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1、福福 建建 師師 范范 大大 學學 應應 用用 科科 技技 學學 院院 學學 生生 論論 文文 論文題目：基于 51 單片機設計的電子時鐘 指導教師： 吳允平 學 號： 120352010040 姓 名： 陳立鑌 年 級： 2010 級 專 業(yè)： 電子信息工程 2014 年 4 月 20 日 第第一一章章 緒緒論論 1.11.1 電子時鐘的研究背景電子時鐘的研究背景 近些年來，電子技術得到了極速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產品以及 各種高科技產品幾乎滲透到了社會的各個領域。隨著科技的發(fā)展社會的進步和 全球化競爭的日益激烈，人們對時間精度的要求也越來越高，傳統(tǒng)的時鐘已不 能滿足人們的需求。多功能

2、電子鐘不管在性能還是在樣式亦或是用途上都發(fā)生 了重大的變化，許多電子鐘都已具備電子鬧鐘、電子秒表、溫度檢測等功能。 同時單片機在多功能數字鐘中的應用已是非常普遍的。如今的多功能電子時鐘 除了具有時鐘的功能外還包含了對環(huán)境溫度的檢測功能。在一些行業(yè)生產及日 常生活中，對實時溫度的測量及控制也非常的重要。數字電子時鐘采用的是由 數字電路實現(xiàn)對時，分，秒數字精準顯示的裝置，廣泛用于個人家庭，車站， 碼頭辦公室等公共場所，成為人們日常生活中不可或缺的必需品，由于數字集 成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應用，數字時鐘的時間精度遠遠超過老 式鐘表，數字化的時間顯示也給人們生產生活帶來了極大的方便，而且大

3、大地 擴展了鐘表原先所無法實現(xiàn)是的一些功能。例如定時自動報警、按時自動響鈴、 時間程序自動控制、甚至各種定時電器的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表 數字化為基礎的。因此，研究數字時鐘及擴大其應用，有著非常現(xiàn)實的意義。 1.21.2 設計的目的設計的目的 隨著社會快速的發(fā)展，人們的生活節(jié)奏變得越來越快，人們對時間觀念也愈 來愈重視。隨著自動化、智能化技術的發(fā)展， 精密電子產品的智能度愈來愈高， 用到時間提示、定時控制的地方也會愈來愈多，因此，設計開發(fā)電子時鐘具有 良好的應用前景。 由于單片機的成本較低、且高性能，在自動控制 化產品中得到了廣泛的應用。 本文以 STC89C52為主控制芯片，時鐘芯

4、片采用 DS1302，溫度傳感器 DS18B20實 時采集溫度參數，通過液晶顯示器 LCD12864實時顯示時間及溫度，通過按鍵設 置年月日和星期以及定時鬧鐘，應用 C 語言進行軟件編程，并用 Altium Designer Summer 09軟件進行演示、驗證。經過測試，系統(tǒng)可以正常完成預定 的功能 1.31.3 設計要求設計要求 設計一個可調電子時鐘帶萬年歷功能，其具體設計指標要求如下： 能夠精準現(xiàn)實年、月、日、星期、時間、溫度的信息，并可通過按鍵進 行時間的調試，以及設定鬧鐘的功能； 斷電后時鐘芯片正常運行，上電后能夠精準走時； 設定鬧鐘時間，時間到時蜂鳴器響起，按任意鍵結束鬧鈴； 在此

5、硬件設計時，要盡力做到硬件模塊簡單方便、性能穩(wěn)定且易于實現(xiàn)， 促使整個系統(tǒng)電路簡化。 軟件設計流程清晰，且軟件程序思維清晰，要做到以最為簡單的程序實 現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。 1.41.4 方案選擇方案選擇 1.4.1 主控芯片 STC89C52 STC89C52 的特點是：STC89C52 是 STC 公司生產的一種低功耗、高性能 CMOS8 位 微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。STC89C52 是在經典的 MCS-51 內核的 基礎上做出改進，使得擁有更多的功能。在單芯片上，擁有 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提

6、供高靈活、較有效的解決方案， 受到了大多數項目工程師的青睞。 STC89C52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash，512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，MAX810 復位電路，看門狗定時器，內置 4KB EEPROM，4 個外部中斷， 3 個 16 位定時器/計數器，一個 7 向量 4 級中斷結構（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結構），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作， 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/計數 器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內容被保存，振蕩器被凍結

7、，單片機 一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz，6T/12T 可選， 我們所設計的電子時鐘所需要的資源采用 STC89C52 完全足夠，也是最好的選擇。所以 我們的主控芯片就用 STC89C52。如圖 1-1 為 STC89C52 的引腳圖 圖 1-1 STC89C52 管腳圖 1.4.2 實時時鐘芯片 開始我們的時鐘芯片有兩個方案：方案一：采用DS1302 ，DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實時時鐘電路，它可以對年、 月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為 2.5V5.5V。采用三線接口與

8、 CPU 進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送 多個字節(jié)的時鐘信號或 RAM 數據。DS1302 內部有一個 318 的用于臨時性存放 數據的 RAM 寄存器。DS1302 是 DS1202 的升級產品，與 DS1202 兼容，但增加了 主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。 而 DS1302 存在時鐘精度不高，易受環(huán)境影響，出現(xiàn)時鐘混亂等缺點；方案二： 采用 DS12C887，DS 的特性有： 1、可計算到 2100 年前的秒、分、小時、星期、日期、月、年七種日歷 信息并帶閏年補償； 2、自帶晶體振蕩器和鋰電池。在沒有外部電源的情況下可工作 10 年； 3

9、、對于一天內的時間記錄，有 12 小時制和 24 小時制兩種模式。在 12 小時制模式中，用 AM 和 PM 區(qū)分上午和下午； 4、可選用夏令時模式 5、時間表示方法有兩種：一種用二進制數表示，一種用 BCD 碼表示； 6、DS12C887 中帶有 128 字節(jié) RAM，其中 11 字節(jié)用來存儲時間信息，4 字節(jié) RAM 用來存儲 DS12C887 的控制信息，稱為控制寄存器，113 字節(jié) RAM 供用戶使用； 7、數據/地址總線復用； 8、用戶可編程以實現(xiàn)多種方波輸出； 9、可應用于 MOTOROLA 和 INTEL 兩種種線； 10、三種可編程中斷：定鬧中斷、時鐘更新結束中斷、周期性中斷。

10、 由于我們所做的萬年歷對于時間精度的要求較高、功能特性要求也較多，所以 我們采用 DS12C887 作為我們的時鐘芯片。 圖 1-2 DS12C887 封裝圖 1.4.3 液晶顯示模塊 由于我們所設計的電子時鐘所需要的顯示的內容較復雜，所以我們直接排 除晶體管顯示的方案而考慮使用液晶屏最為顯示模塊，而其中顯示的內容又較 少，所以我們直接采用 LCD1602 作為我們的最終方案。 LCD1602 是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 32 個字符。（16 列 2 行） 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符 號等的點陣型液晶模塊。它由若干個 5X7 或者 5X11

11、 等點陣字符位組成，每個點 陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間 隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。 1602LCD 是指顯示的內容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16 個字符液晶模塊（顯 示字符和數字） 第第二二章章 硬硬件件設設計計 2.12.1 系統(tǒng)硬件的總體設計系統(tǒng)硬件的總體設計 本系統(tǒng)設計的電子時鐘萬年歷模塊設計框圖如圖 2-1 所示，采用 STC89C52 為系統(tǒng)主控芯片，電源電路、復位電路、時鐘電路、按鍵控制電路、蜂鳴器電 路、LCD 液晶驅動電路/液晶顯示器所組成。整機供電采用 5 號電池供電，運用 按鍵來

12、調整時間參數。系統(tǒng)框圖如下圖 2-1 所示： S ST TC C8 89 9C C5 52 2 單單片片機機 電源電路 復位電路 時鐘電路 蜂鳴器電路 按鍵控制電路 LCD 液晶驅動 12864 液晶模塊 圖 1-1 電路設計流程圖 2.22.2 系統(tǒng)各模塊介紹系統(tǒng)各模塊介紹 2.2.1 電源電路 圖 2-2-1 電源電路模塊 2.2.2 復位電路模塊 圖 2-2-2 復位電路模塊 2.2.3 按鍵電路模塊 鍵盤模塊電路采用行列式矩陣鍵盤組。因為該項目中應用到的鍵盤較多， 而單片機 Io 口的資源又很寶貴，所以為了減少主控 IO 口的占用，我們選擇采 用 4X4 矩陣鍵盤。代碼實現(xiàn)應用常用的鍵

13、盤掃描法進行掃描鍵盤。 圖 2-2-3 矩陣鍵盤模塊 2.2.4 蜂鳴器模塊 圖 2-2-4 蜂鳴器驅動電路 2.2.5 LCD1602 驅動模塊 圖 2-2-5 1602 驅動電路 第第三三章章 軟軟件件設設計計 3.13.1 軟件開發(fā)程序軟件開發(fā)程序 keilkeil C51C51 Keil C51 是美國 Keil Software 公司研發(fā)的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件 開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明 顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管 理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個

14、集成開發(fā)環(huán) 境（uVision）將這些部分組合在一起。運行 Keil 軟件可以在 WIN98、NT、WIN2000、WINXP 等操作系統(tǒng)下運行。其方便易用的集成環(huán)境、強 大的軟件仿真調試工具也令程序開發(fā)的程序編譯更加便捷。下面是比較典型的 keil uvision4 的介紹。 圖 3-1 keil uvision4 的運行界面 keil uvision4 軟件的操作步驟： 1、建立源文件，使用菜單“file-new”,在新的文本編輯窗口內編寫源程序。 2、建立工程文件點擊“Project-New Project ”菜單，并給將要建立的工程編 輯文件名（不需要擴展名），點擊“保存”按鈕，會出現(xiàn)

15、第二個對話框，選 擇目標單片機，Keil 支持的單片機的種類很多，在這邊我們選擇 STC 公司的 STC89C52 芯片，按“確定”即可。 3、在新建的工程中加入之前編輯的源程序。對工程進行詳細設置，在這邊我們 主要設置單片機的晶振頻率為 12，同時設置對話框中的 OutPut 頁面，其中 Creat Hex file 用于生成可執(zhí)行代碼文件（可以用編程器寫入單片機芯片的 HEX 格式文件，文件的擴展名為.HEX），因為我們做的是硬件實驗所以必須 選中該項。 4、進行編譯、連接。 5、在程序編譯完成并且沒有出現(xiàn)錯誤，把生成的 HEX 格式的文件，將該文件下 載到單片機內。界面顯示如下圖： 圖

16、3-2 程序下載 3.13.1 軟件系統(tǒng)路程圖軟件系統(tǒng)路程圖 開始 初始化程序 顯示子程序 延時子程序 鬧鈴子程序 DS1302 子程 序 按鍵掃描子程序 圖 3-1-1 程序流程圖 3.23.2 系統(tǒng)子程序運行系統(tǒng)子程序運行 3.2.1 LCD1602 液晶顯示驅動初始化 圖 3-2-1 LCD12864 驅動流程圖 液晶初 始化 按鍵掃描 液晶顯示 上電 結束 LCD1602 液晶初始化程序如下： Uchar code zf=“current stade:“; void init() /液晶初始化 lcden=0; write_com(0 x38); write_com(0 x0c); w

17、rite_com(0 x06); write_com(0 x01); write_com(0 x80); for(m=0;m=1;/右移一位 CLK=1; /* * * 函數: 寫數據 *- - * 參數: add： 地址 dat: 數據 * 返回: NONE * * 作者: ChenLB * */ void Write_1302(uint8 add,uint8 dat) /.啟動 RST=0; /_nop_(); CLK=0; /_nop_(); RST=1; /_nop_(); /開始發(fā)送數據. Write_1302_byte(add); /發(fā)送地址 Write_1302_byte(dat

18、); /發(fā)送數據 /數據發(fā)送結束. RST=0; /_nop_(); SDA=1; CLK=1; /* * * 函數: 寫保護 *- - * 參數: flag為 1 時進入寫保護，為 0 時去除寫保護 * 返回： * * 作者: ChenLB * */ void DS1302_SetProtect(bit flag) if(flag) Write_1302(0 x8e,0 x80); else Write_1302(0 x8e,0 x00); /* * * 函數: 讀一個字節(jié)數據 *- - * 參數: add 要讀取的時間量的地址 * 返回：value讀到的一個字節(jié)數據 * * 作者: Che

19、nLB * */ uint8 Read_1302_byte(uint8 add) uchar i,value; RST=0; /_nop_(); CLK=0; /_nop_(); RST=1; /_nop_(); Write_1302_byte(add); for(i=0;i1; if(SDA) value|=0 x80; _nop_(); CLK=1; /以下為 DS1302 復位的穩(wěn)定時間. RST=0; _nop_();_nop_(); RST=0; CLK=0; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); CLK=1; _nop_();_nop_(); SDA=0

20、; _nop_();_nop_(); SDA=1; _nop_();_nop_(); return value; /* * * 函數: 設置 RTC 時鐘 *- - * 參數: NONE * 返回：NONE * * 作者: ChenLB * */ void Set_Rtc( void ) uint8 i,j; for(i=0;i7;i+) /BCD 處理,將十六進制轉換成十進制 j=Time_datai/10; Time_datai=Time_datai%10; Time_datai=Time_datai+j*16; DS1302_SetProtect(0);/去除寫保護 for(i=0;i7

21、;i+) Write_1302(Write_addi,Time_datai); DS1302_SetProtect(1); /加寫保護 /* * * 函數: 讀取 RTC 時間 *- - * 參數: NONE * 返回：NONE * * 作者: ChenLB * */ void Read_Rtc( void ) uint8 i; for(i=0;i7;i+) Time_datai=Read_1302_byte(Read_addi); /* * * 函數: 數據轉換處理，將 16 進制的數碼轉換成 10 進制 *- - * 參數: NONE * 返回：NONE * * 作者: ChenLB *

22、*/ void Time_pros( void ) Year =Time_data0/16*10+Time_data0%16; Week =Time_data1/16*10+Time_data1%16; Mon =Time_data2/16*10+Time_data2%16; Day =Time_data3/16*10+Time_data3%16; Hour =Time_data4/16*10+Time_data4%16; Min =Time_data5/16*10+Time_data5%16; Sec =Time_data6/16*10+Time_data6%16; uint8 change

23、(uint8 x) uint8 temp,y; y=x; temp=y/16; y=y%16; y=y+temp*10; return y; 第第四四章章 仿仿真真軟軟件件 P PR RO OT TE EU US S 4.14.1 ProteusProteus 軟件介紹軟件介紹 Proteus 軟件是英國 Lab Center Electronics 公司出版的 EDA 工具軟件。它不僅 具有其它 EDA 工具軟件的仿真功能，還能還原出真實的單片機及外圍器件的運行狀態(tài)。 它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前在國內剛開始推廣，但已受 到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片

24、機開發(fā)應用的科技工作者的認 可與肯定。 圖 4-1 Proteus 軟件運行界面 Proteus 軟件具有其它 EDA 工具軟件(例：multisim)的功能。這些功能是： (1)原理布圖 (2)PCB 人工或自動布線 (3)SPICE 電路仿真 革命性的特點 (1)互動的電路仿真：用戶甚至可以實時調用諸如，Led，鍵盤，馬達，AD/DA，部 分 SPI 器件，部分 IIC 器件； (2)仿真處理器及其外圍電路可以仿真 51 系列、AVR、ARM、等主流單片機。還可 以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，就能模擬運行后輸入輸 出的效果。 具有 4 大功能模塊 (1)智能原理圖設

25、計(ISIS) (2)完善的電路仿真功能(Prospice) (3)獨特的單片機協(xié)同仿真功能(VSM) (4)實用的 PCB 設計平臺 4-24-2 ProteusProteus 仿真模擬運行仿真模擬運行 將程序經 keil 編譯后所生成的 HEX 文件下載到Proteus 軟件中，點擊開始運 行，開始模擬該程序的運行狀態(tài)及各功能按鍵的使用情況。 圖 4-2 Proteus 模擬程序運行結果 在開始的調試中碰到了很多問題，第一次是 proteus 仿真一直不能打開， 后來發(fā)現(xiàn)是因為聯(lián)調步驟有錯誤，重新聯(lián)調之后就能仿真了，但是在仿真中又 發(fā)現(xiàn)可以仿真，但是顯示器沒有顯示東西，經過分析發(fā)現(xiàn)是程序和

26、電路上的 IO 口不符合的原因，改過程序之后再次運行，發(fā)現(xiàn)還是有問題，就是不顯示日期， 只有時間顯示，日期顯示處是空白的，后來仔細研究發(fā)現(xiàn)是 LCD 的問題，換了 一個還是不行，最后還是修改了一下程序就好了。 最后的硬件調試中還是出 現(xiàn)了很多問題，比如顯示器不亮、蜂鳴器一直響等。分析原因：1、可能是程序 錯誤；2、可能是板子上的電路老化出現(xiàn)問題；3、可能是單片機出現(xiàn)了問題； 4、可能是電路圖和實際的開發(fā)板圖不一樣；5、可能是顯示器或蜂鳴器有問題。 經過一一排查，最后終于能夠正常顯示。 第第五五章章 組組裝裝與與調調試試 5.1 制作所需的元器件 單片機 STC89C52、蜂鳴器、LCD1602

27、 液晶顯示屏、實時時鐘芯片 Ds1302、電阻、 電位器、排阻、電容、12M 晶振、插針、按鍵、杜邦線。 5.2 硬件制作與調試中遇到的問題及解決方法 （1）由于在寫程序時所對應的 IO 口位置與硬件上的位置不相符，照成調試數據 時一直出錯，在查找原因的時候也遇到較多的困難，所以寫程序時一定要依照硬件上 面的實際連線來編寫 （2）在焊接的時候要防止銅板銅面氧化，操作過程中最好帶上手套，其次是需要 合適的助焊劑通常是采用松香作為助焊劑，最后是焊件要將烙鐵的溫度加熱到合適的 溫度在進行焊接。在我的焊接過程中，常常會因為焊頭被氧化了，導致在焊接的過程 中比較困難。 （3）制作后首先應該用萬用表檢查一

28、下電路是否存在斷短路的問題，確定沒問題 后再上電使用。 5.3 軟件調試時遇到的問題以及解決方法 （1）在程序的編寫中，由于自己的粗心大意，出現(xiàn)了很多細節(jié)上的問題，比如標 點符號用了中文的格式，IO 口的編寫沒有與硬件上的對應上，這些都給后面的調試帶 來了麻煩 （2）把程序加載到單片機，上電調試后發(fā)現(xiàn)，用按鍵調試時間會亂跳，后來經過 觀察發(fā)現(xiàn)是按鍵程序里面沒有加上消抖程序，填上去之后就恢復正常； 第第六六張張 總總結結 本次畢業(yè)設計主要是電子時鐘的顯示，雖然成功了，但由于自身的能力問題， 并沒有實現(xiàn)鬧鐘和報警的功能，暴露出我們對 C 語言的掌握還有一定的欠缺。 由于對 protel 掌握的還不

29、熟練，經常出錯，有的元件也找不到，所以畫原理圖 的時候耽誤了點兒時間。開始的時候雖然有一個明確的方向，但也是無從下手。 實驗被分為顯示模塊、時鐘模塊、溫度模塊和按鍵模塊，在搭建這些模塊的過 程中，也遇到了麻煩，不得不到處查資料，發(fā)現(xiàn)自己的很多知識點都很欠缺。 Comment 1: 參考文獻要羅列出來 通過這次動手，鍛煉了我在設計、制作和調試應用系統(tǒng)等各方面的能力，深入 領會了單片機項目的軟、硬件調試方法和設計過程。 另外通過這次設計，我認識到了自己在單片機設計方面的許多不足之處， 首先，是在 protel 畫圖中關于軟件的使用中元件名稱不夠熟悉，對 keil 和 proteus 聯(lián)調沒有掌握好

30、，對單片機 C 語言程序的編寫掌握的知識太少，缺乏 一些實際單片機項目的練習，我們應該在以后的學習中，重點培養(yǎng)自己對實際 項目的設計能力，和面對對象的分析能力。在這次設計中我對單片機的理論知 識有了進一步的了解。在收獲知識的同時，還培養(yǎng)了獨立思考、動手制作的能 力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在畢業(yè)設計里，我學會了 很多學習的方法，而這是以后最實用的，真的是受益匪淺。 參參考考文文獻獻 1 米秀杰. 方振龍. 基于 proteus 單片機汽車模擬轉向器設計與仿真J.數字技術 與應用，2012,02. 2 江志紅.51 單片機技術與應用系統(tǒng)開發(fā)案例精選M.北京：清華大學出版社， 2

31、008，212-405. 3 王賢勇，趙傳申. 單片機原理與接口技術應用教程. 清華大學出版社， 2010，120-155. 4 李廣弟，朱月琴，王秀山.單片機基礎M.北京：航空航天大學出版社, 2005,3（10）：10-13. 5 周志敏，周記海，記愛華.LED 驅動電路設計與應用.人民郵電出版社，2006,3-10. 6 趙亮，LCD1602 液晶顯示模塊J.信息科技, 2001. 7 王建校，51 系列單片機原理及 C 語言程序設計.科學出版社,2002，40-45. 8 譚浩強.C 程序設計M.北京：清華大學出版社，2005，114-130. 9 周潤景. 張麗娜. 基 PROTEUS 的電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真.航空航天大學出版 社, 2006 . 10 邢增平Protel 99 SE 設計專家指導M.北京：中國鐵道出版社，2004，96-106. 11 許艷英，包宋建.基于單片機的汽車車燈控制器的設計J. 數字技術與應用， 2012,02. 12 F.DongTan,R D.Middlebrook,A Unified Modelfor Current-Programmed Converters,IEEE Trans.on Power Electronics,1995.