数字钟论文.docx
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数字钟论文
课程设计任务书
学生姓名
专业班级
07自动化本科班
学号
指导教师姓名及职称
设计地点
信息学院412
设计题目
1.多功能数字钟设计
本课程设计课题任务的内容和要求(包括原始数据、技术参数、设计要求等。
“原始数据”及“技术参数”除定性要求外,还必须有定量要求):
该课题的任务有:
1、具有年、月、日、星期、时、分、秒等功能;2、显示温度;3、具备年、月、日、星期、时、分、秒校准功能;
对本课程设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(或论文)、图纸、实物样品等〕:
该课程设计的要求是:
1.制作单片机电路板;2.撰写课程设计报告;3.编制单片机程序;4.设计电路图;5.设计系统仿真文件;6.提交设计作品的照片文档。
进度安排(包括时间划分和各阶段主要工作内容)
第1周:
设计PCB图
第2周:
制作电路板
第3周:
焊接元器件
第4周:
调试下载程序
第5周:
电路板软硬件验收
主要参考文献(撰写设计说明书或论文时,文末参考文献要求按国标GB7714—87《文后参考文献著录规则》的规范要求书写):
[1]李群芳等.单片微型计算机与接口技术[J].北京:
电子工业出版社,2009.
[2]李海滨等.单片机技术课程设计与项目实例[J].北京:
中国电力出版社,2009.
[3]郭天祥.51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展全攻略[J].北京:
电子工业出版社,2010.3.
院系(或教研室)审核意见:
审核人签名及系公章:
年月日
任务下达人(签字)
2012年3月10日
任务接受人(签字)
年月日
备注:
1、本任务书由指导教师填写相关栏目,经系审核同意后,交学生根据要求完成设计任务。
2、本任务书须与学生的课程设计说明书(或论文)一并装订存档。
多功能数字钟论文
摘要
电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化,拥有时钟精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点,被广泛应用于生活和工作当中。
另外,在生活和工农业生产中,也常常需要温度,这就需要电子时钟具有多功能性。
本设计主要为实现一款可正常显示时钟/日历、测量环境温度、带有定时闹铃的多功能电子时钟。
本文对当前电子钟开发手段进行了比较和分析,最终确定了采用单片机技术实现多功能电子时钟。
本设计应用AT89C51芯片作为核心,7位LED数码管显示,使用DS1302实时时钟日历芯片完成时钟/日历的基本功能,同时利用DS18B20温度传感器测量环境温度。
这种实现方法的优点是电路简单,性能可靠,实时性好,时间和温度精度高,操作简单,编程容易。
该电子时钟可以应用于一般的生活和工作中,也可通过改装,提高性能,增加新功能,从而给人们的生活和工作带来更多的方便。
关键词:
电子时钟;多功能;AT89C51;时钟日历芯片;温度传感器
随着科技的快速发展,时间的流逝,至从观太阳、摆钟到现在电子钟,人类不断研究,不断创新纪录。
美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能的低功耗实时时钟电路DS1302。
它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,还具有闰年补偿等多种功能,而且DS1302的使用寿命长,误差小。
对于数字电子万年历采用直观的数字显示,可以同时显示年、月、日、周日、时、分、秒和温度等信息,还具有时间校准等功能。
该电路采用AT89S52单片机作为核心,功耗小,能在3V的低压工作,电压可选用3~5V电压供电。
综上所述此万年历具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点,符合电子仪器仪表的发展趋势,更符合我们实际生活的需要,对我们大学生来说也更加有用,具有广阔的市场前景。
关键词时钟电钟;DS1302;动态扫描;单片机
目录
1绪论1
1.1课题开发的背景1
1.2设计的意义2
2设计要求与方案论证3
2.1设计要求:
3
2.2系统基本方案选择和论证3
2.2.1单片机芯片的选择方案和论证3
2.2.2显示模块选择方案和论证4
2.2.3时钟芯片的选择方案和论证4
3系统的硬件设计与实现6
3.1电路设计框图6
3.2单片机的发展趋势及方向6
3.2.1单片机的发展趋势8
3.2.2单片机的组成10
3.2.3单片机的特点10
3.2.4单片机的分类10
3.2.5单片机的应用11
3.3AT89S52功能及其应用12
3.4DS1302功能与应用15
3.5系统硬件概述17
3.6主要单元电路的设计17
3.6.1单片机主控制模块的设计17
3.6.2时钟电路模块的设计18
3.6.3电路原理及说明19
3.6.4显示模块的设计21
4系统的软件设计25
4.1程序流程框图25
4.2子程序的设计29
4.2.1读、写DS1302子程序29
4.2.2AT89S52主程序30
4.2.3LED显示模块程序32
5指标测34
5.1测试仪器34
5.2硬件测试34
5.3软件测试34
5.4测试结果分析与结论35
5.4.1测试结果分析35
5.4.2测试结论35
结论36
致谢37
参考文献38
附录39
附录1系统电路图39
附录2系统程序清单40
附录3系统使用说明书56
1绪论
1.1课题开发的背景
20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵,工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
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。
但是,一旦重要事情,一时的耽误可能酿成大祸。
近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展,单片机的应用正在不断地走向深入,由于它具有功能强,体积小,功耗低,价格便宜,工作可靠,使用方便等特点,因此特别适合于与控制有关的系统,越来越广泛地应用于自动控制,智能化仪器,仪表,数据采集,军工产品以及家用电器等各个领域,单片机往往是作为一个核心部件来使用,再根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象的特点与软件结合,以作完善。
单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术,是传统控制技术的一次革命。
单片机模块中最常见的是电子万年历,电子万年历是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。
电子万年历是采用数字电路实现对时、分、秒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,使得电子万年历的精度,远远超过老式的计时方法,电子万年历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,研究电子万年历及扩大其应用,有着非常现实的意义。
1.2设计的意义
电子万年历作为电子类小设计不仅是市场上的宠儿,也是是单片机实验中一个很常用的题目。
因为它的有很好的开放性和可发挥性,因此对作者的要求比较高,不仅考察了对单片机的掌握能力更加强调了对单片机扩展的应用。
而且在操作的设计上要力求简洁,功能上尽量齐全,显示界面也要出色。
所以,电子万年历无论作为竞赛题目还是毕业设计题目都是很有价值。
2设计要求与方案论证
2.1设计要求:
①具有年、月、日、星期、时、分、秒等功能;
②显示温度;
③具备年、月、日、星期、时、分、秒校准功能;
2.2系统基本方案选择和论证
2.2.1单片机芯片的选择方案和论证
PIC单片机:
是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。
EMC单片机:
是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差。
ATMEL单片机(51单片机):
ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式;AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机,也叫AVR单片机。
PHLIPIS51PLC系列单片机(51单片机):
PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。
HOLTEK单片机:
台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品。
TI公司单片机(51单片机):
德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合;MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合。
方案一:
采用89C51芯片作为硬件核心,采用FlashROM,内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案二:
采用AT89S52,片内ROM全都采用FlashROM;能以3V的超底压工作;同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间,同样具有89C51的功能,且具有在线编程可擦除技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,不需要对芯片多次拔插,所以不会对芯片造成损坏。
所以选择采用AT89S52作为主控制系统.
2.2.2显示模块选择方案和论证
方案一:
采用LED液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,但是价格昂贵,需要的接口线多,所以在此设计中不采用LED液晶显示屏.
方案二:
采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成,对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示.
方案三:
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字最合适,而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用的单片机口线少。
所以采用了LED数码管作为显示。
2.2.3时钟芯片的选择方案和论证
方案一:
直接采用单片机定时计数器提供秒信号,使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。
采用此种方案虽然减少芯片的使用,节约成本,但是,实现的时间误差较大。
所以不采用此方案。
方案二:
采用DS1302时钟芯片实现时钟,DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片,可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数,而且精度高,位的RAM做为数据暂存区,工作电压2.5V~5.5V范围内,2.5V时耗电小于300nA.
3系统的硬件设计与实现
3.1电路设计框图
AT89S52
主控制模块
3.2单片机的发展趋势及方向
现代计算机技术的产业革命,将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。
在电子世界领域,从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。
现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统),而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。
一、无线电世界造就了几代英才
在20世纪五六十年代,最具代表的先进的电子技术就是无线电技术,包括无线电广播、收音、无线通信(电报)、业余无线电台、无线电定位、导航等遥测、遥控、遥信技术。
早期就是这些电子技术带领着许多青少年步入了奇妙的电子世界,无线电技术展示了当时科技生活美妙的前景。
电子科学开始形成了一门新兴学科。
无线电电子学、无线通信开始了电子世界的历程。
无线电技术不仅成为了当时先进科学技术的代表,而且从普及到专业的科学领域,吸引了广大青少年,并使他们从中找到了无穷的乐趣。
从床头的矿石收音机到超外差收音机;从无线电发报到业余无线电台;从电话、电铃到无线电操纵模型。
无线电技术成为当时青少年科普、科技教育最普及、最广泛的内容。
至今,许多老一辈的工程师、专家、教授当年都是无线电爱好者。
无线电技术的无穷乐趣、无线电技术的全面训练,从电子学基本原理、电子元器件基础到无线电遥控、遥测、遥信电子系统制作,培养出了几代科技英才。
二、从无线电时代到电子技术普及时代
早期的无线电技术推动了电子技术的发展,其中最主要的是真空管电子技术向半导体电子技术的发展。
半导体电子技术使有源器件实现了微小型化和低成本,使无线电技术有了更大普及和创新,并大大地开阔了许多非无线电的控制领域。
半导体技术发展导致集成电路器件的产生,形成了近代电子技术的飞跃,电子技术从分立器件时代走进了电路集成时代。
电子设计工程师不再用分立的电子元器件设计电路单元,而直接选择集成化的电路单元器件构成系统。
他们从电路单元设计中解放出来,致力于系统设计,大大地解放了科技生产力,促进了电子系统更大范围的普及。
半导体集成电路首先在基本数字逻辑电路上取得突破。
大量数字逻辑电路,如门电路、计数器、定时器、移位寄存器以及模拟开关、比较器等,为电子数字控制提供了极佳的条件,使传统的机械控制转向电子控制。
功率电子器件以及传感技术的发展使原先以无线电为中心的电子技术开始转向工程领域中的机械系统的数字控制,检测领域中的信息采集,运动机械对象的电气伺服驱动控制。
半导体及其集成电路技术将我们带入了一个电子技术普及时代,无线电技术成为电子技术应用领域的一个部分。
进入20世纪70年代,大规模集成电路出现,促进了常规的电子电路单元的专用电子系统发展。
许多专用电子系统单元变成了集成化器件,如收音机、电子钟、计算器等,在这些领域的电子工程师从电路、系统的精心设计、调试转变为器件选择、外围器件适配工作。
电子技术发展了,电子产品丰富了,电子工程师的难度减少了,但与此同时,无线电技术、电子技术的魅力却削弱了。
半导体集成电路的发展使经典电子系统日趋完善,留在大规模集成电路以外的电子技术日益减少,电子技术没有了往昔无线电时代的无穷乐趣和全面的工程训练。
三、从经典电子技术时代到现代电子技术时代
进入20世纪80年代,世纪经济中最重要的变革是计算机的产业革命。
而计算机产业革命的最重要标志则是计算机嵌入式应用的诞生。
近代电子计算机是应数值计算要求诞生的。
在很长的时间内,电子计算机都是以发展海量数值计算为己任。
但是电子计算机表现出的逻辑运算、处理、控制能力,吸引了电子控制领域的专家,他们要求发展能满足控制对象要求,实现嵌入式应用的计算机系统。
如果将满足海量数据处理的计算机系统称为通用计算机系统,那么则可把嵌入到对象体系(如舰船、飞机、机车等)中的计算机系统称作嵌入式计算机。
显而易见,两者的技术发展方向是不同的。
前者要求海量数据存储、吞吐、高速数据处理分析及传输;而后者要求在对象环境中可靠运行,对外部物理参数的高速采集、逻辑分析处理和对外部对象的快速控制等。
早期人们将通用计算机加上数据采集单元、输出驱动电路勉为其难地构成一个热处理炉的温控系统。
这样的通用计算机系统不可能为大多数电子系统采用,而且要使通用计算机系统满足嵌入式应用要求,必然影响高速数值处理技术的发展。
为了解决计算机技术发展的矛盾,在20世纪70年代,半导体专家另辟蹊径,完全按照电子系统的计算机嵌入式应用要求,将一个微型计算机的基本系统集成在一个芯片上,形成了早期的单片机(SingleChipMicrocomputer)。
单片机问世后,在计算机领域中开始出现了通用计算机系统和嵌入式系统的两大分支。
此后,无论是嵌入式系统,还是通用计算机系统都得到了飞速的发展。
早期虽然有通用计算机改装而成的嵌入式计算机系统,而真正意义上的嵌入式系统始于单片机的出现。
因为单片机是专门为嵌入式应用设计的,单片机只能实现嵌入式应用。
单片机能最好地满足嵌入式应用的环境要求,例如,芯片级的物理空间、大规模集成电路的低价位、良好的外围接口总线和突出控制功能的指令系统。
单片机有计算机系统内核,嵌入到电子系统中,为电子系统智能化奠定了基础。
因此,当前单片机在电子系统中的广泛使用,使经典电子系统迅速过渡到智能化的现代电子系统。
3.2.1单片机的发展趋势
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
CMOS化由于CHMOS技术的进小,大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外,还具有功耗的可控性,使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS(金属栅氧化物)半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快,但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高,又出现了HMOS(高密度、高速度MOS)和CHMOS工艺。
CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度,传输延迟时间小于2ns,它的综合优势已在于TTL电路。
因而,在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
低功耗化 单片机的功耗已从Ma级,甚至1uA以下;使用电压在3~6V之间,完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低,而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
低电压化 几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽,一般在3~6V范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。
目前0.8V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
大容量化 以往单片机内的ROM为1KB~4KB,RAM为64~128B。
但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求,须运用新的工艺,使片内存储器大容量化。
目前,单片机内ROM最大可达64KB,RAM最大为2KB。
高性能化 主要是指进一步改进CPU的性能,加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术,可以大幅度提高运行速度。
现指令速度最高者已达100MIPS(Million Instruction Per Seconds,即兆指令每秒),并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。
这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。
由于这类单片机有极高的指令速度,就可以用软件模拟其I/O功能,由此引入了虚拟外设的新概念。
小容量与低价格化 与上述相反,以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。
这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化,可广泛用于家电产品。
外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。
随着集成度的不断提高,有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。
除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外,片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。
串行扩展技术 在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。
随着低价位OTP(One Time Programble)及各种类型片内程序存储器的发展,加之处围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。
特别是 I C、SPI等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。
随着半导体集成工艺的不断发展,单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。
在单片机家族中,80C51系列是其中的佼佼者,加之Intel公司将其MCS –51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商,如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等,这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。
这样,80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族,现统称为80C51系列。
80C51单片机已成为单片机发展的主流。
专家认为,虽然世界上的MCU品种繁多,功能各异,开发装置也互不兼容,但是客观发展表明,80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。
3.2.2单片机的组成
单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体,其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。
其中,地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址,CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口;数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间或存储器与外设之间交换数据,控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。
3.2.3单片机的特点
由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺,使其具有很多显著的特点,因而在各个领域都得到了迅猛的发展。
单片机主要发如下特点:
(1)有优异的性能价格比。
(2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上,内部采用总线结构,减少了各芯片之间的连线,大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外,其体积小,对于强磁场环境易于采取屏蔽措施,适合在恶劣环境下工作。
(3)控制功能强。
为了满足工业控制的要求,一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
(4)低功耗、低电压,便于生产便携式产品。
(5)外部总线增加了IC及SPI等串行总线方式,进一步缩小了体积,简化了结构。
(6)单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用系统。
3.2.4单片机的分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域,应用一个较科学的分类方法。
根据目前发展情况,从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
(1)通用型/专用型
这是按单片机适用范围来区分的。
例如,80C51是通用型单片机,它不是为某种专用途设计的;专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的,例如为了满足电子体温计的要求,在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
(2)总线型/非总线型
这是按单片机是否提供并行总线来区分的。
总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线,这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接,另外,许多单片机
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