单片机课程设计--智能电子钟的设计

第 I 页 共 I 页目 录1 引言 11.1 设计内容和要 11.2 工作原理 22 总体设计 22.1 方案设计 22.2 系统框图 22.3 核心芯片简介32.3.1 DS1302 简介 32.3.2 AT89C51 简介33 智能电子钟软硬件电路的设计43.1 硬件设计43.1.1 复位电路设计43.1.2 DS1302 与单片机的接口设计 53.1.3 LED 显示设计53.1.4 电源设计63.1.5 按键开关去抖设计63.1.6 时钟电路的设计73.1.7 电路总原理图设计83.2 软件设计83.2.1 流程图84 protues 仿真与调试114.1 电路的仿真114.2 软件调试11结论 12参考文献 14附 录 15第 2 页 共 21 页源程序 15第 1 页 共 21 页1 1 引言引言电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化，拥有时钟精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点，被广泛应用于生活和工作当中。另外，在生活和工农业生产中，也常常需要温度，这就需要电子时钟具有多功能性。本设计主要为实现一款可正常显示时钟/日历、带有定时闹铃的多功能电子时钟。本文对当前电子钟开发手段进行了比较和分析，最终确定了采用单片机技术实现多功能电子时钟。本设计应用 AT89C51芯片作为核心，6 位 LED 数码管显示，使用 DS1302 实时时钟日历芯片完成时钟/日历的基本功能。这种实现方法的优点是电路简单，性能可靠，实时性好，时间精确，操作简单，编程容易。该电子时钟可以应用于一般的生活和工作中，也可通过改装，提高性能，增加新功能，从而给人们的生活和工作带来更多的方便。1.11.1 设计内容和要求设计内容和要求以 AT89C51 单片机为核心，制作一个 LCD 显示的智能电子钟：(1) 计时：秒、分、时、天、周、月、年。(2) 闰年自动判别。(3) 五路定时输出，可任意关断（最大可到 16 路） 。(4) 时间、月、日交替显示。(5) 自定任意时刻自动开/关屏。(6) 计时精度：误差1 秒/月（具有微调设置）(7) 键盘采用动态扫描方式查询。所有的查询、设置功能均由功能键 K1、K2 完成。1.21.2 工作原理工作原理本设计采用市场上流行的时钟芯片 DS1302 进行制作。DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和 31 字节静态 RAM，可以通过串行接口与计算机进行通信，使得管脚数量减少。实时时钟/日历电路能够计算 2100 年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的，具有闰年调整的能力。DS1302 时钟芯片的主要功能特性：(1) 能计算 2100 年之前的年、月、日、星期、时、分、秒的信息；每月的天数和闰年的天数可自动调整；时钟可设置为 24 或 12 小时格式。第 2 页 共 21 页(2) 31B 的 8 位暂存数据存储 RAM。(3) 串行 I/O 口方式使得引脚数量最少。(4) DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需 3 根线。(5) 宽范围工作电压 2.0-5.5V。(6) 工作电流为 2.0A 时，小于 300nA。(7) 功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于 1mW控制程序在 Keil 软件中编写，编译，整个控制电路在 Proteus 仿真软件中连接调示。2 2 总体设计方案总体设计方案2.12.1 方案设计方案设计实时时钟芯片具备年、月、日、时、分、秒计时功能和多点计时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不需程序干预。计算机可通过中断或查询方式读取计时数据进行显示，因此计时功能的实现无需占用 CPU 的时间，程序简单。此外，实时时钟芯片多数带有锂电池做后备电源，具备永不停止的计时功能；具有可编程方波输出功能，可用做实时测控系统的采样信号等；有的实时时钟芯片内部还带有非易失性 RAM，可用来存放需长期保存但有时也需变更的数据，由于功能完善，精度高，软件程序设计相对简单，且计时不占用 CPU 时间，因此，在工业实时测控系统中多采用这一类专用芯片来实现实时时钟功能。利用单片机内部的定时/计数器进行中断定时，配合软件延时实现时、分、秒的计时及秒表计时。该方案节省硬件成本，且能使设计者对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而掌握单片机应用技术 MCS-51 汇编语言程序设计方法，因此，本系统设计采用此种软件控制方法来实现计时。而由于 Atmel 公司的 AT89C51 是一种自带 4KB Flash 存储器的低电压、高性能的 CMOS 8 位微处理器。该器件采用 Atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出引脚相兼容。 AT89C51 将多功能 8 位 CPU 和闪存集成在单个芯片中，是一种高效的微控制器，使用也更方便，寿命更长，可以反复擦除 1000 次。形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能价格比的微控制器。它的功能强大，而且也比较容易购买，故本设计中所选的单片机为 AT89C51 单片机。2 2. .2 2 系统框图系统框图按照系统设计功能的要求，初步确定系统由主控模块、时控模块、及显示模块和键盘接口模块共 4 个模块组成。主控芯片使用 51 系列 AT89C51 单片机，时钟芯片使用美国第 3 页 共 21 页DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟 DS1302。采用 DS1302 作为计时芯片，可以做到计时准确。更重要的是，DS1302 可以在很小电流的后备电源（2.55.5V 电源，再 2.5V 时耗电小于 300nA） ，而且 DS1302 可以编程选择多种充电电流来为后备电源进行慢速充电，可以保证后备电源基本不耗电。显示模块采用普通的液晶显示屏（LCD）设计框图如图 1.1 所示。AT89C51时钟芯片 DS1302按键电源LED 显示电路定时电路图 2.2 设计方案框图2 2. .3 3 核核心心芯芯片片简简介介2.3.1 DS1302 简介DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.55.5V。时钟可工作在 24 小时格式或 12 小时（AM/PM）格式。 DS1302 与单片机的接口使用同步串行通信，仅用 3 条线与之相连接。可采用一次传送一个字节或突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302 内部有一个 31×8 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器。DS1302 是 DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容，但增加了主电源后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。2.3.2 AT89C51 简介AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只第 4 页 共 21 页读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3 3 智能电子钟软硬件电路的设计智能电子钟软硬件电路的设计3.13.1 硬件设计硬件设计该设计的硬件电路由主控部分(单片机AT89C51)、计时部分（实时时钟芯片DS1302） 、显示部分（八段数码管） 、电源部分（三端稳压器7805） 、时钟电路5个部分组成。各部分之间相互协作，构成一个统一的有机整体，实现数字时钟的功能。各部分的硬件电路设计如下。设计总电路图见附录一。3.1.1 复位电路设计单片机 AT89C51 作为主控芯片，控制整个电路的运行。单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。该设计采用含有二极管的复位电路，复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等引起的问题，在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。复位电路的设计图如图 2 所示：第 5 页 共 21 页图 3.1.1 单片机复位电路图AT89C51 具有在系统可编程功能，可以很方便的改写单片机存储器内的程序不需要把芯片中从工作环境中剥离，把 AT89C51 下载口接入电路，可使电路实现该功能。AT89C51需要接入一个普通 12MHz 晶振，为其提供稳定的时钟脉冲。该设计中有 6 个八段数码显示管 LED，所以，在单片机 AT89C51 外围需要接入 6 个三极管来驱动数码显示管。此外，单片机外围需要接入 3 个开关，用来调整时钟。单片机外围电路的设计图如图 2.2 示：3.1.2 DS1302 与单片机的接口设计时钟芯片 DS1302 与单片机 AT89C51 的接口是由 3 条线来完成的，单片机 AT89C51 的P1.0 与时钟芯片的数据传输端相连，P1.1 用来作为 DS1302 输入时钟 SCLK 控制端,P1.2控制 DS1302 的复位输入端。DS1302 接标准 32.768KHz 石英晶振。DS1302 与单片机的接口电路如图 2.3 所示。图 3.1.2 DS1302 与 AT89C51 连接图3.1.3 LED 显示设计八段数码显示管有两种，一种是共阳数码管，其内部是由八个阳极相连接的发光二极管组成；另一种是