遥控电子钟系统设计姜雅林.docx
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遥控电子钟系统设计姜雅林
毕业设计任务书
系部名称河南省南阳市第十三中学校
姓 名 姜雅琳
在2005年在河南省南阳市第十三中学校2班上的姜雅林同学,我喜欢你,你加我qq吧595884308
Lloveyoufouyou
毕业设计题目电子时钟电路设计
指导教师 李刚
负责人签字
2008年 05月 21 日
摘要
在当代繁忙的工作与生活中,时间与我们每一个人都有非常密切的关系,每个人都受到时间的影响。
为了更好的利用我们自己的时间,我们必须对时间有一个度量,因此产生了钟表。
钟表的发展是非常迅速的,从刚开始的机械式钟表到现在普遍用到的数字式钟表,即使现在钟表千奇百怪,但是它们都只是完成一种功能——计时功能,只是工作原理不同而已,在人们的使用过程中,逐渐发现了钟表的功能太单一,没有更大程度上的满足人们的需求。
因此,数字电子时钟的出现成为必然。
数字钟是采用数字电路实现对.时,分.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。
因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
在此设计中所设计的钟表不但具有普通钟表的功能,它还能实现多个额外的功能:
温度测量、年,月,日,星期。
关键词:
单片机;电子时钟;DS1302;DS18B20;LCD1602
Abstract
Inthebusyworkandlife,timeandeachofushasaverycloserelationship,eachtimepeoplehavebeenaffected.Inordertomakebetteruseofourowntime,wemusthaveameasureoftime,resultinginatimepiece.Watchesandclocks,developmentisveryrapid,fromthebeginningofthemechanicalclockstothenowwidelyusedindigitalwatchesandclocks,watchesandclocks,allsortsofstrangethingsevennow,buttheyhavejustcompletedafunction--thetimingfunction,justprincipleisdifferent,intheuseprocess,graduallyfoundtheclockfunctionistoosingle,nomorealargeextenttomeettheneedsofpeople.Therefore,thedigitalelectronicclockisinevitable.
Digitalclockisadigitalcircuittorealize.,.Thefiguresshowthatthetimingdevice,widelyusedinpersonalfamily,station,wharfofficeandotherpublicplaces,becameinthepeopledailylifeindispensablenecessities,duetothedevelopmentofdigitalintegratedcircuitsandquartzcrystaloscillatorswidelyused,makingdigitalclockprecision,farwatchesovertheold,thedigitalclockstotheproductionanddailylifeofthepeoplehasbroughtgreatconvenience,butalsogreatlyexpandstheoriginaltimekeepingfunction.Suchasautomaticalarmregularly,ontimeautomaticallyhitsthebell,timecontrolprocedures,regularbroadcasting,automaticstartingandclosinglights,timingswitchesoven,on-offpowerequipment,electricalorevenallthetimeautomaticallyenabled,allofthese,arebasedondigitalwatchesandclocksbased.Therefore,thedigitalclockonandexpanditsapplications,averypracticalsignificance.
Inthisdesignthedesignoftheclockhasnotonlyordinaryclockfunction,itcanachieveanumberofadditionalfunctions:
temperaturemeasurement,year,month,day,week.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;electronicclock;DS1302;DS18B20;LCD1602
附录2电路总原理图.....................................................................................................35
第一章绪论
本设计主要分为硬件电路设计和软件实现两大部分。
硬件电路设计采用模块设计:
中央处理电路、时钟电路、温度测量电路三大部分;软件采用C语言编程实现,设计采用按功能模块划分,包括:
主程序、显示程序、温度测量程序、时钟程序等。
在中央处理器上我们采用MCS-51单片机,该单片机是集CPU,RAM,ROM,计数和多种接口于一体的微控制器。
自20世纪70年代问世以来,以其极高的性能价格比,受到人们的重视和关注。
它体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易,广泛应用于智能生产和工业自动化上。
在时间功能上主要依靠实时时钟芯片DS1302来完成大部分功能,DS1302是具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路,它以其接口简单、价格低廉、使用方便,被广泛地采用。
它的主要特点是采用串行数据传输,可为掉电保护电源提供可编程的充电功能,并且可以关闭充电功能。
采用普通32.768kHz晶振。
所以用此款芯片来实现时间功能是完全能满足电路的要求。
温度方面工作由数字式温度传感器DS18B20来完成,这款温度传感器是具有线路简单,体积小,方便易用等特点,温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。
选用这个芯片使电路简化,提高了效率。
本课题通过MCS-51单片机来设计,采用KeilC语言进行编程,可以实现以下一些功能:
小时、分、秒和年、月、日的显示,定时报警功能。
本设计的电子时钟系统由时钟电路,LCD显示电路,定时报警电路,按键调整电路四部分组成。
51单片机通过软件编程,在LCD1602液晶屏上实现小时、分、秒和年、月、日的显示;利用时钟芯片DS1302来实现计时,定时功能;通过两个按键开关,一个用于时钟的调节,一个用于闹钟的调节,来实现参数设置和调节功能;到达设置的闹钟时间时,由蜂鸣器发声,起报警作用。
本次设计的电子时钟,经过对比测试,发现实际计时的走时精度较高,可满足多种场合的应用需求。
本文详细介绍了AT89S52单片机的基本原理,分析了AT89S52各个管脚的功能及它在设计电路中的作用。
本文论述了时钟芯片DS1302的工作原理及其软件设计过程。
第二章引言
单片机,亦称单片微电脑或单片微型计算机。
它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。
它是一种集计数和多中接口于一体的微控制器,被广泛应用在智能产品和工业自动化上,而52单片机是个单片机中最为典型和最有代表性的一种。
现在高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器,由于电子钟、石英钟、石英表都采用了石英技术,因此走时精度高,稳定性好,使用方便,不需要经常调试,数字式电子钟用集成电路计时时,译码代替机械式传动,用LCD显示器代替指针显示进而显示时间,减小了计时误差,这种表具有时、分、秒显示时间的功能,还可以进行时和分的校对,片选的灵活性好。
第1节基于单片机的电子时钟系统概述
本设计以单片机AT89S52为控制核心,由实时时钟部分、显示部分、键盘输入部分、温度采集部分等部分组成。
其中实时时钟采用DS1302可实现年月日时分秒等时间信息的采集和闹钟功能。
温度检测模块由DS18B20集成温度传感器对现场环境温度进行实时检测。
键盘采集部分由四个独立按键组成,可实现时间显示、闹钟设置、环境温度测量等功能。
第2节本设计任务和主要内容
本设计以单片机为控制核心,采用模块化设计,共分以下几个功能模块:
中央处理单元(CPU)、实时时钟部分、显示部分、键盘输入部分、温度采集部分。
中央处理单元(CPU)
CPU选用AT89S52对整个系统进行控制:
1)它将定时数据输出到LCD,实现时间的显示;
2)根据键盘输入调用相应键处理子程序,实现时间的调整设定;
3)接收温度传感器输入的温度数据,进行一定转换,输出到LCD显示器显示。
实时时钟部分
实时时钟部分采用DS1302,该芯片是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片,内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM,可以通过串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息,每个月的天数和闰年的天数可自动调整,时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需三根I/O线:
复位(RST)、I/O数据线、串行时钟(SCLK)。
时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时,功耗小于1mW。
显示部分
显示部分是整个电子时钟最为重要的部分,它分为时间的显示和温度的显示两部分,采用1602液晶显示器进行显示,通过液晶模块自带的自模及时序要求,由单片机对液晶模块进行写命令、写数据、读命令、读数据等操作来完成液晶的显示控制。
键盘部分
它是整个系统中最简单的部分,根据功能要求,本系统共需四个按键:
功能移位键、功能加键、功能减键、立刻跳出调整模式键采用独立式按键。
温度采集部分
此部分选用DS18B20传感器,主要由四部分组成:
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
有三个管脚:
DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端。
它是支持“一线总线”接口的温度传感器,测量温度范围为-55°C~+125°C,在-10~+85°C范围内,可编程为9位—12位A/D转换精度,工作电压在3V—5V之间。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。
第三章系统硬件电路设计
第1节单片机控制系统原理
方案一:
采用CPLD作为主控制器控制外围电路进行电压、频率测量,时钟控制、温度测量、键盘和LED控制、报警控制。
此方案逻辑电路复杂,且灵活性较低,不利于各种功能的扩展,在测电压时将通过A/D测得的数值转化为电压有效值时有一定的困难。
方案二:
采用AT89S52单片机来实现系统的控制。
键盘四个独立按键控制,时钟芯片采用DS1302,温度传感器采用DS18B20。
此系统硬件简洁,将复杂的硬件功能用软件实现,因此系统控制灵活,能很好地满足本题的基本要求和扩展要求。
此方案基本原理框图如图3.1所示。
比较以上两种方案的优缺点,方
案二简洁、灵活、可扩展性好,能完全达到设计要求,故采用第二种方案。
第2节
图3.1系统方框图
模块电路设计与比较
一、时钟方案选择:
方案一:
要求显示小时和分钟,因此可以用门电路组合构成时钟发生器,但此方案硬件复杂,稳定性低,且不易控制。
方案二:
采用带RAM的时钟芯片DS1302。
该芯片可以进行时分秒的计数,具有100年日历,可编程接口,还具有报警功能和掉电保存功能,并且可以对其方便的进行程序控制,能很好的符合要求。
故采用方案二。
二、温度检测方案选择:
方案一:
采用热电偶或热敏电阻作感温元件,但热电偶需冷端补偿,电路设计复杂,热敏电阻虽然精度较高,但需要标准稳定电阻匹配才能使用,而且重复性、可靠性都比较差。
方案二:
采用集成温度传感器DS18B20。
该传感器结构简单,不需外接电路,数据传输采用one-wire。
总线,可用一根I/O数据线即供电又传输数据,在一55至十125℃范围内精度为±0.5℃,分辨率较高,重复性和可靠性好。
故采用方案二。
三、显示模块的选择:
方案一:
采用数码管显示。
数码管亮度高、体积小、重量轻,但其显示信息简单、有限,在本题目中应用受到很大的限制。
方案二:
采用液晶显示。
液晶显示功耗低,轻便防震。
采用液晶显示界面友好清晰,操作方便,显示信息丰富。
四、其他设计的考虑:
闹铃响可采用蜂鸣器来模拟一些音乐,实现闹铃的效果。
也可采用音乐模块来更简单,更实用的效果,在此本设计出于器件规模的考虑特采用蜂鸣器来模拟闹铃。
第3节各功能模块硬件设计及实现
本设计以单片机AT89S52为控制核心,由实时时钟部分、显示部分、键盘输入部分、温度采集部分等部分组成。
其中实时时钟采用DS1302可实现年月日时分秒等时间信息的采集和闹钟功能。
温度检测模块由DS18B20集成温度传感器对现场环境温度进行实时检测。
键盘采集部分由四个独立按键组成,可实现时间显示、闹钟设置、环境温度测量等功能。
硬件设计是整个系统的基础,要考虑的方方面面很多,除了实现此设计基本功能以外,主要还要考虑如下几个因素:
①系统稳定度;②器件的通用性或易选购性;③软件编程的易实现性;④系统其它功能及性能指标;因此硬件设计至关重要。
现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。
一、单片机控制系统
AT89S52单片机
AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能的CMOS8位单片机片内8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大。
AT89S52单片机可为你提供许多高性价的应用场合,可灵活的应用于各种控制领域。
主要性能参数:
Ø·与MCS-51产品指令系统的全兼容4k字节可重擦写Flash闪速存储器
图3.2单片机引脚图
Ø·1000次可擦写周期
Ø·全静态操作:
0Hz-24MHz
Ø·三级加密程序存储器
Ø·128×8字节内部RAM
Ø·32个可编程I/O口线
Ø·2个16位定时/计数器
Ø·5个中断源
Ø·可编程串行UART通道
Ø·低功耗空闲和掉电模式
AT89S52功能特性描述:
AT89S52提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量中断结构,一个全双工串行通信口,
片内震荡器及时钟电路。
同时,AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件的可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,窜行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但震荡器停止工作并禁止所有部件工作直到下一个硬件复位。
(1)AT89S52引脚功能说明:
·Vcc:
电源电压
·GND:
地
·P0口:
PO口是一组8位漏极开路行双向I/O口,也既地址/数据总线复用口。
可作为输出口使用时,每位可吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入输入端用。
在访问外部数据存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,PO口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求接上拉电阻。
·P1口:
P1口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输入缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输出口。
作输入口时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流(I)。
Flash编程和程序校验期间,P1口接收8位地址。
·P2口:
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输入缓冲极可以驱动(输入或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时和作为输出口,作输出口时,因为存在内部上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部存储器或1位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口线的内容(也既特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时,P2亦接收高地址和其他控制信号。
·P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输入缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。
作输出端口时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除可作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能如表3.1所示:
表3.1AT89S52端口:
P3口还接收一些用于Flas闪速存储器编程和程序校验的控制信号
·ALE/
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节,即使不访问外部字节,ALE仍时钟震荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟脉冲或用于定时目的。
要注意的是:
每次访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还要输入编程脉冲(
)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令可激活。
此外,此引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应该置ALE无效
·RST:
复位输出。
当震荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平使机器复位。
·
:
程序存入允许(
)输出的是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S52由外部程序取指令(或数据)时,每个机器周期两次
有效,既输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,这两次有效的
信号不出
现。
图3.3AT89S52内部结构方框图
AT89S51内部结构方框图
AT89S52内部结构方框图
EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H--FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
要注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V的编程电压Vpp。
·XTAL1:
震荡器反向放大器及内部时钟的输入端。
·XAAL2:
震荡器反向放大器的输出端。
·时钟震荡器:
AT89S52中有一个构成内部震荡器的高增益
图3.4内部震荡电路
由于外部时钟信号是通过一个2分频的触发器后作为内部时钟信号的所以外部时钟的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续的时间和最大低电平持续的时间应符合产品技术条件的要求。
表3.2AT89S52寄存器
寄存器
内容
寄存器
内容
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCOM
00H
B
00H
TH0
00H
PSW
00H
TLO
00H
SP
07H
TH1
00H0
DPTR
0000H
TH1
00H
P1—P3
0FFH
SCON
00H
IP
xxx00000
SBUF
不定
IE
0xxx00000
PCON
0xxx00000
二、DS1302实时时钟芯片
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片,内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM,可以通过串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息,每个月的天数和闰年的天数可自动调整,时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需三根I/O线:
复位(RST)、I/O数据线、串行时钟(SCLK)。
时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时,功耗小于1mW。
DS1302的外部引脚功能说明如图3.7所示:
X1,X2
32.768kHz晶振引脚
GND
地
RST
复位
I/O
数据输入/输出
SCLK
串行时钟
VCC1
电池引脚
VCC2
主电源引脚
图3.7DS1302封装图
DS1302的内部结构如图7所示,主要组成部分为:
移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM。
虽然数据分成两种,但是对单片机的程序而言,其实是一样的,就是对特定的地址进行读写操作
DS1302含充电电路,可以对作为后备电源的可充电电池充电,并可选择充电使能和串入的二极管数目,以调节电池充电电压。
不过对我们目前而言,最需要熟悉的是和时钟相关部分的功能,对于其它参数请参阅数据手册。
DS1302的工作原理
DS1302工作时为了对任何数据传送进行初始化,需要将复位脚(RST)置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位寄存器。
数据在时钟(SCLK)的上升沿串行输入,前8位指定访问地址,命令字装入移位寄存器后,在之后的时钟周期,读操作时输出数据,写操作时输出数据。
时钟脉冲的个数在单字节方式下为8
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