【正文】 控制部件，已經(jīng)滲入到人們工作和生活的各個(gè)角落，有力地推動(dòng)了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，前景廣闊。第2章 數(shù)字鐘的功能實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)方案 數(shù)字鐘的功能及設(shè)計(jì)要求（1） 可以實(shí)現(xiàn)時(shí)/分/秒/百分秒的顯示，可以調(diào)整時(shí)/分（2） 使用LED顯示（3） 有表示時(shí)鐘正常工作的裝置（4） 能穩(wěn)定工作，可控制時(shí)鐘的啟動(dòng)復(fù)位（5） 有實(shí)現(xiàn)鬧鈴功能 數(shù)字鐘的實(shí)現(xiàn)形式數(shù)字鐘既可以通過(guò)純硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)軟硬結(jié)合實(shí)現(xiàn)，根據(jù)電子時(shí)鐘的核心部件——秒信號(hào)的產(chǎn)生原理，通常有三鐘形式：（1） 用NE555時(shí)基電路的形式采用NE555時(shí)基電路或其他震蕩電路產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)，作為秒加法電路的時(shí)鐘信號(hào)或微處理器的外部中斷輸入信號(hào)，可構(gòu)成電子時(shí)鐘。石英計(jì)時(shí)芯片（簡(jiǎn)稱“機(jī)芯”）比較多，常見的有STP5512F、SM5546A和D60400等[4]。（3） 采用基于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)形式利用單片機(jī)的智能性，可方便的實(shí)現(xiàn)具有智能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)。 微處理器采用ATMEL的AT89C2051微處理器，是基于以下幾個(gè)因素：①內(nèi)含F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器,這在系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中,可隨意進(jìn)行程序修改,既便錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程,故不存在廢品且大大縮短了程序的開發(fā)周期。 顯示電路就時(shí)鐘而言，通?？刹捎靡壕э@示或數(shù)碼管顯示。 按鍵電路考慮到對(duì)時(shí)和設(shè)定鬧鈴時(shí)間這兩種操作的使用頻率不是很高，為了精簡(jiǎn)系統(tǒng)和節(jié)省成本，本時(shí)鐘系統(tǒng)只設(shè)兩個(gè)按鍵：（1） SET鍵，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，具有三個(gè)功能：● 在復(fù)位后的待機(jī)狀態(tài)下，用于啟動(dòng)設(shè)定時(shí)間參數(shù)（對(duì)時(shí)和定鬧）；● 在設(shè)定時(shí)間參數(shù)狀態(tài)而且不是設(shè)定最低位（即分個(gè)位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束當(dāng)前位的設(shè)定，當(dāng)前設(shè)定為下移；● 在設(shè)定最低位（分個(gè)位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束本次時(shí)間設(shè)定。 數(shù)字時(shí)鐘的硬件系統(tǒng)框架電子時(shí)鐘的系統(tǒng)框架入圖31所示。AT89C系列與MCS51系列單片機(jī)相比有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序的寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片（AT89C2051/1051），使整個(gè)電路的體積更小[6]。當(dāng)RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?個(gè)機(jī)器周期時(shí)，所有I/O引腳復(fù)位至高阻狀態(tài)。P1口輸出緩沖器能接收20mA電流，并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器；P1口引腳寫入“1”后，可用作輸入。P3口的輸出緩沖器能接收20Ma電流；P3寫入“1”后，內(nèi)部上啦，可用作輸入。（3）振蕩器振蕩器特征：XTAL1和XTAL2分別構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，如圖33所示。圖33 振蕩的外部連接方法圖34 外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)（4） 特殊功能寄存器SFR與8051單片機(jī)特殊功能寄存器相對(duì)應(yīng)，AT89C2051片內(nèi)設(shè)置了19個(gè)特殊功能寄存器，統(tǒng)稱為特殊功能寄存器塊SFR，它們的地址散布在80H～0F0H區(qū)域內(nèi)。在待機(jī)方式下，當(dāng)晶振fosc=12MHz，電源電壓VCC=6V時(shí)，電源電流ICC從20Ma降至5Ma；。為了防止休眠被復(fù)位終止時(shí)對(duì)端口以外寫入的可能性，在生成待機(jī)方式的指令后不應(yīng)緊跟對(duì)端口引腳的寫指令。在掉電模式下，VCcmin=2V。復(fù)位的保持時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，以便振蕩器能重新開始工作并穩(wěn)定下來(lái)。 編程時(shí)，AT89C2051利用內(nèi)部存儲(chǔ)器地址計(jì)數(shù)器提供尋址存儲(chǔ)器的地址信號(hào)，RST上升沿將該地址計(jì)數(shù)器復(fù)位至000H，引腳XTAL1所施加的正向脈沖使地址計(jì)數(shù)器不斷加1。例如圖35所示為在線編程的示例，其采用2選1的方法實(shí)現(xiàn)連接線路的切換，達(dá)到在線編程的目的。安裝晶振時(shí)，應(yīng)根據(jù)其引腳功能標(biāo)識(shí)與應(yīng)用電路應(yīng)連接，避免電源引線與輸出引腳相接輸出。（2） 溫補(bǔ)晶振（TCXO）：是在晶振內(nèi)部采取了對(duì)晶體頻率溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到在寬溫溫度范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定度要求的晶體振蕩器。（4） 壓控晶振（VCXO）：是一種可通過(guò)調(diào)整外加電壓使晶振輸出頻率隨之改變的晶體振蕩器，主要用于鎖相環(huán)路或頻率微調(diào)。（3） 頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間：以晶體振蕩器穩(wěn)定輸出頻率為基準(zhǔn)，從加電到輸出頻率小于規(guī)定頻率允差所需要的時(shí)間。1ppm/（第一年）和177。本系統(tǒng)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)如圖36。圖36 振蕩電路 系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)一般應(yīng)有手動(dòng)或上電復(fù)位電路。對(duì)于復(fù)位要求高，并對(duì)電源電壓進(jìn)行監(jiān)視的場(chǎng)合，大多采用這種方式。按時(shí)效電平分，有高電平輸出、低電平輸出兩種；按功能分，有簡(jiǎn)單的電源監(jiān)視復(fù)位電路、帶看門狗定時(shí)器（WATCH DOG Timer，WDT）的監(jiān)控電路和WDT+E2PROM的監(jiān)控電路等多種類型。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常C1取值為10181。它的作用是在電源電壓瞬間下降時(shí)使電容迅速放電，因此一定寬度的電源毛刺（如波形中A點(diǎn)）也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位?？紤]到系統(tǒng)的硬件簡(jiǎn)化和控制成本問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)采用軟件去抖方式。市場(chǎng)上的有源蜂鳴器分為3V、5V、6V等系列，以適應(yīng)不同的應(yīng)用要求。如圖39圖39 鬧鈴聲光指示電路 數(shù)字鐘的顯示電路設(shè)計(jì)（1） LED的選擇單片機(jī)I/O的應(yīng)用最典型的是通過(guò)I/O口與7段LED數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路，7段LED數(shù)碼管，在一定形狀的絕緣材料上，利用單只LED組合排列成“8”字型的數(shù)碼管，分別引出它們的電極，點(diǎn)亮相應(yīng)的點(diǎn)劃來(lái)顯示出09的數(shù)字。以共陰式為例，如把陰極接地，在相應(yīng)段的陽(yáng)極接上正電源，該段即會(huì)發(fā)光。其它字符的顯示原理類同。動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)種應(yīng)用最廣泛的一種顯示方式。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的，約1ms左右，但是由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光余暉效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。并行驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，并且非常適用于說(shuō)明地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用的情況。（7407：驅(qū)動(dòng)門電路，提供數(shù)碼管顯示的驅(qū)動(dòng)電流）本設(shè)計(jì)采用的是串行驅(qū)動(dòng)方式，具體方法如下：在某些情況下，可供使用的單片機(jī)并行I/O口不足8根，數(shù)據(jù)的并行輸出已不可能此時(shí)可以考慮串行輸出方法,圖312本設(shè)計(jì)采用的串行口擴(kuò)展的四位LED顯示電路。其工作過(guò)程如下：l 2051的串行口設(shè)定在方式0移位寄存器狀態(tài)下，l 在移位時(shí)鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74LS164中。LM317的2腳分別是電壓輸入、輸出端，LM317的1腳是電壓的調(diào)整端，在一腳與接地電阻之間并入一個(gè)NPN三極管。 顯示采用共陽(yáng)數(shù)碼管，其目的是為了簡(jiǎn)化限流電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)亮度可調(diào)的要求。其輸入為+5V，按照?qǐng)D中參數(shù)其輸出電壓由式31決定：(1+R4/(R5+R6)) （31）在式31中，R5為200Ω，R6可調(diào)，R4為220Ω，～。上述分析表明，移位寄存器74LS164僅有串入左右沒(méi)有譯碼作用，因此，在編寫顯示驅(qū)動(dòng)程序之前，首先需要計(jì)算列寫出與本程序電路相應(yīng)的LED段選碼[3] ，再并行輸出到LED的段選端。有利用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校時(shí)，還有利用電視信號(hào)的校時(shí)系統(tǒng)、衛(wèi)星校時(shí)系統(tǒng)、低頻（長(zhǎng)波）導(dǎo)航、授時(shí)信號(hào)系統(tǒng)、高頻（短波）時(shí)號(hào)廣播系統(tǒng)、利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)校時(shí)系統(tǒng)。但更高的精確度將使得設(shè)備很復(fù)雜。因此采用短波（BPM）是一種既簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)又能達(dá)到目的的方法。短波授時(shí)的基本方法是由無(wú)線電臺(tái)發(fā)播時(shí)間信號(hào)（簡(jiǎn)稱時(shí)號(hào)），用戶用無(wú)線電接收機(jī)接收時(shí)號(hào)，然后進(jìn)行本地對(duì)時(shí)。　　國(guó)家授時(shí)中心負(fù)責(zé)確定和保持的我國(guó)原子時(shí)系統(tǒng)TA(NTSC)和協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(NTSC)處于國(guó)際先進(jìn)水平，并代表我國(guó)參加國(guó)際原子時(shí)合作。BPL長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)的建立，將我國(guó)授時(shí)精度由毫秒量級(jí)提高至微秒量級(jí)，使我國(guó)授時(shí)技術(shù)邁入世界先進(jìn)行列，該項(xiàng)目1988年榮獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。當(dāng)然你也可以把秒針停在0秒上，但必須聽到整點(diǎn)前半秒的提示音后就立刻按下去，但因?yàn)檫@個(gè)提示音太輕了，不容易掌握。這種方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且準(zhǔn)確度也不高，不能滿足要求。因?yàn)檩斎氲腂PM信號(hào)是正弦信號(hào)有正負(fù)間的變化，單限比較器和滯回比較器在輸入電壓?jiǎn)我环较蜃兓瘯r(shí)，輸出電壓只變化一次，因此，在此次設(shè)計(jì)中我們選擇由LM339組成的雙限比較器（窗口比較器）。圖313 窗口比較器圖314為BPM信號(hào)經(jīng)過(guò)窗口比較器后的波形。對(duì)于穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個(gè)要求： 穩(wěn)定性好當(dāng)輸入電壓Usr(整流、濾波的輸出電壓)在規(guī)定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸入電壓Usc的變化應(yīng)該很小，滿足一般要求：(32)當(dāng)輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標(biāo)，常用穩(wěn)定系數(shù)S表示： (33)注：S的大小，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。(34)輸出電阻(又叫等效內(nèi)阻)用rn表示，它等于輸出電壓變化量和負(fù)載電流變化量之比：rn反應(yīng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，輸出電壓維持恒定的能力，m越小，則Ifz變化時(shí)輸出電壓的變化也越小。輸出電壓文波小所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50Hz或者100Hz的交流分量，通常用有效值或者峰值表示。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。圖316 帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源電路輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源從上面電路可以看到，輸出電壓與基準(zhǔn)電壓之間的關(guān)系，是由分壓電路來(lái)“調(diào)配”的。解決這些矛盾的辦法，是給原有的調(diào)整管再配上一個(gè)或幾個(gè)“助手”，組成復(fù)合管。保護(hù)電路的作用是保護(hù)碉整管在電路短路、電流增大時(shí)不被燒毀。考慮到本設(shè)計(jì)目標(biāo)電源交直流兩用的要求和三端穩(wěn)壓電路選用的方便（通常的系列為5V，6V%…），選擇工作電壓為5V。在設(shè)計(jì)中，即ViVo≥，否則失去穩(wěn)壓能力。第4章 程序設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于秒信號(hào)的產(chǎn)生，顯示的實(shí)現(xiàn)及按鍵的處理等方面。例如，設(shè)定某定時(shí)器每100ms中斷1次，這10次的周期為1s，這種實(shí)現(xiàn)法的特點(diǎn)是精度高，秒脈沖的發(fā)生和其他處理可以并行進(jìn)行。NYCPU 系統(tǒng)初始化定時(shí)器0初始化開始定時(shí)器0初始化串口初始化顯示待機(jī)指示符設(shè)定鬧鈴時(shí)間顯示刷新設(shè)定鬧鈴？主模塊是系統(tǒng)軟件的主框架。 YNYNYN有關(guān)變量初始化刷新顯示秒指示鬧鈴延時(shí)判斷時(shí)和分變化？判1秒到否？是否到鬧鈴時(shí)間？啟動(dòng)走時(shí)圖41 主模塊的程序框圖 基本現(xiàn)實(shí)模塊設(shè)計(jì)基本現(xiàn)實(shí)模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是有顯示代碼取得相應(yīng)的段碼，顯示段碼數(shù)據(jù)的串行發(fā)送,其程序流程如圖42所示。即只涉及兩個(gè)鍵完成了8位時(shí)間參數(shù)的設(shè)定。其實(shí)現(xiàn)流程如圖44。其流程如圖45： 鬧鈴功能的實(shí)現(xiàn)鬧鈴功能的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)到兩個(gè)方面：鬧鈴時(shí)間設(shè)定和是否鬧鈴判別和處理。電路焊接好過(guò)后進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)試、定標(biāo)過(guò)后，系統(tǒng)便能正確、可靠的運(yùn)行。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和指標(biāo)對(duì)照，若有不符，再修改，直到程序完全正確為止。將時(shí)鐘調(diào)至12：59：00，一分鐘之后看其是否變化為1：00：00。發(fā)光二極管不亮。 調(diào)試結(jié)果 基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易有誤差，在穩(wěn)定性方面還有待改進(jìn)?？梢酝ㄟ^(guò)按鍵操作和數(shù)字顯示。并且使數(shù)字鐘夠順利運(yùn)行，完成了預(yù)期的目標(biāo)。希望能夠在以后的不斷深入學(xué)習(xí)中能夠彌補(bǔ)自己的不足之處。致 謝在本次設(shè)計(jì)完成之際，我心中滿懷感激之情，感謝院系領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和身邊所有關(guān)心過(guò)本人和向本人提供過(guò)幫助的人表示感謝！特別要感謝我的指導(dǎo)老師陳海燕老師，感謝他在繁重的教學(xué)工作中，抽出大量的時(shí)間為本人課題設(shè)計(jì)提供的事無(wú)巨細(xì)的關(guān)懷和幫助，使自己在專業(yè)課上有了很大的進(jìn)步。參考文獻(xiàn)[1] 沈紅衛(wèi). 基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]. 北京. 電子工業(yè)出版社，2005.[2] 樓然苗. 51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M]. 北京. 北京航空航天大學(xué)出版社，2003.[3] 董傳岱、于云華. 數(shù)字電子技術(shù)[M]. 石油大學(xué)出版社，2001．[4] 吳秀清、周荷琴. 微機(jī)原理與接口技術(shù)[M]. 中國(guó)科技大學(xué)出版社，2002[5] 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995．[6] 李華. 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