单片机数字电子钟设计毕业设计.doc
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1、单片机数字电子钟设计前言 随着生活水平的提高,人们越来越追求人性化的事物,传统的时钟已不能满足人们的需求。现代的数字钟不仅需要模拟电子技术,而且需要数字电路技术和单片机技术,增加了数字显示等的功能。单片机电子钟表电路可以由单片机模块、实时时钟电路模块、人机接口模块、报警模块等部分组成,硬件电路简单稳定,并可以利用软件编程减小电磁干扰和其他环境干扰的影响,减小因元器件精度不够引起的误差等优点,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,电路简单,使用寿命长,应用范围广,被广泛用于个人家庭、车站、码头、办公室等公共场所,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振荡器的广泛应
2、用,数字钟表的精度远远超过老式机械钟表,给人们生产生活带来了极大的方便。另一方面,由于单片机技术的使用,大大扩展了钟表原先的功能,可以提供定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制及各种定时电气的自动启用功能等。因此,研究数字钟表及扩大其应用,有着非常现实的意义。本设计主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法,本设计由单片机STC89C52芯片,DS1302和LED数码管为核心,辅以必要的电路,构成了一个单片机电子时钟。1.系统总体设计思路方案1、采用STC89C52单片机作为主控芯片,实现数字钟表主控功能。2、采用液晶屏显示当前年、月、日、时、分、秒,闹铃时间及状态等信息。3
3、、采用六键键盘设定时间初始值,具体方法是按时间设定键依次进入年、月、日、时、分、秒设定状态,然后通过向上、向下键修改设定值。正在设定的变量以闪烁状态突出显示。4、采用六键键盘设定闹铃时间,具体方法是按闹铃设定键依次进入时、分设定状态,然后通过向上、向下键修改设定值。正在设定的变量以闪烁状态突出显示。5、采用DS1302实时时钟芯片完成后台计时功能,要求具有后备电源,即使主电源掉电时间仍然保持运行。6、可设定闹铃使能,具体方法是按闹铃使能键,按一次打开,再按一次关闭。闹铃使能关闭时不报警。7、当闹铃使能打开,且当前时间到达闹铃设置时间,则蜂鸣器和LED红灯同时报警,如不按取消键,报警时间为1分钟
4、。报警状态可以通过按取消键退出。8、系统通过USB电源供电,单片机程序也可通过USB线串行下载。2.硬件实现及单元电路设计 单片机数字闹钟硬件框图如图1-1所示。图1-1 硬件框图 其中DS1302完成计时功能,单片机主控芯片读取DS1302的时间数据,在液晶屏上显示出来。用户可以通过按键设定时间初始值、闹铃初始值等。主电源和备份电源给各芯片供电。2.1.相关基础介绍2.1.1. DS1302芯片2.1.1.1 . DS1302的性能特性 实时时钟,可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数;用于高速数据暂存的318位RAM;最少引脚的串行I/O;2.55.5V电压工作范围;2.5V
5、时耗电小于300nA;用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节(脉冲方式)数据传送方式;简单的3线接口;可选的慢速充电(至Vcc1)的能力。 DS1302时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。对于小于31天的月和月末的日期自动进行调整,还包括闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24h或带AM(上午)/PM(下午)的12h格式。采用三线接口与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或RAM数据。DS1302有主电源/后备电源双电源引脚:Vcc1在单电源与电池供电的系统中
6、提供电源,并提供低功率的电池备份;Vcc2在双电源系统中提供主电源,在这种运用方式中Vcc1连接到备份电,以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。DS1302由Vcc1或Vcc2中较大者供电。当Vcc2大于Vcc10.2V时,Vcc2给DS1302供电;当Vcc2小于Vcc1时,DS1302由Vcc1供电。2.1.1.2 .DS1302数据操作原理 DS1302在任何数据传送时必须先初始化,把RST脚置为高电平,然后把8位地址和命令字装入移位寄存器,数据在SCLK的上升沿被输出。无论是读周期还是写周期,开始8位指定40存器中哪个将被访问到。在开始8个时钟周期,把命令字节装入移位寄存器之
7、后,另外的始终周期在读操作时输出数据,在写操作时写入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8,在多字节方式下为8加字节数,最大可达248字数。 如果在传送过程中置RST脚为低电平,则会中止本次数据传送,并且I/O引脚变为高阻态。上电运行时,在Vcc 2.5V之前,RST脚必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时,才能将RST置为高电平。DS1302的引脚及内部结构图如图2-1所示。图2-1 DS1302引脚图及内部结构DS1302的引脚功能如表2-1所示。表2-1 DS1302引脚功能引脚号引脚名称功能1Vcc2主电源2,3X1,X2震荡源,外接32.768kHz晶振4GND地线5RST复位
8、/片选线6I/O串行数据输入/输出端(双向)7SCLK串行数据输入端8Vcc1后备电源 DS1302的控制字如图2-2所示。控制字节的最高有效位(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51(A4A0)指示操作单元的地址。最低有效位(位0)如为0,表示要进行写操作;为1表示进行读操作。控制字节总是从最低位开始输入/输出。图2-2 DS1302的控制字 DS1302的读写时序如图4所示。为了提高对32个地址的寻址能力(地址/命令位15 = 逻辑1),可以把时钟/日历或RAM寄存器规定为多字节(burst)方式
9、。位6规定时钟或RAM,而位0规定读或写。在时钟/日历寄存器中的地址931或RAM寄存器中的地址31不能存储数据。在多字节方式中,读或写从地址0的位0开始。必须按数据传送的次序写最先的8个寄存器。但是,当以多字节方式写RAM时,为了传送数据不必写所有31字节,不管是否写了全部31字节,所写的每一字都将传送至RAM。图2-3 DS1302数据读/写时序 DS1302共有12个寄存器,其中有7个寄存器与日历、时钟相关,存放的数据位为BCD码形式。其日历、时间寄存器及其控制字见表2-5,其中奇数为读操作,偶数为写操作。表2-2 内部寄存器地址和内容寄存器名命令字节取值范围寄存器内容写读7654321
10、0秒寄存器80H81H0059CH10sSEC分寄存器82H83H0059010minMIN小时寄存器84H85H0023或011212/24010A/PHRHR日期寄存器86H87H0128,29,30,310010DATEDATE月份寄存器88H89H011200010MMONTH周寄存器8AH8BH010700000DAY年寄存器8CH8DH009910YEARYEAR 时钟暂停:秒寄存器的位7定义位时钟暂停位。当它为1时,DS1302停止振荡,进入低功耗的备份方式。通常在对DS1302进行写操作时(如进入时钟调整程序),停止振荡。当它为0时,时钟将开始启动。 AM-PM/12-24小时
11、方式:小时寄存器的位7定义为12或24小时方式选择位。它为高电平时,选择12小时方式。在此方式下,位5是AM/PM位,此位是高电平时表示PM,低电平表示AM。在24小时方式下,位5为第二个10小时位(2023h)。 DS1302的晶振选用32.768kHz,电容推荐值为6pF,因为振荡频率较低,也可以不接电容,对记时精度影响不大。2.2.STC89C52单片机2.2.1. STC89C52 单片机概述 STC89C52系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍,内部集成MAX81
12、0专用复位电路。2.2.2. STC89C52 单片机特点 工作电压: 5.5V - 3.5V(5V单片机); 增强型 8051 CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051; 工作频率范围:040MHz,相当于普通8051的 080MHz; 用户应用程序空间 4K/8K/16k/32K/64K字节; 片上集成1280字节 RAM; 通用I/O口(32/36个),复位后为准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口); ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器/仿真器。 每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过120mA; 可通过串口(P
13、3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片; 有EEPROM功能; 看门狗; 内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时,复位脚可直接1K电阻到地); 时钟源:外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器; 用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟; 常温下内部R/C 振荡器频率为:5.0V 单片机为: 11MHz 17MHz; 共4个16位定时器,两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器; 外部中断I/O口4路,传统的
14、下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块,Power Down模式可由外部中断唤醒; 通用全双工异步串行口(UART) ; 工作温度范围:-40 +85(工业级) / 0 75(商业级) ; 封装:PDIP-40, PLCC-44。 2.2.3. STC89C52 单片机管脚及封装 STC89C52 单片机有多种封装形式,本设计中选用40DIP封装,其管脚定义如图2-4所示。图2-4 STC89C52 管脚图2.3.硬件电路设计2.3.1.单片机电路 如图2-5所示,单片机采用STC89C52芯片,电路采用11.0592MHz外部无源晶体,振荡电容采用20pF。复位电路采用
15、10uF(C1)电容和10K(R2)组成的阻容复位电路。图2-5 单片机电路单片机管脚连接标号中,P00P07为液晶屏数据线,P25P27为液晶屏控制线。标号RXD和TXD是单片机的异步串行通信引脚,用于单片机程序的ISP下载。2.3.2.DS1302时钟电路 DS1302时钟电路如图2-6所示,其中BT1是后备电池,以保证在主电源掉电时时钟依然运行。Y2是时钟晶振,因为频率较低,故可以不加电容。R10R12为上拉电阻。DS1302通过SCLK、I/O和RST管脚和单片机相连。图2-6 DS1302时钟电路2.3.3.液晶屏显示电路 显示部分采用SMC 1602液晶屏进行数据显示,其主要技术参
16、数为:表2-3 液晶屏技术指标接口信号说明如表2-4所示。表2-4 液晶屏接口信号说明与单片机接口电路如图2-7所示。图2-7 LCD与单片机接口电路2.3.4.按键电路 U盘驱动芯片CH375不仅提供了与USB设备的硬件连接,还内置了文件系统底层程序,使得读、写U盘中的文件变得容易。图中CH375使用12MHz外部晶体,振荡电容为20pF。管脚连接标号D0D7是与单片机并口进行数据传输的数据线,CH375INT为单片机提供中断信号,CH375CS、CH375A0、CH375WR和CH375RD是控制信号线。CH375通过RU2和RU3两个电阻与U盘的UD+和UD-数据线连接,同时通过LU发光
17、管输出U盘状态。2.3.5键盘驱动电路键盘驱动电路如图2-8所示。图2-8 键盘驱动程序 电路使用与单片机管脚直接相连的按键实现键盘。当按键按下时管脚为低电平,无按键时为高电平。单片机采用查询方式获取按键信息。2.3.6.闹铃电路图2-9 闹铃电路 闹铃电路由单片机管脚驱动蜂鸣器和报警灯实现,当闹铃时间到时,蜂鸣器鸣响,红灯报警。2.3.7.电源电路 本设计采用USB接口供电,电源电压5V。同时,USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。其电路原理如图2-10所示。图2-10 供电及程序下载电路2.3.8.总电路图 经上所述,画出总电路图,图2-11图2-11总电路图3
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