【正文】 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論文 ） 第 1 頁共 50 頁 PROTUES 仿真圖 protel 99e 硬件原理圖 元器件清單 有需要的加我 qq 981196812 下面是正文部分 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論文 ） 第 2 頁共 50 頁 1 引言 人類的生活和工作均離不開時(shí)鐘。從古代的滴漏更鼓到近代的機(jī)械鐘，從電子表到目前的數(shù)字時(shí)鐘，為了準(zhǔn)確的測(cè)量和記錄時(shí)間，人們一直在努力改進(jìn)著計(jì)時(shí)工具。鐘表的數(shù)字化，大力推動(dòng)了計(jì)時(shí)的精確性和可靠性。 課題背景 近些年，隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)數(shù)字鐘的要求也越來越高，傳統(tǒng)的時(shí)鐘已不能滿足人們的要求。多功能數(shù)字鐘不管在性能還是在樣式上都 發(fā)生了質(zhì)的變化，有電子鬧鐘、數(shù)字鬧鐘等等。數(shù)字鐘成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?,由于數(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 [1]。 在日常生活和工作中，我們常常用到定時(shí)控制，如擴(kuò)印過程中的曝光定時(shí)等。早期常用的一些時(shí)間控制單元都使用模擬電路設(shè)計(jì)制作的，其定時(shí)準(zhǔn)確性和重復(fù)精度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字技術(shù)的新一代產(chǎn)品，隨著單片機(jī)性能價(jià)格比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應(yīng)用也越來越廣泛，大可構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)， 完成復(fù)雜的控制功能。小則可以用于家電控制，甚至可以用于兒童電子玩具。它功能強(qiáng)大，體積小，質(zhì)量輕，靈活好用，配以適當(dāng)?shù)慕涌谛酒梢詷?gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品 [2]。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，家用電器和辦公電子設(shè)備逐漸增多，不同的設(shè)備都有自己的控制器，使用起來很不方便。根據(jù)這種實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)單片機(jī)多功能數(shù)字時(shí)鐘，它可以避免多種控制器的混淆，利用一個(gè)控制器對(duì)多路電器進(jìn)行控制，同時(shí)又可以進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)和定點(diǎn)打鈴。它可以執(zhí)行不同的時(shí)間表（考試時(shí)間和日常作息時(shí)間）的打鈴，可以任意設(shè)置時(shí)間。這種具有人們所需 要的智能化特性的產(chǎn)品減輕了人的勞動(dòng)，擴(kuò)大了數(shù)字化的范圍，為家庭數(shù)字化提供了可能。 電子鐘是一種利用數(shù)字電路來顯示秒、分、時(shí)的計(jì)時(shí)裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動(dòng)裝置等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場(chǎng)合可以看到數(shù)字淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論文 ） 第 3 頁共 50 頁 電子鐘。在城市的主要營(yíng)業(yè)場(chǎng)所、車站、碼頭等公共場(chǎng)所使用 LCD 數(shù)字電子鐘已經(jīng)成為一種時(shí)尚。但目前市場(chǎng)上各式各樣的 LCD 數(shù)字電子鐘大多數(shù)用全硬件電路實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率損耗大等缺點(diǎn)，因此有必要對(duì)數(shù)字電子鐘進(jìn)行改進(jìn)。 數(shù)字時(shí)鐘的 發(fā)展現(xiàn)狀 幾種常用數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案： a) 基于微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì) 計(jì)時(shí)單元由定時(shí) /計(jì)數(shù)器 8253 的通道 0 來實(shí)現(xiàn)。定時(shí)采用硬件計(jì)數(shù)和軟件技術(shù)相結(jié)合的方式，即通過 8253 產(chǎn)生一定的定時(shí)時(shí)間，然后再利用軟件進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)制定時(shí)。 8253 定時(shí)時(shí)間到了之后產(chǎn)生中斷信號(hào)， 8253在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒的累加。 時(shí)間顯示采用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的 6 個(gè) LED 數(shù)碼管分別顯示時(shí)、分、秒，采用動(dòng)態(tài)掃描方式實(shí)現(xiàn)。 校時(shí)和鬧鈴定時(shí)通過鍵盤電路和單脈沖產(chǎn)生單元來輸入。按鍵包括校時(shí)鍵、鬧鐘定時(shí)鍵、加 1 鍵和減 1 鍵等。 報(bào)警 聲響用蜂鳴器產(chǎn)生，將蜂鳴器接到 8255 的一個(gè)端口，通過輸出電平的高低來控制蜂鳴器的發(fā)聲。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要利用微機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的電路模塊。硬件電路主要由鍵盤電路、單脈沖產(chǎn)生單元、 8253 定時(shí)計(jì)數(shù)器、 8255 并行接口單元、 8259 中斷控制器、 LED 顯示電路和蜂鳴器電路等等。 b) 基于 VHDL 的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì) 基于 VHDL 語言，用 Top_Down 的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。 用 CN6 無進(jìn)位六進(jìn)制計(jì)數(shù)器選擇數(shù)碼管的亮滅以及對(duì)應(yīng)的數(shù)，循環(huán)掃描顯示，用 SEL61 六選一選擇器選擇給定的信號(hào)輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)送到七段碼譯碼器。 K4 模塊進(jìn)行復(fù) 位，設(shè)置小時(shí)和分，輸出整點(diǎn)報(bào)時(shí)信號(hào)和時(shí)，分，秒信號(hào)。 單元模塊設(shè)計(jì)部分分三個(gè)部分，介紹數(shù)字鐘選擇顯示數(shù)碼管和對(duì)應(yīng)的數(shù)模塊 CN6,信號(hào)選擇模塊 SEL61,七段碼譯碼器模塊 DISP 和復(fù)位，秒，分，時(shí)顯示，設(shè)置模塊。 c) 基于單片機(jī)數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì) 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論文 ） 第 4 頁共 50 頁 基于單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)是模塊化設(shè)計(jì)，以單片機(jī)做主控制模塊，控制時(shí)鐘芯片、溫度傳感器芯片等，又將數(shù)據(jù)控制輸出到顯示模塊。 基于 MCS51 單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘系統(tǒng)具有顯示準(zhǔn)確、直觀、易于調(diào)整等特點(diǎn)。單片機(jī)自誕生以來給全世界人類的生活和工作起到了劇烈的變化，而MCS51 單片 機(jī)是我國(guó)使用最早、最易掌握和應(yīng)用的一款單片機(jī)。通過該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)單片機(jī)的原理和功能有個(gè)比較系統(tǒng)和全面的掌握，初步學(xué)習(xí)到有關(guān)工程設(shè)計(jì)的方法和思路。這樣以后的就業(yè)面會(huì)更加寬廣，也可以滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)單片機(jī)開發(fā)人才的大量需求。 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC 卡，錄象機(jī)、攝象機(jī)，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī) 器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機(jī)在多功能數(shù)字鐘中的應(yīng)用已是非常普遍的，人們對(duì)數(shù)字鐘的功能及工作順序都非常熟悉。但是卻很少知道它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理。由單片機(jī)作為數(shù)字鐘的核心控制器，可以通過它的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，將其時(shí)間數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)輸出，利用顯示器顯示出來。通過鍵盤可以進(jìn)行定時(shí)、校時(shí)功能。輸出設(shè)備顯示器可以用液晶顯示技術(shù)和數(shù)碼管顯示技術(shù)。 綜上所述此基于單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘具有讀取方便、顯示直觀、功能多樣、電路簡(jiǎn)潔、成 本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合電子儀器儀表的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。值得我們進(jìn)行深入的研究和了解。 課題研究的意義 多功能數(shù)字時(shí)鐘的用途十分廣泛，只要有計(jì)時(shí)的存在，便要用到數(shù)字時(shí)鐘的原理及結(jié)構(gòu)；同時(shí)在日期中，它以其小巧，價(jià)格低廉，走時(shí)精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受廣大消費(fèi)者的喜愛。隨著人類科技文明的發(fā)展，人們對(duì)于時(shí)鐘的要求在不斷提高。時(shí)鐘已不僅僅被看出一種用來顯示時(shí)間的工具，在很多實(shí)際應(yīng)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(shí)鐘發(fā)展的趨勢(shì)。在這種趨勢(shì)下， 時(shí)鐘的淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論文 ） 第 5 頁共 50 頁 數(shù)字化、多功能化已經(jīng)成為現(xiàn)在時(shí)鐘生產(chǎn)研究的主導(dǎo)設(shè)計(jì)方向 [3]。 本課題研究?jī)?nèi)容 本論文主要研究基于單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)。當(dāng)程序執(zhí)行后，顯示即時(shí)時(shí)間、年月日、星期、溫度。設(shè)置 4 個(gè)操作鍵： K1：設(shè)置鍵； K2：上調(diào)鍵； K3：下調(diào)鍵； K4：確定鍵。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容： 了解單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，熟悉 數(shù)字時(shí)鐘 各模塊的工作原理； 選擇適當(dāng)?shù)男酒驮骷?，確定系統(tǒng)電路，繪制電路原理圖，尤其是各接口電路； 熟悉單片機(jī)使用方法和 C 語言的編程規(guī)則，編寫出相應(yīng)模塊的應(yīng)用程序； 分別在各自的模塊中調(diào)試出對(duì)應(yīng)的 功能，在Proteus 軟件上進(jìn)行仿真。 做出實(shí)物，調(diào)試出相應(yīng)功能。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)構(gòu)成 設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘和數(shù)字溫度計(jì)，并將時(shí)間和溫度直接的顯示出來。設(shè)計(jì)初步思路：本設(shè)計(jì)由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、溫度檢測(cè)電路、顯示電路、鍵盤接口 5 個(gè)模塊組成。如下圖 所示， 圖 系統(tǒng)框圖 模塊芯片方案的選擇 單片機(jī)主控制部分的方案 方案一 用凌陽 16位單片機(jī)設(shè)計(jì)。凌陽 16位單片機(jī)有豐富的中斷源和時(shí)基，方便本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。它的準(zhǔn)確度相當(dāng)高，并且 C語言和匯編 兼容的編程環(huán)境也很方便來實(shí) 單 片 機(jī) 電 源 時(shí)鐘 顯示 鍵盤部分 溫度檢測(cè) 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論文 ） 第 6 頁共 50 頁 現(xiàn)一些遞歸調(diào)用。但是，在控制與顯示的結(jié)合上有些復(fù)雜，顯示模組資源相對(duì)有限，而且單片機(jī)的穩(wěn)定性不是很高。 方案二 主控芯片使用 51 系列 AT89C52 單片機(jī)，片內(nèi) ROM 全都采用 Flash ROM，能以 3V 的超底壓工作，同時(shí)也與 MCS51 系列單片機(jī)完全該芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器為8KB ROM 存儲(chǔ)空間，同樣具有 89C51 的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)，當(dāng)在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，不需要對(duì)芯片多次拔插，所以不會(huì)對(duì)芯片造成損壞。 時(shí)鐘芯片 的方案 方案一 直接采用單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器提供秒信號(hào)，使用程序?qū)崿F(xiàn)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)。采用此種方案雖然減少芯片的使用，節(jié)約成本，但是，實(shí)現(xiàn)的時(shí)間誤差較大。所以不采用此方案。 方案二 采用 DS1302 作為主要計(jì)時(shí)芯片，可以做到計(jì)時(shí)準(zhǔn)確。更重要的是， DS1302可以在很小電流的后備電源（ ～ 5V 電源，在 時(shí)耗電小于 300nA）下繼續(xù)計(jì)時(shí)，停電后時(shí)鐘無需重新調(diào)整，并可編程選擇多種充電電流來對(duì)后備電源進(jìn)行慢速充電，可以保證后備電源基本不耗電，陽歷、星期與年月日自動(dòng)對(duì)應(yīng)。 測(cè)溫部分的方案 方案一 使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個(gè)相應(yīng)阻值電阻相串聯(lián)分壓，利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特性，采集這兩個(gè)電阻變化的分壓值，并進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。此設(shè)計(jì)方案需用 A/D 轉(zhuǎn)換電路，增加硬件成本而且熱敏電阻的感溫特性曲線并不是嚴(yán)格線性的，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。 方案二 與前面相比，采用美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司繼 DS1820 之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器 DS18B20 作為檢測(cè)元件，測(cè)溫范圍為 55～ 125℃ ，最大分辨率可達(dá) ℃ 。采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，此類傳感 器為數(shù)字式傳感器而且僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，易于與單片機(jī)連接，可以去除 A/D淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論文 ） 第 7 頁共 50 頁 模塊，降低硬件成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路。另外，數(shù)字式溫度傳感器還具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。 顯示部分的方案 方案一 采用 LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描 ,雖然 LED數(shù)碼管價(jià)格適中 , LED數(shù)碼管顯示容量有限，且動(dòng)態(tài)掃描需要占用大量單片機(jī)時(shí)間，無法做到實(shí)時(shí)顯示。所以在此設(shè)計(jì)中也不采用 LED 數(shù)碼管。 方案二 采用 LCD 液晶顯示屏 ,液晶顯示 屏的顯示功能強(qiáng)大 ,可顯示大量文字 ,圖形 , 具有超精致影像畫質(zhì)、十足平面顯示、節(jié)省空間、節(jié)省 能源等優(yōu)點(diǎn)。 綜上各方案所述 ,對(duì)此次設(shè)計(jì)的方案選定 : 采用 AT89C52 作為主控制芯片，DS1302 時(shí)鐘芯片計(jì)時(shí)， DS18B20 采集溫度， LCD1602 作為顯示模塊。 3 硬件設(shè)計(jì) 本電路是以 AT89C52 單片機(jī)為控制核心，該芯片具有在線編程功能，功耗低，能在 的超低壓下工作；時(shí)鐘芯片采用 DS1302，它是一款高性能、低功耗、自帶 RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有使用壽命長(zhǎng)，精度高和功耗低等特點(diǎn)，同時(shí)具有掉電自動(dòng)保存功能 ,可以對(duì)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，其工作電壓為 ～ ；溫度檢測(cè)模塊由 DS18B20 構(gòu)成 ,它采用獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊 , 具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn) ,其測(cè)溫范圍在 55~+125℃ ,工作電壓為 3v~；顯示部份使用 1602 液晶顯示屏來實(shí)現(xiàn) ,該顯示屏具有低功耗、壽命長(zhǎng)、可靠性高的特點(diǎn)，其工作電壓為 5v[4]。 單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)外設(shè)的控制和各個(gè)功能模塊間的協(xié)調(diào)，沒有復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算，因此 8 位的 51 系列單片機(jī)足以勝任。 51 單片機(jī)以其低廉的價(jià)格以及出色的性能成了很多控制系統(tǒng)的首選。它具有豐 富的內(nèi)部資源，較大的數(shù)據(jù)，程序存儲(chǔ)區(qū)。一個(gè)典型的單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，電源指示燈和尾部擴(kuò)展接口等部分組成，本系統(tǒng)也不例外，當(dāng)單片機(jī)具備了這些最基本的淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論文 ） 第 8 頁共 50 頁 條件后，就可以正常工作了。 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 所示，單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 引腳用于連接晶振電路。 XTAL1 接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入， XTAL2 接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出。 RESET 為復(fù)位引腳，連接復(fù)位電路，它用于對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化。復(fù)位電路包括復(fù)位電容，復(fù)位電 阻和復(fù)位開關(guān) [5]。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) AT89C52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 和 Flas