【正文】 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)字時(shí)鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老式鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動報(bào)警、按時(shí)自動打鈴、時(shí)間程序自動控制、定時(shí)廣播、自動開起閉路燈、定時(shí)開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備、甚至各種定時(shí)電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字時(shí)鐘 及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。 （ 1） 了解 MSP430 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)?zāi)K原理，畫出電路原理圖 （ 2） 綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)?zāi)K，開發(fā)設(shè)計(jì)具有一定功能的單片機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行軟、硬件的設(shè)計(jì)及調(diào)試 基于 MSP430 單片機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì) 2 （ 3） 寫出完整的設(shè)計(jì)任務(wù)書：課題的名稱、系統(tǒng)的功能、硬件原理圖、軟件框圖、程序清單、參考資料 （ 4） 時(shí)間包括年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的顯示 （ 1） 鞏固、加深和擴(kuò)大單片機(jī)應(yīng)用的知識面，提高綜合及靈活運(yùn)用所學(xué)的知識解決工業(yè)控制的能力 （ 2） 培養(yǎng)針對課題需要，選擇和查閱有關(guān)手冊、圖標(biāo)及文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力，提高組 成系統(tǒng)、編程、調(diào)試的動手能力 （ 3） 通過對課題設(shè)計(jì)方案的分析、選擇、比較，熟悉單片機(jī)用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程 及 軟硬件設(shè)計(jì)的方法、內(nèi)容及步驟 基于 MSP430 單片機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì) 3 第二章 數(shù)字時(shí)鐘的構(gòu)成及方案選擇 數(shù)字時(shí)鐘實(shí)際上是一個對標(biāo)準(zhǔn)頻率（ 1HZ）進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，故需要在電路上加一個校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的 1MHZ 時(shí)間信號必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定。通常使用石英晶體振蕩器電路構(gòu)成數(shù)字時(shí)鐘。 （ 1） 晶體振蕩器電路 晶體振蕩器電路給數(shù)字時(shí)鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)備的 12MHZ 的方波信號沒課保證數(shù)字時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn) 定，不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。 （ 2） 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路 時(shí)間計(jì)數(shù)器電路由秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器，分個位和分十位計(jì)數(shù)器電路組成，秒個位和秒十位計(jì)數(shù)器，分個位和分十位計(jì)數(shù)器為 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 單片機(jī)模塊方案 方案一：使用 89C51 單片機(jī)模塊。其內(nèi)部數(shù)據(jù)總線是 8 位的，雖然經(jīng)過各種努力使其內(nèi)部功能模塊有了顯著的增加，但是受其結(jié)構(gòu)本身的限制很大，其模擬功能部件的增加更加困難。其指令采用的是復(fù)雜指令集（ CISC），在待機(jī)狀態(tài)下，耗電電流仍為 3mA。 方案二：使用 MSP430 單片機(jī)模塊其基本架構(gòu)是 16 位的，同時(shí)在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過轉(zhuǎn)換還存在 8 位的總線，在加上本身就是混合型的結(jié)構(gòu)，因而對它這樣的開放型的架構(gòu)來說，無論擴(kuò)展 8 位的功能模塊，還是 16 位的功能模塊，即使擴(kuò)展模 /數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù) /模轉(zhuǎn)換這類的功能模塊也是很方便的。由于引進(jìn)了 Flash型程序存儲器和 JTAG 技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)在線編程和仿真，而且使開發(fā)工具變得簡便，價(jià)格也相對低廉。所以本次設(shè)計(jì)采用了 MSP430 單片機(jī)模塊。 時(shí)鐘方案選擇 基于 MSP430 單片機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì) 4 方案一：基本門電路搭建。用基本門電路來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘發(fā)生器，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故 障系數(shù)大，不易測試。 方案二：專用時(shí)鐘芯片。目前市場上已有很多實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。如 DS1288DS130 DS130 PCF856 X1227 等，芯片內(nèi)都集成了時(shí)鐘 /日歷功能，給時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很多方便。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在本設(shè)計(jì)中我采用了 DS1302 時(shí)鐘芯片。 鍵盤模塊選擇 方案一：采用陣列式鍵盤。此類鍵盤是采用行列掃描方式，當(dāng)按鍵較多時(shí)可以降低占用單片機(jī)的 I/O 數(shù)目。但是本次設(shè)計(jì)按鍵較少，所以不采納。 方案二：采用獨(dú)立式按鍵電路。每個鍵單獨(dú)占有一根 I/O 的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端 口直接掃描方式。所以 在設(shè)計(jì)中 選擇了采用獨(dú)立式按鍵。 顯示模塊方案選擇 方案一：采用液晶顯示器。液晶也傳統(tǒng)的顯示器相比，最大的優(yōu)點(diǎn)在于耗電量和體積，一般的液晶顯示器的分辨率可達(dá)到 720 線之上，當(dāng)然，液晶還在輕薄性上有著明顯的優(yōu)勢，但是液晶顯示器的可視偏轉(zhuǎn)角度有限，容易產(chǎn)生影響拖尾現(xiàn)象，而且液晶顯示器的壽命也很短。 方案二：采用數(shù)碼管顯示器。 LED 數(shù)碼管能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與 CMOS、 ITL 電路兼容，發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短，高頻特性好，單色性好，亮度高，體積小，重量輕，抗沖擊性能好，壽命長 ，使用壽命在 10 萬小時(shí)以上，甚至可達(dá) 100 萬小時(shí)。成本低，因此它被廣泛用作數(shù)字儀表、數(shù)控裝置、計(jì)算機(jī)的數(shù)顯器件。在設(shè)計(jì)中我們也選擇使用數(shù)碼管。 基于 MSP430 單片機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì) 5 第三章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本次電路的設(shè)計(jì)，是由鍵盤來設(shè)置和調(diào)節(jié)數(shù)碼管上所顯示的日期、時(shí)間等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過 MSP430 模塊的整理和傳送，控制各個模塊的正常運(yùn)行 ，時(shí)間通過 LED 數(shù)碼管顯示器顯示出來。如圖 所示： 圖 本設(shè)計(jì)是以 MSP430 單片機(jī)為控制核心，其芯片具有在線編程功能，功耗 低，能低電壓，小電流下工作；時(shí)鐘芯片采用 DS1302，它是一款高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，其精度和使用壽命相對其他芯片具有明顯的優(yōu)越性，同時(shí)具有掉電自動保存功能 ,可以對年、月、日、星期、時(shí)、分、秒進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整；溫度檢測模塊由 DS18B20 構(gòu)成 ,該 傳感器結(jié)構(gòu)簡單，不需要外 接 電路，在 10℃ — +85℃范圍內(nèi)精度為177。 ℃，精度較好； 顯示部份使用 LED 數(shù)碼管顯示屏來實(shí)現(xiàn) ,該顯示屏具有 高頻特性好，單色性好，亮度高，體積小，重量輕，抗沖擊性能好，壽命長 的特點(diǎn)。 MSP430 單片機(jī)簡介 強(qiáng)大的 處理能力 MSP430 系列單片機(jī)是一個 16 位的單片機(jī)，采用了精簡指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲都可以參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHZ晶體驅(qū)動下指令周期為 125ns。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。 MSP430 單片機(jī)模塊 按鍵模塊 數(shù)碼管顯示 模塊 時(shí)鐘模塊 基于 MSP430 單片機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì) 6 MSP430 系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請求講它喚醒只有 6us。超低功耗 MSP430單片 機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。首先， MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是~ 電壓。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會在200~400uA 左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 。其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在 MSP430 系列中有兩個不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻（ FLL和 FLL+)時(shí)鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。有的使用一個晶體振蕩器（ 32768Hz），有的使用兩個晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對總體功耗的控制。 MSP430 單片機(jī)引腳圖如圖 所示 ： 圖 MSP430 單片機(jī)的引腳圖 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) MSP430單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位電路功能模塊共有兩個復(fù)位信號：一個是上電復(fù)位信號 POR 和上電清除信號 PUC。當(dāng)器件上帶電或者 RST/NMI 引腳配置為復(fù)位模式即RST/NMI 引腳產(chǎn)生低電平的時(shí)候，器件上會產(chǎn)生上電復(fù)位信號，當(dāng)啟動看門狗，向看門狗寫入錯誤的安全參數(shù)值，向片內(nèi) Flash 寫入錯誤的安全參 數(shù)值的時(shí)候，會引起產(chǎn)生上電清除信號。當(dāng)產(chǎn)生上電復(fù)位信號時(shí)，必然會產(chǎn)生上電清除信號。但是當(dāng)產(chǎn)生上電清除信號的時(shí)候缺不會產(chǎn)生上電復(fù)位信號。 基于 MSP430 單片機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì) 7 圖 晶振電路設(shè)計(jì) MSP430 系列芯片所有的晶振接口上的旁路電容大概都是 2pF，旁路電容我們可以看成是晶振和單片機(jī)之間的負(fù)載電容，但是旁路電容隨著晶振和單片機(jī)的距離以及單片機(jī)的種類，在電氣焊接時(shí)的方法不同而不同，所以為了要更好的讓晶振起振，選擇合適的負(fù)載能力比較強(qiáng)的晶振。 MSP430 系列芯片因?yàn)槭堑凸膯纹瑱C(jī)，所以 它 的 I/O 流過的電流比較 小，在這種情況下就必須要求晶振的諧振電阻必須要小，因?yàn)樘罅?I/O 不能供應(yīng)足夠的電流讓晶振正常的工作，所以必須選擇合適的諧振電阻的晶振。 MSP430 系列芯片對晶振輸出的正弦波震蕩幅度也有要求，最低必須保證要有 的輸出電壓，所以必須選擇合適的諧振輸出電壓值的晶振。影響晶振起振的原因有晶振（ ESR）、晶振啟動后負(fù)載電容的大小、單片機(jī)電源電壓的范圍、 PCB 布線和電氣隔離、外部的環(huán)境因素和電路板的保護(hù)涂層處理，上面具體介紹的三個參數(shù)是選擇晶振時(shí)必須考慮的最主要的參數(shù)。 在振蕩回路中，晶體既不能過激勵 (容 易振到高次諧波上 )也不能欠激勵 (不容易起振 )。晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點(diǎn)，負(fù)載電容，激勵功率，溫度特性，長期穩(wěn)定性。 圖 基于 MSP430 單片機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì) 8 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì) DS1302 時(shí)鐘內(nèi)含有一個實(shí)時(shí)時(shí)鐘 /日歷和 31 字節(jié)靜態(tài) RAM，通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)時(shí)鐘 /日歷電路提供年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時(shí)鐘操作可通過 AM/PM 指示決定采用 24 或 12 小時(shí)格式。 DS1302 與單片機(jī)之間能簡單的采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三個口線：（ 1） RES(復(fù)位）、（ 2） I/O（數(shù)據(jù)線）、（ 3） SCLK（串行時(shí)鐘），時(shí)鐘 RAM 的讀寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達(dá) 31 個 字節(jié)的字符組方式通信。 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。 RST 輸入有兩種功能：首先， RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng) RST 為高電平時(shí)，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送， I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在 Vcc超過 之前， RST 必須保持低電平。只有在 SCLK 為低電平時(shí)，才能將 RST置為高電平。 I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端， SCLK 始終是輸入端。 圖 時(shí)鐘模塊電路圖 鍵盤模塊設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用了獨(dú)立式鍵盤電路，這種鍵盤使用單片機(jī)的 I/O 口線直接連接，每個按鍵對應(yīng)一根口線，每根 I/O 口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他 I/O口線上的狀態(tài)。鍵盤的工作方式可分為編程控制方式和中斷控制方式，設(shè)置各個口線為輸入模式，通過中斷方式或者軟件查詢方式獲取各個口線是否有鍵按下的信息在如圖 所示的鍵盤中，有鍵按下則口線端電平為高，否則為低電平。在按下設(shè)置鍵要對其時(shí)間進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可 通過 +、 對其進(jìn)行調(diào)整，如果要調(diào)整多個時(shí)間點(diǎn)的話，在對其中一個設(shè)置完成結(jié)束后，系統(tǒng)會自動跳到下一個時(shí)間點(diǎn)，這樣就能對所有的點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整結(jié)束后返回顯示調(diào)整之后的時(shí)間。 基于 MSP430 單片機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì) 9 圖 按鍵模塊電路圖 顯示模塊設(shè)計(jì) LED數(shù)碼管里面有 8只發(fā)光二極管，分別記作 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp，其中 dp為小數(shù)點(diǎn)，每一只發(fā)光二極管都有一根電極引到外部引腳上，而另外一只引腳就連接在一起同樣也引到外部引腳上，記作公共端（ COM）。共陰極的 LED，只要在某該段二極管加上高電平，該段即點(diǎn)亮，反之則暗。對共 陰極 LED 顯示器的控制采用“接地方式”即通過控制 LED 的“ GND”引腳的電平高低來達(dá)到選通的目的，該引腳即通常所說的位選線。共陽極 LED 顯示器控制方式則相反。兩種控制方式中，共陰極 LED 控制方式受糸統(tǒng)器件功耗限制的段則不能點(diǎn)亮 使用 LED 顯示器時(shí)，工作電流一般為 210mA/段，這樣當(dāng) LED 處于全亮狀態(tài)時(shí)，工作電流約 1580 mA 左右。 LED 顯示器的亮度除與工作電流有關(guān)外，還與LED 的型號有關(guān)。根據(jù)顯示亮度的不同劃分為普通亮度和高亮度 LED，高亮度 LED 顯示器的發(fā)光強(qiáng)度遠(yuǎn)大于普通亮度的 LED，正常情況下的發(fā)光強(qiáng)度越是普通 LED 的 10 倍，即在 12 mA/段時(shí)便可點(diǎn)亮。 圖 顯示模塊電路 LED 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們需要的位數(shù)，因此根據(jù) LED 數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 基于 MSP430 單片機(jī)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì) 10 （ 1） 靜態(tài)顯示驅(qū)動： 靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每個段碼都由一個單片機(jī)的 I/O 埠進(jìn)行驅(qū)動，或