCS51 系列的兼容產(chǎn)品，準確地說是與 MCS51 指令系統(tǒng)兼容的單片機。這些兼容機與 8051 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用 CMOS 工藝，因而，常用 80C51 系列來稱呼所有具有 8051 指令系統(tǒng)的單片機，它們對 8051 單片機一般都作了一些擴充，更有特點。其功能和市場競爭力更強，不該把它們直接稱呼為 MCS51系列單片機，因為 MCS 只是 Intel 公司專用的單片機系列型號。 MCS51 系列及 80C51 單片機有多種品種。它們的引腳及指 令系統(tǒng)相互兼容，主要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有些區(qū)別。目前使用的 MCS51 系列單片機及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超 8 位型、片內(nèi)閃爍存儲器型。 目前單片機應用于各個領(lǐng)域，其應用于儀器儀表中顯得更為優(yōu)越。以單片機制成的電子時鐘具有計時準確，功耗低的優(yōu)點。從而得到了各界領(lǐng)域的廣泛應用。單片機正處在微控制器的全面發(fā)展階段，各公司的產(chǎn)品在盡量兼容的同時，向高速，強運算能力，尋址范圍大以及小型廉價方面發(fā)展。單片機的發(fā)展推動了應用系統(tǒng)的發(fā)展，應用系統(tǒng)的發(fā)展又反過來對單片機提出了更高要求，從而促進 單片機的發(fā)展。單片機正向著功能更強，速度更快，功耗更低，輻射更小的方向發(fā)展。隨著集成度的不斷提高，把眾多的外圍功能器件集成在片內(nèi)已經(jīng)具備了充分的條件。這也是單片機以后發(fā)展的重要趨勢。除了一般必須具有的 ROM、 RAM、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)外，隨著單片機檔次的提高，以適應檢測、控制功能更高的要 3 求，片內(nèi)集成的器件通常還有電源監(jiān)控與復位電路、 WDT、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 DMA 控制器、中斷控制器、鎖相器、頻率合成器、字符發(fā)生器、聲音發(fā)生器、 CRT 控制器、譯碼驅(qū)動器等。 從單片機近年的發(fā)展趨勢來看，單片機正朝著多層次用戶 、多品種、多規(guī)格、高性能方向發(fā)展，現(xiàn)在許多公司根據(jù)市場的要求不失時機的研制并推出各種優(yōu)秀的單片機。在實時控制系統(tǒng)、軍工產(chǎn)品和一些高級家用電器等領(lǐng)域，需要高性能單片機，以滿足其功能、速度、可靠性方面的特殊要求。這些單片機的高性能主要體現(xiàn)在 CPU 功能加強，內(nèi)部資源增加，尋址范圍增大。而簡單的家用電器、智能玩具、儀表儀器、智能 IC 卡等對單片機功能要求不高。那些小型、低耗能、廉價的單片機就具有明顯的優(yōu)勢和市場需求，它們也將是未來市場的重要角色，有著廣闊的應用前景。 [2～ 6] 液晶顯示技術(shù)的應用 目前，市 場上銷售的 8位單片機由于其性價比高，仍是諸多單片機系統(tǒng)的首選，而 LCD液晶顯示作為單片機應用系統(tǒng)中的信息輸出技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的輸出手段來講，效率更高，實時性更好，輸出信息清晰直觀明了，日益成為單片機應用系統(tǒng)中信息輸出的首選方法。并且，隨著液晶顯示的模塊化和成本的降低，更直接導致了液晶顯示的大范圍應用。 液晶顯示器件在中國已有 20多年的發(fā)展歷史。這期間 , 液晶顯示器件從實驗室走向大規(guī)模生產(chǎn) ,形成了獨立的產(chǎn)業(yè)部門。液晶顯示器件獨具的低電壓、微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的優(yōu)點 , 使之可以直接與大規(guī)模集成 電路結(jié)合開發(fā)出一系列具有便攜顯示功能的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品不僅改變了人類生活甚至也改變了社會。例如 , 液晶顯示的電子表、電子計算器、家用電器等等已經(jīng)成為人們生活的必需品；液晶顯示的移動通訊設(shè)備和筆記本電腦等已經(jīng)成為人類經(jīng)濟活動的必備工具；液晶顯示的儀器儀表、電器設(shè)備等幾乎取代了傳統(tǒng)的指針式或發(fā)光二極管顯示的同類產(chǎn)品。液晶顯示幾乎已經(jīng)應用于生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域。 [7] 作為智能儀表的信息顯示及人機交互的界面，液晶顯示器件在一定范圍內(nèi)取代了傳統(tǒng)的數(shù)碼顯示模式。單片機系統(tǒng)中原來采用的 LED 顯示方式已經(jīng)不能滿足應用的要求 ,液晶顯示器已經(jīng)被逐漸應用于單片機等小型系統(tǒng)中。液晶顯示器與傳統(tǒng)的顯示器相比具有顯示信息多、質(zhì)量高、沒有電磁輻射、可視面積大、應用范圍廣、畫面效果好、數(shù)字式接口、體積小、功耗低等特點，在基于微處理器的儀器儀表及監(jiān)視、控制等智能裝置的終端顯示、人機接口中受到普遍歡迎。液晶顯 4 示器件已成為當代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)中最重要的信息處理手段之一。 [8] 時鐘的發(fā)展 在人類歷史發(fā)展的長河中，人們夢寐以求用正確時間來規(guī)劃自己的工作和生活。在中國，最早用立竿見影和日晷等方法粗略估算時間，直到東漢安帝時期，張衡應 用漏壺原理，用水作為動力系統(tǒng)，制造出了中國歷史上第一個機械計時器，稱“漏水轉(zhuǎn)渾天儀”，從而使中國的水鐘從以天文現(xiàn)象為依據(jù)，逐步走上以非天文的物理過程為依據(jù)的機械計時器階段。 自張衡以后，直到唐代五百年間，中國歷史上政治相對穩(wěn)定，文化高度發(fā)達。在唐玄宗時代，開元十三年 (725)，由一行和尚主持，梁令瓚設(shè)計出了“渾天儀”，這是歷史上第一架“水輪天文鐘”。它首次實現(xiàn)了時間量的機械自動化，首創(chuàng)擒縱機構(gòu)，開辟了中國計時機械史的新紀元。 到宋代 (1021101)，蘇頌、韓公廉制作的水運儀象臺，以其結(jié)構(gòu)的精巧合理、制作 的精良成為中國古代水力機械計時儀器的最高成果；到元明時代，郭守敬設(shè)計制作的大明殿燈漏和元朝末年 (1354)帝妥歡帖睦自制的宮漏，除動力系統(tǒng)仍用漏壺運水，其他部分已接近現(xiàn)代機械鐘表。盡管中國水力機械的發(fā)展歷史較早較長，但是始終沒有出現(xiàn)完全現(xiàn)代意義的機械鐘表。 [9] 人類邁出機械計時的步子，也就是在歐洲最初使用的新式時鐘開始，到 115世紀，歐洲各地許多教堂和市政廳都安裝了大型鐘。約在 1510 年，為了尋求更高的準確度，各國鐘表師對鐘表的主要部分作了改進，主要是動力由重錘改為盤簧，即發(fā)條； 1583 年意大利物理學 家伽利略發(fā)現(xiàn)擺的等時性原理， 1657 年荷蘭科學家惠更斯將“擺”作為鐘表的調(diào)節(jié)器，發(fā)明擺鐘，大大提高了走時精度。 20 年后，又試制出配有游絲調(diào)控的發(fā)條鐘表。 20 世紀末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快 。帶有時鐘功能的電子產(chǎn)品和電子設(shè)備近年來也廣泛地出現(xiàn)在我們的生活中。例如奧運會倒計時顯示屏、鐵路安全顯示屏、生產(chǎn)線看板、體育比賽記時屏、大型室外高亮度時鐘 等，這類產(chǎn)品覆蓋銀行、醫(yī)院、地鐵車站、體育運動、電視臺、監(jiān)控系統(tǒng)、高大建筑物等行業(yè)。 近年來，隨著我國科技的不斷發(fā)展，我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè) —— 電子產(chǎn)業(yè)獲得飛速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品琳瑯滿目、隨處可見，隨著電子產(chǎn)品的更新速度的 5 加快，各種功能強大，款式新穎的電子產(chǎn)品不斷問世。電子時鐘便是這一發(fā)展趨勢中的代表，各種功能的電子時鐘應有盡有，且功能不斷更新。與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用 。 隨著人類科技文明的發(fā)展，人們對于時鐘的要求在不斷地提高。時鐘已不 僅僅被看成一種用來顯示時間的工具，在很多實際應用中它還需要能夠?qū)崿F(xiàn)更多其它的功能。高精度、多功能、小體積、低功耗，是現(xiàn)代時鐘發(fā)展的趨勢。在這種趨勢下，時鐘的數(shù)字化、多功能化已經(jīng)成為現(xiàn)代時鐘生產(chǎn)研究的主導設(shè)計方向。 課題研究的主要內(nèi)容 本設(shè)計是以單片機和液晶顯示器為核心，輔以必要的電路，構(gòu)成的一個單片機 LCD 時鐘。課題研究的主要內(nèi)容可分為五部分： ⒈ 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計：時鐘的總體設(shè)計主要是在充分理解設(shè)計要求后準確定位設(shè)計的目的，然后構(gòu)思總體方案，并對各個部分做一個合理的安排和整合，解決總體出現(xiàn)的問題。 ⒉ 硬件電路設(shè)計：從各功能模塊的實現(xiàn)逐個進行分析，在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上進行各控制電路的詳細設(shè)計，檢驗各主要性能參數(shù)是否達到設(shè)計要求。 ⒊ 軟件設(shè)計：包括主程序設(shè)計、各子程序設(shè)計、軟件程序的編制等，并對各部分設(shè)計進行調(diào)試和改進，檢驗錯誤，排除故障。 ⒋ 繪制系統(tǒng)方框圖、主程序流程圖等，用 Protel DXP 軟件繪制 電路原理圖。 ⒌ 用 Keil 軟件進行仿真測試，對出現(xiàn)的問題進行分析和反復修改，避免資源浪費，提高設(shè)計效率和準確性，最終得到正確并符合設(shè)計要求的結(jié)果。 6 第 2 章 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 總體設(shè) 計思路 本設(shè)計是基于單片機技術(shù)原理，以單片機芯片 AT89S51 作為核心控制器，通過硬件電路的制作以及軟件程序的編制，設(shè)計出的一個 LCD 時鐘系統(tǒng)。該時鐘系統(tǒng)由實時控制電路、校時定時電路、顯示電路、報時電路等 部分組成， 系統(tǒng)方框圖如圖 所示。 設(shè)計主要由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分實現(xiàn)。主要硬件有：AT89S51 單片機、實時時鐘芯片 DS130字符型液晶顯示器 LCD1602 和若干按鍵等。在硬件電路的基礎(chǔ)上，軟件設(shè)計按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，運用 C 語言來實現(xiàn)程序控制、時鐘顯示和鬧鈴設(shè)置等。最后應用 Keil 軟件進行仿 真調(diào)試，對出現(xiàn)的問題進行分析和反復修改，最終得到正確并符合設(shè)計要求的結(jié)果。 圖 系統(tǒng)方框圖 設(shè)計 思路可有由 以下幾個方面來確定 ： ⒈ 單片機控制系統(tǒng)： 單片機作為整個硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機、時鐘電路、復位電路等組成。 為了簡化電路、降低成本、提高可靠性， 本設(shè)計采用 AT89S51 作為主控制器， 外加一些控制電路來實現(xiàn) 時 鐘的基本功能。 ⒉ 實時控制電路： 本設(shè)計采用 DS1302 為實時控制芯片 ， 單片機 從中讀取數(shù)據(jù)送到 LCD 顯示器上顯示，從而實現(xiàn) 時 鐘的功能 。 該芯片 是一種 高性能、低功耗、帶 RAM 的實時時鐘芯片， 它通過串行方式與單片機進行數(shù)據(jù)傳送，能夠向單片機提供包括秒、分、時、日、月、年等在內(nèi)的實時時間信息， 而且精度高。 工作電壓寬達 ～ ， 時耗電小于 300nA， 它還擁有用于主電源和 后 備電源的 單 片 機 校時定時電路 顯示電路 報時電路 實時控制電路 7 雙電源引腳，在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行 。 ⒊ 校時定時電路： 校時定時電路主要靠鍵盤來控制。鍵盤是一組按鍵的集合 ，它是嵌入式計算機系統(tǒng)中不可缺少的外圍電路 ， 是實現(xiàn)人機對話的紐帶 。 借助鍵盤可以向計算機輸入程序、置數(shù)、邏輯操作以及寫入程序和程序檢測等。 本設(shè)計中設(shè)置了 4個按鍵來對時間和鬧鈴的設(shè)置。 ⒋ 顯示電路： 液晶顯示 已 成為便攜式應用中的主流顯示技術(shù)。 本設(shè)計 采用字符 型 液晶顯示器 LCD1602 來實現(xiàn)顯示電路的功能。 液晶顯示器具有功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、操作方便等優(yōu)點，能夠滿足設(shè)計要求。 ⒌ 報時電路： 報時是 電子時 鐘的一個重要功能， 本設(shè)計的報時電路包括聲音信號提示部分和光信號提示部分。關(guān)鍵元件是 蜂鳴器 和發(fā)光二極管，功能的實現(xiàn)主要在于單片機程序的編制。 ⒍ 其它設(shè)計的考慮： 還有一些 其 它 電路如時鐘電路 、 復位電路、 電源設(shè)計 等。 系統(tǒng)設(shè)計目標 本時鐘系統(tǒng)設(shè)計目標 歸納起來主要有以下幾點： ⒈ 使用字符型 LCD 顯示時間，顯示格式為：“ TIME：時時：分分：秒秒”； ⒉ 使用時鐘芯片 DS1302 實現(xiàn)時鐘定時； ⒊ 具有鬧鈴功能，一旦時間到則發(fā)出警報聲； ⒋ 具有 4 個按鍵來做功能設(shè)置，具體安排如下： (1) K1 鍵：設(shè)置現(xiàn)在的時間； (2) K2 鍵：顯示鬧鈴功能； (3) K3 鍵：設(shè)置鬧鈴時間； (4) K4 鍵：鬧鈴 ON/OFF 設(shè)置； (5) 設(shè)置現(xiàn)在的時間或是鬧鈴時間： K1 鍵調(diào)整時，