基于单片机的智能时钟设计与实现.docx
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基于单片机的智能时钟设计与实现
基于单片机的智能时钟设计与实现
摘要
电子时钟是采用数字电路实现对时,分,秒计时的装置,广泛的应用在各种工作场所。
随着科学技术的发展,多功能的电子时钟更是适应现代化个性生活的一个新需求。
本文介绍了基于单片机的智能时钟系统的设计与实现,时钟系统是以STC89C52为核心,运用数字时钟芯片DS1302,液晶显示器LCD1602,语音芯片ISD4004和按键来实现实时显示,整点报时等功能。
系统分为实时时钟,LCD显示,整点报时,按键调整四个模块。
设计的系统的可以通过按键来调节时间,通过LCD模块能够将实时时间显示出来,并且在整点的时候可以实现语音整点报时功能。
可以使人更加直观的了解到电子时钟的工作原理。
该数字时钟能长期、连续、可靠、稳定的工作;同时还具有体积小、功耗低等特点,便于携带,使用方便。
本报告对系统的工作原理,硬件电路和软件进行了详细的介绍。
[关键词]单片机数字时钟液晶显示语音报时
ABSTRACT
Electronicclockisadevicewhichisusedtocounttime,minuteandsecond,whichiswidelyusedinthepublicplace.Withthedevelopmentofscience,multi-functionelectronicclockisanewdemandtoadapttothemodernpersonalityoflife.
Thisarticleintroducedthemulti-purposedigitalclocksystemdesign.ThesystemtakeSTC89C52asacore,makeuseofDS1302clockchip,usethe1602liquid-crystaldisplay,applythevoicechip,coordinatesthepressedkeytorealizethereal-timedisplay.Thesystemisdividedintoreal-timeclock,liquid-crystaldisplay,ontimeclockandpressedkeyfourmodules.Thesystemisdesignedtochangethetimewithpressedkey,meanwhile,theliquid-crystaldisplaytheontimeclockandcanvoicethehouronthehour.Thisarticlecanenablepeopletodirectlyseetheoperatingstateofdigitalclock.Thisdigitalclockprovidethefriendlyusercontactsurface,theoperationsimple,thisdigitalclockcanlong-term,becontinual,reliably,thestablework;Simultaneouslyalsohasthevolumeslightly,thepowerlossislowandsoonthecharacteristic,isadvantageousforcarries,easytooperate.Thereportontheprincipleofthesystem,thehardwarecircuitandthesoftwareareintroduceddetail.
[Keywords]Single-chipMicrocomputerDigitalComputerLCDDisplayAudioChimer
前言
20世纪末,电子技术获得了飞速发展,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。
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展的趋势将进一步向CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路装化等几个方面发展。
数字时钟在单片机模块里比较常见,数字时钟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,具有更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。
智能数字时钟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,使得数字时钟的精度,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、自动开起闭路灯、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,研究数字时钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
第一章数字时钟概述
第一节时钟发展历史及趋势
一、发展历史及趋势
在长达几千年的时间中我们根本没有方法可以精确的测定时间,在远古时候,人们通过太阳的位置,日晷或沙漏来判断时间。
但是随着如今社会的发展,我们只要瞧下时钟就可以读出时间,随着科学技术的发展,我们可以更加精确的方法测出时间。
由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字时钟的精度,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,而且大扩展了钟表原先的功能。
随着社会的发展,钟表会变的更加数字化,更加广泛的应用到生活的各方面中,同时也会在以前的基础上增加许多功能,小型化,数字化,集成化,多功能化会成为未来发展的趋势。
第二节智能数字时钟简介
一、数字时钟系统的基本特点
数字时钟系统数字时钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路.由于计数的起始时间不可能与标准时间一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1MHZ时间信号必须做到准确稳定.通常使用石英晶体振荡器电路构成数字时钟。
⑴晶体振荡器电路
晶体振荡器电路给数字时钟提供一个频率稳定准确的12MHz的方波信号,可保证数字时钟的走时准确及稳定.不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
⑵时间计数器电路
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器电路构成,秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器。
第三节研究的目的及意义
本设计主要的目的是基于单片机技术设计具有时间显示,定时设置,声音提示等多功能电子闹钟,提高自己综合运用的实践能力,进一步培养自己的创新意识很创新能力。
同时可以了解数字时钟基本的工作原理,设计出功能更加全面的数字时钟来适应时代的需求。
第四节研究容
本次设计的主要容包括:
1、在液晶上显示年、月、日、星期、时、分、秒;2、利用按键调整时间;3、自带直流稳压电源;4、实现语音整点报时;5、每次有键按下时,蜂鸣器都可以段"滴"声报警。
同时自己根据设计的要求,在原有的基础上增加了测温和温度显示功能。
从而使整个设计更加全面,功能更加完善。
第五节本章小结
本章主要是简述数字时钟发展的历史以及未来发展的趋势,通过对数字时钟发展和基本特点的了解,让我们更加清楚的知道未来对时钟的需求,以及未来时钟发展的趋势。
同时进一步了解本次设计的研究目的以及相关容。
第二章系统方案设计
第一节系统设计原理
本次设计是基于STC89C52单片机,采用DS1302时钟芯片来实时读取年,月,日,时,分,秒和星期,通过LCD1602液晶显示屏,将所得到的时间显示出来。
同时通过按键来实现时间的调整,同时通过DS18B20温度传感器读取相应温度,在液晶屏上显示出来。
最后加入整点报时功能,通过语音芯片能够实现整点报时,实现语音播报。
第二节时钟系统设计方案选择
基于单片机的时钟系统设计方案:
方案一:
基本门电路搭建,用基本门电路来实现数字时钟,电路结构复杂,故障系数大,不易调试。
方案二:
单片机编程,用单片机设计电路,由于使用软硬件结合的方式,所以电路结构简单,调试也相对方便。
与第一种方案比较优点的是非常明显的。
我选择了第二种方案。
第三节硬件原理框图
硬件原理图的设计决定了一个系统的功能,是设计的基础所在,而一般的设计的目标是:
简洁,高效,可靠,优化。
好的硬件可以给程序的编写带来极大的优势,同时可以很好的提高信号设计的精度和灵敏度,使整个系统的工作协调有序,从而使整个系统更好的实现功能。
对于电子时钟的设计,我采用STC89C52为核心处理器,,用DS1302时钟芯片可以实时读取时间,通过DS18B20测得温度,最后将时间,温度通过LCD1602显示出来,并可以通过语音芯片ISD4004实现整点语音报时功能。
根据本次设计的要求,我将其分为不同的功能模块,各个模块之间相互联系,相互协调。
通过单片机程序构成统一的整体,其整体电路原理框图如图2.1所示。
图2.1硬件原理框图
第四节STC89C52单片机简介
一、STC89C52单片机简介
STC89C52是一种带有8K字节的FLASH存储器的低电压,高性能CMOS,8位微处理器,俗称单片机。
该芯片具有优异的性价比,集成度高,体积小,可靠性强,控制功能强等优点,其外形及引脚排列如图2.2所示[14]。
图2.2STC89C52引脚图
二、STC89C52单片机主要特性
STC89C52主要特性如表2.3。
表2.3STC89C52主要特性
第五节DS1302时钟芯片简介
一、DS1302基本工作原理
DS1302是一种高性能,低功耗的实时时钟芯片,附加31字节静态RAM,采用SPI三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
其外形以及引脚排列如图2.4所示[8]。
图2.4DS1302引脚图
二、DS1302主要特性
DS1302实时时钟可以提供时,分,秒,年,月,日和星期,一个月小和31天时可以自动调整,具有闰年补偿功能,。
工作电压宽达到2.5V-5V。
采用双电源供电方式〔主电源和备用电源,可设置备用电源充电方式,提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
DS1302用于数据记录,特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上,能够实现数据出现和该数据的时间同时记录,因此广泛的应用于测量系统中。
DS1302部结构图如图2.5所示。
图2.5DS1302部结构
第六节LCD1602液晶屏简介
一、LCD1602基本工作原理
LCD1602液晶也叫着1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母,数字,符号等的点型液晶模块。
它由若干5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间距,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用。
1602LCD是指显示的容为16X2既可以显示两行,每行16个字符液晶模块〔显示字符和数字。
LCD1602的管脚图如图2.6所示[3]。
图2.6LCD1602管脚图
二、LCD1602主要特性
LCD1602可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0-D7,和RS,R/W,EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光,该模块也可以只使用D4-D7作为四位数据分两次传送,这样可以节约MCU的IO资源。
LCD1602各引脚功能及结构如表2.7所示[15]。
表2.7LCD1602各引脚功能及结构
第七节ISD4004语音芯片简介
一、ISD4004基本工作原理
ISD4004可以实现单片8至16分钟语音录放,置微控制器串行通信接口,需要3V工作单电源工作,可以进行多段信息处理,工作电流在25-30mA,维持电流为1uA。
同时不掉电信息保存100年,采用高质量,自然的语音还原技术。
10万次录音周期,自动静噪功能,片免调整时钟,可选用外部时钟。
ISD4004的引脚图如图2.8所示。
图2.8ISD4004引脚图
二、ISD4004主要特性
ISD4004系列工作电压为3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用有移动以及便携式电子产品中。
芯片采用CMOS技术,含有部振荡器,防混淆滤波器,平滑滤波器,音频放大器,自动静噪器及高密度多电平闪烁存储列。
芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口送入,芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个存储值直接存在片闪烁存储器中,因此能够十分真实,自然的再现语音,音乐音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成量化噪声和"金属声"。
采样频率可为4.0,5.3,6.0,5.0KHz,频率越低,录放时间越长,而音质有所下降,片信息存于闪存中,可以在断电的情况下保持100年,反复录音10万次。
ISD4004部结构图如图2.9所示[11]。
图2.9ISD4004部结构图
第八节DS18B20温度芯片简介
一、DS18B20基本工作原理
DS18B20具有独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信,每个器件有唯一的64位的序列号存储在部存储器中,可以进行简单的多点温度测试应用,并不需要外部器件。
可通过数据线供电,工作电压在3.3v-5.5v,测量温度围是55-125摄氏度。
温度计分辨率可以被使用者选择为9位,最多在750ms将温度转换为12位数字,用户可以自定义非易失性温度报警设置。
主要应用包括温度控制,工业系统,消费品,温度计或任何热感测温系统。
DS18B20的引脚图如图2.10所示[13]。
图2.10DS18B20引脚图
二、DS18B20主要特性
DS18B20采用一线通信接口,必须先完成ROM的设定,主要是提供以下的功能命令,读ROM,ROM的匹配,搜索ROM,跳过ROM,报警检查,这些指令操作作用在一个器件的64位光刻ROM序列号,可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件,同时总线也可以知道总线上挂多少多少设备。
当全部经由一个三态端口或者漏极开路端口与总线连接的时候,控制线需要连接一个弱上拉电阻。
微控制器依靠每个器件独有的64位序列号辨认总线上的器件和记录总线上器件地址。
DS18B20应用方框图如图2.11所示。
图2.11DS18B20应用图
第九节本章小结
本章主要是通过查询资料,了解关于单片机的智能电子时钟的设计,通过不同的方案的比较选择,比较各个方案之间的优缺点以及相应的可行性,从而找到最佳的方案,从而满足设计的要求和容。
同时了解系统设计的基本原理,了解所用到芯片的基本工作原理和主要特性,从而让自己更好的去设计硬件电路和更方便的完成程序代码的编写。
第三章系统硬件电路设计
本章详细介绍基于单片机智能时钟系统的硬件电路设计,主要包括单片机最小系统电路,电源电路,实时时钟电路,LCD显示电路,测温电路以及语音报时电路。
根据硬件连接和各模块的功能要求,提出主要模块的设计方法[7]。
第一节最小系统电路
最小系统电路主要是由复位电路,时钟电路以及单片机电路组成。
复位电路分为上电自动复位和按钮复位两种方式,在程序跑飞的时候可以通过复位电路使程序恢复正常工作状态。
工作原理是在加电的瞬间电容通过充电来实现,在充电瞬间,电容C通过电阻R充电,RST端产生正脉冲,用以复位,只要电源VCC的上升时间不超过1ms,就可以实现自动复位,即接通电源完成系统的初始化。
在本次设计中采用按键复位电路和上电自动复位电路组合方式复位,复位电路结果原理图如图3.1所示[3]。
图3.1复位电路
时钟电路是给单片机提供时钟信号,通常是有两种方式:
部振荡和外部振荡方式。
在XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器,构成部振荡形式,由于单片机部有一个高增益的反相放大器,当外接晶振后,构成了自激振荡,并产生振动时钟脉冲,晶振通常选择6MHz,12MHz,32MHz。
本次设计的时钟电路原理图如图3.2所示。
我选择了12MHz晶振分别接引脚XTAL1和XTAL2,电容C1和C2都选择30Pf,很好的滤波作用,对振荡器的频率有稳定作用[4]。
图3.2时钟电路
单片机工作电路如图3.3所示[5]。
图3.3单片机工作电路
第二节电源电路
电源电路是给单片机稳定的工作电压,单片机的工作电压为稳定5V。
而通常我们使用的是220V的交流电,需要通过整流电路,将交流电转化成直流电,同时还要加入滤波电路,滤掉交流分量,最后通过稳压电路,得到想要的电压。
本次设计采用5V稳压芯片LM7805,LM7805是线性稳压芯片,具有反应速度快,输出纹波小等优点。
电源电路原理图如图3.4所示[8]。
图3.4电源电路
第三节实时时钟电路
实时时钟电路是通过DS1302时钟芯片实时读取时间,DS1302是带RAM的实时时钟电路,它可以对年,月,日,周,时,分,秒进行计时,具有闰年补偿功能。
采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302与单片机的连接仅需要三条线,即SCLK、I/O、RST。
DS1302与单片机连接的电路原理图如图3.5所示。
Vcc2在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。
Vcc1在双电源系统中提供主电源,在这种运用方式下Vcc2连接到备份电源,以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据[9]。
图3.5实时时钟电路
第四节显示电路
在本次设计中采用LCD1602液晶显示模块,将实时的时间信息和温度信息显示出来。
LCD1602可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0-D7,和RS、R/W、EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光。
LCD1602与单片机相连的原理图如图3.6所示[10]。
图3.6显示电路
第五节语音电路
本次设计需要通过语音芯片实现整点报时功能,选择了ISD4004语音芯片来实现语音报时功能。
通过将ISD4004芯片的SS,MOSI,MISO,SCLK四个管脚和单片机IO管脚相连,实现单片机对语音芯片的控制。
ISD4004语音芯片采用CMOS技术,含晶体振荡器,防混叠滤波器,平滑滤波器,自动静噪,音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储列等。
芯片设计是基于所有操作由微控制器控制,操作命令通过串行通信接口〔SPI送入。
语音电路的原理图如图3.7所示[11]。
图3.7语音电路
第六节测温电路
本次设计中并没有要现温度测量,而自己在原有的要求的基础上加入温度测量。
温度测量采用的是DS18B20芯片。
DS18B20采用一线通信接口,广泛应用于多点温度检测,它有2个电源引脚〔VCC和GND,一个信号接口,硬件连接只需要接一个1K上拉电阻。
测温电路原理图如图3.8所示[12]。
图3.8测温电路
第七节本章小结
本章主要是了解系统硬件电路的各个功能模块,了解每个功能器件的工作原理,以及和微控制器相连接的原理,从而让自己在设计电路时,更加清楚每个功能模块的作用以及相关原理,更加方便的实现程序的编写。
第四章系统软件设计
第一节软件流程图
本次设计中,当系统完成初始化后,读取DS1302部时间数据并显示,然后进行按键操作,对按键请求进行处理,同时一直判断是否达到整点,进行整点语音报时。
结束之后程序返回读取DS1302时间数据,形成循环。
系统软件流程图如图4.1所示[1]。
图4.1软件流程图
第二节数字时钟实现流程图
本次设计中时钟芯片的数据读取流程图如图4.2所示[2]。
否否
是
图4.2数字时钟实现流程图
通过调用时间获取时间函数,读取实时的年,月,日,时,分,秒和星期,由于DS1302读取的是BCD编码格式的的数据,所以需要通过码制转换,转换成十六进制数据,同时通过LCD1602将实时数据显示出来。
第三节语音芯片操作流程图
语音芯片包括放音程序流程图和录音程序流程图,其中放音程序流程图如图4.3所示[2]。
需要经过器件延时TPUD〔8kHz采样时,约为25ms才能够开始操作,因此发出上电指令后,需要等待TPUD,才能够发出一条操作指令。
执行上电操作命令后,等待上电延时结束,设置放音地址,执行放音命令,就可播放出地址中的容.
N
Y
N
Y
Y
N
N
图4.3放音程序流程图
图4.4放音程序流程图
录音程序流程图如图4.4所示[6]。
器件发出上电命令的时候,等待上电延时,延迟结束时候,再次发出上电命令,等待两倍的上电延时后,执行设定录音地址的命令,然后再指定的地址进行录音。
NN
NN
N
Y、
Y
图4.4录音程序流程图
第四节本章小结
本章主要是了解主要芯片在程序代码编写上的流程图,从而使自己在编程程序代码的时候,严格按照各个芯片的工作流程图来实现代码的编写。
同时还包括整个主程序的流程图,明白整个程序编写时候的思路。
第五章系统实现与测试
系统测试就是利用完成的硬件电路和基本测试仪器〔万用表,示波器等,通过执行开发系统的有关命令或运行适当的测试程序〔与硬件有关部分的程序段检查系统硬件中存在的故障。
系统的测试可分为硬件测试和软件测试。
第一节系统实现
通过前期资料的查询,硬件电路的设计,根据原理图,购买相关的元器件,进行电路的焊接,最终得到的数字时钟系统实物如图5.1所示。
本系统主要是由电源电路,数字时钟电路,液晶显示电路,单片机最小系统电路以及语音电路组成。
图5.1系统实物图
第二节硬件调试
硬件测试主要是通过运用相关测试工具来检测系统硬件故障,比如短路,虚焊,元器件发烫等各种故障情况。
运用各种调试工具,查找故障,确保硬件电路的成功,从而可以更好的完成软件调试和测试。
一、调试工具
测试本设计的各项性能指标,需要不同的仪器设备。
根本系统测试指标的具体要求,也要使用精度要求不同的仪器。
本设计要求精度较高,需要一些高精度的仪器,以减少测试不准所带来的误差。
设计用到的测试容见表5.1。
表5.1测试工具与测试容
编号
测试工具
工具型号
测试容
1
KeilC51
KeiluVison3
程序编译
2
示波器
TektronixTDS5034
检测传感器输出波形
3
万用表
DT9205
测量电压,电流值,检测是否短路
二、调试方法
在硬件电路的调试中,主要还是根据相关步骤来完成。
本次设计中,在完成原理图的绘制后进行了一下测试:
1、电路检查。
对照原理图,直至确认无误后才进行焊接。
2、集齐元器件,焊接电路。
电路中所用到的元器件比较多,集齐所有的元器件,焊接的时候合理布局,同时避免不要出现电气故障和虚焊的情况。
3、各个功能模块测试。
硬件原理图包括单片机最小系统,显示电路,数字时钟电路,语音电路,焊接完成后用万用表,示波器测试各个模块。
系统硬件测试的实物图如图5.2和图5.3。
图5.2硬件测试图
图5.3系统测试图
三、故障处理
在整个硬件系统的测试中存在许多问题,但是自己还是在不断的查询资料和在同学的帮助下顺利的解决了所有的故障。
在本设计中主要碰到了一下几个故障:
1、短路。
在这个硬件电路中出现最多的情况就是短路,而我自己也是在这次设计中碰到了,
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