1、基于MCU的多功能数字时钟设计毕业设计论文摘要多功能数字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STC89C52芯片作为核心，LCD液晶显示屏显示，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，时间和温度精度
2、高，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。 ；关键词：电子时钟；多功能；STC89C52；时钟日历芯片AbstractThe Design of the Hardware Abstract The electronic clock mainly uses the electronic technology make the clock computerization, the digitization, with the clock precision, small size, friendly
3、interface, scalable performance and other characteristics, was widely used in life and work. Measuring temperature, in life, industry and agricultural production, so electronic clock need multi-function. The design for the main implementing a clock/calendar can be displayed normal, collecting person
4、al ambient temperature, with the timing alarm of the multi-function electronic clock. Comparing and analysising the development technology of the electron clock, the design determines to use the MCU technology to realize the multi-functional electron clock. This design application STC89C52 as a core
5、 chips, LCD panel , using DS1302 real-time clock chip to complete the basic function of the clock/calendar. At the same time the design use of DS18B20 temperature sensors to collect the environmental temperature. The method has the advantage of being simple circuit, reliable performance, good real-t
6、ime, high precision of the time and temperature , simply operation, easy programming. The electronic clock can be applied to the general living and working ,can also be modified to improve performance, add new functions, and brings more convenient to peoples life and work. Keywords: Electronic clock
7、; Multi-function; STC89C52; DS1302; Temperature pickup目录第1章绪论1.1课题研究的背景单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一
8、个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。本文讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的STC系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片
9、是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储
10、器型。1.2课题研究的意义在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。根据这种实际情况
11、，设计了一个单片机多功能定时系统，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制，同时又可以进行时钟校准和定点打铃。它可以执行不同的时间表（考试时间和日常作息时间）的打铃，可以任意设置时间。这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可能。1.3课题研究的主要内容本论文主要是对C语言和单片机的一些基本知识、概念的应用学习和研究，以及STC89C52芯片模块和ISD4004语音模块的开发设计，该设计的目的是设计一实现带语音报铃的数字时钟，可播放系统内部录入的打铃音乐，也可以实现显示年月日时分秒的时钟功能。本设计的主要工作有以下几个方面：
12、（1）整体方案的设计方案的选择要符合芯片功能的要求，既要保证操作简单符合人们平时的操作习惯，又要体现出本产品的特点，本文研究设计的带录音功能的数字时钟是采用STC89C52单片机和ISD4004语音芯片，用来实现已存入芯片内的报铃音乐的播放以及显示时间的功能。 （2）程序流程图及软件设计一个程序要想实现其功能，不能没有次序而盲目下手，必须对其有一个全面的了解后画出流程框图，然后逐个模块的实现其功能，最终把模块之间合理的连接起来，构成完整程序。本设计的软件设计主要包括系统的初始化设计、复位电路程序的设计、按键模块的设计、录音子模块的设计、放音子模块的设计、两个芯片之间通信的设计、lcd显示屏显示
13、设计、中断程序设计、时钟功能程序设计以及把各个子模块组合成一个完整程序的设计等。整个系统程序采用模块化结构设计程序相对比较优化易修改和调试系统软件的开发是用C语言设计的。（3）系统原理图及硬件调试实验本设计在进行硬件原理分析后，需要连接实物进行实际操作，检验自己的设计是否可以行得通。需要在protel环境下画出硬件原理图并进行电气测试，检测无异议后进行硬件系统的调试实验，为了保证系统的可靠性分析查找，硬件的调试整个系统进行了模拟试验。1.4本章小结本文介绍的设计是针对教学所用的多功能定时器，可以完成教学所需的功能。该定时器操作简单，功能齐全，是单片机智能化的一种应用，同时说明了数字时钟在人们生
14、活中的重要性，说明了在这次实验的意义。第2章系统总体方案设计2.1 系统总体方案选择2.1.1基础FPGA的多功能数字时钟的设计基于FPGA的数字时钟设计方法：DCM（数字时钟管理器）。DCM使用完全数字反馈系统确保多个时钟同步，使用完全数字延线技术可以精确控制时钟的频率和相位。用户可以编程控制时钟任意倍率和分频及任意相位移动，使用非常方便可靠。 缺点：设计较为复杂，成本高，无法实现温度测量功能2.1.2基于VHDL的多功能数字时钟的设计利用VHDL硬件描述语言设计的多功能数字时钟的思路，在MAX+PLUSK开发环境中编译和仿真了所设计的程序，并在可编程逻辑器上下载验证。 缺点：结构简单，实现
15、功能不全面2.1.3 基于单片机的多功能数字时钟的设计基于STC89C52的单片机的数字时钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点。系统的设计是在模块化的基础上设计系统的。基于智能化和模块化的前提下设计数字时钟的，通过对设计目标的分析，分立出各个模块，然后根据各个模块的功能，选择适当的芯片进行设计的。对智能化、模块化设计具有较强的推广应用价值。 通过以上三种设计方案的比较,我们可以看到,设计方案三综合性能良好。所以选用第三种设计方案。 2.2 控制芯片的选择方案一：AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，
16、兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大。其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。再者，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时间仅需lOms。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系
17、统不被仿制。PO口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。方案二：STC89C52系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题：（1）AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB转串口下载，下载软件可以到STC厂家网上去下。（2）STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3-30倍，尽管快是好事，但这样一来，你在AT上好使的程序在STC上不一定好用，最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用STC时注意得加长延时，大约是AT的1030倍就差不多，这一点自己调试就知道了。 （3）ST
18、C单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，然而这样的环境下AT肯定不行了，所以当一个系统用STC单片机好用，但用AT的单片机不工作时，直接查最小系统，看单片机的供电是否正常。比较这两种方案，由于在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，我选择用STC系列芯片完成。而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故STC为更合理的选择。2.4 本章小结 通过上面的各种初始方案选择以及数字时钟的核心芯片比较，我们可以看出单片机的系统扩展、系统配置较典型、规
19、范，容易构成各种规模的应用系统。 所以单片机的应用非常广泛，在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统以及人们的生活中均有用武之地。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路和设计方法。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。这种用软件代替硬件的控制技术，是对生产控制技术的一次革命。 利用单片机的智能性，可方便地实现具有智能的电子钟设计。单片机均具有时钟振荡系统，利用系统时钟借助微处理器的定时器/计数器可实现电子钟功能。然而系统时钟误差较大，电子钟的积累误差也可能较大，所以可以通过误差修正软件加以修正，或者在设计中加入高
20、精度时钟日历芯片，以精确时间。另外很多功能不同的单片机是兼容的，这就更便于实现产品的多功能性。第3章系统硬件设计3.1概述此次的毕业设计主要由4个大的模块构成，分别是主控模块、语音芯片模块、LCD显示屏模块、键盘控制模块，其中主控模块是此次毕业设计的核心模块，主要是指STC89C52芯片，它控制整个系统的运行，利用其各个口分别控制其他模块，使其他模块能够成为一个整体，实现功能的需要；语音模块主要指ISD4004芯片和LM386芯片，用ISD4004来实现录音功能，LM386是实现功率放大； LCD显示模块是整个系统的效果模块，用来显示年月日时分秒；按键控制模块则是用按键来控制实现的是哪个功能，
21、对应调节时间，定时。3.2主控模块3.2.1STC89C52芯片的简介STC89C52单片机学习板是一款基于8位单片机处理芯片STC89C52RC的系统。其功能强大，可以实现单片机开发的多种要求，学习、开发者可以根据需要选配多种常用模块，达到实验及教学的目的。 STC89C52单片机学习板功能强大，具有报警，跑马灯、串行通信（max232）、段码液晶（msm0801LCD）和字符液晶显示(LCD1602)、电机控制(L298)、A/D转换(TLC2543)、D/A转换(TLC5615)、温度采集(DS1602)、数字信号合成(AD9851)、实时时钟电路(DS1302)、420mA输出、PWM
22、输出（UC3842）、红外检测（KSM-603LM）控制等十七种功能，供学习者学习开发使用。89C51-III单片机学习板采用的芯片都是常用芯片，使学习者对常用电子产品进一步学习理解。功能特性：STC89C52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。与工业80C51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STC89C52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，如图3-1所示。STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256
23、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，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。主要性能：与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中
24、断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。图3-1STC89C52芯片管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可
25、用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地
26、址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口，如下表所示：管脚备选功能:表3-1P3口的第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时
27、为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁
28、止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大
29、器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2.2主控模块电路原理图单片机主程序模块通过对键盘扫描程序信号的读取，再通过对应的地址，取出数码管显示编码和录放音初始值以产生不同的声音信号。在这一过程中，对数码管编码是直接赋值，对声音信号则是通过循环程序进行控制，如图3-2所示。图3-2STC89C52模块电路原理图3.3语音芯片模块3.3.1ISD4004芯片简介ISD4004语音系列芯片是美国ISD公司推出的产品，与普通的
30、录音/重放芯片相比，ISD4004具有如下特点:首先是记录声音没有段长度限制，并且声音记录不需要A/D转换和压缩。其次，快速闪存作为存储介质，无需电源可保存数据长达100年，重复记录10000次以上。此外，ISD4004具有记录时间长（可达16分钟，本文采用的为8分钟的ISD4004语音芯片）的优点。最后，ISD4004开发应用具有所需外围电路简单的优点，这一点从本文介绍的其在实际应用中可以体会到。ISD4004芯片如图3-3所示。图3-3ISD4004芯片引脚介绍：电源（VCCA, VCCD）：为使噪声最小，芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并A分别引到外封装的不同管脚上模拟和数字电源
31、端最好分别走线尽可能在靠近供电端处相连，而去藕电容应尽量靠近器件。地线（VSSA, VSSD）：芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相模拟输入（ANA IN+）：这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时，信号由藕合电容输入，最大幅度为峰峰值32mV,藕合电容和本端的3K电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时，信号最大幅度为峰峰值16mV，为ISD33000系列相同。反相模拟输入（ANA IN-）：差分驱动时，这是录音信号的反相输入端。信号通过藕合电容输入，最大幅度为峰峰值16mV音频输出（AUD OUT）：提供音频输出，可驱动5K的负载。片选（/
32、SS）：此端为低，即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之问为高电平。串行输入（MOSI）：此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端，供ISD输入。串行输出（MISO）：ISD的串行输出端。ISD未选中时，本端呈高阻态。串行时钟（SCLK）：ISD的时钟输入端，由主控制器产生，用于同步MOSI和MISO的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD在下降沿移出ISD。中断（/INT）：本端为漏极开路输出。ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时，本端变低并保持。中断状态在下一个SPI周期开始时清除。中断状态也可用RINT指令读取。OVF标志一指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM标志一只在放音中检测到内部的EOM标志时此状态位才置1。行地址时钟（RAC）： 漏极开路输出。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行（ISD4004系列中的存贮器共2400行）。该
