基于单片机的电子时钟设计【开题报告】

毕业设计开题报告电子信息工程基于单片机的电子时钟设计一、选题的背景、意义选题的发展背景：单片机的发展：第一阶段（ 1974年-1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。例如，仙童公司生产的 F8单片机，实际上只是包括了 8位CPU64B的RAM和2个并行口。因此，还需加1块3851（由1KB的ROMK定时器/计数器和 2个并行I/O口构成）才能组成 1台完整的计算机。第二阶段（ 1976年-1978年）：低性能单片机阶段。以 Intel公司制造的 MCS-48单片机为代表， 这种单片机内集成有 8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等，但是不足之处是无串行口，中断处理比较简单，片内 RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于 4KB。第三阶段（ 1978年-现在） ：高性能单片机阶段。这个阶段推出的单片机普遍带有串行口I/O口，多级中断系统， 16位定时器/计数器，片内 ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB,有的片内还带有A/D转换器。这类单片机的典型代表是：Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。由于这类单片机的性能性价比高，所以仍被广泛应用，是目前应用数量较多的单片机。第四阶段（ 1982年-现在） ：8位单片机巩固发展及 16位单片机、 32位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展 16位单片机、 32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档 8位单片机， 改善其结构， 以满足不同的用户需要。 16位单片机的典型产品如Intel公司生产的MCS-96系列单片机，具集成度已达120000管子/片，主振为12MHz,片内RAM为232B,ROM为8KB,中断处理为8级，而且片内带有多TOC\o"1-5"\h\z通道10位A/D转换器和高速输入 /输出不见（HSI/HSO），实时处理的能力很强。而 32位单片机除了具有更高的集成度外，其主振已达20MHz,这使32位单片机的数据处理速度比 16位单片机提高许多，性能比 8位、 16位单片机更加优越 [1]。中断技术 ：当单片机的CPU正在处理某件事情（例如，正在执行主程序）时，单片机外部或者内部发生的某一时间（如外部设备产生的一个电平的变法，一个脉冲沿的发生或者内部计数器的计数溢出等）请求CPU迅速去处理，于是，CPU暂时中止当前的工作，转到中断服务处理程序处理所发生的时间。中断服务处理程序处理完该事件后，再回到原来被中止的地方，继续原来的工作（例如，继续执行被中断的主程序） ，这称为中断。CPU处理事件的过程，称为CPU的中断响应过程。对事件的整个处理过程，称为中断处理（或中断服务） 。如果没有中断技术，CPU的大量时间可能会浪费在原地踏步的查询操作上，或者采用定时查询， 即不论有无中断请求， 都要定时去查询。 采用中断技术完全消除了 CPU在查询方式中的等待现象，大大提高了PCU的工作效率。由于中断工作方式的有点极为明显，因此在单片机的硬件结构中都带有中断系统。单片机电子钟原理：电子时钟是一个将时，分，秒显示在人的面前的计时装置，它的计时周期一般为24小时，显示满为 23时59分59秒，另外还会有秒表，显示日期等额外的功能。因此，一个数字钟的电路主要是由译码显示器，时、分、秒、星期计数器，校时电路，报时电路和振荡器组成。主电路系统由译码显示器，秒信号发生器，时、分、秒、星期计数器，校时电路和报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，直接决定了计时系统的精确程度，一般采用石英晶体振荡器和分频器制成。 将标准秒信号送入秒计数器 （采用60进制计数器）中，每当累计 60秒时会发出一个分脉冲信号，该信号作为分计数器的时钟脉冲。分计数器（也采用 60进制计数器） ，每当累计 60分钟，就会发出一个时脉冲信号，该信号会被送到时计数器中。时计数器（采用 24进制计数器） ，可以实现 24小时的累计。每当累计 24小时，就会发出一个星期脉冲信号，该信号会被送到星期计数器中。星期计数器采用 7进制计数器，可实现 7天的累计。译码显示器将时，分，秒，星期计数器的输出状态显示出来。整点报时电路是通过计时系统的输出状态产生一个脉冲信号， 然后触发一个音频发生器实现。校时电路是用来对时，分，秒，星期显示数字进行校对调整。选题的意义：电子时钟从原理上来说，是一种比较典型的数字电路，它包含了组合逻辑电路以及时序电路。传统电子时钟的设计方法有两种：使用组合逻辑电路以及时序电路等一些中小规模的集成电路来设计；使用单片机的编程技术来设计。这两种设计都有着硬件复杂，设计使用的时间较长以及成本较高的缺点。电子时钟是一种采用数字电路实现显示时、分、秒数字的计时装置，是人们日常生活中不可缺少的物品，在个人，家庭以及办公室等公共场所中被广泛应用，给人们的生活，学习，工作以及娱乐带来了许多便利条件。而由于数字集成电路和石英晶体振荡器等相关技术的不断发展，电子时钟的性能相对于老式钟表有了更大的提高，变得更加准确、稳定，携带也变得越来越方便，并且还大大的扩展了原来所以的报时功能。在许多方面， 例如定时自动报警、 时间程序自动控制、 按时自动打铃、 定时广播、自动起闭路灯、 甚至各种定时电气的自动启用等， 都是在钟表数字化的基础上制成的。因此，研究电子时钟还有发展它的更深的应用，有非常重要的意义。二、相关研究的最新成果及动态单片机研究：目前单片机应用于各个领域中，它在仪表仪器中的应用显得更加优越。基于单片机制成的电子时钟有计时准确、功耗较低的优点，因此，它在各个领域里得到了广泛的应用。目前单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各个公司的产品在保证尽量兼容的同时，又向高速度、高运算能力、较大的寻址范围和小型廉价方面发展。在单片机发展的同时，也推动了应用系统的发展，而应用系统的发展，又会反过来对单片机有更高的要求， 使得单片机的发展得到促进。 现今，国内外的单片机正向着功能更强、速度更快、功耗更低、辐射更小等发面发展。而随着集成度的不断提高，众多的外围功能器件集成在片内已经变得可能，这也将是单片机以后发展的趋势。随着单片机档次的提高(为了适应检测、 控制功能的更高要求) ，使单片机除了一般必须要有 ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，片内集成的器件通常还要有电源监控与复位电路，WDT,A/D转换器，DMA控制器，中断控制器，锁相环，频率合成器，CRT控制器等等。由于单片机系统的优异的性能，可靠性以及较低的成本，被应用于各个技术领域中，然而，对于一些特殊的应用系统，我们不但希望单片机系统能完成有关数据的采集以及处理， 而且还想知道产生这些数据的时间， 以更好更细地掌握现场情况。 所以，为单片机添加数字时钟将是一项不可或缺的新型工程技术。随着社会的快速发展，国内外已经有许多有关数字钟的设计成果，而使用单片机设计的数字钟功能更强大，界面也比较好，更好的满足了人们对数字钟的智能化要求。单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等各方面发展。为满足不同的用户需要，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。.CPU的改进(1)采用双CPU结构，以提高处理能力。（2）增加数据总线宽度，单片机内部采用 16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般 8位单片机。（3）串行总线结构，大大减少单片机外部引线，使得单片机与外部接口电路连接简单。.存储器的发展（1）加大存储容量。（2）片内RPROM采用EAPROM或闪烁（Flash）存储器。（3）程序保密化。.片内 I/O的改进单片机都有较多的并行口，以满足外围设备、芯片扩展的需要，并配有串行口，以满足多机通信功能的要求。（1）增加并行口的驱动能力，这样可以减少外部驱动芯片。（2）增加 I/O口的逻辑控制功能，大大加强了 I/O口线控制的灵活性。（3）有些单片机设置了一些特殊的串行接口功能，为构成分布式、网络化系统提供了方便条件。.外部电路内装化随着集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能器件集成在片内。这也是单片机发展的重要趋势。除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，随着单片机档次的提高， 以适应检测、 控制功能更高的要求， 片内集成的不见还有 A/D转换器、D/A转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相环、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。随着集成电路技术及工艺的不断发展，能装入片内的外围电路也可以是大规模的，把所需要的外围电路全部装入单片机内，即系统的单片化是目前单片机发展趋势之一。.低功耗化8位单片机中有二分之一的产品已CMOS化，CMOS芯片的单片机具有功耗小的优点，而且为了充分发挥低功耗的特点，这类单片机普遍配置有 Wait和Stop两种工作方式。综观单片机几十年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内存储器容量增加和 Flash存储器化方向发展。但其位数不一定会继续增加，尽管现在已经有了 32位单片机，但使用的并不多。可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便。此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。电子时钟研究：电子时钟不仅仅只作为一个钟表的作用，它在其他方面的应用也很多，广泛的应用于各个领域。目前电子时钟的设计大体相同，有所不同的是它的相关扩展功能，比如定时控制，整点报时，日历显示等等。现今的科技处于高速发展阶段，人们对电子产品的要求也随之越来越高。为了适应发展，对电子时钟的研究也应该有所加深。目前电子时钟的发展趋势是：体积变得越来越小巧，功能变得越来越强大，比如增加了定时控制，闹钟，整点报时等功能，设计出来的电子时钟的外观更加的美观、时尚，随着人们的审美观的改变而改变着，而且，电子时钟的性能比之以前也更加稳定，时间上的误差越来越小。三、课题的研究内容及拟采取的研究方法、 技术路线及研究难点， 预期达到的目标3.1研究内容利用单片机最小系统设计一个数字钟，主要由振荡器、 LCD数码管显示、按键以及蜂鸣器等模块构成，实现时间、日期的显示，并具备闹铃功能。1、振荡器数字钟的核心是振荡器，它的作用是产生一个频率标准时间频率信号，接着由分频器分秒脉冲，所以，振荡器频率的稳定性和精确性决定了数字钟的质量以及数字钟计时的准确程度。通常我们采用石英晶体振荡器。一般情况下，振荡器的频率越高，数字钟计时的准确程度越高。石英晶体振荡器分频后得到一个准确稳定的32768Hz的方波信号，这可以确保数字钟的准确以及稳定。2、LCD数码管在单片机应用系统中，我们经常使用的是点阵字符型的 LCD显示器。使用点阵字符型的LCD显示器的时候，一定要有相对应的LCD控制器和驱动器，用来对LCD显示器执行扫描、驱动，以及还需要一定空间的RAM和ROM,用来存储写入的命令以及显示字符的点阵。目前人们已经把LCD控制器、驱动器、RAM、ROM以及LCD显示器用PCB连接在一起，统称作液晶显示模块LCM(LCDModule)。使用的时候只要向LCM里面输入相应的命令和数据就可以实现显示所需要的内容。 这种模块与单片机的接口比较简单，使用起来灵活方便。产品一般可以分成字符和图形两种。本次设计使用LCD1602S示器。3、按键本次设计有 4个按键，实现显示状态切换以及时间、日期、闹铃的设置。采用中断的方式实现。4、蜂鸣器蜂鸣器模块是由蜂鸣器驱动电路以及定时器 /计数器组成。选用压电式蜂鸣器，它工作时大概需要100mA的驱动电流。当定时器/计数器的输出为高电平时，蜂鸣器发出响声，当定时器 /计数器的输出为低电平时，蜂鸣器不发出声音。3.2研究方法项目实现需要掌握和熟悉单片机，蜂鸣器， LCD显示和相关芯片的工作原理与实现方法。（1）单片机应用熟悉51系列单片机的硬件结构，指令系统，中断系统，定时器 /计数器，键盘，显示模块的设计，外围IC的接口设计。（2）蜂鸣器熟悉蜂鸣器硬件结构和相关知识。LED显示和相关芯片熟悉使用单片机来进行LED显示的方法和相关的编程，另外还有接口电路。（4）软件设计

研究难点对于单片机的研究还比较表面化，许多深入的东西还要继续学习相关知识，所使用的相关器件以及单片机的结构也要更深的了解过， 对于要使用的电路分布要明确了解，不能出现差错，最后的调试过程要仔细，避免发生错误。预期达到的目标设计出来的数字钟符合要求，即能够显示时间、日期，具有闹钟功能，且整日期、闹钟的设定点蜂鸣器响动报时， 4个按键实现数字钟状态的切换以及时间、日期、闹钟的设定四、论文详细工作进度和安排2010.12任务书下达，查阅相关资料。2011.1.10之前完成文献综述， 2篇外文文献翻译。2010-2011第2学期开学第 1周完成开题报告。2010-2011第2学期2-4周查阅并学习 51系列单片机及其编程语言的资料。2010-2011第 2 学期 5-7周 学习 51系列单片机编程语言并熟悉仿真环境。2010-2011第 2 学期 8-9周 用软件实现电子时钟的仿真。2010-2011第 2 学期 10-11 周 撰写论文。2011.5.27-29毕业答辩。五、主要参考文献张毅刚．单片机原理及应用 [M]．高等教育出版社， 2003：2-8．TOC\o"1-5"\h\z潘晓宁，朱耀东．单片机程序设计实践教程 [M]．清华大学出版社， 2009．恒盛杰资讯． Protel电路板设计从入门到精通 [M]．中国青年出版社， 2006：56-58．李广第．单片机基础 [M]．北京航空航天大学出版社， 1999．胡建，刘玉宾等．定时 /计数器，单片机原理与接口技术 [M]．机械工业出版社，2005：15-19．夏继强．单片机实验与实践教程 [M]．北京航空航天大学出版社， 2001：43-46．张迎新等．单片机初级教程 [M]．北京航空航天大学出版社， 1999．肖洪兵．跟我学用单片机 [M]．北京航空航天大出版社， 2002．钱逸秋．单片机原理与应用 [M]．电子工业出版社， 2005．[10]何立民.MCS-51单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社，2000.赵润林，张迎辉． 单片机原理与应用教程 [M]．北京大学出版设， 2005：105-110．TOC\o"1-5"\h