单片机数字电子钟设计毕业设计.doc
单片机数字电子钟设计前言 随着生活水平的提高，人们越来越追求人性化的事物，传统的时钟已不能满足人们的需求。现代的数字钟不仅需要模拟电子技术，而且需要数字电路技术和单片机技术，增加了数字显示等的功能。单片机电子钟表电路可以由单片机模块、实时时钟电路模块、人机接口模块、报警模块等部分组成，硬件电路简单稳定，并可以利用软件编程减小电磁干扰和其他环境干扰的影响，减小因元器件精度不够引起的误差等优点，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，电路简单，使用寿命长，应用范围广，被广泛用于个人家庭、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，数字钟表的精度远远超过老式机械钟表，给人们生产生活带来了极大的方便。另一方面，由于单片机技术的使用，大大扩展了钟表原先的功能，可以提供定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制及各种定时电气的自动启用功能等。因此，研究数字钟表及扩大其应用，有着非常现实的意义。本设计主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机STC89C52芯片,DS1302和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。1.系统总体设计思路方案1、采用STC89C52单片机作为主控芯片，实现数字钟表主控功能。2、采用液晶屏显示当前年、月、日、时、分、秒，闹铃时间及状态等信息。3、采用六键键盘设定时间初始值，具体方法是按时间设定键依次进入年、月、日、时、分、秒设定状态，然后通过向上、向下键修改设定值。正在设定的变量以闪烁状态突出显示。4、采用六键键盘设定闹铃时间，具体方法是按闹铃设定键依次进入时、分设定状态，然后通过向上、向下键修改设定值。正在设定的变量以闪烁状态突出显示。5、采用DS1302实时时钟芯片完成后台计时功能，要求具有后备电源，即使主电源掉电时间仍然保持运行。6、可设定闹铃使能，具体方法是按闹铃使能键，按一次打开，再按一次关闭。闹铃使能关闭时不报警。7、当闹铃使能打开，且当前时间到达闹铃设置时间，则蜂鸣器和LED红灯同时报警，如不按取消键，报警时间为1分钟。报警状态可以通过按取消键退出。8、系统通过USB电源供电，单片机程序也可通过USB线串行下载。2.硬件实现及单元电路设计 单片机数字闹钟硬件框图如图1-1所示。图1-1 硬件框图 其中DS1302完成计时功能，单片机主控芯片读取DS1302的时间数据，在液晶屏上显示出来。用户可以通过按键设定时间初始值、闹铃初始值等。主电源和备份电源给各芯片供电。2.1.相关基础介绍2.1.1. DS1302芯片2.1.1.1 . DS1302的性能特性 实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数；用于高速数据暂存的31×8位RAM；最少引脚的串行I/O；2.55.5V电压工作范围；2.5V时耗电小于300nA；用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节（脉冲方式）数据传送方式；简单的3线接口；可选的慢速充电（至Vcc1）的能力。 DS1302时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。对于小于31天的月和月末的日期自动进行调整，还包括闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24h或带AM（上午）/PM（下午）的12h格式。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有主电源/后备电源双电源引脚：Vcc1在单电源与电池供电的系统中提供电源，并提供低功率的电池备份；Vcc2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式中Vcc1连接到备份电，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。DS1302由Vcc1或Vcc2中较大者供电。当Vcc2大于Vcc10.2V时，Vcc2给DS1302供电；当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。2.1.1.2 .DS1302数据操作原理 DS1302在任何数据传送时必须先初始化，把RST脚置为高电平，然后把8位地址和命令字装入移位寄存器，数据在SCLK的上升沿被输出。无论是读周期还是写周期，开始8位指定40存器中哪个将被访问到。在开始8个时钟周期，把命令字节装入移位寄存器之后，另外的始终周期在读操作时输出数据，在写操作时写入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加字节数，最大可达248字数。 如果在传送过程中置RST脚为低电平，则会中止本次数据传送，并且I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc 2.5V之前，RST脚必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。DS1302的引脚及内部结构图如图2-1所示。图2-1 DS1302引脚图及内部结构DS1302的引脚功能如表2-1所示。表2-1 DS1302引脚功能引脚号引脚名称功能1Vcc2主电源2，3X1，X2震荡源，外接32.768kHz晶振4GND地线5RST复位/片选线6I/O串行数据输入/输出端（双向）7SCLK串行数据输入端8Vcc1后备电源 DS1302的控制字如图2-2所示。控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1；如果它为0。则不能把数据写入到DS1302中。位6如果为0则表示存取日历时钟数据；为1表示存取RAM数据。位51（A4A0）指示操作单元的地址。最低有效位（位0）如为0，表示要进行写操作；为1表示进行读操作。控制字节总是从最低位开始输入/输出。图2-2 DS1302的控制字 DS1302的读写时序如图4所示。为了提高对32个地址的寻址能力（地址/命令位15 = 逻辑1），可以把时钟/日历或RAM寄存器规定为多字节（burst）方式。位6规定时钟或RAM，而位0规定读或写。在时钟/日历寄存器中的地址931或RAM寄存器中的地址31不能存储数据。在多字节方式中，读或写从地址0的位0开始。必须按数据传送的次序写最先的8个寄存器。但是，当以多字节方式写RAM时，为了传送数据不必写所有31字节，不管是否写了全部31字节，所写的每一字都将传送至RAM。图2-3 DS1302数据读/写时序 DS1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。其日历、时间寄存器及其控制字见表2-5，其中奇数为读操作，偶数为写操作。表2-2 内部寄存器地址和内容寄存器名命令字节取值范围寄存器内容写读76543210秒寄存器80H81H0059CH10sSEC分寄存器82H83H0059010minMIN小时寄存器84H85H0023或011212/24010A/PHRHR日期寄存器86H87H0128，29，30，310010DATEDATE月份寄存器88H89H011200010MMONTH周寄存器8AH8BH010700000DAY年寄存器8CH8DH009910YEARYEAR 时钟暂停：秒寄存器的位7定义位时钟暂停位。当它为1时，DS1302停止振荡，进入低功耗的备份方式。通常在对DS1302进行写操作时（如进入时钟调整程序），停止振荡。当它为0时，时钟将开始启动。 AM-PM/12-24小时方式：小时寄存器的位7定义为12或24小时方式选择位。它为高电平时，选择12小时方式。在此方式下，位5是AM/PM位，此位是高电平时表示PM，低电平表示AM。在24小时方式下，位5为第二个10小时位（2023h）。 DS1302的晶振选用32.768kHz，电容推荐值为6pF，因为振荡频率较低，也可以不接电容，对记时精度影响不大。2.2.STC89C52单片机2.2.1. STC89C52 单片机概述 STC89C52系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。2.2.2. STC89C52 单片机特点 工作电压： 5.5V - 3.5V（5V单片机）； 增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051； 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的 080MHz； 用户应用程序空间 4K/8K/16k/32K/64K字节； 片上集成1280字节 RAM； 通用I/O口（32/36个），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）； ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器。 每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA； 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片； 有EEPROM功能； 看门狗； 内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）； 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器； 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟； 常温下内部R/C 振荡器频率为：5.0V 单片机为： 11MHz 17MHz； 共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器； 外部中断I/O口4路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒； 通用全双工异步串行口(UART) ； 工作温度范围：-40 +85(工业级) / 0 75(商业级) ； 封装：PDIP-40, PLCC-44。 2.2.3. STC89C52 单片机管脚及封装 STC89C52 单片机有多种封装形式，本设计中选用40DIP封装，其管脚定义如图2-4所示。图2-4 STC89C52 管脚图2.3.硬件电路设计2.3.1.单片机电路 如图2-5所示，单片机采用STC89C52芯片，电路采用11.0592MHz外部无源晶体，振荡电容采用20pF。复位电路采用10uF(C1)电容和10K(R2)组成的阻容复位电路。图2-5 单片机电路单片机管脚连接标号中，P00P07为液晶屏数据线，P25P27为液晶屏控制线。标号RXD和TXD是单片机的异步串行通信引脚，用于单片机程序的ISP下载。2.3.2.DS1302时钟电路 DS1302时钟电路如图2-6所示，其中BT1是后备电池，以保证在主电源掉电时时钟依然运行。Y2是时钟晶振，因为频率较低，故可以不加电容。R10R12为上拉电阻。DS1302通过SCLK、I/O和RST管脚和单片机相连。图2-6 DS1302时钟电路2.3.3.液晶屏显示电路 显示部分采用SMC 1602液晶屏进行数据显示，其主要技术参数为：表2-3 液晶屏技术指标接口信号说明如表2-4所示。表2-4 液晶屏接口信号说明与单片机接口电路如图2-7所示。图2-7 LCD与单片机接口电路2.3.4.按键电路 U盘驱动芯片CH375不仅提供了与USB设备的硬件连接，还内置了文件系统底层程序，使得读、写U盘中的文件变得容易。图中CH375使用12MHz外部晶体，振荡电容为20pF。管脚连接标号D0D7是与单片机并口进行数据传输的数据线，CH375INT为单片机提供中断信号，CH375CS、CH375A0、CH375WR和CH375RD是控制信号线。CH375通过RU2和RU3两个电阻与U盘的UD+和UD-数据线连接，同时通过LU发光管输出U盘状态。2.3.5键盘驱动电路键盘驱动电路如图2-8所示。图2-8 键盘驱动程序 电路使用与单片机管脚直接相连的按键实现键盘。当按键按下时管脚为低电平，无按键时为高电平。单片机采用查询方式获取按键信息。2.3.6.闹铃电路图2-9 闹铃电路 闹铃电路由单片机管脚驱动蜂鸣器和报警灯实现，当闹铃时间到时，蜂鸣器鸣响，红灯报警。2.3.7.电源电路 本设计采用USB接口供电，电源电压5V。同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。其电路原理如图2-10所示。图2-10 供电及程序下载电路2.3.8.总电路图 经上所述，画出总电路图，图2-11图2-11总电路图3.软件设计3.1.软件流程图 本设计软件流程如图3-1所示。图3-1 软件流程图3.2.时间调整程序设计调整时间用4个调整按纽，1个作为移位、控制用，另外2个作为加个减用，分别定义为时间设置按纽、加按纽、减按纽。在调整时间过程中，要调整的位与别的位应该有区别，所以增加了闪烁功能，即调整的位一直在闪烁，直到调整下一位。闪烁原理就是，让要调整的一位每隔一定时间熄灭一次，比如说50ms。利用定时器记时，当到达50ms溢出时，就送给该位熄灭符，在下一次溢出时，再送正常显示的值，不断交替，直到调整该位结束。此时送正常显示值给该位，再进入下一位调整闪烁程序。3.3.主程序 下面介绍main.c主程序编写。3.3.1. 头文件和一些宏定义#include <reg52.h>#include <math.h>#include "1602.h"#include "DS1302.h"#define AMHOURADDR 0xC0 /存闹铃时的地址#define AMMINUTEADDR 0xC2 /存闹铃分的地址#define AMENADDR 0xC4 /存闹钟使能标志的地址3.3.2. 管脚、常量、变量定义/定义管脚sbit Led_Alarm=P21;/报警灯sbit Beep_Alarm=P20; /蜂鸣器sbit Key_TMSet = P32; /时间设置sbit Key_AMSet = P33;/闹铃设置sbit Key_Up = P34;/上调sbit Key_Down = P35;/下调sbit Key_AMEn = P36;/闹铃开关sbit Key_Review = P37;/查看/定义标识volatile bit FlagKeyPress = 0; /有键按下标志volatile bit FlagShow = 0; /显示标志volatile bit FlagTMSet = 0; /时间设置状态标志volatile bit FlagAMSet = 0; /闹铃设置状态标志volatile bit FlagAMEn = 0; /闹铃使能标志，0为闹铃不使能，1为闹铃使能volatile bit FlagAlarm = 0; /闹铃状态标志/按键响应用变量uchar keyvalue,keyTMSet,keyAMSet,keyUp,keyDown,keySet,keyAMEn,keyReview;/DS1302时钟用变量SYSTEMTIME CurrentTime;uchar year, month, day, hour, minute, second;uchar AMhour, AMminute,AMStart;/报警及存储用变量/char * pSave;/字符串显示用变量uchar str16 = "000000"uchar Date9="00-00-00", Time9="00:00:00"uchar hide, SetNum;uint Counter; 3.3.3.函数声明/函数声明void int2str(int x, char* str);void Delay1ms(unsigned int count);void Data_Init();void Timer0_Init();void Timer0_ISR () ;void KeyProcess(uint num);3.3.4.各子程序/整型转字符串的函数，转换范围0-65536void int2str(int x, char* str) int i=1; int tmp=10; while(x/tmp!=0) i+; tmp*=10; tmp=x; stri='0' while(i>1) str-i='0'+(tmp%10); tmp/=10; str0=tmp+'0' void Delay1ms(unsigned int count)unsigned int i,j;for(i=0;i<count;i+)for(j=0;j<120;j+);/数据初始化void Data_Init() Beep_Alarm = 1; Led_Alarm = 1; AMStart = 0; keyvalue = 0; keyTMSet = 1; keyAMSet = 1; keyUp = 1; keyDown = 1; keyAMEn = 1; keyReview = 1; hide = 0; Counter = 0; SetNum = 0;/定时器0初始化void Timer0_Init()ET0 = 1; /允许定时器0中断TMOD = 1; /定时器工作方式选择TL0 = 0x06; TH0 = 0xf8; /定时器赋予初值TR0 = 1; /启动定时器/定时器0中断void Timer0_ISR (void) interrupt 1 using 0TL0 = 0x06;TH0 = 0xf8; /定时器赋予初值/每1秒钟刷新显示一次时间值 Counter +; if (Counter >= 450) FlagShow = 1; Counter = 0; /设定闪烁标志 if (hide = 1) hide = 0; else hide = 1; void KeyProcess(uint num) switch (num) case 1: /TMSet键被按下。SetNum=0-管设置；1-年；2-月；3-日；4-时；5-分；6-秒，按一下SetNum加1。 if (FlagAMSet=1) /从闹铃时间设置进入当前时间设置 FlagAMSet = 0;FlagTMSet = 1;SetNum = 1; else if (FlagTMSet=0)/从正常状态进入当前时间设置 FlagTMSet = 1;SetNum = 1; else /已经在时间设置状态 SetNum +; if (SetNum >= 7) /已经设定完毕，则存盘退出 SetNum = 0;FlagTMSet = 0; break; case 2: /AMSet键被按下。SetNum=0-关设置；1-时；2-分，按一下SetNum加1。 if (FlagTMSet=1) /从当前时间设置进入闹铃时间设置 FlagTMSet = 0;FlagAMSet = 1;SetNum = 1; /清屏L1602_string(1,1," ");L1602_string(2,1," ");/读出当前闹铃时间并显示 int2str(AMhour,str1); L1602_string(2,1,str1);int2str(AMminute,str1); L1602_string(2,4,str1); else if (FlagAMSet=0)/从正常状态进入闹铃时间设置 FlagAMSet = 1;SetNum = 1; /清屏L1602_string(1,1," ");L1602_string(2,1," ");/读出当前闹铃时间并显示 int2str(AMhour,str1); L1602_string(2,1,str1);int2str(AMminute,str1); L1602_string(2,4,str1); else /已经在闹铃时间设置状态 SetNum +; if (SetNum >= 3) /已经设定完毕，则存盘退出并返回正常显示界面 /存入闹铃时间 Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 Write1302(AMHOURADDR,AMhour);Delay1ms(500); Write1302(AMMINUTEADDR,AMminute);Delay1ms(500); Write1302(0x8e,0x80); /写入禁止AMhour=Read1302(AMHOURADDR);AMminute=Read1302(AMMINUTEADDR); SetNum = 0;FlagAMSet = 0; break; case 3: /Up键被按下 if (FlagTMSet = 1) /如果在当前时间设置状态 switch (SetNum) case 0: case 1: /年 if (year<99)year+; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_YEAR,year); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 2: /月 if (month<12) month+; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_MONTH,month); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 3: /日 if (day<31) day+; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_DAY,day); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 4: /时 if (hour<23) hour+; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_HOUR,hour); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 5: /分 if (minute<59) minute+; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_MINUTE,minute); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 6: /秒 if (second<59) second+; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_SECOND,second); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; if (FlagAMSet=1) /如果在闹铃设置状态 switch (SetNum) case 1: /时 if (AMhour<23) AMhour+; break; case 2: /时 if (AMminute<59) AMminute+; break; break; break; case 4:/Down键被按下 if (FlagTMSet = 1) /如果在当前时间设置状态 switch (SetNum) case 0: case 1: /年 if (year>0)year-; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_YEAR,year); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 2: /月 if (month>0) month-; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_MONTH,month); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 3: /日 if (day>0) day-; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_DAY,day); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 4: /时 if (hour>0) hour-; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_HOUR,hour); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 5: /分 if (minute>0) minute-; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_MINUTE,minute); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; case 6: /秒 if (second>0) second-; Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 DS1302_SetTime(DS1302_SECOND,second); Write1302(0x8e,0x80); /禁止写入 break; if (FlagAMSet=1) /如果在闹铃设置状态 switch (SetNum) case 1: /时 if (AMhour>0) AMhour-; break; case 2: /时 if (AMminute>0) AMminute-; break; break; break; case 5: /闹铃使能键被按下 if (FlagAMEn = 0) /存入闹铃时间 Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 Write1302(AMENADDR,1); Delay1ms(500); Write1302(0x8e,0x80); /写入禁止 FlagAMEn = 1; L1602_string(2,11,"Open "); else /存入闹铃时间 Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 Write1302(AMENADDR,0); Delay1ms(500); Write1302(0x8e,0x80); /写入禁止 FlagAMEn = 0; L1602_string(2,11,"Close"); break; case 6: /闹铃Review键按下，实际功能就是在闹铃响的时候关铃声 Led_Alarm = 1; Beep_Alarm = 1; FlagAlarm = 0; break; /* 名称 : Main()* 功能 : 主函数*/void main() uint i, j,temp; EA = 0;Timer0_Init(); /定时器0初始化 Data_Init();Initial_DS1302();EA = 1;/载入闹钟使能信号 temp = Read1302(AMENADDR);if (temp = 1) FlagAMEn = 1;else if (temp = 0) FlagAMEn = 0;else /存入闹铃时间 Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 Write1302(AMENADDR,0); Delay1ms(500); Write1302(0x8e,0x80); /写入禁止 FlagAMEn = 0;/载入闹铃时间AMhour = Read1302(AMHOURADDR);if (AMhour>23)|(AMhour<0) AMhour = 0; /存入闹铃时间 Write1302(0x8e,0x00); /写入允许 Write1302(AMHOURADDR,AMhour); Delay1ms(500); Write1302(0x8e,0x80); /写入禁止 AMhour=Read1302(AMHOURADDR); AMminute =
