单片机数字电子钟设计 毕业设计.doc

单片机数字电子钟设计前言 随着生活水平的提高，人们越来越追求人性化的事物，传统的时钟已不能满足人们的需求。现代的数字钟不仅需要模拟电子技术，而且需要数字电路技术和单片机技术，增加了数字显示等的功能。单片机电子钟表电路可以由单片机模块、实时时钟电路模块、人机接口模块、报警模块等部分组成，硬件电路简单稳定，并可以利用软件编程减小电磁干扰和其他环境干扰的影响，减小因元器件精度不够引起的误差等优点，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，电路简单，使用寿命长，应用范围广，被广泛用于个人家庭、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，数字钟表的精度远远超过老式机械钟表，给人们生产生活带来了极大的方便。另一方面，由于单片机技术的使用，大大扩展了钟表原先的功能，可以提供定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制及各种定时电气的自动启用功能等。因此，研究数字钟表及扩大其应用，有着非常现实的意义。本设计主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机stc89c52芯片,ds1302和led数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。1.系统总体设计思路方案1、采用stc89c52单片机作为主控芯片，实现数字钟表主控功能。2、采用液晶屏显示当前年、月、日、时、分、秒，闹铃时间及状态等信息。3、采用六键键盘设定时间初始值，具体方法是按时间设定键依次进入年、月、日、时、分、秒设定状态，然后通过向上、向下键修改设定值。正在设定的变量以闪烁状态突出显示。4、采用六键键盘设定闹铃时间，具体方法是按闹铃设定键依次进入时、分设定状态，然后通过向上、向下键修改设定值。正在设定的变量以闪烁状态突出显示。5、采用ds1302实时时钟芯片完成后台计时功能，要求具有后备电源，即使主电源掉电时间仍然保持运行。6、可设定闹铃使能，具体方法是按闹铃使能键，按一次打开，再按一次关闭。闹铃使能关闭时不报警。7、当闹铃使能打开，且当前时间到达闹铃设置时间，则蜂鸣器和led红灯同时报警，如不按取消键，报警时间为1分钟。报警状态可以通过按取消键退出。8、系统通过usb电源供电，单片机程序也可通过usb线串行下载。2.硬件实现及单元电路设计 单片机数字闹钟硬件框图如图1-1所示。图1-1 硬件框图 其中ds1302完成计时功能，单片机主控芯片读取ds1302的时间数据，在液晶屏上显示出来。用户可以通过按键设定时间初始值、闹铃初始值等。主电源和备份电源给各芯片供电。2.1.相关基础介绍2.1.1. ds1302芯片2.1.1.1 . ds1302的性能特性 实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数；用于高速数据暂存的318位ram；最少引脚的串行i/o；2.55.5v电压工作范围；2.5v时耗电小于300na；用于时钟或ram数据读/写的单字节或多字节（脉冲方式）数据传送方式；简单的3线接口；可选的慢速充电（至vcc1）的能力。 ds1302时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态ram。它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。对于小于31天的月和月末的日期自动进行调整，还包括闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24h或带am（上午）/pm（下午）的12h格式。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有主电源/后备电源双电源引脚：vcc1在单电源与电池供电的系统中提供电源，并提供低功率的电池备份；vcc2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式中vcc1连接到备份电，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。ds1302由vcc1或vcc2中较大者供电。当vcc2大于vcc10.2v时，vcc2给ds1302供电；当vcc2小于vcc1时，ds1302由vcc1供电。2.1.1.2 .ds1302数据操作原理 ds1302在任何数据传送时必须先初始化，把rst脚置为高电平，然后把8位地址和命令字装入移位寄存器，数据在sclk的上升沿被输出。无论是读周期还是写周期，开始8位指定40存器中哪个将被访问到。在开始8个时钟周期，把命令字节装入移位寄存器之后，另外的始终周期在读操作时输出数据，在写操作时写入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加字节数，最大可达248字数。 如果在传送过程中置rst脚为低电平，则会中止本次数据传送，并且i/o引脚变为高阻态。上电运行时，在vcc 2.5v之前，rst脚必须保持低电平。只有在sclk为低电平时，才能将rst置为高电平。ds1302的引脚及内部结构图如图2-1所示。图2-1 ds1302引脚图及内部结构ds1302的引脚功能如表2-1所示。表2-1 ds1302引脚功能引脚号引脚名称功能1vcc2主电源2，3x1，x2震荡源，外接32.768khz晶振4gnd地线5rst复位/片选线6i/o串行数据输入/输出端（双向）7sclk串行数据输入端8vcc1后备电源 ds1302的控制字如图2-2所示。控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1；如果它为0。则不能把数据写入到ds1302中。位6如果为0则表示存取日历时钟数据；为1表示存取ram数据。位51（a4a0）指示操作单元的地址。最低有效位（位0）如为0，表示要进行写操作；为1表示进行读操作。控制字节总是从最低位开始输入/输出。图2-2 ds1302的控制字 ds1302的读写时序如图4所示。为了提高对32个地址的寻址能力（地址/命令位15 = 逻辑1），可以把时钟/日历或ram寄存器规定为多字节（burst）方式。位6规定时钟或ram，而位0规定读或写。在时钟/日历寄存器中的地址931或ram寄存器中的地址31不能存储数据。在多字节方式中，读或写从地址0的位0开始。必须按数据传送的次序写最先的8个寄存器。但是，当以多字节方式写ram时，为了传送数据不必写所有31字节，不管是否写了全部31字节，所写的每一字都将传送至ram。图2-3 ds1302数据读/写时序 ds1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为bcd码形式。其日历、时间寄存器及其控制字见表2-5，其中奇数为读操作，偶数为写操作。表2-2 内部寄存器地址和内容寄存器名命令字节取值范围寄存器内容写读76543210秒寄存器80h81h0059ch10ssec分寄存器82h83h0059010minmin小时寄存器84h85h0023或011212/24010a/phrhr日期寄存器86h87h0128，29，30，310010datedate月份寄存器88h89h011200010mmonth周寄存器8ah8bh010700000day年寄存器8ch8dh009910yearyear 时钟暂停：秒寄存器的位7定义位时钟暂停位。当它为1时，ds1302停止振荡，进入低功耗的备份方式。通常在对ds1302进行写操作时（如进入时钟调整程序），停止振荡。当它为0时，时钟将开始启动。 am-pm/12-24小时方式：小时寄存器的位7定义为12或24小时方式选择位。它为高电平时，选择12小时方式。在此方式下，位5是am/pm位，此位是高电平时表示pm，低电平表示am。在24小时方式下，位5为第二个10小时位（2023h）。 ds1302的晶振选用32.768khz，电容推荐值为6pf，因为振荡频率较低，也可以不接电容，对记时精度影响不大。2.2.stc89c52单片机2.2.1. stc89c52 单片机概述 stc89c52系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1t)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，内部集成max810专用复位电路。2.2.2. stc89c52 单片机特点 工作电压： 5.5v - 3.5v（5v单片机）； 增强型 8051 cpu，1t，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051； 工作频率范围：040mhz，相当于普通8051的 080mhz； 用户应用程序空间 4k/8k/16k/32k/64k字节； 片上集成1280字节 ram； 通用i/o口（32/36个），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统i/o口）； isp（在系统可编程）/iap（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器。 每个i/o口驱动能力均可达到20ma，但整个芯片最大不要超过120ma； 可通过串口（p3.0/p3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片； 有eeprom功能； 看门狗； 内部集成max810专用复位电路（外部晶体12m以下时，复位脚可直接1k电阻到地）； 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部r/c振荡器； 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部r/c 振荡器还是外部晶体/ 时钟； 常温下内部r/c 振荡器频率为：5.0v 单片机为： 11mhz 17mhz； 共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器t0和t1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路pca模块可再实现2个16位定时器； 外部中断i/o口4路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的pca模块，power down模式可由外部中断唤醒； 通用全双工异步串行口(uart) ； 工作温度范围：-40 +85(工业级) / 0 75(商业级) ； 封装：pdip-40, plcc-44。 2.2.3. stc89c52 单片机管脚及封装 stc89c52 单片机有多种封装形式，本设计中选用40dip封装，其管脚定义如图2-4所示。图2-4 stc89c52 管脚图2.3.硬件电路设计2.3.1.单片机电路 如图2-5所示，单片机采用stc89c52芯片，电路采用11.0592mhz外部无源晶体，振荡电容采用20pf。复位电路采用10uf(c1)电容和10k(r2)组成的阻容复位电路。图2-5 单片机电路单片机管脚连接标号中，p00p07为液晶屏数据线，p25p27为液晶屏控制线。标号rxd和txd是单片机的异步串行通信引脚，用于单片机程序的isp下载。2.3.2.ds1302时钟电路 ds1302时钟电路如图2-6所示，其中bt1是后备电池，以保证在主电源掉电时时钟依然运行。y2是时钟晶振，因为频率较低，故可以不加电容。r10r12为上拉电阻。ds1302通过sclk、i/o和rst管脚和单片机相连。图2-6 ds1302时钟电路2.3.3.液晶屏显示电路 显示部分采用smc 1602液晶屏进行数据显示，其主要技术参数为：表2-3 液晶屏技术指标接口信号说明如表2-4所示。表2-4 液晶屏接口信号说明与单片机接口电路如图2-7所示。图2-7 lcd与单片机接口电路2.3.4.按键电路 u盘驱动芯片ch375不仅提供了与usb设备的硬件连接，还内置了文件系统底层程序，使得读、写u盘中的文件变得容易。图中ch375使用12mhz外部晶体，振荡电容为20pf。管脚连接标号d0d7是与单片机并口进行数据传输的数据线，ch375int为单片机提供中断信号，ch375cs、ch375a0、ch375wr和ch375rd是控制信号线。ch375通过ru2和ru3两个电阻与u盘的ud+和ud-数据线连接，同时通过lu发光管输出u盘状态。2.3.5键盘驱动电路键盘驱动电路如图2-8所示。图2-8 键盘驱动程序 电路使用与单片机管脚直接相连的按键实现键盘。当按键按下时管脚为低电平，无按键时为高电平。单片机采用查询方式获取按键信息。2.3.6.闹铃电路图2-9 闹铃电路 闹铃电路由单片机管脚驱动蜂鸣器和报警灯实现，当闹铃时间到时，蜂鸣器鸣响，红灯报警。2.3.7.电源电路 本设计采用usb接口供电，电源电压5v。同时，usb接口通过内含pl2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。其电路原理如图2-10所示。图2-10 供电及程序下载电路2.3.8.总电路图 经上所述，画出总电路图，图2-11图2-11总电路图3.软件设计3.1.软件流程图 本设计软件流程如图3-1所示。图3-1 软件流程图3.2.时间调整程序设计调整时间用4个调整按纽，1个作为移位、控制用，另外2个作为加个减用，分别定义为时间设置按纽、加按纽、减按纽。在调整时间过程中，要调整的位与别的位应该有区别，所以增加了闪烁功能，即调整的位一直在闪烁，直到调整下一位。闪烁原理就是，让要调整的一位每隔一定时间熄灭一次，比如说50ms。利用定时器记时，当到达50ms溢出时，就送给该位熄灭符，在下一次溢出时，再送正常显示的值，不断交替，直到调整该位结束。此时送正常显示值给该位，再进入下一位调整闪烁程序。3.3.主程序 下面介绍main.c主程序编写。3.3.1. 头文件和一些宏定义#include #include #include 1602.h#include ds1302.h#define amhouraddr 0xc0 /存闹铃时的地址#define amminuteaddr 0xc2 /存闹铃分的地址#define amenaddr 0xc4 /存闹钟使能标志的地址3.3.2. 管脚、常量、变量定义/定义管脚sbit led_alarm=p21;/报警灯sbit beep_alarm=p20; /蜂鸣器sbit key_tmset = p32; /时间设置sbit key_amset = p33;/闹铃设置sbit key_up = p34;/上调sbit key_down = p35;/下调sbit key_amen = p36;/闹铃开关sbit key_review = p37;/查看/定义标识volatile bit flagkeypress = 0; /有键按下标志volatile bit flagshow = 0; /显示标志volatile bit flagtmset = 0; /时间设置状态标志volatile bit flagamset = 0; /闹铃设置状态标志volatile bit flagamen = 0; /闹铃使能标志，0为闹铃不使能，1为闹铃使能volatile bit flagalarm = 0; /闹铃状态标志/按键响应用变量uchar keyvalue,keytmset,keyamset,keyup,keydown,keyset,keyamen,keyreview;/ds1302时钟用变量systemtime currenttime;uchar year, month, day, hour, minute, second;uchar amhour, amminute,amstart;/报警及存储用变量/char * psave;/字符串显示用变量uchar str16 = 000000;uchar date9=00-00-00, time9=00:00:00;uchar hide, setnum;uint counter; 3.3.3.函数声明/函数声明void int2str(int x, char* str);void delay1ms(unsigned int count);void data_init();void timer0_init();void timer0_isr () ;void keyprocess(uint num);3.3.4.各子程序/整型转字符串的函数，转换范围0-65536void int2str(int x, char* str) int i=1; int tmp=10; while(x/tmp!=0) i+; tmp*=10; tmp=x; stri=0; while(i1) str-i=0+(tmp%10); tmp/=10; str0=tmp+0; void delay1ms(unsigned int count)unsigned int i,j;for(i=0;icount;i+)for(j=0;j= 450) flagshow = 1; counter = 0; /设定闪烁标志 if (hide = 1) hide = 0; else hide = 1; void keyprocess(uint num) switch (num) case 1: /tmset键被按下。setnum=0-管设置；1-年；2-月；3-日；4-时；5-分；6-秒，按一下setnum加1。 if (flagamset=1) /从闹铃时间设置进入当前时间设置 flagamset = 0;flagtmset = 1;setnum = 1; else if (flagtmset=0)/从正常状态进入当前时间设置 flagtmset = 1;setnum = 1; else /已经在时间设置状态 setnum +; if (setnum = 7) /已经设定完毕，则存盘退出 setnum = 0;flagtmset = 0; break; case 2: /amset键被按下。setnum=0-关设置；1-时；2-分，按一下setnum加1。 if (flagtmset=1) /从当前时间设置进入闹铃时间设置 flagtmset = 0;flagamset = 1;setnum = 1; /清屏l1602_string(1,1, );l1602_string(2,1, );/读出当前闹铃时间并显示 int2str(amhour,str1); l1602_string(2,1,str1);int2str(amminute,str1); l1602_string(2,4,str1); else if (flagamset=0)/从正常状态进入闹铃时间设置 flagamset = 1;setnum = 1; /清屏l1602_string(1,1, );l1602_string(2,1, );/读出当前闹铃时间并显示 int2str(amhour,str1); l1602_string(2,1,str1);int2str(amminute,str1); l1602_string(2,4,str1); else /已经在闹铃时间设置状态 setnum +; if (setnum = 3) /已经设定完毕，则存盘退出并返回正常显示界面 /存入闹铃时间 write1302(0x8e,0x00); /写入允许 write1302(amhouraddr,amhour);delay1ms(500); write1302(amminuteaddr,amminute);delay1ms(500); write1302(0x8e,0x80); /写入禁止amhour=read1302(amhouraddr);amminute=read1302(amminuteaddr); setnum = 0;flagamset = 0; break; case 3: /up键被按下 if (flagtmset = 1) /如果在当前时间设置状态 switch (setnum) case 0: case 1: /年 if (year99)year+; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_year,year); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 2: /月 if (month12) month+; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_month,month); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 3: /日 if (day31) day+; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_day,day); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 4: /时 if (hour23) hour+; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_hour,hour); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 5: /分 if (minute59) minute+; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_minute,minute); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 6: /秒 if (second59) second+; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_second,second); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; if (flagamset=1) /如果在闹铃设置状态 switch (setnum) case 1: /时 if (amhour23) amhour+; break; case 2: /时 if (amminute0)year-; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_year,year); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 2: /月 if (month0) month-; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_month,month); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 3: /日 if (day0) day-; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_day,day); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 4: /时 if (hour0) hour-; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_hour,hour); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 5: /分 if (minute0) minute-; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_minute,minute); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 6: /秒 if (second0) second-; write1302(0x8e,0x00); /写入允许 ds1302_settime(ds1302_second,second); write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; if (flagamset=1) /如果在闹铃设置状态 switch (setnum) case 1: /时 if (amhour0) amhour-; break; case 2: /时 if (amminute0) amminute-; break; break; break; case 5: /闹铃使能键被按下 if (flagamen = 0) /存入闹铃时间 write1302(0x8e,0x00); /写入允许 write1302(amenaddr,1); delay1ms(500); write1302(0x8e,0x80); /写入禁止 flagamen = 1; l1602_string(2,11,open ); else /存入闹铃时间 write1302(0x8e,0x00); /写入允许 write1302(amenaddr,0); delay1ms(500); write1302(0x8e,0x80); /写入禁止 flagamen = 0; l1602_string(2,11,close); break; case 6: /闹铃review键按下，实际功能就是在闹铃响的时候关铃声 led_alarm = 1; beep_alarm = 1; flagalarm = 0; break; /* 名称 : main()* 功能 : 主函数*/void main() uint i, j,temp; ea = 0;timer0_init(); /定时器0初始化 data_init();initial_ds1302();ea = 1;/载入闹钟使能信号 temp = read1302(amenaddr);if (temp = 1) flagamen = 1;else if (temp = 0) flagamen = 0;else /存入闹铃时间 write1302(0x8e,0x00); /写入允许 write1302(amenaddr,0); delay1ms(500); write1302(0x8e,0x80); /写入禁止 flagamen = 0;/载入闹铃时间amhour = read1302(amhouraddr);if (amhour23)|(amhour59)|(amminute0) amminute = 0; /存入闹铃时间 write1302(0x8e,0x00); /写入允许 write1302(amminuteaddr,amminute); delay1ms(500); write1302(0x8e,0x80); /写入禁止 amminute=read1302(amminuteaddr); /显示初始化l1602_init();l1602_string(1,1, welcome to my );l1602_string(2,1, digital timer! );/延时for (i=0;i1000;i+) for (j=0;j1000;j+) ; /初始化屏幕l1602_string(1,1, alarm );if (flagamen = 1) l1602_string(2,1, open );else l1602_string(2,1, close ); while(1) if (flagalarm = 1) led_alarm = 0; beep_alarm = 0; else led_alarm = 1; beep_alarm = 1; /时间显示 if (flagshow = 1) /读出日期时间值 ds1302_gettime(¤ttime); year = currenttime.year; month = currenttime.month; day = currenttime.day; hour = currenttime.hour; minute = currenttime.minute; second = currenttime.second; datetostr(¤ttime); timetostr(¤ttime); /flagalarm=0为闹铃关闭状态，flagalarm=1为闹铃打开状态， if (flagamen = 1)&(hour = amhour)&(minute = amminute)&(amstart = 0) flagalarm = 1; amstart = 1; else if (flagamen != 1)|(hour != amhour)|(minute != amminute) flagalarm = 0; amstart = 0; /如果不在闹铃设置状态则显示当前日期时间 if (flagamset = 0) l1602_string(1,1,currenttime.datestring); l1602_string(2,1,currenttime.timestring); else /如果在闹铃状态则显示闹铃时和分 int2str(amhour,str1); l1602_string(2,1,str1); l1602_string(2,3,:); int2str(amminute,str1); l1602_string(2,4,str1); /产生时间设定时的闪烁效果，只在闪烁标志置位时运行 /setnum=0-未设定；1-年；2-月；3-日；4-时；5-分；6-秒 if (flagtmset=1)&(hide=1) switch (setnum) case 0: break; case 1: /年 l1602_string(1,1, ); break; case 2: /月 l1602_string(1,4, ); break; case 3: /日 l1602_string(1,7, ); break; case 4: /时 l1602_string(2,1, ); break; case 5: /分 l1602_string(2,4, ); break; case 6: /秒 l1602_string(2,7, ); break; default: break; else if (flagamset=1)&(hide=1) switch (setnum) case 0: break;case 1: /时 l1602_string(2,1, ); break; case 2: /分 l1602_string(2,4, ); break;default: break; flagshow = 0; /以下为键盘查询，当有按键从按下到弹起时，该按键被响应。 if (key_tmset)&(keytmset=0) flagkeypress = 1;keyvalue = 1; else if (key_amset)&(keyamset=0) flagkeypress = 1; keyvalue = 2; else if (key_up)&(keyup=0) flagkeypress