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1、多功能数字钟设计报告中国矿业大学谢银坤2008 年 7 月 16 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 15 页 - - - - - - - - - 目录第一部分摘要 .4 第二部分1设计任务 .4 1.1 基本要求 .4 1.2 发挥部分 .4 1.3 创新部分 .4 2方案论证与比较.4 2.1 显示部分 .4 2.2 数字时钟 .4 2.3 温度采集 .5 2.4 闹铃部分 .5 2.5 电源模块 . 5 3总体方案 .5 3.1 工作原理 .5 3.2
2、 总体设计 .5 4系统硬件设计.6 4.1 STC89C52RC单片机最小系统 .6 4.2 测温模块 .6 4.3 时钟模块 .7 4.4 存储器模块 .7 4.5 LCD 显示模块 .8 4.6 电源模块 .8 4.7 整体电路 .8 5系统软件设计.9 5.1 主程序流程 .9 5.2 时间设定程序流程 .10 5.3 温度测量程序流程 .10 5.4 闹铃设定程序流程 .11 5.5 生日设定程序流程 .11 6测试与结果分析.126.1 基本部分测试与分析 .12 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师
3、精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 15 页 - - - - - - - - - 6.2 发挥部分测试与分析 .12 6.3 创新部分测试与分析 .12 7设计总结 .12 8参考资料 .13附录 .14附一.14 获取时钟芯片DS1302 时间信息的程序 .14 附二.15 多功能数字时钟使用方法 .15 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 15 页 - - - - - - - - - 摘要本设计采用 LCD 液晶屏幕显示系统， 以 STC
4、89C52RC单片机为核心， 由键盘、温度采集、定时闹铃、日期提醒等功能模块组成。基于题目基本要求，本系统对时间显示、闹铃方式进和温度采集系统行了重点设计。此外，扩展了整点报时、非易失闹铃信息存储、国内外重要节日提醒等功能。本系统大部分功能由软件来实现，吸收了硬件软件化的思想， 大部分功能通过软件来实现， 使电路简单明了， 系统稳定性大大提高。本系统不仅成功的实现了要求的基本功能，多数发挥部分也得到了实现，而且还具有一定的创新功能。关键字：STC89C52RC单片机、 LCD 液晶显示、双电源供电、温度采集、非易失定时闹铃、生日提醒、重要节日提醒、整点报时1、任务设计1.1 基本要求 ：设计并
5、制作一个多功能数字钟。1.1.1 设计能支持年、月、日、星期、时、分、秒的时钟，时钟有时间调整功能及闹钟功能；1.1.2 时钟附带有一个温度计功能，温度检测精度高于2 度，显示精度为1 度；1.1.3 时钟具有装卸电池时掉电保护功能，保护时间大于5分钟；1.1.4 时钟功耗小于0.5MA/5V 。1.2 发挥部分 ：1.2.1 提高温度检测精度，在0 -40显示 0.1；1.2.2 实现双电源供电（220V 及电池供电） ；1.2.3 能够提供生日提醒指示；能够每天提供3 个时间点的闹钟报时功能；1.2.4 非接触止闹功能。1.3 创新部分 : 1.3.1 非易失定时闹铃1.3.2 重要日期提
6、醒1.3.3 整点报时2、方案论证2.1 显示部分 : 显示部分是本次设计的重要部分，一般有以下两种方案：方案一：采用LED 显示，分静态显示和动态显示。对于静态显示方式，所需的译码驱动装置很多，引线多而复杂，且可靠性也较低。而对于动态显示方式，虽可以避免静态显示的问题，但设计上如果处理不当，易造成亮度低，有闪烁等问题。方案二：采用LCD 显示。 LCD 液晶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等优点，对于信息量多的系统，是比较适合的。鉴于上述原因，我们采用方案二。2.2 数字时钟数字时钟是本设计的核心的部分。根据需要可采用以下两种方案实现：方案一：方案完全用软件实现数字时
7、钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1 秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将时字节清零。该方案具有硬件电路简单的特点，但当名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 15 页 - - - - - - - - - 单片机不上电，程序将不执行。而且由于每次执行程序时，定时器都要重新
8、赋初值，所以该时钟精度不高。方案二： 方案采用Dallas 公司的专用时钟芯片DS1302。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，可使系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。基于时钟芯片的上述优点，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。2.3 温度采集由于现在用品追求多样化，多功能化，给系统加上温度测量显示
9、模块，能够方便人们的生活，使该设计具有人性化。方案一：采用热敏电阻，可满足40 摄氏度至90 摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于1 摄氏度的信号是不适用的。方案二：采用温度传感器DS18B20。DS18B20 可以满足从 -55 摄氏度到 +125 摄氏度测量范围，且 DS18B20 测量精度高，增值量为0.5 摄氏度，在一秒内把温度转化成数字，测得的温度值的存储在两个八位的RAM 中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度，使用方便。基于 DS18B20 的以上优点，我们决定选取DS18B20 来测量温度。2.4 闹铃部分一般的时钟都带有闹铃，实现闹铃方式可
10、采用以下两种: 方案一：将闹钟信息存放在单片机自带的存储器中。该方案成本低而且易于实现，但是一但掉电会造成之前信息的丢失。方案二：将闹钟信息存放在非易失储存器AT24C02 中。该方案即使在完全的掉电的情况下也不会造成闹钟信息的丢失，可避免方案一带来的麻烦。2.5 电源模块方案一：采用干电池作为系统电源。但需经常换电池，不符合节约型社会的要求。方案二：采用直流稳压电源作为系统主电源，干电池作为辅助电源。不仅不需要经常更换电源，并且当市电停止时能够采用干电池做为系统电源，使用更加安全可靠。基于以上分析，我们决定采用方案二3、总体方案3.1 工作原理 : 本设计采用STC89C52RC 单片机作为
11、本系统的控制模块。单片机可把由DS18B20、DS1302、AT24C02 中的数据利用软件来进行处理，从而把数据传输到显示模块，实现温度、日历和闹铃的显示。以 LCD 液晶显示器为显示模块，把单片机传来的数据显示出来，并且显示多样化。在显示电路中，主要靠按键来实现各种显示要求的选择与切换。3.2 总体设计 : 设计总体框架图如图1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 15 页 - - - - - - - - - 4、系统硬件设计（单元电路设计及分析）4.1
12、STC89C52RC单片机最小系统：最小系统包括晶体振荡电路、复位开关和电源部分。图2 为 STC89C52RC 单片机的最小系统。4.2 温度测量模块: 温度测量传感器采用DALLAS公司 DS18B20 的单总线数字化温度传感器，测温范围为-55125，可编程为9 位12 位 A/D 转换精度，测温分辨率达到0.0625，采用寄生电源工作方式，CPU 只需一根口线便能与DS18B20 通信，占用CPU 口线少，可节省大量引线和逻辑电路。接口电路如图 3 所示。图 2 最小系统电路图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -
13、- 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 15 页 - - - - - - - - - 图 3 DS18B20 测量电路4.3 时钟模块 : 时钟模块采用 DS1302芯片，DS1302是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和 31字节静态 RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用 24或12小时格式 DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线：RST复位、 I/O数据线、 SCLK串行时钟。 时钟
14、/RAM 的读 /写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。 DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW，其接线电路如图4 图 4 时钟电路4.4 存储器模块 : 存储器采用Atmel 公司的 AT24C02 芯片。该芯片带有2KB 的串行 COMS EEPROM ，内部含有256 个 8 位字节，可通过I2C 总线对其接口进行读写操作，而且带有写保护功能。其接线图如图5所示。图 5 AT24C02 存储器电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第
15、 7 页，共 15 页 - - - - - - - - - 4.5 LCD 液晶显示模块 : LCD 液晶显示模块采用LCD1602 型号，具有很低的功耗，正常工作时电流仅2.0mA/5.0V 。通过编程实现自动关闭屏幕能够更有效的降低功耗。LCD1602 分两行显示，每行可显示多达16 个字符。LCD1602 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM ）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，并且还能利用空余的空间自定义字符。其接线如图6 图 6 LCD 显示电路4.6 系统电源 : 双电源设计是本设计的重点。220V 交流转 5V 直流稳压电源会更加安
16、全、实用。当没有交流电时，系统采用干电池供电；当接通交流电时，则电路自动切换到交流电供电，并且对干电池进行慢性充电。电路图如图7：图 7 电源电路4.7 整体电路：系统整体电路如图8 所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 15 页 - - - - - - - - - 图 8 系统总体电路图5、系统软件设计流程5.1 主程序流程如图9:图 9 系统主程序流程名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
17、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 15 页 - - - - - - - - - 5.2 时间设定程序流程如图10 图 10 显示时间子程序流程5.3 温度测量流程图如图11 图 11 温度测量程序流程图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 15 页 - - - - - - - - - 5.4 闹铃设定流程图如图12 图 12 闹铃设定程序流程图5.5 生日设定流程图如图13 图 13 生日设定程序流程图名师资料总结 - -
18、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 15 页 - - - - - - - - - 6、测量及其结果分析6.1 基本部分测试与分析6.11 测试仪器：秒表、温度表、万用表6.12 基本要求部分的测试与分析：（ 1）系统上电后， 首先显示欢迎词， 接着进入显示时间和温度。按各功能键执行相应的功能（时钟操作方法详见附录中的附二）。（ 2）显示时间时通过与秒表对比，测试的系统时钟走时准确，误差很小。（ 3）设定闹铃时间，当闹铃时间到时响铃。响铃长度为1 分钟，期间按除E 键（屏幕背光键）
19、外的任意一键退出响铃。（ 4）显示温度与温度计对比，测试系统温度的精度。将温度传感器DS18B20 和温度计放入不同的测试环境中进行测试，所得测试结果如表1 所示。表 1 数字温度计与标准温度计测量值比较表温度计示值 (摄氏度 ) 28.7 30.7 33.5 45.0 温度输出 (摄氏度 ) 29.0 30.8 33.3 45.1 由测试知，数字钟的输出与温度计值基本上相等，误差不大于0.5 度。（ 5）上电后记录下时间，去掉220V 和干电池电源，隔5分钟过再次通电，测得系统时钟仍旧走时准确。经测试，本系统的时钟掉电保护时间长达9 分钟。6.2 发挥部分测试与分析：（1）系统可显示温度00
20、.099.9 摄氏度。（2）拔掉交流电，装上干电池系统工作，说明干电池作为电源为系统供电；卸掉干电池接上交流电系统也工作，表明交流电也能适合系统使用。同时装上干电池，测得干电池回路中的二极管压降为0，表明二极管截止，干电池不作为系统的电源工作；同时测得对干电池的充电电流约为10mA，即交流电对充电池进行慢性充电。（3）当生日和闹铃设置为开时，主显单上有标志显示（闹铃为A ，生日为 B ） 。当设定时间或日期到时， 系统开始响铃， 期间按 AD 键可退出。 生日响铃范围： 生日当日 7：00 开始第一次响铃，以后每隔一小时再响铃一次，直至晚上22：00 最后一次响铃；为闹铃则不受时间限制，在任意
21、时刻只要时间到就开始响铃。6.3 创新部分测试与分析: （1）在时间显示界面中长按C 键进入日期提醒查看。（2）系统具备整点报时功能，报时范围为：早上7 点整晚上22 点整。（3）系统中的生日和闹铃设定信息均存放在存储器中，即使掉电也不会丢失。7、设计总结经过大家多天的努力，终于完成了第一次任务，设计出了汇集外观精美、方便实用、功能强大于一体的数字电子钟。该数字钟采用桌面式摆放设计，精美雅观；附带双电源装备，可供不时之需，而且具有温度、闹铃、生日一些列常用的附加功能，更加方便实用，符合现实要求；多功能时钟还具有掉电也不会丢失时间、闹铃、生日等信息的优点，可避免不必要的烦恼，设计更加的人性化和智
22、能化。同时还能够自定义调整显示灰度和屏幕背光亮度，带背光功能，夜里更实用！经过这次的实践，也可以说是经过了多天的学习，尽管期间苦难重重，但我们还是从中学习了不少新的知识和解决困难的方法，也体验到了自主创作的快乐。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 15 页 - - - - - - - - - 8、参考资料1 求是科技 . 单片机典型模块设计实例导航. 北京：人民邮电出版社. 2005.8 2 徐淑华 , 程退安等 .单片微型机原理及应用. 哈尔滨：哈尔滨工业
23、大学出版社. 2005.1 3 孙余凯 . 精选实用电子电路260 例. 北京：电子工业出版社. 2007.6 4 殷春浩 , 崔亦飞 . 电磁测量原理及应用. 徐州：中国矿业大学出版社. 2003.7 5 LCD1602A 数据手册6 DS1302 数据手册7 DS18B20 数据手册8 AT24C02 数据手册名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 15 页 - - - - - - - - - 附录：附一：获取DS1302 芯片中时间信息的程序：/实时时钟写
24、入一字节(内部函数 ) void DS1302InputByte(uchar d) uchar i; ACC = d; for(i=8; i0; i-) io = ACC0; /相当于汇编中的RRC clk = 1; clk = 0; ACC = ACC 1; /实时时钟读取一字节(内部函数 ) uchar DS1302OutputByte(void) uchar i; for(i=8; i0; i-) ACC = ACC 1; /相当于汇编中的RRC ACC7 = io; clk = 1; clk = 0; return(ACC); /写入 DS1302 数据/参数说明： ucAddr -D
25、S1302 地址 , ucData-要写的数据* void Write1302(uchar ucAddr, uchar ucDa) rst = 0; clk = 0; rst = 1; DS1302InputByte(ucAddr); / 地址，命令DS1302InputByte(ucDa); / 写 1Byte 数据clk = 1; rst = 0; /读取 DS1302 某地址的数据uchar Read1302(uchar ucAddr) uchar ucData; rst = 0; clk = 0; rst = 1; DS1302InputByte(ucAddr|0 x01); / 地址
26、，命令ucData = DS1302OutputByte(); / 读 1Byte 数据clk = 1; 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 15 页 - - - - - - - - - rst = 0; return(ucData); /获取时钟芯片的时钟数据到自定义的结构型数组void DS1302_GetTime(SYSTEMTIME *Time) uchar ReadValue; ReadValue = Read1302(DS1302_SECOND)
27、; Time-Second = (ReadValue&0 x70)4)*10 + (ReadValue&0 x0F); /由高低各四位组成，转BCD码为十进制码ReadValue = Read1302(DS1302_MINUTE); Time-Minute = (ReadV alue&0 x70)4)*10 + (ReadValue&0 x0F); ReadValue = Read1302(DS1302_HOUR); Time-Hour = (ReadV alue&0 x70)4)*10 + (ReadV alue&0 x0F); ReadValue = Read1302(DS1302_DAY
28、); Time-Day = (ReadV alue&0 x70)4)*10 + (ReadV alue&0 x0F); ReadValue = Read1302(DS1302_WEEK); Time-Week = (ReadValue&0 x70)4)*10 + (ReadValue&0 x0F); ReadValue = Read1302(DS1302_MONTH); Time-Month = (ReadValue&0 x70)4)*10 + (ReadValue&0 x0F); ReadValue = Read1302(DS1302_YEAR); Time-Year = (ReadValu
29、e&0 x70)4)*10 + (ReadValue&0 x0F); 附二：多功能数字时钟使用说明：A（调整切换键） ：进行时间、闹铃以及生日的设置，调整内容切换。B（调整加 /生日设定）：在时间显示界面中按A 键后，进入时间调整。 按 B 键对应闪烁内容加1；在时间显示界面中长按该键进入生日信息设定，按A 键选择调整内容，按B 键加 1，C 键减 1，D键退出设定。 当设定生日到时，当日7 点整第一次响铃提醒，以后每隔一小时整点提醒，直至当日晚上 22 点整最后一次提醒。(注意：生日到时闹铃和整点报时不起作用)。C（调整减 /日期提醒）：在时间显示界面中按A 键后，进入时间调整。 按 C 键
30、对应闪烁内容加1；在时间显示界面中长按该键进入日期提醒查看。D（退出键 /闹铃设定）： 在各种设定模式（包括时间、生日、闹铃设定）下，按该键退出设定；若在时间显示界面中短按该键，则进入闹铃、生日信息查看；长按则进行闹铃设定。（注意：闹铃为整点时，整点报时不起作用，并且闹铃在任何时刻下只要到点都响铃）。E（屏幕背光键） ：按下该键不放则屏幕背光。调整左上方的蓝色变阻器可调整LCD 显示灰度；调整右上方的蓝色变阻器可调整LCD 背光亮度。F（复位键）：按下该键系统复位，系统从头开始执行程序。如遇故障可按下该键进行系统复位。复位不会造成时间、生日和闹铃等信息的丢失。注：系统在不进行任何操作时，10 秒后会自动关闭屏幕，以达到省电环保的效果。此时按任意键可退出并返回显示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 15 页 - - - - - - - - -