毕业设计(论文)基于单片机数字时钟的设计.doc
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1、毕业设计(论文)基于单片机数字时钟的设计基于单片机数字时钟的设计摘要:本文介绍了多功能数字时钟的系统设计。系统具有时间设置及显示、闹钟等功能。系统以 AT89S52为核心,主要进行基于AT89S52低功耗MCU的字符型数字时钟及其系统的研究。系统带有液晶显示器,配合按键提供友好的用户界面,操作简单,该数字时钟能长期、连续、可靠、稳定的工作;同时还具有体积小、功耗低等特点,便于携带,使用方便。系统软件设计包括单片机编程。单片机软件编程主要实现按键、液晶显示、时钟、计时、闹钟等模块功能。关键词:数字时钟;单片机;液晶显示器Digital clock based on single-chip mic
2、rocomputers designAbstract: This article introduced the multi-purpose digital clock system design. The system has function and so on time establishment and demon stration, alarm clock,. The system take AT89S52 as a core, mainly carries on based on AT89S52 the low power loss MCU character numeral clo
3、ck and its the system research. The system has the liquid-crystal display, coordinates the pressed key to provide the friendly user contact surface, the operation simple, this digital clock can long-term, be continual, reliably, the stable work; Simultaneously also has the volume slightly, the power
4、 loss is low and so on the characteristic, is advantageous for carries, easy too perate. System software design including monolithic integrated circuit programming. The monolithic integrated circuit software programming mainly realizes module function and so on the pressed key, liquid crystal displa
5、y, clock, time, alarm clock.Key words: Digital Clock;Single-Chip Microcomputer; LCD目 录1 引言11.1课程设计要求11.2 课程设计目的22 单片机发展历史32.1三大阶段32.2 单片机的发展趋势33 单片机的应用63.1单片机的应用分类64 数字时钟的构成84.1 数字时钟的构成84.2 方案选择与相关技术84.3 AT89S5284.3.1 引脚结构及各端口介绍94.3.2 中断114.3.3 单片机存储器结构134.3.4 单片机复位电路与时钟电路134.3.5 看门狗定时器144.4 DS1302的
6、原理及应用154.4.1 DS1302的结构及工作原理154.4.2 引脚功能及结构164.4.3 DS1302的控制字节174.4.4 数据输入输出(I/O)174.4.5 DS1302的寄存器184.5 LCD模块的原理及应用194.5.1 LCD结构及工作原理195 电路设计215.1 系统硬件设计215.1.1 结构框图215.1.2 工作原理225.1.3 中断方式应注意的问题225.1.4 定时准确性的讨论235.1.5 软件消抖235.2 编程思路245.2.1 数字钟的操作24总结26参考文献27附录28致谢331 引言20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子
7、产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。 目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展的趋势将进一步向CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术,是传统控制技术的一次革命。数字时钟在单片机模块里比较常见,数字时钟是一种用0数
8、字电路技术实现时、分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。数字时钟是采用数字电路实现对时,分,秒.数字显示的计时装置,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用,使得数字时钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动开起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表
9、数字化为基础的。因此,研究数字时钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。1.1课程设计要求(1)掌握AT89C51实验开发系统中的实验模块原理,画出电路原理图;(2)综合运用实验模块,用89S52开发设计具有一定功能的单片机控制系统,进行软、硬件设计及调试。(3)写出完整的设计任务书:课题的名称、系统的功能、硬件原理图、软件框图、程序清单、参考资料。(4)时间包括年,月,日,星期,时,分,秒的显示。(5)为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。1.2 课程设计目的(1)巩固、加深和扩大单片机应用的知识面,提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。(2)培养针对课题需要,选择
10、和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力,提高组成系统、编程、调试的动手能力。(3)过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程,软硬件设计的方法、内容及步骤。2 单片机发展历史 2.1三大阶段单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 (1)SCM即单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。 (2)MCU即微控制器(MicroControlle
11、rUnit)阶段,主要的技术发展方向是:不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和Philips的历史功绩。 (3)单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应
12、用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。自单片机诞生至今,已发展为上百种系列的近千个机种。2.2 单片机的发展趋势目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。 CMOS化近年,由于CHMOS技术的进步,大大地促进了单片
13、机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外,还具有功耗的可控性,使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS(金属栅氧化物)半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快,但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高,又出现了HMOS(高密度、高速度MOS)和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度,传输延迟时间小于2ns,它的综合优势已在于TTL电路。因而,在单片机领域CMOS正在逐渐取代TT
14、L电路。 低功耗化单片机的功耗已从Ma级,甚至1uA以下;使用电压在36V之间,完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低,而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。 低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽,一般在36V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达12V。目前0.8V供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。 大容量化:以往单片机内的ROM为1KB4KB,RAM为64128B
15、。但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求,须运用新的工艺,使片内存储器大容量化。目前,单片机内ROM最大可达64KB,RAM最大为2KB。 高性能化:主要是指进一步改进CPU的性能,加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术,可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS(MillionInstructionPerSeconds,即兆指令每秒),并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度,就可以用软件模拟其I/O功能,
16、由此引入了虚拟外设的新概念。 小容量、低价格化与上述相反,以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化,可广泛用于家电产品。外围电路内装化,这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高,有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外,片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。串行扩展技术在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP
17、(OneTimeProgramble)及各种类型片内程序存储器的发展,加之处围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是IC、SPI等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。 随着半导体集成工艺的不断发展,单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将更强。在单片机家族中,80C51系列是其中的佼佼者,加之Intel公司将其MCS51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商,如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等,这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样
18、,80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族,现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为,虽然世界上的MCU品种繁多,功能各异,开发装置也互不兼容,但是客观发展表明,80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。3 单片机的应用3.1单片机的应用分类由于单片机具有显著的优点,它已成为科技领域的有力工具,人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域,主要表现在以下几个方面:(1)单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地用于各种仪器仪表,使仪器仪表智能化,并可以提高测量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。 (2)单片机在机电一体化中
19、的应用机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体,具有智能化特征的机电产品,例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器,能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点,可大大提高机器的自动化、智能化程度。 (3)单片机在实时控制中的应用单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如,在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中,都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能,可使系统保持在最佳工作状态,提高系统的工作效率和产品质量。 (4)单片机在分布式多机系统中的应用在比较复杂的系统中,常采用分布式多机系统。多机系
20、统一般由若干台功能各异的单片机组成,各自完成特定的任务,它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机,安装在系统的某些节点上,对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力,使它可以置于恶劣环境的前端工作。 (5)单片机在人类生活中的应用自从单片机诞生以后,它就步入了人类生活,如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后,提高了智能化程度,增加了功能,倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。综合所述,单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面,单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和
21、设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术,是传统控制技术的一次革命。4 数字时钟的构成4.1 数字时钟的构成数字时钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路.由于计数的起始时间不可能与标准时间一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1MHZ时间信号必须做到准确稳定.通常使用石英晶体振荡器电路构成数字时钟. 晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字时钟提供一个频率稳定准确的12MHz的方波信号,可保证数字时钟的走时准确及稳定.不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路.
22、时间计数器电路 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器电路构成,秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器.4.2 方案选择单片机模块方案:方案一:基本门电路搭肩,用基本门电路来实现数字时钟,电路结构复杂,鼓掌系数大,不易调试。方案二:单片机编程,用单片机设计电路,由于使用软硬件结合的方式,所以电路结构简单,调试也相对方便。与第一种方案比较优点的是非常明显的。我们选择了第二种方案。4.3 AT89S52T89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C5
23、1 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下
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