基于51单片机的数字时钟毕业论.doc

XX职业技术学院毕业论文系 别： 专 业： 学 号： 姓 名： 论文题目： 指导教师： 提交日期： 摘 要：随着生活节奏的加快，人们时间观念的加强，时钟已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分，而如何在时钟的基础上，根据人们生活的需要增加相应的功能以方便人们的生活，成为时钟设计方面的重点。单片机以其强大的功能，低廉的价格成为许许多多功能电子产片的首选。本设计结合所学的单片机的原理与应用而扩展的电子方面的研究，在单片机时钟的基础上通过软件记时，实现时钟功能，同时通过安检开关来扩展功能，实现定时闹钟与秒表功能。C语言作为高级语言C语言的移植，易于理解和操作，且结构化较高，本设计即采用C语言作为编程语言，流程比较清晰，关键词：STC89C51 电子时钟 DS1302 C语言目 录摘要一、引言41.1课题目的及意义4二、工作原理6三、系统硬件设计实验板介绍芯片的选择63.1 主控电路63.2 时钟电路93.3振荡电路123.4复位电路123.5 蜂鸣器电路133.6 LED液晶显示屏13四、软件设计13五、调试与分析145.1硬件调试145.2软件调试14结束语16致谢16附录A：实验板原理图17附录B：数字钟程序清单18一、引言 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，广泛用于个人家庭、车站、码头、办公室等公共场所，已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与振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表。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、通断动力设备以及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，研究数字钟及扩大其应用，有若非常现实的意义。 1.1 课题目的及意义单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构：一种是在通用微型计算机中广泛采用的，程序存储器和数据存储器共用一个存储器空间的结构，称为“冯诺依曼”（Von Neumann）结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为“哈佛”（Harvard）结构，目前的单片机采用此种结构为多。本文讨论的单片机多功能时钟系统的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能多等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供扩展，有着广泛的应用领域。在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性价比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛。大则可以构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能；小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大、体积小、质量轻、灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构成各种各样、功能各异的微电子产品。随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。这些具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可能。根据这种实际情况，设计了一个单片机多功能时钟系统，它有基本的时间功能，还有定时功能，既可作为闹铃，也可扩展为定时对家电等电气产品的自动控制，可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制；可增加温度传感器，进行实时温度显示，进一步扩展为利用不同的温度某些电气产品进行自动控制；也可增加湿度传感器，进行实时湿度显示，以便对湿度进行控制，方便人们的生活。二、工作原理 系统的结构框架最主要的部分是中间的主控模块部分，时间的计算由DS1302芯片完成，通过简单的串行接口与单片机进行通信。三、 系统硬件设计实验板介绍芯片的选择该系统主要由以下五部分组成：电源部分、主控制器、实时时钟部分、蜂鸣器和液晶显示部分等，下面对这几个部分的具体的器件选择及连接电路做具体的介绍。 3.1主控电路 STC89C52介绍: 主要性能： 与MCS-51单片机产片兼容、5K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。 功能特性描述： STC89C52是一种低功耗、高效能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵巧、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8K字节在系统可编程Flash STC89C52P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输出口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（TTL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能：P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输入P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因将输出电流（IIL）。P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用：在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0（外中断0）P3.3 INT1（外中断1）P3.4 T0（定时/计数器0）P3.5 T1（定时/计数器1）P3.6 WR（外部数据存储器写选通）P3.7 RD（外部数据存储器读选通）此外，P3口还接收一些用于Flash闪存编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止无效。PSEN程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端位高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件使用12V编程电压Vpp。3.2 时钟电路DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、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，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部引脚分配如图1所示及内部结构如图2所示。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，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。时钟芯片DS1302引脚排列，如图所示。各引脚的功能为： Vcc1：主电源；Vcc2：备用电源。当Vcc2Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。 SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出； I/O：三线接口时的双向数据线； CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。DS1302有下列几组寄存器：1、DS1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器（读时81h），存放的数据格式为BCD码形式。如图3所示 小时寄存器（85h、84h）的位7用定义DS1302时运行于12小时模式还是24小时模式。当为高时，选择12小时模式。在12小时模式时，位5是，当为1时，表示PM。在24小时模式时，位5是第二个10小时位。 秒寄存器（81j、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。当该位置位1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位置位0时，时钟开始运行。 控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是写保护位（WP），其它7位均置为0。在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。当WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。 2 读写时序说明 DS1302时SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。 要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。DS1302看控制字，如图6。控制字的最高有效位（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5至位1（A4A0）：指示操作单元的地址； 位0（最低有效位）：如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。3 电路原理图：电路原理图如图8，DS1302与单片机的连接也仅需要3条线：CE引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，Vcc2为备用电源，外接32.768kHz晶振，为芯片提供计时脉冲。3.3振荡电路振荡电路：主要用来产生时间标准信号，因为时钟的精度主要取决于时间标准信号的频率及稳定度，所以常采用石英晶体振荡器。实验板的时钟振荡源电路如图3-3所示。其中JT 为11.0592MHz 的晶振，改变两电容CB的值即可对此晶振频率进行调节。该电路提供单片机工作所需的振荡频率，计算定时器初值即需此晶振频率，在通信时也需知道晶振频率，以对波特率进行计算。 图 3-3 时钟电路3.4 复位电路如图3-4所示为实验板的复位电路，当RESET 信号为低电平时，实验板为工作状态，当RESET信号为高电平时，实验板为复位或下载程序状态。由于STC89C52具有ISP 的功能，即可以通过并口线直接将程序下载到单片机内，因此， STC89C52 具有两种状态，下载程序状态和运行状态。该复位电路能实现上电自动复位，也能手动复位，一般复位时RESET应保持20毫秒以上高电平，此复位时间由接地电容控制。图 3-4 复位电路3.5蜂鸣器电路其硬件原理图如图3-7所示。此电路用于定时时发出提示音。SPEAKER与P3.2口相连，当SPEAKER输出高电平时蜂鸣器不响，而SPEAKER输出低电平时蜂鸣器发出响声。只需控制SPEAKER输出高低电平的时间和变化频率，就可以让蜂鸣器发出不同的声音。此电路用于产生定时器提示音。图 3-7 蜂鸣器电路3.6 LED液晶显示屏为了能够提供一个更为良好的显示界面，该设计选用带背光的LCDl602数显液晶显示器。LED液晶显示是依靠液晶显示器来进行数据或图形显示的。LED液晶显示弥补了LED显示效果不够美观、不能显示图形和汉字等缺点，因此液晶显示技术等技术得到了越来越广泛的应用。液晶显示器是由液晶分子折射背光源的光线来呈现出不同的颜色，液晶分子自身是无法发光的，主要通过背光源的照射来实现。该显示器专门用于显示字母、数字及符号等，它集成了HD44780控制器，是一个液晶组件。显示容量为162个字符，芯片工作电压；4.55.5v，最佳工作电压5.0V，总共有16个引脚，11条指令。它的另一大优点就是功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。 四、软件设计 为利于该设计的多功能的实现和更高的编程效率。采用c语言进行编程3。为实现编程结构清晰，采用各个模块单独编程，最后实现各个模块的综合连接。主程序的框架由键盘扫描程序构成，各个功能模块程序嵌入到各个按键的子程序中，通过对按键的不断扫描来确定跳转到哪个功能模块。对于键盘模块，采用扫描法循环扫描。DSl302的程序也按照芯片的规格要求编写。对于扩展的秒表功能，则利用系统时钟的延时1s功能实现，闹钟、生日提醒和温度报警的上下限设置则通过全局变量来设置初始值，利用按键可以增减。 五、调试与分析 5.1硬件调试。在硬件方面，由于电路不是很复杂，所以焊接起来不是很难，容易出现问题的地方在于焊接是否出现虚焊，跳线是否接实，管脚是否连接正确等。 5.2软件调试。用C语言编好程序后，先编译，把C语言编译成二进制代码和十六进制代码。若编译无法进行，说明程序有语法错误，需进行修改。编译成