课程设计论文单片机数字闹钟电子表设计报告.doc
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1、单片机数字闹钟/电子表设计报告一、设计意义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
2、体振荡器的广泛应用,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。二、本设计功能描述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、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
3、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。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。三、相关基础介绍1DS1302芯片(1) DS1302的性能特性l
4、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;l 用于高速数据暂存的318位RAM;l 最少引脚的串行I/O;l 2.55.5V电压工作范围;l 2.5V时耗电小于300nA;l 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;l 简单的3线接口;l 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)
5、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) 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
6、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1所示。 图1 DS1302引脚图及内部结构DS130
7、2的引脚功能如表1所示。表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/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 DS1302的控制字DS1302
8、的读写时序如图3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。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
9、存器及其控制字见表2,其中奇数为读操作,偶数为写操作。表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76543210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
10、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。2STC89C52单片机(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
11、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MAX810专用复位电路。(2) STC89C52 单片机特点l 增强型 8051 CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051;l 工作电压: 5.5V - 3.5V(5V单片机);l 工作频率范围:040MHz,相当于普通8051的 080MHz;l 用户应用程序空间 4K/8K/16k/32K/64K字节;l 片上集成1280字节 RAM;l 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);l ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可
12、编程),无需专用编程器/仿真器。l 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;l 可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片;l 有EEPROM功能;l 看门狗;l 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);l 时钟源:外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器;l 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;l 常温下内部R/C 振荡器频率为:5.0V 单片机为: 11MHz 17MHz;l 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T
13、1,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;l 外部中断I/O口4路,传统的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;l 通用全双工异步串行口(UART) ;l 工作温度范围:-40 +85(工业级) / 0 75(商业级) ;l 封装:PDIP-40, PLCC-44。 (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4所示。其最小应用系统如图5所示。图4 STC89C52 管脚图 图6 最
14、小应用系统四、Portel硬件开发软件Protel是目前国内最流行的通用EDA软件,它是将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的EDA工作平台,是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。它集成了软件界面、仿真功能和PLD设计和信号完整性分析,在此基础上Protel 99SE又增加了一些新的功能,用户使用更加方便灵活。Protel的功能十分强大,在电子电路设计领域占有极其重要的地位。它以其强大功能和实用性,逐渐获得广大硬件设计人员的青睐,是目前众多EDA设计软件中用户最多的产品之一。1Protel软件组成Protel软件主要由电路原理图
15、设计模块、印制电路板设计模块(PCB设计模块)、电路信号仿真模块和PLD逻辑器件设计模块等组成,各模块具有强大的功能,可以很好的实现电路设计与分析。(1) 原理图设计模块(Schematic模块)电路原理图是表示电气产品或电路工作原理的重要技术文件,电路原理图主要由代表各种电子器件的图形符号、线路和结点组成。图4.1所示为一张电路原理图。该原理图是由Schematic模块设计完成的。Schematic模块具有如下功能:丰富而灵活的编辑功能、在线库编辑及完善的库管理功能、强大的设计自动化功能、支持层次化设计功能等。 (2) 印制电路板设计模块(PCB设计模块)印制电路板(PCB)制板图是由电路原
16、理图到制作电路板的桥梁。设计了电路原理图后,需要根据原理图生设计成印制电路板的制板图,然后在根据制板图制作具体的电路板。印制电路板设计模块具有如下主要功能和特点:可完成复杂印制电路板(PCB)的设计;方便而又灵活的编辑功能;强大的设计自动化功能;在线式库编辑及完善的库管理;完备的输出系统等。(3) 电路信号仿真模块电路信号仿真模块是一个功能强大的数字/模拟混合信号电路仿真器,能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真。它运行在Protel的EDA/Client集成环境下,与Protel Advanced Schematic原理图输入程序协同工作,作为Advanced Schematic的扩展,为
17、用户提供了一个完整的从设计到验证仿真设计环境。在Protel中进行仿真,只需从仿真用元器件库中放置所需的元器件,连接好原理图,加上激励源,然后单击防真按钮即可自动开始。2PCB板设计(1) 定元件的封装 打开网络表(可以利用一些编辑器辅助编辑),将所有封装浏览一遍,确保所有元件的封装都正确无误并且元件库中包含所有元件的封装,网络表中所有信息全部大写,一面载入出问题,或PCB BOM不连续。 标准元件全部采用公司统一元件库中的封装。 元件库中不存在的封装,应自己建立元器件库。(2) 建立PCB板框 根据PCB结构图,或相应的模板建立PCB文件,包括安装孔、禁布区等相关信息。 尺寸标注。在钻孔层中
18、应标明PCB的精确结构,且不可以形成封闭尺寸标注。(3) 载入网络表 载入网表并排除所有载入问题,具体请看PROTEL技术大全。其他软件载入问题有很多相似之处,可以借鉴。 如果使用PROTEL,网表须载入两次以上(没有任何提示信息)才可以确认载入无误。(4) 布局 首先要确定参考点。一般参考点都设置在左边和底边的边框线的交点(或延长线的交点)上或印制板的插件的第一个焊盘。 一但参考点确定以后,元件布局、布线均以此参考点为准。布局推荐使用25MIL网格。 根据要求先将所有有定位要求的元件固定并锁定。 布局的基本原则 A. 遵循先难后易、先大后小的原则。B. 布局可以参考硬件工程师提供的原理图和大
19、致的布局,根据信号流向规律放置主要原器件。C. 总的连线尽可能的短,关键信号线最短。D. 强信号、弱信号、高电压信号和弱电压信号要完全分开。E. 高频元件间隔要充分。F. 模拟信号、数字信号分开。 相同结构电路部分应尽可能采取对称布局。 按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准来优化布局。(5) PCB设计遵循的规则 地线回路规则:图7 地线回路规则环路最小规则,即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小,环面积要尽可能小,环面积越小,对外的辐射越少,接收外界的干扰也越小。针对这一规则,在地平面分割时,要考虑到地平面与重要信号走线的分布,防止由于地平面开槽等带来的问题;在双层板设计中,在为电源留下足
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