基于单片机的多功能数字电子钟设计.docx
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基于单片机的多功能数字电子钟设计
摘要
电子钟是当今社会中最主要的计时工具,它广泛的被应用在电脑,手机,和其他社会生活的各个方面,和所有要求时间的场所。
20世纪90年代,电子技术的飞速成长推动了现代电子商品的发展,电子产品已经深入社会的各个领域,为社会生产力的发展和社会信息化程度的发展提供了强大的动力,电子技术的发展如今越来越快,电子产品的更新换代的节奏更快。
在当今社会,人们越来越重视时间,生活节奏越来越快,时间就是金钱。
时间如果不准确,会对那些需要精确时间的人带来极大的麻烦。
本设计的核心元件是STC89C52,LCD12864液晶模块、DHT11温湿度感应模块、DS1302时间模块及按键模块组成。
本设计实现了万年历的基本功能,显示年、月、日、时、分、秒、星期,温湿度而且可以整点报时,闹表功能,无源时钟芯片再接一个3V电源,掉电后能正常工作,重新上电后不用调整时间。
整个设计具有操作简单,性价比高,环保无噪音,低功耗等优点。
关键词:
电子时钟单片机DS1302DHT11
ABSTRACT
Digital electronic clock is one of the main timing tool in the modern world, widely used cell phones, computers, cars and so on all aspects of social life, and the time required for the occasion.
20thcentury,electronictechnologygainedrapiddevelopment,driveninitsmodernelectronicsintoalmostallareasofsociety,astrongimpetustothedevelopmentofthesocialproductiveforcesandsocialimprovementinthelevelofinformation,butalsotomodernelectronicproductsfurtherimprovetheperformance,productupgradingfasterandfasterpace.
Modernlifemoreandmoreattentionfromtheconceptoftime,timeandmoneycanbesaidtoequate.Forthosewhoareverystrictontimeandaccurategraspofpeopleandthings,timeisnotaccuratewillbringgreattrouble.This design uses AT89S52 micro-controller as the core component, attachedabovepower-onresetcircuit,crystaloscillatorcircuit,LCD12864Bliquidcrystaldisplaymodules,DHT11temperatureandhumiditysensormodule,DS1302timemoduleandkeytonecircuit.
Thedesignandimplementationofthebasicfunctionsofthecalendar,year,month,day,hour,minute,second,day,temperatureandhumiditybutalsothewholepointtimekeeping,alarmclockfunction,followedbyaclockchippassive3Vpowersupplycanpowerdownafterworkingproperly,donotadjustthetimeafterpoweroutages.Thewholedesignissimple,cost-effective,environmentallyfriendlynonoise,lowpowerconsumption.
Keywords:
ElectronicClockMCUDS1302DHT11
前言
近年来,电子产品的成长越来越快,社会竞争也更剧烈,人们对电子时钟的要求更高了。
对于任何一个人,时间都很宝贵,事物的繁忙性和繁杂性常常使人们忽略了时间的流逝,忘记了要做的事情,当事情不是很重要的时候,这种遗忘无伤大雅。
如果事情一旦是重要的,一时的延误可能造成大祸。
生活中处处离不开电子钟,无论走到哪里,人们都希望能够一眼看到时间。
并且人们希望看到时间的方式能更直接,准度更靠得住,性价比更高。
除此之外,因为对社会责任的更多承当,人们要求所策划的商品能够形成尽可能少的垃圾、能够消耗尽可能少的能量。
因此人们对时钟的又有了体积小、功耗低的要求。
传统的机械钟表由于做工的高精细要求,造价的昂贵,材料的限制,时间指示精度的限制,使用寿命方面,以及其它方面的限制,已不能满足人们的需求。
另外,电子钟发展越来越快,人们的需求也相应的越来越高,这就促成了新型电子钟的产生。
单片机的利用在不断地走向深入的过程中,因为它性能强,功耗低,价格廉价,工作可靠,使用很方便,所以常常作为控制系统的神经中枢,在自动控制系统中常常应用,作为一个核心元件,按照详细的电路图实现整体的功能。
单片机的应用从根本上改变了老式控制系统的设计思路和设计方案。
原来的大部分需要通过模电数电实现的功能,如今已经可以全部应用单片机通过软件控制的方式实现。
在单片机模块中,经常用到的就是数字钟,数字钟是一种利用单片机和时钟芯片结合应用数字电路的电子设备,比老式时钟的准确度更高,视觉上更直观,工作寿命更长。
电子钟在家庭居室、车站和广场等公共场所利用愈来愈广泛,给人们的日常行为带来极大的便利,本设计采用STC89C52作为主控制器,加上相应的电路模块以达到减小带给人们的麻烦的目的。
1绪论
1.1电子时钟的研究背景
20世纪90年代,随着科技的不断发展,电子产品已经在我们的生活中随处可见,更新换代也越来越快。
电子钟作为我们每个人都不可缺少的的物品更是快速的发展了起来,功能和外观上都发生了巨大的改变。
多功能电子时钟不但具有传统钟表的作用,而且可以检测温湿度。
温湿度是一种最基本的环境参数,温湿度采集系统是由感湿元件和测温元件还有一个高性能单片机组成,单片机必须具有A/D采集模块。
因为拟信号必需通过A/D转换关键数字信号后才能与单片机进行交流。
数字电子钟通过数字电路实现对时间显示,在家庭,商场,学校等公共场合用处较多,是人们平常不可或缺的必需品,因为集成电路的成长和石英晶体振荡器的普遍应用,练习时钟的精度远远高于老式钟表。
因此,研究数字时钟及扩大其应用,有着非常实际的意义。
1.2电子时钟的国内外研究现状
电子钟发明以来,为人们的日常生活带来了翻天覆地的变化。
而电子钟的准度对于大多数人来说是至关重要的,时间的误差可能会造成非常严重的后果和经济损失。
电子钟的设计方法有很多,可以用集成电路,也可以用时钟芯片以及其他元件,还可以通过对单片机汇编语言实现。
其中,第三种方法电路简单修改功能方便。
单片机为系统的中枢,数据输出以后用显示器显示出来。
再加上键盘模块来调节时间。
温度和湿度最基本的环境参数,日常生活和工农业生产中经常要检测温度,应用DHT11温湿度传感器即经济又方便。
美国DALLAS公司开发的DS1302是一种高性能、低功耗的时钟芯片,内部含有31字节静态RAM,采用SPI三线接口与CPU同步通信,并可采用突发方式可以有多个字节的时钟信息和RAM数据被一次传送。
时钟供给秒、分、时、日、月和年,一个月小于31天时可以主动调剂,且具备闰年抵偿功效。
温湿度的检测与节制是工业出产过程当中比力典范的利用之一,跟着传感器在出产和糊口中的加倍普遍的利用。
为确保平日做事的顺利,重要问题是增强出产车间内温度与湿度的监测任务,但传统的方式过于粗拙,经由过程人工举行检测,对不符合温度和湿度请求的库房举行透风、去湿和降温等任务。
这类人工测试方式费时吃力、效力低,且测试的温度及湿度偏差大,随机性大。
温湿度传感器有电阻式湿敏元件、电容式湿敏元件,还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。
湿敏元件的线性度及抗污染性差,要长期暴露在待测环境中湿敏元件,其测量精度及长期稳定性很容易被污染而影响。
目前,温湿度的测量技术在常温条件下已经很成熟,而且正在更加快速的发展。
但人们对它的期望越来越高,要为现代人提供更好的更便利的举措措施就需要从单片机入手,统统向着数字化,智能化的目的成长。
。
在成长过程当中,以单片机为焦点的温湿度控制系统成长为体积小、操纵简略、量程宽、机能不变、丈量精度高,等诸多长处在生产的方方面面实现着至关重要的角色。
在日常生活和自动控制系统中,时常会遇到对时间和温湿度实时监控的需求。
这就给具有多种功能的时钟提供了市场,也有了市场开发的前景。
本文给出了一种基于单片机实现带温度检测的电子时钟的设计方法和实现过程。
2元件介绍
2.1单片机STC89C52
1.STC89C52功能特点
STC89C52是一种低电压,高性能COMOS8的微处理器,具有8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器,俗称单片机。
采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制作该器件。
无需编程器,表1给出了其主要功能。
表1STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
2.STC89C52各管脚介绍
STC89C52各管脚如图1所示。
图1STC89C52的PDIP管脚封装
①主电源引脚(2根)
VCC(Pin40):
电源输入,接+5V电源
VSS(Pin20):
接地线
②外接晶振引脚(2根)
XTAL0(Pin18):
片内振荡电路的输入端
XTAL1(Pin19):
片内振荡电路的输出端
③控制引脚(4根)
ALE/
(Pin30):
地址锁存允许信号
(Pin29):
外部存储器读选通信号
/VPP(Pin31):
程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚(32根)
P0口(Pin39~Pin32):
P0端口是一个8位三态双向I/O端口,在访问外部存储器时,它是分时作低8位地址线和8位双向数据总线用。
P1口(Pin1~Pin8):
P1端口带内部上拉电作为输入时,端口锁存器置1阻的8位双向部信号电流。
P1端口能I/O端当P1端口作为输口。
拉低的引脚会输出一个对P1每一个端口它的写1时,P1端口被内都可定义为输入或输出线,其中P1.0、P1.1兼有部的上拉电阻拉为高电平,这时可以作为输入口。
入端口时,因为有内部上拉电阻,那些被外驱动(吸收或输出电流)4个TTL负载,引脚特殊的功能。
P1引脚第二功能
P1.0:
定时器/计数器T2的外部计数输入,时钟输出
P1.1:
定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制
P1.5:
MOSI(在线系统编程时用到)
P1.6:
MISO(在线系统编程时用到)
P1.7:
SCK(在线系统编程时用到)
P2口(Pin21~Pin28):
当作为一般I/O使用时,可直接连外部I/O设备,能驱动4个LSTTL负载。
P3口(Pin10~Pin17):
P3端口当作为输入时(第所示。
在f功能口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口部拉低的P3端口会因为内部电阻上拉而输出电流。
P3口亦作为STC89C52特殊P3二功能)使用,如下端口写入1时部上拉电阻拉为高电平,可用做输入口,P3端口被内lash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
端口引脚,第二功能:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2
(外中断0)
P3.3
(外中断1)
P3.4TO(定时/计数器0)
P3.5T1(定时/计数器1)
P3.6WR(外部数据存储器写选通)
P3.7RD(外部数据存储器读选通)
2.2实时时钟芯片DS1302
1.DS1302时钟芯片简介
DALLAS公司推出了DS1302时钟芯片,芯片的内部含有31字节静态RAM,串行接口能够与单片机进行通信。
秒、分、时、日、星期、月、年的信息由日历电路输出,自动调整可以改变每个月的天数和闰年的天数。
单片机与DS1302能通信,简单地通过采用同步串行的方式来进行,需要用三根I/O线:
串行时钟(SCLK)、复位(
)、I/O数据线。
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。
功耗非常低当DS1302工作时,功耗小于1mW就可以保持数据和时钟信息。
2.DS1302的内部结构
图2DS1302封装图
DS1302的外部引脚功能说明如表2所示:
表2引脚功能说明
引脚
功能
X1,X2
32.768kHz晶振引脚
GND
地
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
移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成了DS1302的内部结构。
数据被分为两种,对于单片机的程序来说,就是一种,没有区别,就是进行读写操作对特定的地址。
DS1302有两个电源引脚,一个与单片机相同的5V电压VCC引脚,还有一个充电电源引脚,这是为了保证DS1302在掉电时能够正常工作,而重新上电后不用再调整时间。
3.DS1302的工作原理
DS1302工作时,读操作数据,为了对任何数据传送进行初始化,需要将复位脚(
)置为高电平时输出且将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,把命令字装入移位寄存器后,在之后的时钟周期可以访问,写操作时输出数据。
时钟脉冲的个数在单字节方式下为8+8,前8位指定访问地址,(8位地址+8位数据),在多字节方式下为8加最多可达248的数据。
4.DS1302的寄存器和控制命令
对DS1302的操作就是对其内部寄存器的操作,DS1302内部共有12个寄存器,其中有7个寄存器与日历、时钟相关,存放的数据位为BCD码形式。
此外,DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。
时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器以外的寄存器。
日历、时间寄存器及控制字如表3所示:
表3日历、时钟寄存器与控制字对照表
寄存器名称
7
6
5
4
3
2
1
1
RAM/CK
A4
A3
A2
A1
A0
秒寄存器
1
0
0
0
0
0
0
分寄存器
1
0
0
0
0
0
1
小时寄存器
1
0
0
0
0
1
0
日寄存器
1
0
0
0
0
1
1
月寄存器
1
0
0
0
1
0
0
星期寄存器
1
0
0
0
1
0
1
年寄存器
1
0
0
0
1
1
0
写保护寄存器
1
0
0
0
1
1
1
慢充电寄存器
1
0
0
1
0
0
0
时钟突发寄存器
1
0
1
1
1
1
1
2.3温湿度传感器DHT11
1.DHT11简介
DHT11数字温湿度传感器能够直接输出数字信号,因为内含单片机具有A/D模块,直接把模拟信号转换为数字信号,具有非常高的可靠性与出色的稳定性。
传感器由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。
体积小,功耗小,传输信号距离可以达到20米以上,具有4针单排引脚,连接方便。
2.电源引脚
DHT11的供电电压为3~5.5V。
上电后,如果要越过不稳定状态需要等待1s,在此期间无需发送任何指令。
2.4液晶显示屏LCD12864
LCD12864简介:
12864LCD显示屏带有中文字库,分辨率是128×64。
连接简单可以显示图形,工作电压低,功率消耗低。
由该模块组成的液晶表现方案与同范例的图形点阵液晶表现模块比拟,硬件电路布局或表现法式都要简练很多,且该模块的价钱也略低于不异点阵的图形液晶模块。
2.5本章小结
本章主要介绍了系统主要元件的基本特性,引脚功能。
充分的了解各元件的工作原理以更好的实现整体效果。
3总体方案
3.1系统的设计思路
本次方案完成电子时钟年、月、日、时、分、秒的表现及环境温度检测等功效的基础上完成按时闹钟的功效。
由于DS1302时钟芯片无源,再加上一个电源才能在断电情况运行十年以上不丢失数据,重新上电后也不需要校正时钟。
硬件电路包括单片机最小系统电路、DS1302实时时钟芯片电路模块、LCD12864液晶显示模块、按键模块、DHT11温湿度传感器模块、蜂鸣器报警电路模块;软件部分则是应用例如C语言的编程实现对时钟芯片进行时间数据的读和写,时间显示是通过液晶显示程序实现的,通过按键操作实现功能的转换和屏幕的切换。
3.2系统硬件描述
基于单片机系统的电子时钟基本结构框图如图3所示:
图3系统基本结构框图
该系统所需要的器件包括单片机STC89C52芯片一块,实时时钟芯片DS1302一块,温湿度传感器DHT11一块,液晶显示屏LCD12864一块,蜂鸣器一个,11.059mHZ的晶振一个,排针排线若干组,电容电阻若干,导线若干,发光二级管一个,三极管一个,按钮5个。
3.3系统软件描述
主要功能有三个,都由系统程序实现。
时钟芯片实现年、月、日、时、分、秒、星期显示、闹钟功能;温湿度测量部分实现环境温湿度测量及显示;键盘部分主要为时钟和闹钟设置;功能整体程序流程框图如图4所示。
图4功能整体流程框图
3.4设计流程
设计流程主要是先阅读各种与设计有关的文献,确定主要思路画出电路图。
在用PROTELDXP制图,PCB制板自动布线,如果电气检查无误,购买元件,连接到各个模块结合软件进行调试。
3.5本章小结
本章介绍的的主要内容是系统的原理,功能的流程。
系统由单片机基本系统,温湿度采集模块,时钟模块,报警模块,按键模块。
为了更好实现各模块的功能,对多个方案比较确定方案。
然后对硬件和软件分别描述。
4系统硬件架构
描述系统的硬件构架用的是分块描述的方式。
分块描述就是把系统分为各个能够单独工作又可以互相合作的模块,将复杂难懂软件程序及其电路分解,使设计容易化。
本设计的电路模块可以分为液晶显示模块,单片机最小系统模块,时钟模块,温湿度传感器模块,按键模块,蜂鸣器报警模块。
4.1单片机最小系统
1.晶振电路
最小系统晶振电路如图5所示。
图5晶振电路图
晶振电路的主要功能是为单片机提供一个稳定的频率,没有了晶振电路单片机就无法正常工作。
单片机的时钟具有两种工作模式,即片内时钟和片外时钟模式。
2.复位电路
最小系统复位电路如图6所示。
图6复位电路图
CPU和系统中的其它部件都需要处于一个确定的初始状态,并从这个初始状态开始工作,这就需要单片机的复位电路来实现。
使只要单片机的复位端RST保持高电平,单片机便保持复位状态。
单片机通常采用上电复位和按钮复位两种方式。
3.最小系统整体图
最小系统整体电路如图7所示。
图7最小系统电路图
4.2时钟模块
本设计中的DS1302芯片SCLK,I/O,CE引脚分别与STC89C52芯片的P1.0,P1.1,P1.2口相连接,VSS引脚接地。
时钟模块电路如图8所示。
图8时钟模块电路图
4.3温湿度传感器模块
温湿度传感器DHT11的接法很简单,它的DATA引脚与STC89C52芯片的P2.6引脚相连接,VSS引脚接地。
温湿度传感器模块电路如图9所示。
图9温湿度传感器模块
4.4液晶显示模块
12864LCD显示屏带有中文字库,分辨率是128×64。
连接简单可以显示图形,工作电压低,功率消耗低。
由该模块组成的液晶表现方案与同范例的图形点阵液晶表现模块比拟,硬件电路布局或表现法式都要简练很多,液LCD12864的DB0-DB7引脚与STC89C52芯片的P0口相接,而控制引脚RS,R/W,E,CS1,CS2,/RES则分别接P2.0~P2.5,VSS引脚接地。
液晶显示模块电路如图10所示。
图10液晶显示模块
4.5按键模块
四个按键key1-key4也接到STC89C52芯片的P1.4-P1.7起到调节时间日期等功能,VSS引脚接地。
四个按键中S2为上调键,S3为下调键,S4为返回键,S5为设置键。
按键模块电路如图11所示。
图11按键模块
4.6蜂鸣器报警模块
蜂鸣器报警模块的用处是当时间为预定时间时发出响声。
这个模块用PNP三极管把蜂鸣器的电流放大,基极通过200欧姆电阻与单片机STC89C52的闲置引脚P3.6相连接,集电极接地,发射极蜂鸣器。
报警模块电路如图12所示。
图12报警模块
4.7本章小结
本章介绍了系统的各个硬件部分,其中对液晶模块、温湿度传感器模块、时间模块、按键电路和报警模块进行了逐一介绍,明白了各电路与单片机是怎样连接的,还有各电路的自身的电路结构和特点。
下面对本设计的软件部分进行介绍,实现软硬件的结合。
5软件设计
5.1软件设计总体说明
程序的编写编译在KeilUvision3软件中完成。
首先对STC89C52、DS1302、LCD12864、DHT11进行初始化,日历和温湿度信息通过LCD12864显示出来,当前时间与设定的闹钟时间相同后,LCD12864上显示的时间停止,但实际上芯片内部的时间仍然在走。
时钟芯片向单片机发出中断请求,单片机通过报警模块进行警报,此时,若按下四个按键中的任意一个,报警停止,LCD12864显示的时间继续精确显示。
系统中有四个按键,即:
上调键S2、下调键S3、返回键S4、设置键S5。
按下S5键,系统进入设置状态,再按下S5键可在除了温湿度外的项目,如年、月、日、时、分、秒、星期、闹钟上停留,此时再按下上调键S2即可进行加一操作,按下下调键S3即可进行减一的操作,按下S4键退出调整。
5.2系统程序流程图设计
1.主程序流程见图13
主程序的主要功能是负责对系统的温湿度检测、显示温湿度以及时间、检测报警等。
图13主程序流程图
2.液晶模块流程图如图14
液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
液晶显示了时间和日期(阳历和农历),温湿度等信息。
图14液晶模块流程图
3.温湿度模块流程图如图15
温湿度传感器是系统设计的主要环节,它实时监测环境的温湿度。
测量范围:
湿度20~90%RH,温度0~50℃
测量精度:
湿度+-5%RH,温度+
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