基于单片机的数字时钟设计

摘要本设计基于单片机技术原理，以单片机芯片AT89C51作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，设计了多功能数字时钟系统。该时钟系统主要由时钟模块、环境温度检测模块、液晶显示模块以及键盘控制模块组成。系统具有简单清晰的操作界面，能在4V～7V直流电源下正常工作。能够准确显示时间（显示格式为时时：分分：秒秒，24小时制），可随时进行时间调整，具有闹钟时间设置、闹钟开/关、止闹功能，能够对时钟所在的环境温度进行测量并显示。设计以硬件软件化为指导思想，充分发挥单片机功能，大部分功能通过软件编程来实现，电路简单明了，系统稳定性高。同时，该时钟系统还具有功耗小、成本低的特点，具有很强的实用性。由于系统所用元器件较少，单片机所被占用的I/O口不多，因此系统具有一定的可扩展性。关键词：LCD显示单片机时钟芯片DS1302温度传感器DS18B20AbstractThisdesignprinciplebasedonSCMtechnologytoacentralcontrollerAT89C51Microcontroller,throughhardwaredesignandpreparationsoftwareprogram,designedtoproduceamulti-functionaldigitalclocksystem.Theclocksystemiscomposedofclockmodule,alarmmodule,theambienttemperaturedetectionmodule,liquidcrystaldisplaymodule,keyboardcontrolmoduleandthesignalpromptmodule.Systemissimpleandclearinterface,can4V~7VDCpowersupplytowork.Abletoaccuratelydisplaytime(displayformatishh:mm:secondsseconds,24-hourclock),thetimemaybeadjustedatanytime,withthealarmtimeset,alarmon/off,alarmfunctiononlycantheclockwheretheambienttemperaturemeasurementanddisplayed.IntohardwareandsoftwaredesignguidelinesandgivefullplayMCUfunctions,mostofthefunctionalitythroughsoftwareprogrammingtoimplement,simplecircuit,highstabilityofthesystem.Meanwhile,theclocksystemalsohaslowpowerconsumption,andlowcost,andhighlypractical.Asthesystemusesfewercomponents,singlechipoccupiedbytheI/Oportsmall,sothesystemhassomescalability.Keywords:LCDdisplay,SCM,DS1302,DS18B20目录1绪论.................................................................11.1课题的提出及研究意义..............................................11.2数字时钟的发展现状................................................21.3课题研究目的和研究内容............................................42多功能数字时钟硬件设计...............................................52.1主控制模块........................................................62.2显示模块..........................................................92.3时钟模块.........................................................122.4温度模块.........................................................152.5电源转换模块.....................................................192.6本章小结.........................................................193电路仿真与制作......................................................193.1电路仿真.........................................................193.2电路板制作.......................................................203.3本章小结.........................................................204软件设计部分........................................................214.1时钟程序的设计...................................................214.2DS18B20芯片程序设计.............................................214.3本章小结.........................................................235总结................................................................23参考文献...............................................................24致谢................................................................25附录...................................................................26长江师范学院本科毕业设计·多功能数字时钟的设计第1页共42页1绪论人类的生活和工作均离不开时钟。从古代的滴漏更鼓到近代的机械钟，从电子表到目前的数字时钟，为了准确的测量和记录时间，人们一直在努力改进着计时工具。钟表的数字化，大力推动了计时的精确性和可靠性。1.1课题的提出及研究意义1.1.1课题的提出近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的要求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等]1[。数字钟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。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]2[。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，设计了一个单片机多功能数字时钟，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]3[。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。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。随长江师范学院本科毕业设计·多功能数字时钟的设计第2页共42页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。在城市的主要营业场所、车站、码头等公共场所使用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。1.1.2课题研究的意义多功能数字时钟的用途十分广泛，只要有计时的存在，便要用到数字时钟的原理及结构；同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费者的喜爱。随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断提高]4[。时钟已不仅仅被看出一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。在这种趋势下，时钟的数字化、多功能化已经成为现在时钟生产研究的主导设计方向。1.2数字时钟的发展现状几种常用数字时钟设计方案：一、基于微机系统的数字时钟设计计时单元由定时/计数器8253的通道0来实现。定时采用硬件计数和软件技术相结合的方式，即通过8253产生一定的定时时间，然后再利用软件进行计数，从而实现24小时制定时。8253定时时间到了之后产生中断信号，8253在中断服务程序中实现时、分、秒的累加。时间显示采用实验平台上的6个LED数码管分别显示时、分、秒，采用动态扫描方式实现。校时和闹铃定时通过键盘电路和单脉冲产生单元来输入。按键包括校时键、闹钟定时键、加1键和减1键等。报警声响用蜂鸣器产生，将蜂鸣器接到8255的一个端口，通过输出电平的高低来控制蜂鸣器的发声。系统硬件设计主要利用微机实验平台上的电路模块。硬件电路主要由键盘电路、单脉冲产生单元、8253定时计数器、8255并行接口单元、8259中断控制器、LED显示电路和蜂鸣器电路等等。系统的硬件电路设计框图如图1所示。长江师范学院本科毕业设计·多功能数字时钟的设计第3页共42页图1.1基于微机系统的数字时钟设计框图二、基于VHDL的数字时钟设计基于VHDL语言，用Top_Down的思想进行设计。用CN6无进位六进制计数器选择数码管的亮灭以及对应的数，循环扫描显示，用SEL61六选一选择器选择给定的信号输出对应的数送到七段码译码器。K4模块进行复位，设置小时和分，输出整点报时信号和时，分，秒信号。单元模块设计部分图1.2基于VHDL数字时钟的设计模块单元模块设计部分分三个部分，介绍数字钟选择显示数码管和对应的数模块CN6,信号选择模块SEL61,七段码译码器模块DISP和复位，秒，分，时显示，设置模块。三、基于单片机数字时钟设计基于单片机的数字时钟设计是模块化设计，以单片机做主控制模块，控制时钟对应的数模块CN6信号选择模块SEL61七段码译码器模块DISP长江师范学院本科毕业设计·多功能数字时钟的设计第4页共42页芯片、温度传感器芯片等，又将数据控制输出到显示模块。基于MCS-51单片机的数字时钟系统具有显示准确、直