【正文】 .......................................................... 11 附錄 .........................................................................................................................................12 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 共 26 頁 引言 20 世紀(jì)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)品滲透進(jìn)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，同時使現(xiàn)代電子產(chǎn)品的性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品換代更新的節(jié)奏也越來越快。數(shù)字鐘已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚?，廣泛用于個人家庭以及車站、碼頭、劇場、辦公室等公共場所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來極大的方便。 電子鐘是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫挠嫊r工具，而數(shù)字電子鐘又具備體積小、重量輕、精確走時、結(jié) 構(gòu)簡單、耗電量少等優(yōu)點而在生活中被人們廣泛應(yīng)用。 用單片機制作數(shù)字鐘是單片機的一個非常典型的應(yīng)用。數(shù)字鐘采用數(shù)字電路實現(xiàn)對“時、分、秒” 數(shù)字顯示及控制的計時裝置，普遍應(yīng)用于個人家庭及車站、碼頭、辦公室等一系列公共場所，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髦胁豢扇鄙俚谋匦杵?。近年來由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用，使得數(shù)字鐘的精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過舊式鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們生活生產(chǎn)帶來了極大的便利。利用單片機設(shè)計一個電子時鐘，單片和 LCD 顯示器組合用來顯示秒、分、時計數(shù)單元中的值，可以非常準(zhǔn)確地顯示標(biāo)準(zhǔn)時間 ，也可以設(shè)置多個鬧點。 1 設(shè)計要求及目的 設(shè)計要求 在日常工作、學(xué)習(xí)、生活中常常需要多時點提醒或?qū)﹄姎庠O(shè)備的工作程序進(jìn)行控制?，F(xiàn)要求利用模擬、數(shù)字電子技術(shù)或單片機技術(shù)設(shè)計一數(shù)字鐘，至少可設(shè)置 2 個時間鬧點 。 設(shè)計思想 使用整個單片機作為中央控制器，由單片機執(zhí)行采集時鐘芯片的時間信號并通過顯示模塊來輸出信號及相關(guān)的控制功能。時鐘芯片產(chǎn)生時鐘信號，利用單片機的 I/O 口傳輸給單片機；并通過 I/O口實現(xiàn) LCD 的顯示。系統(tǒng)設(shè)有 4 個按鍵可以對時、分、秒、進(jìn)行調(diào)整。 總體設(shè)計方案 本設(shè)計是以單片機及外圍接口電路為核心硬件，輔 以其他硬件電路，用匯編語言設(shè)計的程序來實現(xiàn)的。根據(jù) C52 單片機的外圍接口特點擴展相應(yīng)的硬件電路，然后根據(jù)單片機的指令設(shè)計出數(shù)字鐘相應(yīng)的軟件，再利用軟件執(zhí)行一定的程序來實現(xiàn)數(shù)字鐘的功能。由于采用集成芯片的單片機來設(shè)計并制作電子鐘，這樣設(shè)計制作簡單而且功能多、精確度高，也可以方便擴充其他功能，實現(xiàn)也比較簡單。本設(shè)計是利用 STC89C52 單片機為主控芯片，由 LCD、晶振、電阻、電容、開關(guān)、蜂鳴器等元件組成硬件電路，通過編寫軟件程序來實現(xiàn)和控制的多鬧點數(shù)字鐘 [1]。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖 所示。 LCD 片選 代碼 喇叭 振蕩電路 STC89C52 調(diào)時電路 圖 系統(tǒng)設(shè)計思路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 共 26 頁 2 硬件設(shè)計 單片機簡介 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 [2]。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路， 3 個 16 位 定時器 /計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工 串行口 。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。 單片機是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計算機。這些部件包括中央 處理器 CPU、數(shù)據(jù)存儲器 RAM、程序存儲器 ROM、定時器 /計數(shù)器和多種 I/O 接口電路。 STC89C52 是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場合?？梢詽M足多方面的性能要求。采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需 2 到 4 個時鐘周期（ 6 倍于標(biāo)準(zhǔn) 51 單片機器件） [3]。 STC89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個 I／ O 口線，兩個 16 位定時／計數(shù)器，一個 5 向量兩級斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， STC89C52 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時／計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位 。其引腳圖如圖 所示。 圖 STC89C52 引腳排列 復(fù)位電路設(shè)計 復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式，上電自動復(fù)位是在加電瞬間電容通過充電來實現(xiàn)的，在通電瞬間，電容通過電阻充電 RST 端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。只要電源 Vcc 的上升時間不超過 1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。關(guān)于參數(shù)的選定，在振蕩穩(wěn)定后應(yīng)保證復(fù)位高電平持續(xù)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 共 26 頁 時間時間大于兩個機器周期 [4]。本設(shè)計采用的復(fù)位電路如圖 所示。 圖 復(fù)位電路圖 蜂鳴器電路設(shè)計 蜂鳴器是種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，用 直流電壓 供電， 普遍的 應(yīng)用于打印機 和 復(fù)印機、 計算機、 報警器、 電子玩具 、汽車電子設(shè)備、電話機 及定時器 等 各類 電子產(chǎn)品中作 信號 發(fā)聲 器件 [5]。 蜂鳴器分為有源和無源兩種，此處源值得是振蕩源，而非電源。兩者的區(qū)別是：有源蜂鳴器只要給一個電源，就能發(fā)聲，所以程序控制方便，但由于多了一個 振蕩電路，價格上相對較高；無源蜂鳴器給直流信號無法使其發(fā)聲，須通高低電平才能使其發(fā)聲，顯然高低電平的頻率不能太低，但是頻率也不能太高，否則蜂鳴器 的響應(yīng)速度跟不上，由此可知無源蜂鳴器控制較為復(fù)雜。但是其價格便宜。本設(shè)計采用無源蜂鳴器，串聯(lián)一個 1k 的電阻到單片機 I/O 口，這里的三極管接法為射極跟隨器，和普通的開關(guān)工作的三極管工作（ e 極接地， c 極輸出）有所不同。射極跟隨器的輸出電壓是跟隨基極電壓變化而變化的（ Ue=Ub+），盡管當(dāng)基極電壓很高（ Ub）時，三極管確實是截止了（因為這時基極沒有 電流）；而基極低電平最低的時候（輸入端為 0），三極管工作只能是接近于飽和狀態(tài)，仍然屬于放大狀態(tài)（因為 Ue=Ub+）?；鶚O低電平的時候，電流是從 e 極 b極和 e 極流向 c 極，符合 Ic=βIb， Ie=Ib+Ic， 如圖 所示 。 R11kQ1M P S 3 7 0 2B U Z 1B UZ Z E RP 3 . 6 圖 蜂鳴器電路設(shè)計 按鍵電路設(shè)計 按鍵 電路 的 閉合 狀態(tài)通過 相應(yīng) 的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)。按鍵閉合 的 過程在 對應(yīng) 的 I/O 端口形成一個負(fù)脈沖。閉合和釋放過程都要經(jīng)過一定的過程才能達(dá)到穩(wěn)定。這一過程是處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)， 這種不穩(wěn)定的狀態(tài) 稱為抖動 [6]。抖動的持續(xù)時間 長短與開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般在 5— 10ms 之間。本文采用的是獨立式按鍵，直接用 I/O 口線構(gòu)成單個按鍵電路，每個按鍵占用一條 I/O 口線，每個按鍵的工作狀態(tài)不會產(chǎn)生相互影響。 表示設(shè)置鍵，可設(shè)置年月日時分秒， 表示調(diào)整 鍵 ， 表示保存鍵， 表示鬧鐘模式鍵，可設(shè)置兩個鬧點。按鍵 設(shè)計如圖 所示。 晶振電路設(shè)計 STC89C52 系列的單片機的時鐘方式分為內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式就是在單片機的XTAL1 和 XTAL2 的兩引腳外接晶振，就夠成了自激振蕩器在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。外部時鐘方式是把外部已經(jīng)有的時鐘信號引入到單片機內(nèi)部。時鐘電路在計算機系統(tǒng)中 扮演著相當(dāng) 重要的 角色 ，是保證系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ) [7]。在一個單片機 的 應(yīng)用系統(tǒng)中，時鐘 含有兩方面的作用 ：一是指為保障系統(tǒng) 可以順利 工作的基準(zhǔn)振蕩定時信號，主要由晶振 及 外圍電路組成，晶振頻率的 高低C31 0 uR21kRS T+5 V陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 共 26 頁 決定了單片機 工作系統(tǒng) 的 性能 ；二是指 單片機 系統(tǒng) 中的 標(biāo)準(zhǔn)定時時鐘，即定時時間。 圖 按鍵電路設(shè)計 本設(shè)計是采用用一個 晶振和兩個 30Pf 瓷片電容組成，為單片機提供 脈沖信號 ，其中兩個瓷片電容起微調(diào)作用。 常用波特率通常按規(guī)范取為 1200,2400,4800,9600 等等，若采用 12MHz或 6MHz，由公式：波特率 =（ 2SMOD/32） *(T1 溢出率 )得出的 T1 定時初值將不是一個整數(shù)，這樣通信時便會積累誤差，進(jìn)而產(chǎn)生波特率誤差，影響串行通信的同步性能。所以我們這兒采用 的晶振，因為它能夠非常準(zhǔn)確的計算出 T1 的定時初值 [8]。 之所以采用高性能的振蕩電路，因為： 1） 單片機電子鐘的計時脈沖基準(zhǔn)是由外部晶振的頻率經(jīng)過 12 分頻后提供，采用內(nèi)部的定時 /計數(shù)器來實現(xiàn)計時功能。所以，外接晶振頻率精確度直接影響電子鐘計時的準(zhǔn)確性。 2） 單片機電子鐘利用內(nèi)部定時 /計數(shù)器溢出產(chǎn)生中斷再乘以相應(yīng)的倍率來實現(xiàn)秒、分、時的轉(zhuǎn)換。大家都知道從定時 /計數(shù)器產(chǎn)生中斷請求到響應(yīng)中斷需要 38 個機器周期，定時中斷子程序中的數(shù)據(jù)入棧和重裝定時 /計數(shù)器的初值還需要占用數(shù)個機器周期，還有從中斷入口轉(zhuǎn)到中斷子程序也要占用一定的機器周期。晶振電路圖如圖 所示。 圖 晶振電路設(shè)計 時鐘電路設(shè)計 時鐘電路用 DS1302， DS1302 的引腳排列 ,其中 Vcc1 為后備電源， Vcc2 為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。設(shè)計的時候 Vcc1 接 地， Vcc2 接電源， X1 和 X2 是振蕩源，外接 32KHz 晶振。 RST 是復(fù)位 /片選線，通過把 RST 輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送 [9]。時鐘電路設(shè)計如圖 所示。 R S T5S C L K7I /O6X12X23V C C 18V C C 21U2D S 1 3 0 2X2C R Y S T A LP 2 .0P 2 .2P 2 .1+5 V 圖 時鐘電路圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 共 26 頁 LCD 顯示部分 為了獲得更好的效果本設(shè)計采用了型號為 1602 的 LCD。 LCD 有 LED 數(shù)碼顯示更好的更的直觀效果，也更加經(jīng)久耐用。液晶顯示模塊體積小功耗低、顯示內(nèi)容豐富，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件之一了。本 LCD 是 2 行 16 列液晶可顯示 2 行 16 列英文字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0D7， RS， R/W， EN 三個控制端口（共 14 線），工作電壓為 5V。沒背光，和常用的 1602B 功能和引腳一樣（除了調(diào)背光的二個線腳） . 該模塊也可只用 D4D7 作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送 [9]。這樣的話可以節(jié)省 MCU 的 I/O 口資源。 引腳說明 如圖 所示。 D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3L C D 1L M 0 1 6 L 圖 LCD1602 引腳分布 第 1 腳： VSS 為地電源。 第 2 腳： VDD 接 5V 正電源。 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，