【正文】 航空航天、專用設(shè)備的智能化以及過程控制等領(lǐng)域。通過對數(shù)字時鐘的硬件電路以及對單片機的軟件控制，使得設(shè)計的電子時鐘實現(xiàn)整點報時、快速校時等功能。 39東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)的總體設(shè)計 1. 系統(tǒng)的總體設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 本課題的設(shè)計要求和技術(shù)指標： 、分、秒計時，6位數(shù)字顯示功能； ； ； ，設(shè)計一個長江學院作息時間自動打鈴器。這鐘設(shè)計方案主要靠硬件電路和準確計算元件參數(shù)來達到設(shè)計要求，因此，電路使用分立元件較多、靈活性小、電路復雜、調(diào)試困難、集成度較低等缺點。該設(shè)計方案采用的專門時鐘集成芯片LM8361是一種動態(tài)共陰屏幕具有性能穩(wěn)定、走時功能、定時功能和睡眠功能。但此芯片不易購買。方案三：選用51系列單片機為核心元件，由時鐘電路、顯示電路、直流電源電路等模塊組成語音電子時鐘系統(tǒng)。由于時鐘的實現(xiàn)大部分是由軟件的編程來實現(xiàn)的，因此沒有前兩種方案的硬件的束縛。綜合上述三種設(shè)計方案的比較，基于成本等元素的考慮，本文采用方案三。 ：當分值計滿60時，通過蜂鳴器發(fā)出響聲。：六位數(shù)碼管動態(tài)的顯示時、分、秒。 時鐘電路方案 方案一：通過軟件方式實現(xiàn)時鐘電路。利用定時器與軟件結(jié)合的方式，實現(xiàn)1秒定時中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲器相應(yīng)的秒值加1；若秒值達到60，則將其清零，并將相應(yīng)的分值加1；若分值到達60，則分值清零，并將時值加1；若時值達到24，則將時值清零。 方案二：采用專門時鐘電路集成芯片DS1302，該芯片內(nèi)部采用石英晶體振蕩器，能夠提供更加精確的時間信號。為了保證時鐘在突然掉電情況下仍能正常工作，芯片采用了雙電源供電，以備隨時提供正確的時間，且該芯片價格便宜。 方案一：數(shù)碼管LED工作在靜態(tài)顯示方式時，其公共端接到一個固定的電平，其特點是每個數(shù)碼管的段選必須接一個8位數(shù)據(jù)線來保持顯示的字形碼。這種方式的優(yōu)點是占用CPU時間少，顯示便于監(jiān)測和控制。 方案二：數(shù)碼管LED工作在動態(tài)顯示方式時，所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這種方式的優(yōu)點是即使LED的位數(shù)較多時硬件電路也較簡單、只需要占用一組I/O。東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 2. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 時鐘電路模塊 時鐘電路硬件連接圖 時鐘芯片DS1302的XX2腳構(gòu)成一個時鐘電路，Vcc1接+5V的電源，Vcc2接+3V的電池，作為備用電源。具體連接圖如圖21所示： 圖21 時鐘電路DS302的硬件圖 時鐘電路模塊工作原理 選用串行接口時鐘芯片DS1302來設(shè)計時鐘電路，該時鐘電路以單片機AT89C51為控制元件，以DS1302為計時芯片，構(gòu)成時鐘電路。為了保證芯片安全的工作，分別在SCLK、 I/O、/RST接上上拉電阻來限流。 時鐘芯片DS1302 功能特性描述 DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，～。DS1302內(nèi)部有一個318的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，因此廣泛應(yīng)用于測量系統(tǒng)中。位5至位1指示操作單元的地址。DS1302 的控制字如表21所示。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位到高位7。 表22 DS1302控制字表讀寄存器寫寄存器BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0 范圍81h80hCH10秒秒00~5983h82h10秒分00~5985h84h12/24010時時1~12/0~23AM/PM87h86h0010日日1~3189h88h00010月月1~1289h續(xù)表 22讀寄存器寫寄存器BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0 范圍8Bh8Ah00000周日1~78Dh8Ch10年年00~998Fh8EhWP0000000 此外，DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等。 DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。 圖22 DS1302外部引腳圖圖23 DS1302內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 管腳說明： 該引腳有兩個功能：第一，CE開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；其次，CE提供結(jié)束單字節(jié)活多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。XX2：振蕩源。RST：復位/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。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。上電運行時，在Vcc，RST必須保持低電平。 校時模塊 校時電路硬件連接圖 定義三個按鍵：時設(shè)置鍵、分設(shè)置鍵、加1鍵，、。每個按鍵占用一條I/O口線，每個按鍵的工作狀態(tài)都不會產(chǎn)生相互的影響。通過采用單片機AT89C51的匯編語言的編程，軟件控制實現(xiàn)如下操作：如果沒有任何按鍵被按下，則時鐘正常走下去。 整點報時模塊 整點報時電路硬件連接圖采用蜂鳴器的驅(qū)動電路，即用三極管的導通狀態(tài)來驅(qū)動蜂鳴器，從而控制蜂鳴器只在整點時發(fā)出響聲。三極管Q1起開關(guān)作用，其基極的低電平使三極管飽和導通，使蜂鳴器發(fā)出響聲；而基極高電平則使三極管截止，蜂鳴器不能發(fā)出響聲。當分計時計滿60時，把連接蜂鳴器的I/O口線置0延時蜂鳴器需要鳴響的時間后再把該I/O端口置1，關(guān)閉蜂鳴器。 數(shù)碼管顯示模塊 數(shù)碼管顯示電路硬件連接圖 將六位數(shù)碼管的8個筆劃段a~h同名端連接在一起，與驅(qū)動器CC4511的a~h管腳相連且每個筆劃段加上上拉電阻；每一個數(shù)碼管的公共端與反相驅(qū)動器74LS373的輸出端Q0~Q5相連。具體連接圖如圖26所示：圖26 數(shù)碼管顯示電路硬件圖 數(shù)碼管顯示模塊工作原理本文設(shè)計的顯示模塊為了節(jié)省I/O接口，簡化電路，采用了數(shù)碼管的動態(tài)顯示方式。同時驅(qū)動器還有增加顯示的穩(wěn)定性和亮度的作用。雖然每一瞬間只會有以為LED在顯示時間，但由于人眼的視覺暫留特性，使人感覺每個LED總在亮，即動態(tài)掃描顯示方式。 數(shù)碼管 數(shù)碼管的分類和原理數(shù)碼管一般是由8個發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件?？娠@示0~9及一些英文字母A~F或特殊字符。而每個LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點）如圖28所示。而每個LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點），如圖29所示。圖28 共陰數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及實物圖 圖29 共陽數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及實物圖 其工作原理分別為： 共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起。當某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮。此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。此時，要求段驅(qū)動電路能提供額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。 靜態(tài)顯示方式：LED在顯示某一字符時，其顯示驅(qū)動電路具有鎖存功能，由單片機送出的顯示驅(qū)動碼一經(jīng)送出后，在不改變顯示內(nèi)容的情況下，該驅(qū)動器應(yīng)一直保持到顯示下一個字符為止。動態(tài)顯示方式：將每一片LED相同的段碼線并聯(lián)，只有一個8位并行口（字段口）控制，而每位LED的共陰端引出也由一個并行口（字位口）控制，組成動態(tài)顯示電路。它的內(nèi)部除了七段譯碼器電路外，還有鎖存電路和輸出驅(qū)動器部分，既有輸出大驅(qū)動電流的能力，最大可達25mA，可直接驅(qū)動LED數(shù)碼管或熒光數(shù)碼管。其外部引腳如圖210所示： 圖210 CC4511外部引腳圖 當鎖存允許端LE=“0”時，鎖存器直通，譯碼器輸出端ａ～ｇ隨輸入Ａ～Ｄ端而變化，當LE=“1”時，鎖存器鎖定，輸出端保持不變，熄滅控制端/BI=“0”時，譯碼器輸出全“0”，因此，正常工作時應(yīng)使/BI為高電平。當輸入的BCD碼大于1001時，七段顯示輸出全“0”，各段均不亮。當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時， Q0~Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。 當鎖存允許端 LE 為高電平時，O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當 LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。Vcc：電源D0~D7:數(shù)據(jù)輸入端/OE:三態(tài)允許控制端，低電平有效當觸發(fā)端受脈沖觸發(fā)后立即輸出音樂信號，樂曲程序結(jié)束時工作自行停止。電路內(nèi)設(shè)有前置放大器和功放，使用靈活，可直接驅(qū)動揚聲器，也可以從前置放大器引出端驅(qū)動電蜂嗚器。 HY1系列語音芯片 功能特性描述 HY1 系列音樂集成電路是一種大規(guī)模CMOS 集成電路。HY1 系列音樂集成電路具有驅(qū)動能力大和輸出端運用靈活的特點。 工作原理 HY1系列音樂芯片外部引腳如圖213所示：圖213 HY1系列音樂芯片外部引腳圖 在芯片上已焊接一個68K的電阻，其中5腳為功率輸出端，能直接驅(qū)動揚聲器。當用正脈沖觸發(fā)端2腳觸發(fā)端時，它便會自動演奏樂曲。 AT89C51提供以下標準功能：4K字節(jié)Flash閃存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，31個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。空閑方式停止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。圖214 AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 主要性能參數(shù)： 管腳描述 AT89C51單片機采用40只引腳的雙列直插封裝方式。引腳按其功能可分為3類： 這種雙重功能的設(shè)置為單片機實現(xiàn)系統(tǒng)擴展奠定了基礎(chǔ)。Vcc：接+5V電源正端。GND：接+5V電源地端。XTAL1：接外部石英晶體的一端。當采用外部時鐘事，對于HMOS單片機，該引腳接地；對于CHMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2：接外部石英晶體的另一端。采用外部振蕩器時，對CHMOS單片機,該引腳