单片机的电子时钟设计毕业论文设计.doc
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1、1 青岛理工大学青岛理工大学 毕 业 设 计 题目:题目: 基于单片机的电子时钟设计基于单片机的电子时钟设计 学生姓名:学生姓名: 学生学号:学生学号: 院系名称:院系名称: 机电工程系机电工程系 专业班级:专业班级: 机电一体化机电一体化 104 班班 指导教师:指导教师: 毕毕业设计任务书业设计任务书 2 专业 机电一体化 班级 104 姓名 下发日期 2013-3-1 题目基于单片机的电子时钟设计 专题单片机应用 主 要 内 容 及 要 求 主要内容:(1)系统总体方案选择与论证; (2) “基于单片机的电子时钟设计”硬件电路设计 (3)主要元器件选择; (4)单片机控制系统软件设计 要
2、求:(1)使用 MSC51 系列单片机完成系统 (2)显示部分可用液晶或者 LED 显示 (3)集成度高、体积小、控制性高 (4)能显示时间、调整整时间和设置闹铃 技 术 参 数 (1) AT89C51 单片机 (2) DS1302 时钟芯片 进 度 及 完 成 日 期 2013 年 4 月 1 日-2013 年 4 月 19 日,查阅国内外文献,上交开题报告。 2013 年 4 月 22 日-2013 年 5 月 10 日,系统方案选择与论证,软硬件设计。 2013 年 5 月 13 日-2013 年 5 月 24 日,主要参数计算及元器件的选择,上交中期审核表。 2013 年 5 月 27
3、 日-2013 年 6 月 05 日,完成毕业设计说明书的撰写,上交初稿。 2013 年 6 月 06 日-2013 年 6 月 15 日,根据老师意见进行修改完善。 2013 年 6 月 16 日-2013 年 6 月 20 日,论文打印,完成答辩 PPT,准备答辩 系主任签字日期教研室主任签字日期指导教师签字日期 3 指 导 教 师 评 语 论文选题符合专业培养目标毕业论文,能够达到综合训练目标,题目有难 度,工作量较大。选题具有一定的实践意义。 该生查阅文献资料能力较强,能较为全面收集关于考试系统的资料,写作 过程中能综合运用考试系统知识,全面分析考试系统问题,综合运用知识能力 较强。
4、文章篇幅完全符合学院规定,内容较为完整,层次结构安排科学,语言表 达流畅,格式比较符合规范要求;参考了较为丰富的文献资料,其时效性较强; 综合看来,本人认为,该论文达到了专科毕业水平,同意论文答辩。 指导教师: 年 月 日 4 青岛理工大学毕业设计评阅意见表 设计题目基于单片机的电子时钟设计 评 分评价 项目 评价标准(A 级)满分 ABCDE 109876 文献 资料 利用 能力 能独立地利用多种方式查阅中外文 献;能正确翻译外文资料;能正确 有效地利用各种规范、设计手册等。 10 1920171815161314 12 综合 运用 能力 研究方案设计合理;设计方法科学; 技术线路先进可行;
5、理论分析和计 算正确;动手能力强;能独立完成 设计;能综合运用所学知识发现和 解决实际问题;研究结果客观真实。 20 37-4032-3628-3125-2724 设计 质量 设计结构严谨;逻辑性强;语言文 字表准确流畅;格式、图、表规范; 有一定的学术水平或实际价值 40 1513-1411-12109 创新 能力 有较强的创新意识;所做工作有较 大突破;设计有独到见解 15 1513-1411-12109 工作 量 工作量饱满;圆满完成了任务书所 规定的各项任务。 15 总分是否同意将该设计提交答辩:是( ) 否( ) 具体评阅及修改意见: 评阅人: 年 月 日 5 答 辩 委 员 会 评
6、 语 周 记论 文程序答 辩总 评 (5%)(65%)(30%) 百分 制 等级 制 答辩 委员 会主 席签 字 日 期 评 定 成 绩 青岛理工大学 I 摘 要 电子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。 在对当前电子钟开发手段进行比较和分析的基础上确定采用单片机技术实 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。本设计应用 AT89C51 芯片作为核心,7 位 LED 数码管显示,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
7、性好,时间精度高,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;AT89C51; DS1302 青岛理工大学毕业设计 II Abstract The electronic clock mainly uses the electronic technology make the clock computerization, the digitization, with the clock precision, small size, friendly interface, s
8、calable performance and other characteristics, was widely used in life and work. The design for the main implementing a clock/calendar can be displayed normal, collecting personal ambient temperature, with the timing alarm of the multi-function electronic clock. Comparing and analysising the develop
9、ment technology of the electron clock, the design determines to use the MCU technology to realize the multi-functional electron clock. This design application AT89C51 as a core chips, 7 LED digital displaying, using DS1302 real-time clock chip to complete the basic function of the clock/calendar. Th
10、e method has the advantage of being simple circuit, reliable performance, good real-time, high precision of the time, 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
11、more convenient to peoples life and work. Keywords: Electronic clock; Multi-function; AT89C51; DS1302 青岛理工大学毕业设计 III 目目 录录 第一章 电子时钟设计方案分析3 1.1 FPGA 设计方案.3 1.2 单片机设计方案3 第二章 基于单片机的电子时钟硬件设计.5 2.1 主要芯片选择5 2.1.1 微处理器选择.5 2.1.2 时钟芯片选择.6 2.2 电子时钟硬件电路设计.11 2.2.1 时钟电路设计13 2.2.2 显示电路设计14 2.2.3 按键电路设计15 2.2.4
12、闹铃电路设计16 2.2.5 复位电路设计17 第三章 电子时钟软件设计19 3.1 主程序设计.19 3.2 子程序设计.19 3.2.1 日历子程序设计19 3.2.2 显示子程序设计20 3.2.3 键盘扫描子程序20 3.2.4 闹铃子程序设计21 第四章 系统调试.25 4.1 硬件调试25 4.1.1 单片机基础电路调试25 4.1.2 显示电路调试26 4.1.3 DS1302 电路调试28 4.1.4 按键电路调试29 4.2 软件调试29 4.2.1 键盘子程序调试29 4.2.2 时钟日历子程序调试29 致 谢.32 参考文献33 附录一 程序34 青岛理工大学毕业设计 I
13、V 附录二 多功能电子时钟元器件一览表52 附录三 多功能电子时钟硬件原理图53 附录四54 附录五56 青岛理工大学毕业设计 1 前 言 时间是人类生活必不可少的重要元素,如果没有时间的概念,社会将不会 有所发展和进步。从古代的水漏、十二天干地支,到后来的机械钟表以及当今 的石英钟,都充分显现出了时间的重要,同时也代表着科技的进步。致力于计 时器的研究和充分发挥时钟的作用,将有着重要的意义。 1. 多功能电子时钟研究的背景和意义 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 渗透到了社会的各个领域,有力的推动和提高了社会生产力的发展与信息化程 度,同时也使现代电子产品
14、性能进一步提升,产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵,工作的忙碌性和繁杂容易使人忘记当前的 时间。然而遇到重大事情的时候,一旦忘记时间,就会给自己或他人造成很大 麻烦。平时我们要求上班准时,约会或召开会议必然要提及时间;火车要准点 到达,航班要准点起飞;工业生产中,很多环节都需要用时间来确定工序替换 时刻。所以说能随时准确的知道时间并利用时间,是我们生活和工作中必不可 少的1。 想知道时间,手表当然是一个很好的选择,但是,在忙碌当中,我们还需要一 个“助理” 及时的给我们提醒时间。所以,计时器最好能够拥有一个定时系统, 随时提醒容易忘记时间的人。 最早能够定时、报时的时钟
15、属于机械式钟表,但 这种时钟受到机械结构、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,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 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、0 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 青岛理工大学毕业设计 2 时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字
16、化为基础的。因此,研究数 字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。 2. 电子时钟的功能 电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化,拥有时间精确、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。当今 市场上的电子时钟品类繁多,外形小巧别致。也有体型较大的,诸如公共场所 的大型电子报时器等。电子时钟首先是数字化了的时间显示或报时器,在此基 础上,人们可以根据不同场合的要求,在时钟上加置其他功能,比如定时闹铃, 万年历,环境温度、湿度检测,环境空气质量检测,USB 扩展口功能等。 本设计电子时钟主要功能为: 具有时间显示和手动校对功能,24 小时制; 具有年、月、日显示和手
17、动校对功能; 具有闹铃功能; 具有贪睡功能; 掉电后无需重新设置时间和日期; 采用交直流供电电源。交流供电为主,直流电源为后备辅助电源,并能自动切 换。 青岛理工大学毕业设计 3 第一章 电子时钟设计方案分析 电子时钟既可以通过纯硬件实现,也可以通过软硬件结合实现,根据电子 时钟里的核心部件秒信号的产生原理,通常有以下两种形式: 1.1 FPGA 设计方案 现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA) ,是 20 世纪 70 年代发展起来的一种可编程逻辑器件,是目前数字系统设计的主要硬件基础。 FPGA 在结构上由逻辑功能块排列为阵列,并由可编程的内
18、部连线连接这些功 能块,来实现一定的逻辑功能。 可编程逻辑器件的设计过程是利用 EDA 开发软件和编程工具对器件进行开 发的过程。由于 EDA 技术拥有系统的模拟和仿真功能,可读性、可重复性、可 测性非常好,所以利用 EDA 开发 FPGA 是目前比较流行的方式。当然,有时根 据需要,也会应用 MAX+plus 开发集成环境进行设计。 正因为 FPGA 在设计过程中方便、快捷,而且 FPGA 技术功能强大,能够 应用其制作诸如基代码发生器、数字频率计、电子琴、电梯控制器、自动售货 机控制系统、多功能波形发生器、步进电机定位控制系统、电子时钟等。 应用 FPGA 能够将时钟设计为为四种类型:全局
19、时钟、门控时钟、多级逻 辑时钟和波动式时钟。多时钟系统能够包括上述四种时钟类型的任意组合。 1.2 单片机设计方案 单片机是微型机的一个主要分支,它在结构上的最大特点使把 CPU、存储 器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就 其组成和功能而言,一块单片机芯片就是一台计算机。 单片机具有如下特点: 有优异的性能价格比; 1集成度高、体积小、有很高的可靠性; 2控制功能强; 3低功耗、低电压,便于生产便携式产品; 青岛理工大学毕业设计 4 4外部总线增加了 I2C、SPI 等串行总线方式,进一步缩小了体积,简化 了结构; 5单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范,容
20、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
21、计中加入高精度时钟日历芯片,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。 在比较了两种实现方案之后,考虑单片机货源充足、价格低廉,可软硬件 结合使用,能够较方便的实现系统的多功能性,故采用单片机作为本设计的硬 件基础。 青岛理工大学毕业设计 5 第二章 基于单片机的电子时钟硬件设计 2.1 主要芯片选择 2.1.1 微处理器选择 目前在单片机系统中,应用比较广泛的微处理器芯片主要为 8XC5X 系列单 片机。该系列单片机均采用标准 MCS-51 内核,硬件资源相互兼容,品类齐全, 功能完善,性能稳定,体积小,价格低廉,货源充足,调试和编程方便,所以 应用极为广
22、泛。 例如比较常用的 AT89C2051 单片机,带有 2KB Flash 可编程、可擦除只读 存储器(E2PROM)的低压、高性能 8 位 CMOS 微型计算机。拥有 15 条可编程 I/O 引脚,2 个 16 位定时器/计数器,6 个中断源,可编程串行 UART 通道,并 能直接驱动 LED 输出。 仅仅是为了完成时钟设计或者是环境温度采集设计,应用 AT89C2051 单片 机完全可以实现。但是将两种功能结合在一片单片机上,就需要更多的 I/O 引 脚,故本设计采用具有 32 根 I/O 引脚的 AT89C51 单片机。 AT89C51 单片机是一款低功耗,低电压,高性能 CMOS 8
23、位单片机,片内 含 4KB(可经受 1000 次擦写周期)的 FLASH 可编程可反复擦写的只读程序存 储器(EPROM) ,器件采用 CMOS 工艺和 ATMEI 公司的高密度、非易失性存 储器(NURAM)技术制造,其输出引脚和指令系统都与 MCS-51 兼容。片内 的 FLASH 存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器 来编程。因此,AT89C51 是一种功能强,灵活性高且价格合理的单片机,可方 便的应用在各个控制领域。 AT89C51 具有以下主要性能: 1.4KB 可改编程序 Flash 存储器; 2.全静态工作:024Hz; 3.1288 字节内部 RAM; 4
24、.32 个外部双向输入/输出(I/O)口; 5.6 个中断优先级; 2 个 16 位可编程定时计数器; 6.可编程串行通道; 青岛理工大学毕业设计 6 7.片内时钟振荡器。 此外,AT89C51 是用静态逻辑来设计的,其工作频率可下降到 0Hz,并提 供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式(Idle Mode)和掉电方式 (Power Down Mode) 。在空闲方式中,CPU 停止工作,而 RAM、定时器/计数 器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中,片内振荡器停止工作,由 于时钟被“冻结” ,使一切功能都暂停,只保存片内 RAM 中的内容,直到下一 次硬件复位为止8。 图 2.1
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