数字电子钟的设计、仿真与制作

大学生课外创新实验竞赛暨第五届实验竞赛月总结报告项目名称：数字电子钟的设计、仿真与制作参赛院系：电气工程学院电气工程基础实验中心项目组成员：**涛项目负责人电话：日期：2013.4.26课外创新实验竞赛第页-2-目录项目简介：该数字时钟以STC89C51单片机为核心控制系统，51单片机主要通过控制高低电平来实现数据的传输和读取，操作简单。时钟芯片采用DS12C887，该时钟芯片内部自带振荡器，走时精准，而且内部自带备用电池，断电后数据不会丢失，还会自动走时长达十年，避免了开机就得重新校时的麻烦。时间的显示通过1602液晶显示屏显示，为并行数据传输。该系统除了具有基本的时间显示外，还有校时，闹钟，温度，计时，倒计时，录音功能，语音报时。其中时间显示包括年月日，时分秒，星期。温度的测量采用DS18B20，小巧精致，精度可达0.625。计时和倒计时分别用单片机的定时器0，和定时器1。闹钟为时钟芯片内部控制，通过单片机的外部中断来控制铃声的放出。录音采用ISD4004语音芯片，为串行数据传输，录音时间可达8分钟。语音报时则是事先在语音芯片录入声音，再通过单片机对声音进行剪接，使之组成所需的一句话。仿真工具为proteus，仿真效果与实际接近。PCB的绘制采用AltiumDesigner6.9，功能强大。该数字时钟功能多样，操作仅用四个按键实现，而且显示界面简洁，利于实现人机互动。关键字：单片机时钟芯片温度录音语音报时项目创新点：第一：该项目采用了DS12C887时钟芯片，走时精准，而且断电后不丢失数据，内部有备用电源，可在断电后自行走10年，所以在任何时候开机时，时间都是准的，避免了上电就需校时的麻烦。第二：该数字钟具有录音的功能，闹钟的铃声可自行录取，比单一的蜂鸣器声音好很多。第三：语音报时功能，事先将所需的字或则词录入语音芯片中，再通过单片机对声音进行剪接，组成一句所需的话。课外创新实验竞赛第页-3-第一章绪论……………………………………………………………………………………41.1数字时钟概述……………………………………………………………………………41.2单片机概述………………………………………………………………………………4第二章主要元器件介绍……………………………………………………………………52.1STC89C51单片机………………………………………………………………………52.2LCD1602液晶显示屏……………………………………………………………………62.3DS12C887时钟芯片………………………………………………………………………92.4DS18B20温度传感器……………………………………………………………………122.5ISD4004…………………………………………………………………………………132.6LM386……………………………………………………………………………………17第三章模块介绍……………………………………………………………………183.1主系统---------------单片机…………………………………………………………183.2日期显示部分---------LCD1602………………………………………………………183.3测温部分-------------温度传感器DS18B20…………………………………………183.4日期，闹钟产生部分---DS12C887………………………………………………………193.5录音与语音报时模块---ISD4004………………………………………………………213.6语音放大电路--------LM386…………………………………………………………243.7计时与定时器---------定时器0,1……………………………………………………243.8其他………………………………………………………………………………………253.9系统总的原理图…………………………………………………………………………263.10系统总的程序设计流程图………………………………………………………………26第四章仿真与调试………………………………………………………………………294.1仿真…………………………………………………………………………………………294.2调试过程……………………………………………………………………………………30附录一：PCB图…………………………………………………………………………31附录二：源程序程序一：系统主程序……………………………………………………………………32程序二：语音录入………………………………………………………………………60附录三：元器件清单…………………………………………………………………………………67附录四：收获与与体会………………………………………………………………………………68课外创新实验竞赛第页-4-第一章绪论1.1数字时钟概述现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。在这快速发展的年代，时间对人们来说是越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦遇到重要的事情而忘记了时间，这将会带来很大的损失。因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人。数字化的钟表给人们带来了极大的方便。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需求。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。单片机在数字钟中的应用已是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为数字钟的核心控制器，利用时钟芯片，将其时间数据经单片机输出，利用显示屏显示出来。通过键盘可以进行定时、校时功能。输出设备显示屏可以用液晶显示技术和数码管显示技术。1.2单片机概述单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。课外创新实验竞赛第页-5-第二章主要元器件介绍2.1STC89C51单片机2.1.1单片机简介STC系列单片机是美国STC公司最新推出的一种新型程序存储器、SRAM、UART、SPI、机完全兼容。内置标准51内核，机器周期：增强型为6时钟，普通型为12时钟;(1).工作频率范围：0~40MHZ，相当于普通8051的0-80MHZ(2).STC89C5xRC对应Flash空间：4KB\8KB\15KB(3).内部存储器（RAM)：512B;(4).定时器\计数器：3个16位；(5).通用异步通信口（UART）1个；(6).中断源:8个；(7).有ISP(在系统可编程）\IAP(在应用可编程无需专用编程器\仿真器(8).通用I\O口：32\36个；(9).工作电压：3.8-5.5V；(10).外形封装：40脚PDIP、44脚PLCC3.和PQFP等2.1.2引脚说明（1）VCC，GND—单片机电源引脚，不同的单片机接入不同的电源，常压为+5V，低压为+3.3V。（2）XTAL1，XTAL2—外接时钟引脚。XTAL1为片内振荡电路的输入端，XTAL2为片内振荡引脚的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，振荡电容一般取10P-30P;另一种是外部时钟方式，XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。（3）RST—单片机复位引脚。当输入连续的两个周期以上的高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作，复位后的程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码，通俗的讲，就是单片机从头开始执行程序。（4）PSEN—此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN————两次有效，但在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的PSEN————信号将不出现，PSEN————同样可以驱动8个TTL负载。(5)ALE/PROG————(30引脚):当单片机访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1∕6。但是，每当访问外部数据存贮器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。对于片内具有EPROM型的单片机8751，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲PROG。(6)EA——/VPP(31脚)：当EA端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器（对8051、8751来说），但当PC（程序计数器）值超过某值（如8751内部还有4KBEPROM,值为0FFFH）时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当EA——端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外。对8031来说，因其无内部程序存贮器所以该引脚必须接地，即此时只能访问外部程序存贮器。对于片内有EPROM型的单片机型的单片机8751，在EPROMEPROM编程期间，此引脚用于施加电源VPP。(7)I/O口引脚—P0口，P1口，P2口，P3口。P0口（P0.0—P0.7）--为双向：为双向8位三态I/O口，当作为口，当作为I/O口使用时，可直接连口使用时，可直接连外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载输，一般作为扩展时地址/数据总线使用。P1口（P1.0～P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入口，课外创新实验竞赛第页-6-它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为入时，口锁存器必须置1），可驱动），可驱动4个TTL负载。P2口（P2.0～P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为口，当作为I/O口使用时，可直接连外口使用时，可直接连外部I/O设备。它是与地址总线高设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址负载，一般作为扩展时地址总线上网高8位使用。P3口（P3.0～P3.7）：位）：位）：位8位准双向I/O口，时双功能复用可驱动口，时双功能复用可驱动口，时双功能复用可驱动4个TTL负载。P3口的第二功能a.P3.0:RXD(串行输入口)；b.P3.1:TXD(串行输出口)；c.P3.2: