基于单片机多功能电子时钟的设计与仿真.docx
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基于单片机多功能电子时钟的设计与仿真
摘要
单片机技术发展迅速,由于他的微小、易用、多功能在智能仪器、家用电器、电子通信、工业控制等方面应用广泛。
单片机是集CPU,RAM,ROM,定时,计数和多种接口于一体的微控制器,它体积小、成本低、功能强,而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。
这次毕业设计通过对它的学习、应用从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。
电子万年历主要采用AT89S52单片机作为主控核心,由DS1302时钟芯片提供时钟、LED动态扫描显示屏显示。
AT89S52单片机功耗小、电压可选用2.0~6V电压供电;DS1302时钟芯片是美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电功能的低功耗实时时钟芯片,它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时;数字显示是采用的LCD液晶显示屏来显示,可以同时显示年、月、日、星期、时、分、秒和温度等信息。
关键词:
万年历;AT89S52单片机;1602液晶显示屏;DS1302时钟芯片;温度。
ABSTRACT
Singlechipmicrocomputerdevelopmentisrapid,becauseofhistiny,iseasytouse,andmulti-functioninintelligentinstrument,homeappliances,electroniccommunication,industrycontrol,wideapplication.SCMissetfortheCPU,RAM,ROM,time,countandavarietyofinterfaceinoneofthemicrocontroller.Itssmallsize,lowcost,thefunctionisstrong,and51seriesmicrocontrolleristhemosttypicalofsinglechipmicrocomputerandthemostrepresentativeofakind.Thegraduationdesignthroughtoitsstudy,application,soastostudy,design,anddeveloptheabilityofsoftandhard.
TheelectroniccalendarmainlyUSEStheAT89S52SCMasthemasteritscore,andtheDS1302clockchipprovideclock,LEDdynamicscanningdisplayshows.AT89S52SCMpowerconsumptionissmall,voltagecanchoose2.0~6Vvoltagepowersupply;DS1302clockchipistheUnitedStatesoutJuanDALLAShasfinecurrentchargefunctionoflowpowerconsumptionrealtimeclockchip,itcanbetoyear,month,day,week,when,minutesandsecondsfortiming;DigitaldisplayisUSESLEDLCDscreentodisplay,canalsoshowsthatyear,month,day,week,when,minutesandsecondsandtemperatureandotherinformation.
KEYWORDSCalendar;AT89S52SCM;1602LCD;DS1302clockchip;temperature
第1章绪论
1.1引言
二十一世纪的今天,最具代表性的计时产品就是电子万年历,它是近代世界钟表业界的第三次革命。
第一次是摆和摆轮游丝的发明,相对稳定的机械振荡频率源使钟表的走时差从分级缩小到秒级,代表性的产品就是带有摆或摆轮游丝的机械钟或表。
第二次革命是石英晶体振荡器的应用,发明了走时精度更高的石英电子钟表,使钟表的走时月差从分级缩小到秒级。
第三次革命就是单片机数码计时技术的应用(电子万年历),使计时产品的走时日差从分级缩小到1/600万秒,从原有传统指针计时的方式发展为人们日常更为熟悉的夜光数字显示方式,直观明了,并增加了全自动日期、星期、温度以及其他日常附属信息的显示功能,它更符合消费者的生活需求!
因此,电子万年历的出现带来了钟表计时业界跨跃性的进步……
我国生产的电子万年历有很多种,总体上来说以研究多功能电子万年历为主,使万年历除了原有的显示时间,日期等基本功能外,还具有闹铃,报警等功能。
商家生产的电子万年历更从质量,价格,实用上考虑,不断的改进电子万年历的设计,使其更加的具有市场。
本设计为软件,硬件相结合的一组设计。
在软件设计过程中,应对硬件部分有相关了解,这样有助于对设计题目的更深了解,有助于软件设计。
基本的要了解一些主要器件的基本功能和作用。
除了采用集成化的时钟芯片外,还有采用MCU的方案,利用AT89系列单片微机制成万年历电路,采用软件和硬件结合的方法,控制LED数码管输出,分别用来显示年、月、日、时、分、秒,其最大特点是:
硬件电路简单,安装方便易于实现,软件设计独特,可靠。
AT89C52是由ATMEL公司推出的一种小型单片机。
95年出现在中国市场。
其主要特点为采用Flash存贮器技术,降低了制造成本,其软件、硬件与MCS-51完全兼容,可以很快被中国广大用户接受。
本文介绍了基于AT89C52单片机设计的电子万年历。
1.2选题背景及研究的目的与意义
1.2.1设计的目的
电子钟已成为人们日常生活中必不可少的物品,广泛用于个人家庭以及车站码头、剧院、办公室等公共场所,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。
随着技术的发展人们已经不再满足于钟表原先简单的计时功能,希望出现一些新的功能,诸如日历的显示闹钟的应用等,以带来更大的方便,而所有这些,又都以数字化的电子时钟为基础的。
因此,研究实用电子时钟及其扩展应用,有着非常现实的意义,具有很大的实用价值。
1.2.2研究的意义
由于数字集成电路的发展采用了先进的石英技术,现代电子时钟具有走时准确性能稳定制作维修简单等优点,弥补了传统钟表的许多不足之处。
我们利用单片机技术设计制作的电子万年历,可以很方便的由软件编程进行功能的调整和改进,使其能够准确显示年月日时间星期的同时,还能具有很多其他功能。
如设置闹钟语音报时阴阳历的转换二十四节气的显示等,有一定的新颖性和实用性,同时体积小携带方便,使用也更为方便,具有技术更新周期短成本低开放灵活等优点,具备一定的市场前景。
这里介绍的就是一款可满足使用者特殊要求,输出方式灵活计时准确性能稳定维护方便的使用电子万年历。
采用单片机进行遥控系统的应用设计,具有硬件接口简单方便,变成灵活多样,操作码个数可随意设定等优点。
1.3研究内容
1、选用电子万年历芯片时,应重点考虑功能实在、使用方便、单片存储、低功耗、抗断电的器件。
2、根据选用的电子万年历芯片设计外围电路和单片机的接口电路。
3、在硬件设计时,结构要尽量简单实用、易于实现,使系统电路尽量简单。
4、根据设计的硬件电路,编写控制AT89C51芯片的单片机程序。
5、通过编程、编译、调试,把程序下载到单片机上运行,并实现本设计的功能。
6、在硬件电路和软件程序设计时,主要考虑提高人机界面的友好性,方便用户操作等因素。
7、软件设计时必须要有完善的思路,要做到程序简单,调试方便。
1.4国内外课题研究概况:
1957年,Ventura发明了世界上的第一个电子表,奠定了电子时钟的基础,电子时钟开始迅速发展起来。
20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎涉及了社会的各个领域,有力的推动了社会的发展和信息化社会程度的提高,同时使现在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。
数字时钟已经成为人们日常生活中的必需品。
尽管现在市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售,并且价格便宜,使用方便。
但考虑到单片机电子时钟电路的基本组成包涵了数字电路的主要组成部分,因此进行数字时钟的设计和模拟是必要的。
研究数字钟及扩大其应用范围有着非常重要意义。
从电子时钟近年的发展趋势来看,正朝着多层次用户、多品种、多规格、高精度、小体积、低能耗等方面发展。
在这种趋势下,时钟的数字化,智能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。
带有时钟功能的电子产品和电子设备进年来广泛地出现在国内外市场中。
例如奥运会倒计时显示屏、铁路安全显示屏、生产线看板、体育比赛记时屏、大型室外高亮度时钟等,这类产品覆盖银行、医院、地铁车站、体育运动、电视台、监控系统、高大建筑物等行业。
电子钟是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置,与传统的机械钟相比,它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点,因而得到广泛应用。
随着人们生活环境的不断改善和美化,在许多场合可以看到数字电子钟。
LCD数字电子钟已经成为一种时尚,但目前市场上各式各样的LCD数字电子钟大多数用全硬件电路实现,电路结构复杂,功率损耗大等缺点。
因此有必要对数字电子钟进行改进。
电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术,二十世纪发展最迅速,应用最广泛,成为近代科学技术发展的一个重要标志。
在其推动下,现代电子产品正在以前所未有的革新速度,向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向迅速发展,电子技术的发展有力的推动社会生产力的发展。
机械式钟表虽然也可以告知人们时间,也可以定时,显示日历。
但是由于受到机械结构、动力和体积的限制,在功能、性能以及造价上都没办法与电子时钟相比。
电子钟是采用电子电路实现对时、分、秒进行数字显示的计时装置,广泛应用于个人家庭,室外广场,汽车站和火车站等公共场所,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、定时广播、自动起闭路灯、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,都是以钟表数字化为基础的。
因此,电子钟的研究有着良好的发展前景和市场潜力。
Protues软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
它与其他软件最大的不同及最大的优点在于它能够仿真大量的单片机芯片比如MCS-51系列,以及单片机的外围电路,比如键盘、LED等。
通过protues软件的使用,我们能够轻易的获得一个功能齐全、实用方便的一个单片机实验室。
本设计是以51系列单片机为核心的电子时钟,通过数码点阵显示,能够实现基本时间和日历的显示并且可通过键盘对时间进行调整。
应用protues软件进行单片机系统电子时钟的设计与仿真的实现。
该方法既能验证所设计的系统是否满足实际的技术要求,又能提高系统的设计与质量,降低开发成本,提高系统价值。
第2章整体设计方案
2.1设计要求
基本要求:
1.设计一个多功能电子钟系统;
2.实现时间、日期、星期的显示;
3.能进行对时;
4.确定单片机的型号;
5.设计单片机外部接线图及软件流程图。
6.进行软件编程及调试。
7.系统仿真。
创新要求:
加入一个检测温度的系统并能在LCD上显示
2.2系统基本方案的选择和论证
2.2.1单片机芯片的选择方案和论证:
方案一:
采用传统的AT89C51作为电机的控制核心。
单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。
采用FTC10F04单片机,还带有非易失性Flash程序存储器。
它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片,市场应用最多。
其主要特点如下:
8KBFlashROM,可以擦除1000次以上,数据保存10年。
由于本系统对CPU运算速度要求很高,需要执行很复杂的运算,方案一成本比较低,适合做设计,方案二运算速度高,性能好,所以两种方案都有可取之处。
选用方案一作为主方案,方案二作为备用方案。
2.2.2显示模块选择方案和论证:
方案一:
采用LED液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,但是价格昂贵,需要的接口线多,所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。
方案二:
采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成,对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示。
方案三:
采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示文字,图形,显示多样,清晰可见.而且体积较小,使用方便,更容易满足工程上对于电路更加简洁的要求,让我们学习到更多的关于液晶显示器的知识,所以选择了液晶显示器,根据本设计的数据显示要求选择LCD1602液晶即可。
2.2.3时钟芯片的选择和论证:
方案一:
直接采用单片机定时计数器提供秒信号,使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。
采用此种方案虽然减少芯片的使用,节约成本,但是,实现的时间误差较大。
所以不采用此方案。
方案二:
采用DS1302时钟芯片实现时钟,DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片,可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数,而且精度高,位的RAM做为数据暂存区,工作电压2.5V~5.5V范围内,2.5V时耗电小于300nA。
2.2.4温度传感器的选择方案与论证:
方案一:
使用热敏电阻作为传感器,用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压,利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性,采集这两个电阻变化的分压值,并进行A/D转换。
。
此设计方案需用A/D转换电路,增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的,会产生较大的测量误差。
方案二:
采用数字式温度传感器DS18B20,此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输,易于与单片机连接,可以去除A/D模块,降低硬件成本,简化系统电路。
另外,数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点(测温程序说明在附录)。
2.3系统总体方案
按照系统设计功能的要求,对此次作品的方案选定:
采用AT89S52作为主控制系统;DS1302提供时钟;数字式温度传感器;LCD液晶显示屏作为显示单元;键盘。
电路系统构成框图如图所示:
图2.1系统框图
主控芯片使用51系列AT89C51单片机,时钟芯片使用美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟DS1302。
采用DS1302作为计时芯片,可以做到计时准确。
更重要的是,DS1302可以在很小电流的后备电源(2.5~5.5V电源,再2.5V时耗电小于300nA),而且DS1302可以编程选择多种充电电流来队后备电源进图。
2.4本章小结
本章首先介绍了计算机控制系统的五种基本形式,经查阅相关资料确定了本文所需要设计的单片机电子时钟概念。
根据实际情况与技术要求,画出了系统结构框图,并拟定了系统总体设计方案,包括传感器单元、键盘单元、时钟芯片及显示单元系统各部分,并对每一部分都进行了较详细的叙述。
第3章系统硬件设计
3.1本系统的硬件设计概述
本电路是由AT89C51单片机为控制核心,具有在线编程功能,低功耗,能在3V超低压工作;时钟电路由DS1302提供,它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5V~5.5V。
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内部有一个31*8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
可产生年、月、日、周日、时、分、秒,具有使用寿命长,精度高和低功耗等特点,同时具有掉电自动保存功能;温度的采集由DS18B20构成;显示部份由LCD显示。
3.2单片机的选择及分析
3.2.1单片机的定义和特点
所谓单片机就是把CPU、寄存器、RAM/ROM、I/O接口电路集成在一块集成电路芯片上,构成一个完整的微型计算机。
单片机的主要特点有:
1、集成度高、功能强:
微型计算机通常由中央处理器(CPU)、存储器(RAM,ROM)以及I/O接口组成,其各部分分别集成在不同的芯片上。
例如,大家熟悉的Z80微型计算机就是由Z80-CPU、存储器(RAM,ROM),PIO等芯片组成的,单片机则不同,它把CPU,RAM,ROM,I/O接口,以及定时器/计数器都集成在一个芯片上。
目前应用得最多的是MCS-51系列单片机。
和微型计算机进行比较,单片机不仅体积大大减小,而且功能大为增强。
MCS-51系列单片机内的定时/计数器为16位,而Z80微型计算机只有8位,MCS-51系列单片机中不但有4个并行I/O接口,而且还有串行接口,且时钟频率可达12MHz。
2、结构合理:
目前单片机大多采用Harvard结构。
这是数据存储器与程序存储器相互独立的一种结构。
而在许多微型计算机(如Z80,Inte18085,M6800等)中,大都采用两类存储器合二为一(即统一编址)的方式。
单片机采用上述结构主要有四点好处——存储量大、速度快、抗干扰性、强指令丰富。
3.2.2单片机的发展概况
自从1974年12月美国仙童(Fairchild)公司第一个推出8位单片机FS以来,单片机以惊人的速度发展,从4位机、8位机发展到16位机、32位机,集成度越来越高,功能越来越强,应用范围越来越广。
到目前为止,单片机的发展主要可分为以下四个阶段:
第一阶段:
4位单片机。
这种单片机的特点是价格便宜,控制功能强,片内含有多种I/O接口,如并行I/O接口、串行I/O接口、定冲计数器接口、中断功能接口等。
根据不同用途,还配有许多专用接口,如打印机接口、键盘及显示器接口,PLA(可编程逻辑阵列)译码输出接口,有些甚至还包括A/D,D/A转换,PLL(锁相环),声音合成等电路。
丰富的I/O功能大大地增强了4位单片机的控制功能,从而使外部接口电路极为简单。
第二阶段:
低、中档8位机(1974-1978年)。
这种8位机一般不带有I/O接口,寻址范围通常为4KB。
它是8位机的早期产品,如Mostek公司的3870,Intel公司的8048等单片机即属此类。
第三阶段:
高档8位机阶段(1978-1982年)。
这一类单片机常有串行I/O接口,有多级中断处理,定时/计数器为16位,片内的RAM和ROM的容量相对增大,且寻址范围可达64KB,有的片内还带有A/D转换接口。
这类单片机有Intel公司的MCS-51,Motorola公司的6801和Ziiog公司的Z8等。
由于这类单片机应用领域较广,其结构和性能还在不断地改进和发展。
第四阶段:
16位单片机和超8位单片机(1982年至今)。
此阶段的主要特征是,一方面不断完善高档8位机,改善其结构,以满足不同用户的需要;另一方面发展16位单片机及专用单片机。
16位单片机除了CPU为16位外,片内RAM和ROM的容量也进一步增大,片内RAM为232字节,ROM为8KB,片内带有高速输入输出部件,多通道10位A/D转换部件,中断处理为8级,其实时处理能力更强。
近来,32位单片机己进入实用阶段,但还未引入国内市场。
在今后单片机的发展趋势将是:
向着大容量、高性能化,小容量、低价格化和外围电路内装化等几个方面发展。
3.2.3本系统单片机的选择
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,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存储单元可灵活应用于各种控制领域。
图3.1为其引脚图。
1、主要特性:
与MCS-51完全兼容
4K字节可编程FLASH存储器
寿命:
1000写/擦循环
数据保留时间:
10年
全静态工作:
0Hz-24MHz
三级程序存储器锁定
128×8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
2、功能性概述:
AT89C51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可下降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3、AT89C51的内部结构介绍
单片机电路是系统控制的核心。
单片机选用从ATMEL公司的低功耗、高性能的8位CMOS芯片AT89C51,其片内带有4K字节的闪速可编程及可擦除只读存储器(EPROM)。
引脚功能说明如下:
VCC:
电源电压
GND:
地
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的力式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写
“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校
图3.1AT89C51引脚图
验时,要求外接上拉电阻。
Pl口:
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级叫可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
P2口:
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部序程存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号。
P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门
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