毕业设计(论文)基于单片机的多功能数字钟设计.doc
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1、毕业设计论文作者 学号 系部 专业 题目 基于单片机的多功能数字钟设计 指导教师 评阅教师 完成时间: 毕业设计(论文)中文摘要基于单片机的多功能数字钟摘要:单片计算机即单片微型计算机。(Single-Chip Microcomputer ),是集CPU ,RAM ,ROM ,定时,计数和多种接口于一体的微控制器。他体积小,成本低,功能强,广泛应用于智能产品和工业自动化上。本文设计了一种以单片机AT89C52为核心及几种新型芯片组成的多功能数字钟。由单片机构成主控部分,进行主要的信息处理,接收外部操作指令形成各种控制信号,使用最简单的电路、最便宜的电路芯片实现了完善的功能。这次毕业设计通过对它
2、的学习,应用,从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。关键词:数字钟 单片机 报警 电力毕业设计(论文)外文摘要Based on a single chip multifunctional digital clockAbstract: That is, single-chip computer-chip micro-computer. (Single-Chip Microcomputer), is a set of CPU, RAM, ROM, from time to time, the count in one interface and a variety of microcontroll
3、ers. His small size, low cost, feature strong, smart widely used in industrial automation products and on. This article has designed a single chip at the core AT89C52 and several new types of chips composed of multi-function digital clock. Constitute a single chip by the main part of the major infor
4、mation processing, to receive operating instructions to form a variety of external control signals, the use of the simplest circuit, the cheapest a perfect circuit chip. The graduation project through its study and application in order to reach the study, design, development software and hardware.Ke
5、y words: Single-chip digital alarm clock Power目 录1 绪论51.1背景资料51.1.1设计多功能数字钟的目的51.1.2电子线路CAD与Prote99 SE软件的简介51.1.3单片机简介71.2本设计的主要工作72 系统功能和设计说明82.1总体方案设计82.1.1本课题主要技术要求82.1.2总体方案比较与论证82.1.3总体设计原理方框图92.2 硬件模块电路设计92.2.1电压有效值测量设计92.2.2时钟电路的设计102.2.3温度检测电路设计112.2.4频率测量设计112.2.5键盘显示设计122.2.6报警电路142.2.7单片机
6、最小系统142.3 软件设计172.4测试方法182.5总结18结论20致谢21参考文献211 绪论1.1背景资料1.1.1设计多功能数字钟的目的目前市售的电子产品很多,一般只能显示时间信息,功能单一. 但在一些特殊行业,如电力部门,为了工作的便利,要求数字钟不仅能显示时间信息,最好还能直接显示供电情况,电力运行情况。这样,市场上销售的数字钟就显得功能单一,不能满足需求。这里我们所要设计的是专门用于电力部门的多功能数字钟。本文所设计的多功能数字钟是利用单片机技术,采用了几种新型的芯片而共同构成的。它具有基本的电子时钟,闹钟功能,并且能够显示环境温度,电网电压,电网频率及实现过压欠压报警。本系统
7、充分挖掘了单片机的资源和运算控制功能,具有功能多,显示全,成本低的特点。1.1.2电子线路CAD与Prote99 SE软件的简介本设计的电子线路图和PCB线路版图都采用计算机辅助制图,现介绍使用的做图软件及方法。一、电子线路CAD简介:电子电路CAD技术是电子信息技术发展的杰出成果,它的发展与应用引发了一场工业设计和制造领域的革命。给企业带来了巨大经济效益。当今, 电路CAD技术及其应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。电子电路CAD 技术是指以计算机硬件和系统软件为基本工作平台, 继承和借鉴前人在电路和系统、图论、拓扑逻辑优化和人工智能理论等多学科的最新科技的成
8、果而研制成的电子电路CAD通用支撑软件和应用软件包。其目的在于帮助电子设计工程师开发新的电子系统与电路、IC、PCB(印刷电路板)、FPGA(现场可编程门阵列)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)等产品。实现在计算机上调用元器件库、连线画图、编制激励信号文件、确定跟踪点、调用参数库以及模拟程序等手段去设计电路。电子线路CAD的基本含义是使用计算机来完成电子线路的设计过程,包括电原理图编辑、电路功能仿真、工作环境模拟、印制板设计(包括自动布局自动布线)与检测(包括布线、布局规则的检测和信号完整性分析)等。电子线路CAD软件还能迅速形成各种各样的报表文件,如元件清单报表,为元器件的采购及工程预决算等提
9、供了方便。二、Prote99 SE软件的简介:90年代中期,Windows95开始 出现,Protel也紧跟潮流,推出了基于Windows95的3.X版本。3.X版本的Protel加入了新颖的主从式结构,但在自动布线方面却没有什么出众的表现。另外由于3.X版本的Protel是16位和32位的混合型软件,所以不太稳定。1998年,Protel公司推出了给人全新感觉的Protel 98。Protel 98以其出众的自动布线功能获得了业内人士的一致好评。199年,Protel公司又推出了新一代的电子线路设计系统-Protel 99。在Protel 99中加入了许多全新的特色。Protel98/99/
10、99SE具有Windows应用程序的一切特性,在Protel98/99/99SE中引入了操作“对象”属性的概念,使所有“对象”(如连线、元件、I/O端口、网络标号、焊盘、过孔等)具有相同或相似的操作方式,实现了电子线路CAD软件所期望的“简单、方便、易学、实用、高效”的操作要求。Protel99主要由以下几个部分组成:1原理图设计系统:原理图设计系统是用于原理图设计的Advanced Schematic系统。这部分用于设计原理图的原理图编辑器Sch 以及用于修改、生成零件的零件库编辑器SchLib。2印刷电路板设计系统印刷电路板设计系统是用于电路板设计的Advanced PCB。这部分包括用于
11、设计电路板编辑器PCB以及用于修改、生成零件封装的零件封装编辑器PCB Lib。3.信号模拟仿真系统信号模拟仿真系统是在原理图上进行信号模拟仿真的 SPICE3f5系统。4编程逻辑设计系统可编程逻辑设计系统是基于CUPL的集成于原理图设计系统中的PLD设计系统。5Protel99内置编辑器这部分包括育浓郁显示、编辑文本编辑器Text和用于显示、编辑电子表格的电子表格编辑器Spread。Design Explorer(项目管理器)是Protel99新增的一大功能,就是利用Design Explorer对整个系统进行管理的。它具有许多优点,这些优点使Protel99较Protel98工作起来更快捷
12、、更方便。1.1.3单片机简介一、 单片机的结构和特点 一个典型的数字计算机系统应包括运算器、控制器、数据与程序存储器输入/输出接口四大部分。如果将它们集成在一小块芯片上,就构成了微型单片计算机,简称单片机。单片机除了具有一般微型计算机的功能外,为了增强实时控制能力,绝大部分单片机的芯片上还集成有定时器/计数器,某些增强型单片机还带有A/D转换器、D/A转换器、语音控制、WDA、PWM等功能部件。单片机在结构上的设计主要是面向控制的需要,因此,它在硬件结构指令系统和能力等方面均有独特之处,其显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能,为此,又称为微控制器MCU(Micro Controller
13、Unit)。所以,单片机不但与一般的微处理机一样,是一个有效的数据处理机,而且还是一个功能很强的过程控制机。单片机自诞生以来,由于其固有的优点-低成本小体积高可靠性高附加值通过更改软件就可改变控制对象等,已越来越成为电子工程师设计产品时的首选器件之一。二、单片机的应用在智能仪器仪表中的应用:在各类仪器仪表中引入单片机,使仪器仪表智能化,提高测试的自动化程度和精度,简化仪器仪表的硬件结构,提高其性能价格比。在机电一体化中的应用:机电一体化产品是指集机械、微电子技术、计算机技术于一体,具有智能化特征的电子产品。在实时过程控制中的应用:用单片机实时进行数据处理和控制,使系统保持最佳工作状态,提高系统
14、的工作效率和产品的质量。 在人类生活中的应用:目前国外各种家用电器已普通采用单片机代替传统的控制电路。 在其它方面的应用:单片机除以上各方面的应用,它还广泛应用于办公自动化领域、商业营销领域、汽车及通信、计算机外部设备、模糊控制等各领域中。1.2本设计的主要工作本设计的主要工作是采用单片机技术,设计一个适用于电力部门的多功能数字钟,数字钟应具有基本的电子时钟功能、闹钟功能;能显示环境温度;显示电网电压、电网频率;能实现过压、欠压报警。本设计工作包括单片机外围接口电路的硬件设计和实现系统控制功能的软件设计。我在本设计中承担硬件部分的电网电压的开发工作。2 系统功能和设计说明2.1总体方案设计2.
15、1.1本课题主要技术要求 利用单片机控制; 具有基本的电子时钟功能闹钟功能,电子时钟要求显示年、月、时、分、秒、星期;具有掉电功能; 能显示环境温度,要求环境温度的测量误差0.5;显示电网电压、电网频率,电网电压的测量误差0.5V;电网频率的测量误差0.5HZ; 当电网电压过压或欠压10V时,声光报警。根据以上要求我设计此系统必须具有以下单元功能模块:实时时钟电路环境温度检测电路电网电压、频率测量电路报警电路键盘显示电路2.1.2总体方案比较与论证方案一: 采用CPLD作为控制中心,对整个系统的运作进行统一管理,但这种方案要求平时有很多的知识积累和较强的专业水平,且器件较贵,主控制器外围电路进
16、行电压频率测量,时钟控制温度测量键盘和控制报警复杂,且灵活性较低,不利于各种功能的扩展,在测电压时将通过测得的数值转化为电压有效值时有一定困难。方案二: 多功能数字钟系统采用AT89C52作为中央处理芯片实现系统的控制,用于数据处理、初值设定、显示控制等。键盘电路采用74LS165扩展接口,时钟芯片采用12C887,温度传感器采用DS18B20, 市电信号电压可通过LM331组成的高精度U/F变换电路测得,频率可采用测周期法间接测得。单片机P0口用于时钟芯片时间信息读取;P1口用于液晶显示器显示数据的传送;P2口用作控制信号和握手联络信号,其中P2.3输出闹钟信号,P2.4输出过压欠压报警信号
17、,分别驱动外部声光报警电路;P3口主要是第二功能的应用。因此,单片机系统资源已得到充分利用,此系统硬件简洁,将复杂的硬件功能用软件实现,能很好地满足本设计的基本要求和扩展要求。比较以上两种方案的优缺点,方案二简洁完全达到设计要求,故采用第二种方案。2.1.3总体设计原理方框图根据设计方案二,画出本设计的总体设计方框图如图1图1 总体原理方框图2.2 硬件模块电路设计2.2.1电压有效值测量设计一、电压有效值测量方案选择方案一:采用分段逼近式有效值检波电路。该方法示值虽然是被测电压的有效值,但由于放大器动态范围的限制,对于被测信号会产生一定的波形误差,并且硬件电路搭接复杂,且稳定性能不好。方案二
18、:利用电压互感器得到交流信号,经过半波整流,电容滤波得到直流信号。将转换成的直流信号接入ICLM331U/F转换器,实现模拟电压信号转换为数字信号,即将电压信号转换为频率可变的脉冲信号,再利用单片机读取数据后进行相应的幅值变换得到电压有效值。利用集成电路芯片测量精度高,误差小、稳定性好,硬件电路实现简单,可减小硬件体积。因此选择第二种方案。二、实现电压测量电路实现电压测量电路如图2图2 电压测量电路三、原理说明利用电压互感器得到交流信号,经过半波整流,电容滤波得到直流信号,采用M331V/F转换器, 将电压信号转换为频率可变的脉冲信号。脉冲信号的频率与交流电压有效值和直流电压值呈线性正比关系,
19、交流电压越高,转换器的频率值越高。电路中RS的作用是调节增益偏差和由RL、Rt、Ct引起的偏差,以及校正输出频率。7脚上增加的电阻、电容的作用是提高精度。当元件取图中的参数时,可将0-10V输入电压信号变成10HZ-20KZ的输出频率信号。这种变换方法,接口简单,占用单片机硬件资源少;有良好的精度,线性以及抗干扰性能。适当选择电压互感器变比,滤波电容值,使交流电源电压为220时,变换器输入电压等于10V。根据变换器输出信号频率计算公式:fout=(vin/2.09v)(Rs/RL)(Rt/Ct),此时输出脉冲信号频率为20kHz。2.2.2时钟电路的设计时钟电路采用DS12C887时钟芯片实现
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