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1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计说明书题 目 基于单片机的多功能数字钟 课 程 电子线路综合分析与制作 班 级 09应电 学 号 学生姓名 陈晓霞 完成日期 2012月5月11日 专心-专注-专业摘 要今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。本文介绍了基于单片机的多功能数字钟的设计，它以AT89C52单片机和时钟日历芯片(PCF8563)为核心，采用I2C 总线技术，由单片机最小控制系统、时钟闹钟模块、电源电压模板等功能模块组成。基于所选题的要求，本系统对时间/日期的数字显示
2、及设置、闹钟的时间设置及闹钟的开/关闭功能、闹钟起闹并允许非接触式止闹等功能进行了重点设计。本文着重地介绍了多功能数字钟的硬件制作，在整个设计在实现了题目中的所有要求的同时达到了较高的性能指标。关键词：数字钟 STC89C52单片机 PCF8563时钟芯片目 录引言在单片机技术日趋成熟的今天，其灵活的硬件电路的设计和软件的设计，让单片机得到了广泛的应用，几乎是从小的电子产品，到大的工业控制，单片机都起到了举足轻重的作用。单片机小的系统结构几乎是所有具有可编程硬件的一个缩影，可谓是“麻雀虽小，肝胆俱全”，单片机的学习和研究是对微机系统学习和研究的简捷途径。计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展，
3、这三个方向就是：巨型化，单片化，网络化。单片机用以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。单片机在出现时，Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器。单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。这一点是巨型机和网络不可能做到的。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。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
4、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数字钟，数字钟是采用数字电路实现对时，分，秒数字显示的计时装置，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。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
5、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。1 设计目的对于单片机学习者而言，这个程序基本上是一道门槛，掌握了数字钟程序，基本上就可以说把51单片机掌握了80%。我们需要完成以下学习任务：综合利用所学单片机知识完成一个单片机应用系统设计并完成制作，从而加深对单片机只是的理解，获得初步的应用经验；学校AT89C52定时/计数器的原理及基本应用；掌握LCD液晶显示器动态的显示方法；掌握Protel 2004具体操作：原理图文件的建立，绘制原理图、原件的标号操作及执行ERC（电器规则检查）。无误后，导出原理图各项目的参数值（标号，封装，大小），并创建网络表。接着新建一个
6、PCB文件，在禁止布线层画电路板板框，导入网路表，检查是否有错误产生。对整个原理图产生的PCB图进行布局、布线、调整（建议大家用手动布线）。最后可覆铜；掌握PCB图，制PCB板，焊接，调试及测试报告。本次设计的基于单片机的多功能数字钟将实现如下功能：（1）通过键盘预置时间，包括时、分、秒（采用增量键盘）；（2）能调整本系统对时间/日期的数字显示及设置；（3）闹钟的时间设置及闹钟的开/关闭功能、闹钟起闹并允许非接触式止闹；（4）具有掉电保护功能。2 方案初步设计2.1 方案一这是一种纯硬件电路系统。各功能采用分离的硬件电路模块实现。用时序逻辑电路实现时钟功能，用555定时器实现闹钟的设定，以及用
7、热敏电阻作为温度传感器等。但这种实现方法可靠性差、控制精度低，灵活性小、线路复杂、安装调试不方便，而且不方便实现对系统的扩展。2.2 方案二这种方法用可编程逻辑器件（PLD）实现。这种方案与前一种相比，可靠性增加，同时可以很好的完成时钟的功能。但是对于温度和电压的测量，不具备对数据的处理功能，无法很好的完成扩展功能的要求。同时这种方案只能选用数码管显示，显示的效果不够理想。同时，系统的灵活性不够。2.3 方案三这种方案采用AT89C52单片机作为系统的控制核心。时钟功能采用单片集成的时钟芯片（PCF8563）实现，可以使用液晶显示（LCD）测量数据及提示信息，有着智能化的人机界面。由于使用了单
8、片机，整个系统可编程，系统的灵活性大大增加了。另外，本方案可以方便的实现其他功能的扩展。由于单片机具有功能强，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；液晶显示器具有体积小、外形薄、重量轻、耗能少、工作电压低、无辐射，特别是视域宽、显示信息量大等优点。所以，我们选用方案三来完成题目的要求。3 产品详细设计3.1 系统总体设计方案由于这是多功能数字钟系统的一个设计，所以就要全面了解数字钟系统，画出设计的多功能数字钟控制系统的原理图。通过单片机AT89C52来控制外部相应的电路，达到其目的。核心部分AT89C52单片机与时钟芯片
9、PCF8563，电源总线驱动器74LS245、4个按键等构成单片机的基本系统，并且可实现显示、键盘设定、闹钟等功能，提高并实现了系统的智能化，也大大提高了系统的检测精度。同时，以单片机为核心的控制系统，比较灵活，易于实现。如图1所示：本系统设计由硬件和软件部分组成，我只完成了硬件部分。单片机AT89C52LCD显示电路时钟电路键盘电路灯光电路电源供电图1主机系统总设计结构图4 硬件设计4.1 单片机最小系统设计基于单片机的多功能数字钟由AT89C52单片机、时钟电路、复位电路和闹钟电路四部分组成，如图2所示。在这个系统中，单片机AT89C52作为核心控制器控制着整个系统的工作，而时钟电路负责产
10、生单片机工作所必需的时钟信号，时钟电路可以简单定义就是产生像时钟一样准确的振荡电路任何工作都按时间顺序，用于产生这个时间的电路就是时钟电路。复位电路则使得单片机能够正常、有序、稳定可靠地工作。图2 单片机的复位、晶振电路4.2 时钟电路时钟芯片采用PCF8563 芯片，PCF8563是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563 的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，同时为单片机提供了内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路（1.0V） 以及两线制I2C总线通讯方式，不仅使外围电
11、路及其简洁也增强了芯片的可靠性。同时每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。作为时钟芯片，PCF8563 亦解决了2000 年问题，保证了在时间设定上更加稳定。PCF8563采用了I2C总线接口，虽然总线时序关系复杂，但我们可以利用PHIL IPS公司提供的软件包，使得编程极为简单，可靠性极强。在设计中主要用到了PCF8563的计时功能和报警功能。PCF8563内部共有16个寄存器。其中00H，01H为控制方式寄存器，02H08H为时间寄存器，09H0CH为报警功能寄存器，0DH为时钟输出寄存器，0EH 和0FH为定时器功能寄存器。如图3所示：图3 芯片PCF8563引脚PCF856
12、3 共有四种报警方式,分别为小时报警(每小时的同一分钟时刻报警),日报警(每天的同一小时时刻报警),月报警(每月的同一天时刻报警)和星期报警(每星期的同一天时刻报警)。发生报警时在/INT引脚产生一个中断，低电平有效，同时在PCF8563的内部产生中断标志AF。软件清AF后就清除了/INT上的中断信号。我们在设计中联合应用了PCF8563的小时报警、日报警和月报警的功能。即可以设定每个月某日的某时某分为闹铃时刻。报警时，/INT的低电平使单片机产生中断，在中断服务程序中，单片机控制蜂鸣器发出闹铃声。时钟芯片系统的电路连接如图4所示：图4 时钟芯片PCF8563电路4.3 显示电路采用LCD显示
13、，LCD显示具有丰富多样性，灵活性，电路简单、易于控制而且功耗小，对于信息量多的系统，是比较适合的,LCD液晶显示模块采用LCD1602型号，具有很低的功耗，正常工作室电流仅2.0mA/5.0V。通过编程实现总动关闭屏幕能够更有效地降低功耗。LCD1602分两行显示，每行可现实多达16个字符，其内部的字符发生器已经存储了160个不同的点阵字符图形，通过内部指令 可实现对其显示多样的控制。液晶显示器具有体积小、外形薄、重量轻、耗能少、工作电压低、无辐射，特别是视域宽、显示信息量大等优点。随着测控技术的日益发展，液晶显示器已被广泛应用于各种仪器仪表、电子显示装置等场合，成为测量结果显示和人机对话的
14、重要工具。液晶显示器按其功能可分为3类：笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前2种可显示数字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果。(1) 低压微功耗，工作电压3-5V，每平方厘米液晶显示屏工作电流只有几个uA。因此液晶显示器件成为电池供电的电子设备的首选显示器件；(2) 平板型结构，液晶显示器的基本结构是由两片玻璃组成的很薄的盒子， 这种结构的优点：一是使用方便，二是工艺适于大批量生产，目前的液晶生产线大都采用集成化生产工艺；(3) 寿命长，器件本身几乎没有什么劣化问题；(4) 被动显示，环境光线越强，显示内容越清晰，人眼
15、所感受的外部信息90%以上是外部物体对光的反射，而不是物体本身发光，所以被动显示更适合人的视觉习惯，不会引起疲劳， 这在大信息量、高密度显示、长时间观看时尤为重要；(5) 显示信息量大，易于彩色化， 液晶彩色化非常容易，方法也很多；(6) 无电磁辐射；LCD液晶显示电路如图5所示：图5 LCD液晶显示电路4.4 键盘电路 按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。为了避免CP
16、U多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。如图6所示：图6 键盘电路5 系统性能测试与分析5.1 测试仪器（1）伟福G6W型仿真器 （2）YB4360型60MHz双踪示波器（3）EE1642B型函数信号发生器（4）SS1792型直流稳压电源（5）DP930F型数字万用表 5.2 测试方法与数据时钟及闹钟功能测试：通过仿真器加载程序，可以在液晶屏上看到开机画面，之后为日期时间显示。可以在液晶显示的提示信息下利用键盘对日期和时间进行修改，同时可以对闹钟时间进行设定，设定后按
17、下“闹铃开”开关，液晶屏上显示出闹铃图标，表示设置完成。如果按下“闹铃关”按键，闹铃图表消失。待闹铃时间到后，蜂鸣器鸣叫。反复试验以上功能，均成功完成。6 设计总结与评价通过两个月的学习和调试过程，终于完成了单片机多功能数字钟的设计与制作，并且使数字钟能够顺利运行，完成了预期的目标。本设计规模小，但是功能较多，操作简单，造价低，在完成基础要求的同时，增设了外围的发光二极管，使得数字钟更加美观。从单片机多功能数字钟的设计过程中也找到了一些单片机开发的规律：先了解所有元件的具体内容，从而画出其电路图，使得数字钟从简易变成多功能方式，真正了解到其方法。然而在也有许多不足之处：调试过程中，编写调试程序
18、有点不足；功能不够齐全。这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念。在此次的数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法. 这次的设计不仅是一个操刀演练的过程，更是一个接触实际应用的过程。这次实验，主要考验的是我们的逻辑能力和动手能力。在慢慢的设计中，又发现这次实验其实非常考验人的细心和耐心。举个简单的例子吧，自动布线结束之后，会发现有非常多的错误。有的是出现锐角走线，有的走线绕了很大的圈子，有的出现多余的线头。其实修正这样的工作并不难，但是难能可贵的是有这份细致和耐心去做好这些事情。未来的日子里，我定会更加努力。相信自己的下一次设计一定会有更大的进步。这是对自己的希望，更是对自己的鞭策。参考文献1盛蒙蒙,葛亦斌,邱烨,马栋. J. , .2黄明,黄艳. J. , .3张芳. J. , 4陈姚节,戴泽军. J. , 5赵亮. J. , 6石学军. J. , 附录附录1：电路原理图图1 多功能数字钟总原理图附录2：电路PCB图图2 电路PCB图