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1、注蠡域工停况JIANGSUuniversityoftechnology电子羲森珞10缘鑫期练学院名称：电气信息工程学院专业：电气工程及其自动化班级：10电子XX姓名：XXXX学号：XXXXX指导教师姓名：薛波俞洋2023年09月多功能电子时钟系统设计摘要随着科技的开展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，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。数字钟的设计方法有许多种,例如,可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等等。这些方法都各有其特点，其中利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，并便于
2、功能的扩展。但这里为了学习数字电路，包括对组合逻辑电路与时序电路的学习，采用中小规模集成电路组成数字钟。因此本系统采用单片机作为数字钟的核心控制器，读取时钟芯片的值，并通过显示器显示出来，而且，可以通过按键电路给单片机执行信号，实现正常显示，时钟校准和秒表的切换。采用AT89S52作为主控单片机，时钟模块选用DS1302作为时钟芯片，显示模块选用LCD1602,设置局部选用按键电路。本设计是以单片机为核心，附加必要的外围电路,通过编写C语言将存储在DS1302芯片中的年、月、日、时、分、秒，经过串行输入到单片机内部，对其进行数制的转换在DS1602上显现出来。关键词：LCDl60;DS1302
3、;STC89C52;电子钟MultifunctionelectronicclocksystemdesignAbstractWiththedevelopmentoftechnologyandsocialprogress,peopledemandmoreandmoredigitalCIoCkhigh,multi-functionaldigitalclockregardlessofthestyleorperformanceonbothaqualitativechange.DigitalclockdesignTherearemanyways,forexample,canbecomposedofsmal
4、landmedium-scaleintegratedcircuitselectronicbell;alsobeusedwithadedicatedchipelectronicclockdisplaycircuitanditsperipheralcircuitrequiredelectronicbell;chipcanalsobeusedtoimplementelectronicbellandsoon.Thesemethodshavetheirowncharacteristics,includingtheuseofelectronicclockwithMCUprogrammingflexibil
5、ity,functionalityandeaseofexpansion.Buthereinordertolearndigitalcircuits,includingcombinationallogiccircuitsandsequentialcircuitsofstudy,usingsmallandmediumscaleintegratedcircuitsdigitalclock.Therefore,thesystemusestheMCUasthecorecontrollerdigitalclock,clockchiptoreadthevaluesdisplayedbythedisplay,a
6、ndcanbeperformedthroughthekeysignaltothemicrocontrollercircuittoachievenormaldisplay,clockandstopwatchcalibrationswitch.UsingAT89S52microcontrollerasthemasterclockmoduleselectionastheDS1302clockchip,displaymoduleselectionLCD1602,settingpartoftheselectionkeycircuit.Thisdesignisamicrocontrollerastheco
7、re,theadditionalnecessaryperipheralcircuits,throughthepreparationoftheClanguagewillbestoredintheDS1302chipyear,month,day,hour,minute,second,throughtheserialinputtotheinternalmicrocontroller,itsnumbersystemconversionapparentontheDS1602.KeywordszLCD1602;DS1302;STC89C52;Clock目录第1章绪论51.1 课题的意义和目的51.2 课题
8、的研究内容51.3 课题的任务要求5第2章系统方案设计62.1 系统方案设计62.2 方案的选择与论证72.2.1 方案的比拟与论证72.2.2 系统结构实现框图设计错误!未定义书签。第3章系统各模块的硬件设计错误!未定义书签。3.1.1 机控制模块设计错误!未定义书签。单片机的应用及开展现状83.1.2 STC89C52单片机模块93.1.3 单片机晶振模块设计103.1.4 单片机复位电路设计错误!未定义书筝，显J电路模块设1错X未AiL乂书签1.CD1602介绍错误!未定义书Sf。1.CDI602字符液晶使用方法错误!未定义书签。1.CD1602液晶显示电路设计错误!未定义书签.3.2
9、时钟电路DS1302错误!未定义书签。DS1302的性能特性错误!未定义书签.DS1302使用方法错误!未定义书签。3.3.3时钟电路设计错误!未定义书签。3.3 按键模块的设计错误!未定义书签。模式选择按键错误!未定义书签。3.4.2按键设置电路错误!未定义书签。3.4 蜂鸣报警电路模块设计错误!未定义书签.第4章系统软件设计错误!未定义书签。4.1 软件设计总体思路错误!未定义书签。4.2 主程序流程图错误!未定义书签。第5章系统调试与数据分析错误!未定义书签。5.1 硬件电路的制作和调试175.2 软硬件功能分析185.3 测试结果分析19第6章总结与展望19参考文献19致谢20附录1电
10、路原理图错误!未定义书签。附录2程序错误!未定义书签。附录3元器件清单错误!未定义书签。前言近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的开展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格廉价，工作可靠，使用方便等特点，因此越来越广泛地应用各个领域。本次电子系统实训是以单片机(STC89C52)为核心，时钟芯片DS1302,LCD1602X1显示局部构成。具体介绍了应用Protues的ISIS软件进行单片机系统的电子时钟设计与仿真的实现方法。该方法既能准确验证所设计的系统是否满足技术要求，又能提高系统设计的效率和质量，降低开发本钱，具有推广价值。随着现在通信的开展
11、，移动通信，网络技术，多媒体技术在嵌入式系统中的应用，单片机从4位，8位，16位到32位，其开展历程一直受到广阔电子爱好者的极大关注。单片机功能越来越强大，价格却不断下降的优势无疑成为嵌入式系统设计的首选，同时单片机应用领域的扩大也使得更多人参加到基于单片机系统的开发行列，推动着单片机技术的创新进步。然而传统的单片机系统开发除了需要购置如仿真器，编程器，示波器等价格不菲的电子设备外，开发过程也较为繁琐。单片机系统作为一种典型的嵌入式系统，其系统设计包括硬件电路设计和软件编程设计两个方面，其调试过程一般分为软件调试，硬件调试，硬件测试，系统调试3个过程。如果采用单片机系统的虚拟仿真软件-Prot
12、UeS,那么不用制作具体的电路板也能够完成以上工作。第1章绪论1.1 课题的意义和目的为了记录时间，古人创造了文字；为了区分一天中的不同阶段，古人有创造了沙漏等工具。而在快节奏的当今社会，时间更是一个很重要的工具，为了更高效率的完成工作，为了社会的进步与开展，时间更是尤为重要。集成电路制造技术的快速开展，一方面促进了相应设计技术的开展，另一方面也对设计技术提出了更高的要求。而电子时钟是利用电子技术构成时钟功能的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的寿命，因此现在越来越得到广泛的使用。现在的电子时钟具有显示、校准、闹钟这些传统机械时钟所具有的功能，另外还具有正点
13、音乐报时、温湿度测量、秒表等新的功能，更加的使用并且生活化。本次实训便是制作电子钟，让我们更加清楚的了解电子钟的功能。1.2 课题的研究内容设计制作一台以控制器为核心的多功能电子时钟系统。1.3 课题的任务要求1 .系统具有3种工作模式状态（正常时钟显示模式、系统校准模式、秒表计时模式）；系统所有功能，能够通过上位PC机对其操作修改与实时动态显示（PC主机端可利用高级语言进行人机界面设计）；2 .在正常时钟显示模式时，时钟具有显示年、月、日、时、分、秒的功能；3 .在正常时钟显示模式时，系统具有整点报时的功能，在离整点前10秒时，自动发出鸣叫声，步长1秒，每间隔1秒鸣叫一次，前4响是低音，后1
14、响为高音，共鸣叫5次，最后1响结束时为整点。高音频率为IKHz;4 .在系统校准模式时，系统具有快速校准时间的功能；5 .在秒表计时模式时，可兼做比赛时间记录表。秒表记时的精度为0.1秒，由3个键分别控制秒表的启动、清零、记录功能，可连续记录3组时间，并能够显示记录时间；6 .系统显示器采用LCD液晶显示器1602或其它显示器件，并采用键盘对相关数据进行设置与操作。第2章系统方案设计2.1 系统方案设计系统方案设计方案一：用单片机为核心完成多功能电子时钟的各种功能，由时钟芯片来提供及时方式，再通过蜂鸣器报时，通过键盘来定时，修改时间，实现秒表的启停和存储，通过显示器来显示时间。示意框图如图2-
15、1所示。图2-1由单片机构成的多功能电子时钟框图方案二：以FPGA为核心来实现多功能电子时钟的功能，以模块化，自上而下的方式来编写程序，然后由时钟芯片来提供及时方式，再通过蜂鸣器报时，闹钟，通过键盘来定时，修改时间，实现秒表的启停和存储，通过显示器来显示时间。示意框图如图2-2所示。键盘S方案二:使F图力时钟和器件搭蜂鸣器然后将所：FPGA构成的多功显示富块图2-3由电珞模块构成的多功能电子时钟框图显示电路电源电校准电路2.2 方案的选择与论证2.2.1 方案的比拟与论证以上三个方案都可以实现多功能电子时钟的功能要求。其中方案一灵活性大，便于修改，本钱低，但是经常会有死机情况，重启会复位,需要
16、重新设置时间。方案二使用的是模块化的编写方法，外围电路要求较简单，不会因为掉电后重启就需要重置信息，但是本钱高，固化后难以修改。方案三设计需要整理的材料包括各种计数器芯片、实现与、或、非等各种根底逻辑运算所需的芯片、7段数码管、LED点阵、各种可能使用到的开关、7805芯片、变压器、整流桥、电阻、电容、蜂鸣器等。电路较为繁琐，不易大批量生产且调试起来很困所以相比拟而言，选择本钱较低的，便于修改的方案一。第3章系统各模块的硬件设计3.1 单片机控制模块单片机的介绍单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大局部功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大局部部件：CP
17、U、内存、内部和外部总线系统，目前大局部还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器(Microcontroler),是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器开展而来。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提及要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的开展便分道扬镰。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是IN
18、TEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上开展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统宜到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大开展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型
19、号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。下面重点介绍STC89C52：STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FlaSh存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改良使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FlaSh,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高
20、灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节FIaSh,512字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM,MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构)，全双工串行口。另外STC89C52可降至OHZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz,6T/12T可选。STC89C52RC单片机:8K字节程
21、序存储空间:512字节数据存储空间；内带2K字节EEPROM存储空间；可直接使用串口下载；AT89S52单片机:8K字节程序存储空间；256字节数据存储空间；没有内带EEPRoM存储空间;单片机的最小系统如下列图所示,18引脚和19引脚接时钟电路,XTALl接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出第9引脚为复位输入端,接上电容，电阻及开关后够上电复位电路,20引脚为接地端,40引脚为电源端.图3-1为STC89C52的管脚图。图3-1单片机STC89C52引脚图引脚功能简介：单片机的40个引脚大致可分
22、为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。1,电源(1)VCC-芯片电源，接5V：(2) VSS-接地端；2、时钟XTAL1、XTAL2：晶体振荡电路反相输入和输出端。3、控制线(I)ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲ALE功能：用来锁存Po口送出的低8位地址PRoG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。(3) PSEN：外ROM读选通信号。(3)RSTVPD:复位/备用电源。RST(ReSet)功能：复位信号输入端。VPD功能：在VCC掉电情况下，接备用电源。4) )EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选
23、择端VPP功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。5) I/O线89C52共有4个8位并行I/O端口：PO口、Pl口、P2口、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P0：经上拉电阻后作为液晶模块的数据输入端。P3.5作为LCDI602的RS端P3.4作为LCDI602的RW端P3.3作为LCDl602的EN端P3.7作为蜂鸣器的输出端P1.0作为DS1302的CLK端P1.1作为DS1302的IO端P1.2作为DS1302的RST端P.3P1.5作为按键选择端P2.0键盘电路的输入端3.1.3 单片机晶振模块设
24、计单片机晶振的作用是为系统提供根本的时钟信号。没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。单片机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。一个机器周期包括12个时钟周期。因为我们选择了12MHZ晶振，它的时钟周期是1/12us,它的一个机器周期是12x(1/12)us,也就是lus。电路设计如下列图3-2所示:图3-2单片机晶振电路3.1.4 单片机复位电路设计单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST
25、引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，那么CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。我们采用的是上电复位，通电后回到初始化。电路如下列图3-3所示：图3-3单片机复位电路3.2 时钟电路DS13023.2.1 DS13O2简介DS1302是由美国DALLAS公司推出的一种低功耗、高性能的实时时钟芯片，实时时钟可提供年、月、日、时、分和秒的调整，一个月的30天与31天可以自动调整，且具有闰年的自动补偿功能。此款时钟芯片附加31字节的静态RAM,用SPI
26、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和RAM数据。工作电压2.55.5V。采用主电源和备用电源的双电源供电，并且可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广范应用于多个领域。时钟电路如下列图3-4所示：图3-4DS1302时钟电路3.2.2 DS1302引脚介绍Vccl:主电源；Vcc2:备份电源。当Vcc2Vccl+0.2V时,由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2歹三E8XXXX0100(5)S4DTdt工卜-V,QXXX
27、X0101(6)K5EUeU口才十3LG0XXXX0110(7)&6FVfVT力二9PXXXX0111()I7GWgW7又7XXXXX1000(1)(8HXhX夕木UfXXXXX10019IYIy力勺/Jk-1FXXXX1010瑞）*:JZJZX八UJ干XXXX1011(4)十*Kk才廿匕口X万XXXX1100(5)NAnT三电八nXXXX1111/?O-O*yT口亦1.CDI602的使用方法1.CD1602根本操作时序如下表所示表3-5时序操作说明表操作输入输出读状态RS=L,RW=H,E=HD()D7=状态字写指令RS=L,RW=L,D0D7=指令码，E=高脉冲无读数据RS=H,RW=H,
28、E=HDOD7=数据写数据RS=H,RW=L,DOD7=数据，E=高脉冲无3.6 蜂鸣报警电路模块设计当S8550三极管的基极为低电平时，三极管那么导通，然后蜂鸣器的上端变为高电平那么可以进行整点报时。电路如下列图3-9所示：图3-9蜂鸣器电路第4章系统软件设计在硬件设计的根底上，根据硬件设计的各个模块，完成软件设计。利用独立式按键控制定时、校时、秒表功能设计，由时钟电路提供计时方式，同时通过液晶显示器显示时间，4.1 总程序设计思路及总流程图总流程图如下4-1所示：图4-1总程序流程图第5章系统调试与数据分析5.1 硬件电路的制作和调试5.1.1 硬件电路的焊接通过合理的布局，用了一天的时间
29、完成了电路的焊接。5.1.2 硬件电路的调试电路的焊接并不是一次成功的，遇到的问题如下:(1)电路完成后，通过USB接通到电脑上发现不能够正常供电。通过模拟万用表查找电路发现单片机未供电，连通之后依然没有通电，后发现是电脑USB接口不够灵敏的问题换掉之后便正常通电了。(2)通电后LCD1602一直是蓝屏，调试软件依然不能够使液晶正常显示，屡次失败后，借用了其他同学的STC89C52芯片，程序烧进去后可显示字符。(3)虽然可以显示字符但是发现时间经过校准之后无法保存，退出之后，时间依然是初始化时间。后经过查找资料，发现是校准程序那局部的问题，即时间校准虽写到了时钟芯片上但未正确读取。(4)在正常
30、显示模式下，进入秒表后，时间快了2倍。后跟沈美晶同学研究讨论加了一个秒表中断，改变精度通过屡次尝试最后是时间较为精准。5.2 软硬件功能分析本次综合实训设计的多功能电子时钟可以显示年、月、日、时、分、秒，有整点报时，能够快速校准全新的时间，有秒表计时功能并且可以记录3组数据，功能介绍如下：(I)正常显示功能：将程序下载到单片机里后就会进入正常显示，ZCXS就是表示正常显示，模块实物图如下5-1所示：图5-1正常显示(2)校时功能：当按下校时按键后就会显示调节界面JaoZhUn就是表示调节，进入后就可以调节年，在按一下校时按键就可以对月进行校时，以此类推，以此可以调节日、时、分、秒,实物图如下列
31、图5-2所示；图5-2时钟校准(3)秒表计时功能：当按下进入校准模式按键后再按下进入按键就可以进入秒表计时界面，当按下记录按键后那么可以对时间进行记录，依次按三次可以记录三组数据实物图如下列图5-3所示：图5-3秒表升时(4)清零功能:进入秒表模式后，按下清零键也是进入秒表的按键）后就会把当前计时的时间变为零并且把三组记录时间也清零，如下列图5-4所示：图5-4秒表清零5.3 测试结果分析（1）当硬件通电后，那么LCDl602显示器那么会根据DS1302的初始化时间进行显示并开始计时。（2）按下校时按键后就会进入校时模式，开始进入的时候默认的是在年的位置，可以继续按校时按键依次可以调节月、日、
32、星期、时、分、秒。选定区域后可以通过上调按键和下调按键进行校时，调好后可以按退出键，进入正常显示模式，并且显示之前自己校时的时间。（3）按下校时按键再接着按下秒表计时按键后那么会进入秒表计时模式，按下校时的上调按键就可以对时间进行记录，可以按三下进行三次记录，再按下显示按键就可以把三组计时数据进行显示。第6章总结与展望本设计主要是对多功能数字时钟的秒、分、时、天、月、年、周，整点报时，定时闹钟等进行软件仿真，没有做出具体的实物，因此本设计要想运用于实际，还有好多方面需要进一步加强与改良，比方，在实际应用中，由于存在按键，故定会存在机械震动，所以按键消抖模块是必不可少的。在实际生活中，数字钟还需
33、要扩展功能，如，自动报时功能，记忆存储功能等。当今，数字钟的运用可谓多种多样，生活中的计时功能，工业上运用在自动控制系统中，航空航天领域多种仪器仪表也用到了数字钟，还有医疗上，交通上等等。相信在未来，数字钟的运用还会更加的广泛，更好的方便人们的生活。参考文献1谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计（第2版）M.北京：清华大学出版社,2023:183-186.2肖金球.单片机原理与接口技术M.北京：清华大学出版社,2003.3罗印升.单片机微机原理与应用.北京：机械工业出版社M,2023:111-127.4宋晓梅现代电子系统设计教程M.北京：北京大学出版社,2023.5李广飞.单片机课
34、程设计实例指导M.北京：北京航空航天大学出版社,2005:77-95.6宋晓梅现代电子系统设计教程M.北京:北京大学出版社,2023.谭会生，张昌凡.EDA技术及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2002.谢幻如.多媒体教学软件设计M.北京：电子工业出版社，1999.9王开军，姜宇柏.面向CPLD/FPGA的VHDL设计M.北京：机械工业出版社，2006.10吕思忠.数子电路实验与课程设计M.哈尔滨工业大学出版社，2001.11朱巧明.用VB来开发辅助教学软件J.苏州大学学报（自然科学版），1998.12张强，刘可薇.基于FPGA的多功能数字钟的设计与实现J.仪器仪表用户，2023.13万敏.北京理工大学ASlC研究所.VHDL语言100例
