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1、中等职业学校专业骨干教师国家级培训结业论文（设计）基于单片机的电子时钟设计学员姓名_ _ 学员单位_ 犍为县职业高级中学 培训专业_电子与信息技术_培训地点_ 武汉职业技术学院_ _ 培训时间_2013.03.112013.05.31 全国重点建设职教师资培训基地武汉职业技术学院基于单片机的电子时钟设计 完成日期：_2013-05-28_ _ 指导教师签字：_ 成绩：_ _ 摘 要电子钟是一种能够显示年、月、日、星期、时、分、秒的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有显示直观、走时准确等优点，因而得到广泛应用。随着人们生活水平的不断改善，在许多场合都可以数字电子钟。在现有的数码管电子钟技术基础上
2、，本设计论述了以STC89C52RC作为核心控制器、以LCD1602液晶显示器作为显示设备的系统硬件电路的设计与实现。该设计包括总体设计方案和各个模块的具体设计方法。该控制系统由稳压直流电源、微处理器最小系统、液晶显示模块、独立按键以及RS232通信模块构成。关键词：STC89C52RC 硬件电路 液晶显示器 独立按键 目 录摘 要I目 录II引 言III1 系统方案设计11.1 设计框图12 硬件单元模块设计12.1 STC89C52引脚简介22.2 晶振电路设计32.3 复位电路设计32.4 独立按键电路设计42.5 显示模块电路设计52.5.1 液晶显示器引脚介绍52.5.2 LCD16
3、02内部RAM地址62.5.3 LCD1602显示原理简介62.5.4 1602与微处理器的连接电路图62.6 电源模块72.7 串口电路设计83 总结与体会9结束语10参考文献1111 引 言本论文旨在研究和设计一个采用单片机控制、独立按键可调、液晶显示的电子时钟系统。整个系统由硬件系统和软件系统构成，本文着重对硬件部分进行设计和验证。本系统硬件将实现以下功能：整个系统会显示年、月、日、星期、时、分、秒，并且年、月、日、星期和时间通过独立按键可调。在程序下载时，可通过RS-232串口,利用下载软件直接将程序下载到单片机中，方便硬件的调试。基于单片机的电子时钟设计1 系统方案设计1.1 设计框
4、图该方案描述了基于STC89C52RC系统的电子时钟的总体设计框图。该系统由晶振电路、复位电路、电源电路、LCD1602液晶显示电路、RS-232程序串口下载电路以及独立按键电路构成。系统原理框图如图1.11所示。微处理器STC89C52独立按键电路电源电路复位电路晶振电路LCD1602液晶显示电路RS-232电路图1.1-1 电子时钟系统框图当系统上电后，单片机实现复位功能，系统正常启动后，一方面，LCD1602液晶显示器显示程序预定的年、月、日、星期、时、分、秒信息；另一方面，通过独立按键，调整年、月、日、星期和时间达到正确的值。并且由于LCD1602具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄
5、轻巧的特点，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。故该控制系统具有结构简单，模块电路较少，用户操作方便以及成本较低的优点。2 硬件单元模块设计STC89C52是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗以及抗干扰超强的单片机，其指令完全兼容传统8051单片机，其主要特性如下：（1）其采用DIP40封装，常见工作电压为5V。（2）应用程序空间达8K，便于开发人员使用。（3）具有EEPROM功能（电可擦可编程只读存储器，掉电后数据不丢失，一般用在即插即用的环境），片上集成512字节RAM，提高了数据处理能力。（4）通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）能直接下载程序，方便用户的对软件系统的调试。（5）
6、工作温度含商业级（075）和工业级（-40+85）两个层次，能满足不同客户的需求。2.1 STC89C52引脚简介基于单片机的电子时钟电路设计所采用的是STC89C52控制芯片，其结构引脚如图2.1-1所示。图2.1-1 STC89C52结构图引脚介绍如下所示：（1）VCC（40引脚）和VSS为（20引脚）分别为电源的正极端和接地端。（2）P0口：P0口包括P0.0P0.7（3932引脚），既可以作为普通的I/O口，也可以作为在访问外部存储器的低8位地址线。由于其内部没有上拉电阻，作为普通的I/O口时，需要外接10K的上拉电阻。（3）P1口：P1口包括P1.0P1.7（18引脚），是一个8位双
7、向I/O口，其内部自带上拉电阻，作I/O口时，直接外接电子元件。此外，P1.0还具有定时器/计数器2的外部计数脉冲输入端，P1.1还具有定时器/计数器2的外部控制输入端（T2EX）。（4）P2口：P2口包括P2.0P2.7（2128引脚），内部自带上拉电阻的8位双向I/O端口，既可作为普通的I/O口，也可作为在访问外部存储器的高8位地址线。它与P0口的8根线共同构成16位地址线。（5）P3端口包括（P3.0P3.7，1017引脚）：P3是一个8位双向I/O端口，内部带上拉电阻的。除作为一般I/O口外，P3口还具有其他其它复用功能。当P3口的某些口线作为复用功能引脚时，就不能够作为普通的I/O口
8、。P3剩余口线，可以通过位定义语句使用。其复用功能引脚如下表2.1-1所示：表2.1-1 P3口复用引脚功能端口号引脚号复用功能说明P3.010RXD（串口输入端）P3.111TXD（串口输出端）P3.212INT0（低有效）P3.312INT1（低有效）P3.414T0（T0的外部输入端）P3.515T1（T1的外部输入端）P3.616WR（外部数据存储器写选通,低有效）P3.717RD（外部数据存储器读选通,低有效）2.2 晶振电路设计XTAL1和XTAL2分别为时钟振荡的两个引脚。当外接晶振时，这两个端子用来接石英晶体，振荡频率为晶体振荡频率，该部分为单片机提供时钟节拍，我们也可以称之为
9、单片机的主频。30P的两个电容起微调和起振的作用，其原理框图如图2.2-1所示。图2.2-1 晶体振荡电路2.3 复位电路设计单片机在上电时，都必须先完成复位动作，使CPU和其它部件均处于一个确定的初始状态，然后从这个状态开始工作。而单片机自身不能够完成复位动作，需要人为添加外围复位电路。只要在单片机的RST端口连续提供两个机器周期的高电平，单片机就可完成复位动作。单片机的自动复位是根据电容的充电实现的。而手动按键复位电路是当按键K1按下时，电容迅速放电，RST端出现高电平；当K被释放时，+5V的电源通过R3又给又给电容C2从新充电，使RST端出现复位正脉冲。其持续时间取决于RC电路的时间常数
10、，复位电路图如图2.3-1所示。图2.3-1 复位电路2.4 独立按键电路设计单片机的独立按键设计中，通常采用检测引脚电平的高低来判断是有有按键按下。在检测系统中，通常会采用延时去抖的方法，来判断是否是真正的按键按下。在按键检测中，通过检测与单片机相连接引脚的低电平来判断，其独立按键的电路，其原理框图如图2.4-1所示图2.4-1 家用电器驱动电路其中，K2为功能性调节按键，K3为加一按键，K4为减一按键。当第一次按下K2时，时间停止，表示进入时间调节功能，LCD1602光标在分钟位置闪烁，按下K3或者K4，就能够调节分钟；当第二次按下按下K2时，LCD1602光标在小时位置闪烁，按下K3或者
11、K4，就能够调节小时；当第三次按下按下K2时，就能够调节日期；以此类推，就可以调节月和年。最后一次按下K2，就可以正常走时了。2.5 显示模块电路设计LCD是 Liquid Crystal Display 的简称，其显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示。它可以显示字母、数字、图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动的特点，目前已经被广泛应用在众多领域中。其正面外形结构如图2.5-1所示。图2.5-1 1602外形图2.5.1 液晶显示器引脚介绍LCD1602液晶显示器采用16脚接口。其中：GND、VCC、VO分别为电源地、电源正以及液晶显示
12、偏压信号引脚；RB0-RB7为8根数据线；RS、RW、E分别为数据/命令选择端(H/L)、读/写选择端(H/L)和使能信号选择端，BLA和BLK为背光源的正负极。其结构示意图如图2.5.1-1所示。图2.5.1-1 LCD1602结构示意图2.5.2 LCD1602内部RAM地址LCD1602中数据02表示能显示两行，16表示每行能显示16个字符。其中000F以及404F表示内部RAM显示缓冲区上下两行中每一个字符的地址，只要向对应的地址中写入需要显示的ASCII代码，就可以显示出对应的字符，其内部RAM显示缓冲区的地址映射图如表2.5.2-1所示。表2.5.2-1 显示缓冲区的地址映射表00
13、0102030405060708090A0B0C0D0E0F1027404142434445464748494A4B4C4D4E4F50672.5.3 LCD1602显示原理简介1602模块内部存储了160个点阵字符，有大小写的英文字母、阿拉伯数字和日文等。每个字符都有特定的代码，比如大写的英文字母“B”的代码是01000010（42H），我们在使用时，只要把地址42H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“B”的图形了。其部分字符对照表如表2.5.3-1所示。表2.5.3-1 LCD1602部分字符对照表高位低位0000001101000101011001110000（1）0Pp0001
14、（2）1AQaq0010（3）BRBr0011（4）2CSCs1111（8）？D-Oo2.5.4 1602与微处理器的连接电路图VCC接5V电源正极，VSS接电源地；RB0-RB7接STC89C52的P2.0-P2.7口；液晶显示偏压信号引脚VO通过滑动变阻器与+5V电源相连接。我们调节滑动变阻器，就可改变屏幕的明暗程度,背光极与10欧姆电阻串联，起到限流作用，防止烧坏1602。而液晶的RS、RW、E端分别连接单片机的P1.7、P1.6和P1.5，作为1602的数据读写与使能端控制，其与STC89C52结构连接如图2.5.4-1所示。 图2.5.4-1 LCD1602与单片机的连接图2.6 电
15、源模块在电子电路中，经常需要直流电源供电，在小功率电路中，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压模块构成，稳压电源的组成框图部分如图2.6-1所示。电源变压整流电路滤波电路稳压电路图2.6-1 稳压电源的组成电源变压器将电网220V的交流电变成较低的交流电压，然后通过整流电路，把交流电变成脉动的直流电，由于该直流电具有较大的纹波系数，必须通过滤波电路加以处理。在实际的电路中，通常将一定值的电解电容并联上一个较小的无极性电容。通过滤波电路虽然有10%左右的波动，但是随着电网的波动和温度、负载的变化，电压值不稳定，故需要在整流、滤波电路后加上稳压模块。稳压模块的功能是在电网的波动以及温度和负载的变化时
16、，维持输出电压的稳定。如果是在大功率的电路中，这需要考虑开关稳压电源。单片机的工作电压为+5V，故在稳压电源设计中，需要引入由三端集成稳压器件LM7805供电系统，电源设计电路如图2.6-2所示图2.6-2 电源设计电路图2.7 串口电路设计MAX232是美信公司专为电脑的RS-232串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v电源供电，其芯片引脚图如图2.7-1所示图2.7-1 电源设计电路图引脚介绍： 第一部分是由1到6脚和4只电容构成电荷泵电路。功能是产生正负12v两个电源，供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是由7到14脚构成数据转换通道。其中11脚、12脚、13脚、14脚分别为T1
17、IN、R1OUT、R1IN、T1OUT，构成第一数据通道。7脚、8脚、9脚、10脚分别为T2OUT、R2IN、R2OUT、T2IN构成第二数据通道。TTL或CMOS数据从T1IN、T2IN输入，经转换成RS-232数据，从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头上；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入，经转换成TTL或CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分的GND（15脚）、+5vVCC（16脚）是供电引脚。为方便系统的调试，增加了RS-232串口模块。PC机通过DB9插头与MAX232芯片相连，将RS-232数据转化成TTL电平，送到单片机；同时单片机将数据送
18、到MAX-232芯片，经MAX-232转换，通过DB9插头又送到PC机上，实现串口的通信，其电路如图2.7-2所示。图2.7-2 RS-232连接图3 总结与体会通过这次基于单片机的电子时钟的设计，使我从宏观的角度上更加清醒地认识了从资料收集到数据计算，再到硬件电路设计等整个过程。在模拟电子技术方面，我进一步熟悉了电路图的理解以及如何看芯片资料来使用电子元器件。在Proteil 99SE软件方面，绘制原理图中ERC的纠错也使我受益匪浅。在此，我也非常感谢我的指导老师姚四改老师，在整个设计的过程中不仅指导我们如何收集资料，一步步学会设计原理，而且也多次耐心的一对一的当面指导，可以说，没有姚四改指
19、导老师的帮助，是不可能完成整个设计的内容。姚四改老师的谆谆教诲和细心关怀，让我深深感动，在此表示我最诚挚的感谢。我还要感谢在本次电子与信息技术专业国家级培训期间及论文阶段给予我很大帮助的许多老师和同学，他们帮助我解决论文工作中遇到的困难，提出许多宝贵中肯的建议，使我的课题得以顺利的完成。再次感谢各位老师的指导。结束语1、论文完成的主要工作：（1）资料收集到元件选择（2）硬件电路设计（3）原理图的绘制（4）原理图中ERC检查（5）论文撰写（6）论文修改2、论文的改进方向如下（1）该设计最好添加农历的时间显示功能（2）该设计最好添加一个温度显示功能参考文献期刊1 刘国勇.MAX232/MAX232A收发器及其运用.中国知网.1997.03期刊2 何利民.MCS51单片机运用系统设计.北京航空航天出版社，1990.01期刊3 刘国平，张旭斌.液晶LCD1602的运用.机电技术.2009.03图书1 郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社，2009：68138图书2 刘润华，刘丽山.模拟电子技术.山东：山东石油大学出版社，2008：125148图书3 牛昱光.单片机原理与接口技术.电子工业出版社，2010：50P128图书4 胡烨.Protel99SE原理图与PCB设计教程.机械工业出版社，2008：68153