多功能数字钟设计

1、时钟，自从它被发明的那天起，就成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是在现在这个讲究效率的年代，时钟更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。然而随着时间的推移，人们不仅对于时钟精度的要求越来越高，而且对于时钟功能的要求也越来越多，时钟已不仅仅是一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。诸如闹钟功能、日历显示功能、温度测量功能、湿度测量功能、电压测量功能、频率测量功能等。钟表的数字化给人们的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可以说，设计多功能数字时钟的意义已不只在于数字时钟本身，更大的意义在于多功能数字时钟在许多实时控制系统中的

2、应用。在很多实际应用中，只要对数字时钟的程序和硬件电路加以一定的修改，便可以得到实时控制的实用系统，从而应用到实际工作与生产中去。因此，研究数字时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.1 单片机的发展趋势自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。纵观20年来单片机发展里程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。 MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追

3、求。一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了许多。此外，80C51单片机在市场上的货源充足，技术比较成熟，同时也具有较好的开发环境。2方案比较控制部分方案一: 采用普通MCS-51单片机作为总的控制元件。方案二: 采用凌阳单片机SPCE061A作为总的控制元件。比较论证: 方法一MCS-51单片机功能较少， 不含有模数转换等功能,因此需增加一些外围电路来实现一些功能,使电路复杂化,精确度不高，采样速率偏低。而方法二简化了电路，增加了系统稳定性。凌阳SPCE061A在设计方面提供了极大的方便，它的好处在于，功能较多,因为它不仅囊括了普通单片机的

4、所有功能，更增加了许多新的功能，如: A/D、D/A转换， 语音等,另外又提供了便利的编程环境。更重要的是凌阳单片机接口较多，所需外部按键较少，因此可采用独立式键盘。显示部分方案一: 采用数码管显示。方案二: 用OCJM4*8液晶图文显示器显示。比较论证: 就我们的需要而言数码关显示内容单一,不易产生生动具体的图文,而OCJM4*8液晶图文显示器给我们提供了更大的发挥空间,看起来舒服自然,而且能增加显示的美观性与直观性。最重要的是提供了友好的人机界面。 频率测试部分方案一: 利用比较器和分离的三级管电路来完成。方案二: 利用 光耦4N26测试频率比较论证:方法一用了很多分离的元件，电路相当复杂

5、,调试起来比较困难,稳定性不好。而方法二用模块实现，稳定性好，克服了上述问题。电压过压，欠压判断部分方案一: 由纯硬件实现,设计麻烦,而且使用很多分立元件,不仅稳定性不好，调试起来也困难。方案二: 以单片机采样，辅以少量的逻辑电路。充分发挥凌阳单片机的功能,简化了系统的硬件设计,并充分发挥数量不多的数字逻辑器件的作用,实现了题目要求的扩展部分。综上所述：我们采用凌阳单片机作为控制元件，用OCJM4*8液晶图文显示器显示，利用光耦4N26测试频率，以单片机采样、辅以少量的逻辑电路判断过压、欠压3  总体方案工作原理利用单片机SPCE061A作为本系统的中控模块。单片机可把由PT100、

6、DS1302、频率测试电路，电压转换电路读来的数据利用软件来进行数模转换，从而把数据传输到显示模块，实现温度、日历、频率、电压的显示。OCJM4*8液晶显示器为主要的显示模块，把单片机传来的数据显示出来。利用遥控器来实现非接触止闹功能。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。电路原理图4硬件设计4.1 凌阳单片机接口电路输入/输出接口（简称为I/O口）是单片机与外设交换信息的通道。输入端口负责从外接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。输出端口负责向外界输送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。此单片机有两个16位通用的并行接口：A口和B口。这两个

7、口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。B口除了具有常规的输入/输出功能外，还有一些特殊功能。图表 14.2 按键电路    按键电路简单，易于控制；按键控制接口部分由9个按键组成 ：    调整时间/闹钟键、时钟开/关键、小时按键、分钟按键、加记数键、减记数键、确定键、切换温度/频率和电压键、接触式止闹键 4按键功能说明1.调整时间/闹钟键：按一次：开始设置时间；按两次：开始设置闹钟；依次循环。   2.小时按键：调整时间/闹钟状态下，此键开始有效。按一次表示开始设置相应的小时； 3.分钟按键：调

8、整时间/闹钟状态下，此键开始有效。按一次表示开始设置相应的分钟； 4.加、减计数键在时间调整时，按一下，分钟或小时数加减一5.确定键调整完后按此键确认6.切换温度/频率和电压键，切换屏幕7.接触试止闹键，当闹铃响时，按下此键，停止振动图表 24.3电网频率测试电路 以光耦4N26和施密特触发器CD40106作为主要元器件。在此电路中光耦是测量频率的主要元件它可以接220伏交流，也可接较低的电压，但其电流必须控制在10mA以下。因此必须经过一电阻把它接在220V-7.5V交流变压器的输出端，电阻阻值应为7.5V*1.4/10mA=1K。为防止光耦内部二极管被反响电流击穿，必须在外部接一

9、反向二极管。而施密特触发器CD40106则是被用来调整光耦的输出的。使输出脉冲更加规则，进一步有利于凌阳单片机算出正确频率。计算方法：当从CD40106输出的脉冲下降沿到来时触发中断计数器开始计数，一秒钟后计数完成，读出数据，即频率。图表 34.4电压转换电路为了实现220V供电，并完成对电压的监控功能，我们采用了一  220-7.5V交流变压器，并且利用"桥堆"整流、7805元件组成了5V直流电源 ，达到了220V供电的要求。利用"桥堆"全波整流输出直流电压10（7.5*1.4）V，其中电容滤波电路中电容、电阻取值计算如下：电容滤波条件：RC

10、=（3-5）T/2，因其电流取值应在5mA左右所以R=10V/5mA=2K;C=(5*0.01)/2=25uF又因为凌阳管脚采样电压不高于3.3V,故采用1K电阻和1K滑动变阻器(电位器)串联。    对于欠压、过压的监测是利用了凌阳加软件来实现A/D转换，其具体实现过程为： 单片机读入一低压直流电压值X，设其标志电压Y（当供电电压为220V时单片机采样电压）当0.9Y=<X=<1.10Y时供电电压正常；当X<0.9Y时蜂鸣器欠压报警；当X>=1.10Y时蜂鸣器过压报警 。然后经过数据处理显示实际交流电压值。5特殊元器件介绍5.1SPCE0

11、61A凌阳单片机凌阳的 16 位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的 CPU内核采用凌阳最新推出的 nSP(TM)（Microcontroller and Signal Processor）16 位微处理器芯片（以下简称 nSP(TM)）。围绕nSP(TM)所形成的 16 位 nSP(TM)系列单片机（以下简称 nSP(TM)家族）采用的是模块式集成结构，它以 nSP(TM)内核为中心集成不同规模的 ROM、RAM 和功能丰富的各种外设接口部件nSP(TM)内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，

12、便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。nSP(TM)家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。 nSP(TM)家族的中断系统支持 10 个中断向量及 10 余个中断源，适合实时应用领域。 nSP(TM)家族片内带有高寻址能力的 ROM、静态 RAM 和多功能的 I/O口。另外，nSP(TM)的指令系统提供具有较高运算速度的 16 位 16 位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了 DSP 功能，使得 nSP(TM)家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的 DSP 芯片廉价。 nSP(TM)指令系统

13、的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。 低功耗、低电压 nSP(TM)家族采用 CMOS 制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外， nSP(TM)家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。5.2施密特触发器施密特触发器是一种用途十分广泛的脉冲单元电路。利用它所具有的电位触发特性，可以进行脉冲整形，把边沿不够规则的脉冲整形为边沿陡峭的矩形脉冲通过它可以进行波形变换，把正弦波变换成矩形波另一个重要用途就是进行信号幅度鉴别只要信号

14、幅度达到某一设定值，触发器就翻转，所以常称它为鉴幅器。用施密特触发器还能组成多谐振荡器和单稳态触发器呢。5.3模数转换器ADC0809ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0809的工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数

15、据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。5.4 液晶显示器LCD显示器的原文是Liquid Crystal Display，取每字的第一个字母组成，中文多称液晶平面显示器或液晶显示器。其工作原理就是利用液晶的物理特性：通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。 LCD的好处有： 与CRT显示器相比，LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等。 选购LCD，有几个基本指针： 高亮度:亮度值愈高，画面自然更亮丽，不会朦

16、胧雾雾。亮度的单位为cd/m2，也就是每平方公尺分之烛光。低阶的LCD亮度值，有低到150 cd/m2，而高阶的显示器，则可高达250cd/m2。 高对比:对比愈高，色彩更鲜艳饱和，且会显的立体。相反的，对比低，颜色显的贫瘠，影像也会变得平板。6 软件设计 流程图说明：开始时初始化所有数据，然后扫描看是否有按键按下，若有，则判断是哪个功能键在动作，进行相应的操作，操作完成后，判断确认键是否动作，若是，则返回，若否，则继续执行。直到确认键作用。在本设计中，晶体振荡器频率为6MHz，T0定时时间为100ms，T0工作于方式1，则T0的初值为：X=（最大计数值M定时时间t/及其周期Tm）=

17、216 -100ms/2us=15536=3CB0H7   系统调试与分析7.1时间  调试方法:利用秒表的精确记时与数字钟的时间相比较。精确度测试次数12345秒表数字钟30060090012001500时间显示  闹钟： ON/OFFAM 11时28分39秒时间调整    时间设置： 小时 / 分钟 AM 11时45分               闹钟调整  &#

18、160;   闹钟设置： 小时 / 分钟 AM 11时 45 分非接触止闹在实现本功能的时候由于凌阳的高电平输出管脚的电流不能够驱动蜂鸣器产生交大的报警声，因此我们采用了一个三极管放和一个继电器无线控制组成的的电路模块来完成这一功能。7.2温度次数1234567实温0102030405060电阻显示2040温度显示现场温度22度7.3频率频率电压显示频率52赫兹电压221伏1. 频率：调试方法：定时1秒，测出脉冲数，即直接测量频率测试数据：次数12345678910预测频率10243240516271859099实测频率102432405162718590992. 电压：测

19、试数据：次数12345678910预测电压246240230225220215210205200194实测电压252246234227222214208203197190分析总结          基本部分：小时与分钟的设置与显示良好,AM、PM不仅在屏幕上很好显示，指示灯指示良好闹钟时间设置、及开关功能也很好，闹钟开，显示ON，指示灯亮，闹钟关，显示OFF，指示灯灭。发挥部分：温度显示与现场温度基本一致，误差很小；频率及电压也成功的显示出来；遥控器能很好的控制闹钟，实现了非接触止闹功能。创新部

20、分：增加了语音报时功能；时间能显示到秒；增加了日历功能，能够显示年月日、星期；闹钟可以一次可以定多个不同的时间，实现一次定时，多次提醒的功能；频率显示范围可达到0-99赫兹；通过这次设计，我比以前更加了解单片机的管脚以及各个管脚的作用，更加明白单片机在现实生活中占有重要的地位，我们应该多做点相关的设计，才有助于更好的掌握设计的流程和方法。我们思考问题的方式不对，思维有时容易陷入死胡同。就比如说在网上查资料时，有一些资料对自己明明很有用，但就是反映不过来。学校的校园网能够链接到学校的图书馆，在前几次上机时，己就没有去网上图书馆查东西，其实很方便啊，学校每年付钱给各种期刊网站，就是给我们利用的。就

21、像这个网站：等我用Google搜索时才发现很多东西都在上面的网站中。这才再次去机房下资料。这个设计里面的温度传感器开始准备用二级管，可是老师说二级管的灵敏度不好，现在都在使用热敏电阻。于是我又从网上找了选用MF53-1型热敏电阻作为温度传感器（Rt），它具有负温度系数，灵敏度较高。我们的实际操作能力很差。甚至绘图工具protel都要重头去学，还是有很多东西不懂，发现自己的能力还是很弱。希望在以后能踏实的学习努力提高自己的专业知识。致谢首先感谢我的父母，如果没有你们的从小到大对我的培养，就没有这一切。感谢教育我的大学XX大学，该大学“求是，明德，卓越”的校训，“慎思，笃行，进取”的校风，能让我能

22、够不断地学习，努力的进取。感谢应用技术学院，是您创造了这个时机给我们免费上机来查资料，才得以使设计进行下去。感谢带领我们这一组的XX老师，是他对这个设计提出各种建议，是他对我的各种问题提供详细的解决方案。结果好像是这个样子啊。感谢我的多个同学是他们的热情帮忙，是他们和我一起不停的跑图书馆，不停的查资料，不是他们在设计中不停的提出各种各样地创造性地建议，不停的修改设计， 这个设计我估计应该也就不会出来了。感谢所有关心我和爱护我的人，虽然我可能认识你们，也可能不认识你们，但是我永远感觉得到你们对我的情谊。参考文献 4 电子报19552000年合订本 电子报出版社 2000年5周航慈 周立功 朱旻

23、饶运涛 PHILIPS 51LPC系列单片机原理及应用设计北京航天航空大学出版社 2001年6 华成英 童诗白 模拟电子技术基础 第四版 北京：高等教育出版社2006年4月7 (美)Paul R.Gray Paul J.Hurst   模拟集成电路的分析与设计 北京：高等教育出版社 2006年4月附录主程序ORG 0100H;MAIN:MOV R1,#10; T0 100马上定时溢出计数寄存器R1赋初值10MOV P1,#0FFH; 所有指示灯灭MOV SP,#60H; 堆栈指针赋初值60HMOV TMOD,#01H; T0定时、方式1、软启动MOV TL0,#0

24、B0H; T0赋初值MOV TH0,#3CH;MOV IE,#82H; 开放T0中断SETB TR0; 启动T0SJMP $;定时/计数器0中断服务程序ORG 0200H;T0INT:DJNZ R1,NEXT; T0溢出10次，即1s进一次采样处理LCALL ADCON; 调用温度采样及模数转换子程序LCALL CALCU; 调用温度计算子程序LCALL DRVCON; 调用驱动控制子程序LCALL METRICCON; 调用十进制转换子程序LCALL DISP; 调用数码管显示子程序MOV R1,#10; R1重赋值10NEXT:MOV TL0,#0B0H; T0重装初值MOV TH0,#3

25、CH;RETI;温度采样及模数转换子程序ORG 0300H;ADCON:MOV DPTR,#0F0FFH; 选通ADC0809通道0MOV A,#00H;MOVX DPTR,A; 启动A/D转换HERE:JNB P3.3,HERE; 判断数据转换是否结束，没结束则等待MOVX A,DPTR; 读取转换后的数据MOV 20H,A; 将从ADC0809中读取的当前温度下热敏电阻上的电压值存于20H单元RET ；温度计算子程序ORG 0400H;CALCU:MOV R2,#01H; R2为数据表的索引值寄存器MOV DPTR,#DATATAB; 温度数据表首地址送DPTRNEXT1:MOV A,R2; 索引值送AMOVC A,A+DPTR; 查表取出某一温度的数字电压值CJNE A,20H,K1; 与当前温度的数字电压值比较DEC R2; 等于当前温度的数字电压值，则查表取出该温度值作为当前温度值MOV A,R2;MOVC A,A+DPTR;LJMP K3;K1:JNC K2; 大于当前温度的数字电压值，则继续取出下一温度的数字电压进行比较DEC R2; 小于当前温度的数字电压值，则查表取出前一个温度值作