【基于单片机的数字钟设计与实现6600字（论文）】

绪论1.1研究背景俗话说一寸光阴一寸金，因此时间对于人们来说相当重要，并且时间与人们的生活息息相关。随着时间的推移，经济的发展促进了人类社会的不断进步，人们对于时间的认知也从最原始的观天象演变成了各种时钟、微型手表等高科技产品。同时为了更加获悉更多的信息，人们除了设计出能够准确显示时间的电子产品以外，还额外添加了很多附加功能，例如现代新研发出来的产品，不仅仅能够观测时间，还能够显示温度、日期等信息，其不仅仅具有原始的时钟功能，还能够更加方便的读取信息，具有全面的功能，这也是未来电子产品发展的趋势。科技的应用，智能产品的出现，在一定程度上为人们的生活带来的便利，电子产品逐渐进入了人们的生活，并且与人类的生活息息相关。目前，很多运用单片机技术的产品已经在市场上被广泛的应用，数字时钟不仅仅使人们的生活更加便利，也象征着人类文明的进步与发展，因此在未来，各种电子产品具有十分广大的发展前景。1.2研究意义目前，随着技术的不断进步，时钟的功能也变得越来越多，不仅仅具有定时自动闹铃功能，还能够实现自动控制，定时广播，自动启停等，为人们的日常生活提供了便利，因此，研究数字钟具有明确的现实意义。在市场上，数字钟不仅仅属于电子产品，备受人们的关注，也是目前针对单片机设计的重大课题。由于该课题具有一定的开放性，并且发挥性较强，因此针对制作者具有一定的要求，在设计过程中，不仅仅需要考验制作者针对单片机的掌握程度，更加设计到了一些能力的扩展。同时设计出来的数字钟，不仅仅需要满足各类功能，还需要具有美观的显示界面，还要保证能够简单的实现操作。因此，无论是出于何种目的，设计与制作数字钟都具有较大的意义，因为其不仅仅具有一定的实用性，更加能够有效的培养制作人的专业性。设计该数字钟的时候，首先就是针对硬件的选择，本文时钟的主控核心选择的是由Atmel公司研发的型号为STC89C52的单片机，其主要的优势就是节能，主要的电压范围在4～6V之间；选择的芯片是由美国DALLAS公司推出型号为DS1302时钟芯片，其主要的特点就是低功耗，具有很长的使用寿命，且精准度高，误差小，主要的作用就是进行时间信号的提供,能够针对时间和日期进行准确的记录；采用的LED液晶显示屏，其能够同时显示时间和日期等各种信息。不仅如此，该数字钟还具有很多附加功能，例如能够实现时间的校准、闹钟的设置以及显示具体的环境温度等。其次就是在软件方面，主要包括以下一些程序的编写：日历、时间调整、显示，闹钟、温控等。针对已经编写完成的程序，就可以利用Keil软件进行调试，确保没有任何问题以后，就可以在单片机上测试。本人最后终于完成了数字时钟的设计，当然整个设计过程离不开自己的努力，更加多谢老师和同学的帮助。1.3国内现状及水平随着我国经济的不断发展，人们生活质量的不断提高，也越来越注重在日常生活中使用高科技产品，例如目前电子时钟已经逐渐走入了千家万户，融入了人们的日常生活。但是中国的时钟产业在发展的过程中，依然面临着各种问题，主要表现在以下几个方面：第一、纵观中国的市场，很多产业的结构设计不合理，主要属于劳动力密集型；第二、我国目前的工业发展与世界一些发达国家相比较而言，依然属于明显的落后的地位；第三、目前的市场情况，已经发生了巨大的改变，生产要素已经不能够起到决定性的作用；第四、在产业的成产过程中，不仅仅对能源的消耗较大，并且不能保证较高的产出率，同时在一定程度上对环境造成了污染；第五、纵观我国的许多企业，在规模上大都属于中小型企业，因此不具备研发新型技术的实力，并且企业内部的也缺乏先进科学的管理制度。本文针对以下问题进行了分析和讨论，希望能够有利于中国数字时钟产业的发展。首先，就是一定要了解目前中国数字钟产业的发展现状，并且以正确的方式进行评价；其次就是找准未来的发展方向，确认目标；然后就是结合现阶段中国的经济热点问题，从中找出有利于中国数字钟产业发展的前景；最后，就是结合目前的现状，找出数字钟产业在发展过程中，需要解决的各项问题。根据研究和分析中国数字钟产业的发展研究报告，了解到数字钟的发展历程，并且通过对比，找出了现实面临的差距，由此提出了新的产业概念，同时，针对目前的发展现状，对未来的发展情况进行了预测，并且全面研究了我国地区数字钟产业的发展情况。

系统总体方案设计2.1设计要求(1)首先需要了解52单片机集成的开发环境，能够熟练的运用C语言进行程序文件的编写；

(2)针对单片机的内部结构与资源能够完全掌握，并且还需要了解相关软硬件的调试方式；

(3)能够针对单片机的最小系统进行构建，设计出相关的硬件电路；

(4)掌握其具体的工作原理，并且能够通过实践将其具体的实现。2.2方案选择与论证方案一：系统控制器采用DSP。其属于微处理器，主要是利用数字信号进行信息的处理。其主要的优势在于，不容易受到温度或者环境的影响，并且能够轻松的实现集成，还能够共享处理器，并且还是适用于低频率的信号。但是，由于DSP的电路十分复杂，导致造价较为昂贵，并且其数字系统主要是由有源器件构成，相比较无源设备而言，可靠度不高。

方案二：系统控制器采用单片机。单片机主要的优势在于，不仅仅具有更强的可靠性、并且价格相对较低，同时属于低功耗。其在算术中，不仅具有很强的运算能力，同时能够实现更加灵活的编程，通过对软件的编程，就能够实现各种不同的功能，且自身就有很多额外的功能，例如定时器、计数器等。因此，最终在本次设计中，选用的控制器为型号为STC89C52的单片机。2.3总体方案设计早期针对时钟的设计，主要的原理就是依靠机械或者石英振荡，虽然也能够记录时间，但是在一定程度上，系统缺乏较高的精度，尤其是一些的特殊场合，极有可能呈现出不稳定。随着科技的发展，最新诞生出来的电子时钟，其设计的原理主要是利用电子技术，完全替代了原先的机械控制，因此能够更加精确的记录时间，并且操作起来更加便利。其次，针对一些便携计时工具，有时候很有可能需要夜视的功能，电子时钟就具备这一功能[3]。在本次设计中，针对硬件方面，主要包括以下几个方面：第一、数字钟的控制核心主要包括52单片机，以及最小系统模块；第二、显示模块，其主要的作用就是进行时间以及日期、温度等一些具体内容的显示；第三、闹钟指示灯，其主要的作用就是显示闹钟目前的状态属于开启还是关闭；第四、闹钟报警装置，主要的采用的是蜂鸣报警模式，一旦闹钟设置的时间到了，就会发出声音提示；第四、键盘输入模块，主要的作用，就是进行时间、日期的调节，还能够有效的进行闹钟的设置、开启和关闭。51单片机51单片机核心模块闹钟指示灯键盘输入闹钟报警显示模块在电子钟的内部，所有的模块都受到主控模块的控制，主要表现为：第一、显示模块：显示体的时间、日期还有温度等各种信息；第二、电源模块：实现针对整个系统进行供电；第三、数据存储模块：主要就是针对设置的各种数据进行有效的存储；第四、按键模块：主要就是调节和时间和设置闹钟；第五、时钟模块：主要就是记录时间和日期；第六、网络模块：能够根据网络实现进行时间和日期的调整；第七、语音模块：主要的作用就是实现语音报时；第八、蜂鸣器模块：主要的作用力就是设置的闹钟时间达到的时候，会发出声音提示[4]。在设置语音模块的时候，一种将语音口令分为一级、二级和条件口令三种类型。首先需要先指明一级口令，等待应答以后，才能够继续二级口令，否则将不会执行二级口令的具体操作，之所以这样设计，主要就是为了能够有效的避免各种功能的误触发。例如，首先需要喊出一级口令，等待系统做出回答以后，才能够开始说出具体想做实现的事情，“设置闹钟”，这时候时钟就会开始根据具体的指令设置闹钟。最后，条件口令主要是针对一些特定的条件，才能够被执行，例如在设置闹钟的时候，需要更改闹钟的时间，这时候条件口令才有效[11]。第3章系统硬件电路设计3.1整体方案设计3.1.1系统概述整个系统的核心器件选择的时候型号为STC89C52的单片机，再加上电阻电容晶振等，形成了最小系统。还有一些模块主要是围绕最小系统，主要包括1602液晶显示，其能够显示出时间和日期等信息，还有DS1302芯片，能够准确的记录时间，再就是DS18B20温度传感器，其能够将温度值精确到小数后一位。在整个和集中，一共有四个操作按键，能够有效的设置时间和闹钟。不仅如此，还额外增加了蜂鸣器，主要就是进行闹铃提醒。最后就是采用USB5V的供电。3.2最小系统电路如图3-1所示，其主要是由晶振电路、复位电路、电源三部分组成。其中，晶振电路主要包括12M的晶振X1，也可以是24M，其取值越高，单片机的执行速度越快，另外还有C2和C3两个电容，其主要的作用就是帮助晶振起振，范围在15-33pF之间。在设计电路的时候，晶振部分需要紧靠单片机。复位电路就好比是重启，例如电脑出现了故障，只要将其重启，就能够重新开始执行程序。因此只要单片机在运行的过程中，出现了程序故障，只要按下复位按钮，就会使程序重新开始运行。复位电路主要包括了C1极性电容，和R4电阻。一旦系统上电以后，RESET脚就会出现高电平，电路的RC值能够决定该情况的持续时间。一般情况下，需要持续两个机器周期，因此为了保证其能够复位，需要适当的组合RC的取值。电源部分采用的是5V的USB，能够实现所有的USB接口对其进行供电，例如移动电源、电脑USB口、手机充电器等。除了以上的三个部分，还存在外部电路。STC89C52的P0口属于漏极开路输出，为了保证其能够作为普通的I/O口使用，所以需要额外接10K的排阻R1，在本次设计中，P0口主要是用来当做液晶数据口。在设计的时候，需要引起注意的就是，针对31脚(EA)有两种情况，第一、在高电平条件下，需要复位单片机的时候，执行的时候主要是从内部ROM的0000H开始；第二、在低电平条件下，需要复位单片机的时候，执行的时候主要是外部ROM的0000H开始。但是，所有的程序全部在单片机的内部，因此需要保证EA接高电平，实现从内部对程序的读取。3.3系统硬件配置如表3.1所示。如图3.2所示，其中P0.0~P0.6与LED0~LED6对应，P2口是段选口。3.4主控制器电路设计本次设计中，主要选用的是STC89C52型号的单片机，其主要的优势就在于。具有较低的成本，且具有强大的功能，同时兼顾十分丰富的资源，因此十分适合成为数字钟的主控制器。倘若选择的是较为高端的单片机，不仅仅在一定程度上提高的生产制造的成本，更加会浪费资源。3.5电源电路设计本设计主要采用的供电电源为5V的直流电，针对DS1302芯片，采用的是纽扣电池的供电模式，之所以保证其自身单独供电的模式，主要就是为了保证在关闭主电源以后，时钟依然能够保证正常的运行。语音芯片ISD4004需要的是3.3V电源，因此可以利用AMS1117-3.3芯片进行电路的搭建，为其有效的提供电源[14]。3.6LED液晶显示电路设计关于时间的显示，具体的格式为从左到右分别是时、分、秒，利用P0口连接段选码，P2为位选信号。液晶显示与数码管相比较而言，不仅仅能够清楚的显示汉字，并且具有更加丰富的信息呈现画面[5]。3.7闹钟指示灯闹钟指示灯主要是LED灯，当其亮起来的时候，表示闹钟处于开启的状态，当其不亮的时候，表示闹钟处于关闭的状态。3.8闹钟报警本设计中，主要利用蜂鸣器发声装备实现闹钟的报警，其主要是由P3.0引脚控制。3.9键盘输入一旦系统所需要的键盘超过了八个，就需要利用矩阵键盘，当系统需要的键盘不足八个的时候，则可以使用独立式按键。在本次设计中，需要的按键数量为五个，因此选择的是独立键盘模式，其主要是由P3.2~P3.6进行控制。3.10时钟模块电路设计如图3.3所示，其中主要是利用串行的方式，实现DS1302芯片与单片机的数据传送功能，其需要向单片机提供具体的时间和日期等信息，并且还能够实现自动的调整和校对[6]。11010vcc1x1vcc2RstSCLKUOx2110uC6D11N41480.1u1kR2U1DS1302X1CRYSTALC53.11数据存储模块电路设计如图3.4所示，选用的是AT24C02芯片，实现针对数据的存储。其内部一共包括256个8位字节，能够有效的实现各种设置数据的存储[7]。

00SCKA0SDAA1WPA2U256712324c02c3.12语音模块电路设计本次设计采用的是ISD4004芯片作为语音模块，针对其供电采用的是AMS1117专门提供3.3V的电源，同时还具备MIC话筒和音频输入功能[15]。同时，针对输出的声音，可以利用LM386实现放大。

第4章系统软件设计4.1主程序的设计在整个程序中，主函数属于入口函数，只要是完整的程序，一定会具有主函数。如图4.1所示，该函数的开头，首先会针对单片机以及外围的器件，进行初始化和重新赋值一些变量。一旦完成初始化以后，会出现两种情况，第一种就是直接进入死循环，这时候程序会出现不断的循环，直到实现检测的目的为止。还有一种情况就是没有进入死循环，这时候程序就会重新一次执行以后，直接退出[8]。因此在主函数中，不能够拥有太多的代码，并且为了针对代码进行更加方便的阅读和修改，需要利用函数将其封装以后，再进行调用。NNNYY连接网络校时系统初始化读取日期和时间显示日期和时间修改日期和时间设置闹钟显示电子日历修改时间？播报当前时间NY设置闹钟？设置闹钟？设置闹钟？设置闹钟？闹钟到？蜂鸣器鸣叫YYYNNN4.2计时实现定时器的使用过程为：首先保证T0在每50ms的时候，发生中断，然后建立中断的次数（i），一旦其达到了20次，于是就将秒计数（s）加1；当秒计达到了60次，这时候就将分钟计数（m）加1，并且还要清零秒计数；一旦分钟计达到了60，这时候就将小时计数（h）加1，并且还要清零分钟计数[10]。经过一系列操作后，会开始正常的执行程序。4.3液晶显示程序设计液晶在显示的时候，一定会提前进行位置的确定，就是在具体的地方进行显示，例如将会在某一行某一列会显示出来。只要有了具体的坐标定位，就能够将需要显示的内容展示出来，同时液晶在显示的时候，不是一次性出来，而是一位一位从左至右显示出来的。例如数字的显示，会按照数位，从最左边开始，就像显示1000的时候，一定会先显示1，在逐一将后面的0显示出来。显示字符或者英文的时候，也会从左边开始逐一显示，例如显示“good”，一定会先显示字母“g”，然后再是字母“o”最后一直到字母“d”，最终完成整个英文单词的显示任务。因此，液晶在显示的时候，只需要完成一次定位，也就是决定第一位数字或者字符的具体位置，就能够实现整个数字或者字符的定位，确定第一位的位置以后，液晶会自动选择下一个位置，不需要针对每个字符重新进行定位。4.4语音设计语音模块主要是由ISD4004芯片配合一些外围的电路。在单片机内，通过编程进行信号的输入，在ISD4004芯片内录入语音[9]，同时，单片机控制其进行语音的播放。

结语本文制定的详细的设计方案，本次设计的数字钟，硬件部分主要包括以下几个方面：第一、数字钟的控制核心主要包括52单片机，以及最小系统模块；第二、显示模块，其主要的作用就是进行时间以及日期、温度等一些具体内容的显示；第三、闹钟指示灯，其主要的作用就是显示闹钟目前的状态属于开启还是关闭；第四、闹钟报警装置，主要的采用的是蜂鸣报警模式，一旦闹钟设置的时间到了，就会发出声音提示；第四、键盘输入模块，主要的作用就是进行时间、日期的调节，还能够有效的进行闹钟的设置、开启和关闭。其次就是在软件方面，主要包括以下一些程序的编写：日历、时间调整、显示，闹钟、温控等。针对已经编写完成的程序，就可以利用Keil软件进行调试，确保没有任何问题以后，就可以在单片机上测试。本人最后终于完成了数字时钟的设计，并且达到了预期的要求。

参考文献[1]孙雅芃,张福海.时钟频率校正关键技术研究[J].南开大学学报(自然科学版),2019,52