多功能數字鐘設計

1、1 前 言時鐘，自從它被發(fā)明的那天起，就成為人們生活中必不可少的一種工具，尤其是在現(xiàn)在這個講究效率的年代，時鐘更是在人類生產、生活、學習等多個領域得到廣泛的應用。然而隨著時間的推移，人們不僅對于時鐘精度的要求越來越高，而且對于時鐘功能的要求也越來越多，時鐘已不僅僅是一種用來顯示時間的工具，在很多實際應用中它還需要能夠實現(xiàn)更多其它的功能。諸如鬧鐘功能、日歷顯示功能、溫度測量功能、濕度測量功能、電壓測量功能、頻率測量功能等。鐘表的數字化給人們的生產生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能可以說，設計多功能數字時鐘的意義已不只在于數字時鐘本身，更大的意義在于多功能數字時鐘在許多實時控

2、制系統(tǒng)中的應用。在很多實際應用中，只要對數字時鐘的程序和硬件電路加以一定的修改，便可以得到實時控制的實用系統(tǒng)，從而應用到實際工作與生產中去。因此，研究數字時鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。1.1 單片機的發(fā)展趨勢 自單片機出現(xiàn)至今，單片機技術已走過了近20年的發(fā)展路程?？v觀20年來單片機發(fā)展里程可以看出，單片機技術的發(fā)展以微處理器（MPU）技術及超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展為先導，以廣泛的應用領域拉動，表現(xiàn)出較微處理器更具個性的發(fā)展趨勢。 MPU發(fā)展中表現(xiàn)出來的速度越來越快是以時鐘頻率越來越高為標志的。而單片機則有所不同，為提高單片機抗干擾能力，降低噪聲，降低時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機

3、技術發(fā)展之追求。一些8051單片機兼容廠商改善了單片機的內部時序，在不提高時鐘頻率的條件下，使運算速度提高了許多。此外，80C51單片機在市場上的貨源充足，技術比較成熟，同時也具有較好的開發(fā)環(huán)境。2方案比較2.1控制部分方案一: 采用普通MCS-51單片機作為總的控制元件。方案二: 采用凌陽單片機SPCE061A作為總的控制元件。比較論證: 方法一MCS-51單片機功能較少， 不含有模數轉換等功能,因此需增加一些外圍電路來實現(xiàn)一些功能,使電路復雜化,精確度不高，采樣速率偏低。而方法二簡化了電路，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。凌陽SPCE061A在設計方面提供了極大的方便，它的好處在于，功能較多,因為它不僅

4、囊括了普通單片機的所有功能，更增加了許多新的功能，如: A/D、D/A轉換， 語音等,另外又提供了便利的編程環(huán)境。更重要的是凌陽單片機接口較多，所需外部按鍵較少，因此可采用獨立式鍵盤。2.2顯示部分方案一: 采用數碼管顯示。方案二: 用OCJM4*8液晶圖文顯示器顯示。比較論證: 就我們的需要而言數碼關顯示內容單一,不易產生生動具體的圖文,而OCJM4*8液晶圖文顯示器給我們提供了更大的發(fā)揮空間,看起來舒服自然,而且能增加顯示的美觀性與直觀性。最重要的是提供了友好的人機界面。 2.3頻率測試部分方案一: 利用比較器和分離的三級管電路來完成。方案二: 利用 光耦4N26測試頻率比較論證:方法一用

5、了很多分離的元件，電路相當復雜,調試起來比較困難,穩(wěn)定性不好。而方法二用模塊實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，克服了上述問題。2.4電壓過壓，欠壓判斷部分方案一: 由純硬件實現(xiàn),設計麻煩,而且使用很多分立元件,不僅穩(wěn)定性不好，調試起來也困難。方案二: 以單片機采樣，輔以少量的邏輯電路。充分發(fā)揮凌陽單片機的功能,簡化了系統(tǒng)的硬件設計,并充分發(fā)揮數量不多的數字邏輯器件的作用,實現(xiàn)了題目要求的擴展部分。綜上所述：我們采用凌陽單片機作為控制元件，用OCJM4*8液晶圖文顯示器顯示，利用光耦4N26測試頻率，以單片機采樣、輔以少量的邏輯電路判斷過壓、欠壓3  總體方案 3.1工作原理利用單片機SPCE061A作

6、為本系統(tǒng)的中控模塊。單片機可把由PT100、DS1302、頻率測試電路，電壓轉換電路讀來的數據利用軟件來進行數模轉換，從而把數據傳輸到顯示模塊，實現(xiàn)溫度、日歷、頻率、電壓的顯示。OCJM4*8液晶顯示器為主要的顯示模塊，把單片機傳來的數據顯示出來。利用遙控器來實現(xiàn)非接觸止鬧功能。在顯示電路中，主要靠按鍵來實現(xiàn)各種顯示要求的選擇與切換。3.2電路原理圖4 硬件設計4.1 凌陽單片機接口電路輸入/輸出接口（簡稱為I/O口）是單片機與外設交換信息的通道。輸入端口負責從外接收檢測信號、鍵盤信號等各種開關量信號。輸出端口負責向外界輸送由內部電路產生的處理結果、顯示信息、控制命令、驅動信號等。此

7、單片機有兩個16位通用的并行接口：A口和B口。這兩個口的每一位都可通過編程單獨定義成輸入或輸出口。B口除了具有常規(guī)的輸入/輸出功能外，還有一些特殊功能。 圖表 14.2 按鍵電路    按鍵電路簡單，易于控制；按鍵控制接口部分由9個按鍵組成 ：    調整時間/鬧鐘鍵、時鐘開/關鍵、小時按鍵、分鐘按鍵、加記數鍵、減記數鍵、確定鍵、切換溫度/頻率和電壓鍵、接觸式止鬧鍵 4.2.1按鍵功能說明1.調整時間/鬧鐘鍵：按一次：開始設置時間；按兩次：開始設置鬧鐘；依次循環(huán)。   2.小時按鍵：調整時間/鬧鐘狀態(tài)下，

8、此鍵開始有效。按一次表示開始設置相應的小時； 3.分鐘按鍵：調整時間/鬧鐘狀態(tài)下，此鍵開始有效。按一次表示開始設置相應的分鐘； 4.加、減計數鍵在時間調整時，按一下，分鐘或小時數加減一5.確定鍵調整完后按此鍵確認6.切換溫度/頻率和電壓鍵，切換屏幕7.接觸試止鬧鍵，當鬧鈴響時，按下此鍵，停止振動 圖表 24.3電網頻率測試電路  以光耦4N26和施密特觸發(fā)器CD40106作為主要元器件。在此電路中光耦是測量頻率的主要元件它可以接220伏交流，也可接較低的電壓，但其電流必須控制在10mA以下。因此必須經過一電阻把它接在220V-7.5V交流變壓器的輸出端，電阻阻值應為7.5V*1.4/

9、10mA=1K。為防止光耦內部二極管被反響電流擊穿，必須在外部接一反向二極管。而施密特觸發(fā)器CD40106則是被用來調整光耦的輸出的。使輸出脈沖更加規(guī)則，進一步有利于凌陽單片機算出正確頻率。計算方法：當從CD40106輸出的脈沖下降沿到來時觸發(fā)中斷計數器開始計數，一秒鐘后計數完成，讀出數據，即頻率。 圖表 34.4電壓轉換電路為了實現(xiàn)220V供電，并完成對電壓的監(jiān)控功能，我們采用了一  220-7.5V交流變壓器，并且利用"橋堆"整流、7805元件組成了5V直流電源 ，達到了220V供電的要求。利用"橋堆"全波整流輸出直流電壓10（7.5*1.

10、4）V，其中電容濾波電路中電容、電阻取值計算如下：電容濾波條件：RC=（3-5）T/2，因其電流取值應在5mA左右所以R=10V/5mA=2K;C=(5*0.01)/2=25uF又因為凌陽管腳采樣電壓不高于3.3V,故采用1K電阻和1K滑動變阻器(電位器)串聯(lián)。    對于欠壓、過壓的監(jiān)測是利用了凌陽加軟件來實現(xiàn)A/D轉換，其具體實現(xiàn)過程為： 單片機讀入一低壓直流電壓值X，設其標志電壓Y（當供電電壓為220V時單片機采樣電壓）當0.9Y=<X=<1.10Y時供電電壓正常；當X<0.9Y時蜂鳴器欠壓報警；當X>=1.10Y時蜂鳴器過壓報警 。

11、然后經過數據處理顯示實際交流電壓值。5特殊元器件介紹5.1SPCE061A凌陽單片機凌陽的 16 位單片機就是為適應這種發(fā)展而設計的。它的 CPU內核采用凌陽最新推出的 nSP(TM)（Microcontroller and Signal Processor）16 位微處理器芯片（以下簡稱 nSP(TM)）。圍繞nSP(TM)所形成的 16 位 nSP(TM)系列單片機（以下簡稱 nSP(TM)家族）采用的是模塊式集成結構，它以 nSP(TM)內核為中心集成不同規(guī)模的 ROM、RAM 和功能豐富的各種外設接口部件nSP(TM)內核是一個通用的核結構。除此之外的其它功能模塊均為可選結構，亦即這種

12、結構可大可小或可有可無。借助這種通用結構附加可選結構的積木式的構成，便可形成各種不同系列派生產品，以適合不同的應用場合。nSP(TM)家族把各功能部件模塊化地集成在一個芯片里，內部采用總線結構，模塊化的結構易于系統(tǒng)擴展，以適應不同用戶的需求。 nSP(TM)家族的中斷系統(tǒng)支持 10 個中斷向量及 10 余個中斷源，適合實時應用領域。 nSP(TM)家族片內帶有高尋址能力的 ROM、靜態(tài) RAM 和多功能的 I/O口。另外，nSP(TM)的指令系統(tǒng)提供具有較高運算速度的 16 位 16 位的乘法運算指令和內積運算指令，為其應用增添了 DSP 功能，使得 nSP(TM)家族運用在復雜的數字信號處理

13、方面既很便利，又比專用的 DSP 芯片廉價。 nSP(TM)指令系統(tǒng)的指令格式緊湊，執(zhí)行迅速,并且其指令結構提供了對高級語言的支持,這可以大大縮短產品的開發(fā)時間。 低功耗、低電壓 nSP(TM)家族采用 CMOS 制造工藝，同時增加了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗。另外， nSP(TM)家族的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時正常工作，且能用電池供電。這對于其在野外作業(yè)等領域中的應用具有特殊的意義。5.2施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器是一種用途十分廣泛的脈沖單元電路。利用它所具有的電位觸發(fā)特性，可以進行脈沖整形，把邊沿不夠規(guī)則的脈沖整形為邊沿陡峭的矩形脈沖通過它可以進行波形

14、變換，把正弦波變換成矩形波另一個重要用途就是進行信號幅度鑒別只要信號幅度達到某一設定值，觸發(fā)器就翻轉，所以常稱它為鑒幅器。用施密特觸發(fā)器還能組成多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器呢。5.3模數轉換器ADC0809 ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行模數轉換的器件。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。ADC0809的工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 AD轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換

15、正在進行。直到AD轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。5.4 液晶顯示器LCD顯示器的原文是Liquid Crystal Display，取每字的第一個字母組成，中文多稱液晶平面顯示器或液晶顯示器。其工作原理就是利用液晶的物理特性：通電時排列變得有序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過，說簡單點就是讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。 LCD的好處有： 與CRT顯示器相比，LCD的優(yōu)點主要包括零輻射、低功耗、散熱小、體積小、圖像還原精確、字符顯示銳利等。 選

16、購LCD，有幾個基本指針： 高亮度:亮度值愈高，畫面自然更亮麗，不會朦朧霧霧。亮度的單位為cd/m2，也就是每平方公尺分之燭光。低階的LCD亮度值，有低到150 cd/m2，而高階的顯示器，則可高達250cd/m2。 高對比:對比愈高，色彩更鮮艷飽和，且會顯的立體。相反的，對比低，顏色顯的貧瘠，影像也會變得平板。6 軟件設計  流程圖說明：開始時初始化所有數據，然后掃描看是否有按鍵按下，若有，則判斷是哪個功能鍵在動作，進行相應的操作，操作完成后，判斷確認鍵是否動作，若是，則返回，若否，則繼續(xù)執(zhí)行。直到確認鍵作用。在本設計中，晶體振蕩器頻率為6MHz，T0定時時間為100ms，T0工作

17、于方式1，則T0的初值為：X=（最大計數值M定時時間t/及其周期Tm）=216 -100ms/2us=15536=3CB0H7   系統(tǒng)調試與分析7.1時間  調試方法:利用秒表的精確記時與數字鐘的時間相比較。精確度測試次數12345秒表300.06600.20900.101200.401500.03數字鐘30060090012001500時間顯示  鬧鐘： ON/OFFAM 11時28分39秒時間調整    時間設置： 小時 / 分鐘 AM 11時45分      

18、0;        鬧鐘調整      鬧鐘設置： 小時 / 分鐘 AM 11時 45 分非接觸止鬧在實現(xiàn)本功能的時候由于凌陽的高電平輸出管腳的電流不能夠驅動蜂鳴器產生交大的報警聲，因此我們采用了一個三極管放和一個繼電器無線控制組成的的電路模塊來完成這一功能。7.2溫度次數1234567實溫0102030405060電阻50.052.154.356.458.560.762.8顯示0.810.62029.84049.559.2溫度顯示現(xiàn)場溫度22度7.3頻率頻率電壓顯

19、示頻率52赫茲電壓221伏1. 頻率：調試方法：定時1秒，測出脈沖數，即直接測量頻率測試數據：次數12345678910預測頻率10243240516271859099實測頻率102432405162718590992. 電壓：測試數據：次數12345678910預測電壓246240230225220215210205200194實測電壓252246234227222214208203197190分析總結           基本部分：小時與分鐘的設置與顯示良好,AM、PM不僅在屏幕上很好顯示，

20、指示燈指示良好鬧鐘時間設置、及開關功能也很好，鬧鐘開，顯示ON，指示燈亮，鬧鐘關，顯示OFF，指示燈滅。發(fā)揮部分：溫度顯示與現(xiàn)場溫度基本一致，誤差很??；頻率及電壓也成功的顯示出來；遙控器能很好的控制鬧鐘，實現(xiàn)了非接觸止鬧功能。創(chuàng)新部分：增加了語音報時功能；時間能顯示到秒；增加了日歷功能，能夠顯示年月日、星期；鬧鐘可以一次可以定多個不同的時間，實現(xiàn)一次定時，多次提醒的功能；頻率顯示范圍可達到0-99赫茲；通過這次設計，我比以前更加了解單片機的管腳以及各個管腳的作用，更加明白單片機在現(xiàn)實生活中占有重要的地位，我們應該多做點相關的設計，才有助于更好的掌握設計的流程和方法。我們思考問題的方式不對，思維

21、有時容易陷入死胡同。就比如說在網上查資料時，有一些資料對自己明明很有用，但就是反映不過來。學校的校園網能夠鏈接到學校的圖書館，在前幾次上機時，己就沒有去網上圖書館查東西，其實很方便啊，學校每年付錢給各種期刊網站，就是給我們利用的。就像這個網站：等我用Google搜索時才發(fā)現(xiàn)很多東西都在上面的網站中。這才再次去機房下資料。這個設計里面的溫度傳感器開始準備用二級管，可是老師說二級管的靈敏度不好，現(xiàn)在都在使用熱敏電阻。于是我又從網上找了選用MF53-1型熱敏電阻作為溫度傳感器（Rt），它具有負溫度系數，靈敏度較高。我們的實際操作能力很差。甚至繪圖工具protel都要重頭去學，還是有很多東西不懂，發(fā)現(xiàn)

22、自己的能力還是很弱。希望在以后能踏實的學習努力提高自己的專業(yè)知識。致謝首先感謝我的父母，如果沒有你們的從小到大對我的培養(yǎng)，就沒有這一切。感謝教育我的大學XX大學，該大學“求是，明德，卓越”的校訓，“慎思，篤行，進取”的校風，能讓我能夠不斷地學習，努力的進取。感謝應用技術學院，是您創(chuàng)造了這個時機給我們免費上機來查資料，才得以使設計進行下去。感謝帶領我們這一組的XX老師，是他對這個設計提出各種建議，是他對我的各種問題提供詳細的解決方案。結果好像是這個樣子啊。感謝我的多個同學是他們的熱情幫忙，是他們和我一起不停的跑圖書館，不停的查資料，不是他們在設計中不停的提出各種各樣地創(chuàng)造性地建議，不停的修改設計

23、， 這個設計我估計應該也就不會出來了。感謝所有關心我和愛護我的人，雖然我可能認識你們，也可能不認識你們，但是我永遠感覺得到你們對我的情誼。參考文獻 1 康華光 電子技術基礎：模擬部分.第五版.北京:高等教育出版社.2005年2 康華光 電子技術基礎：數字部分.第五版.北京:高等教育出版社.2005年3 張鳳言 電子電路基礎.第二版.北京:高等教育出版社.1995年 4 電子報19552000年合訂本 電子報出版社 2000年5 周航慈 周立功 朱旻 饒運濤 PHILIPS 51LPC系列單片機原理及應用設計北京航天航空大學出版社 2001年6 華成英 童詩白 模擬電子技術基礎 第四版 北京：高

24、等教育出版社2006年4月7 (美)Paul R.Gray Paul J.Hurst   模擬集成電路的分析與設計 北京：高等教育出版社 2006年4月附錄主程序ORG 0100H;MAIN:MOV R1,#10; T0 100馬上定時溢出計數寄存器R1賦初值10MOV P1,#0FFH; 所有指示燈滅MOV SP,#60H; 堆棧指針賦初值60HMOV TMOD,#01H; T0定時、方式1、軟啟動MOV TL0,#0B0H; T0賦初值MOV TH0,#3CH;MOV IE,#82H; 開放T0中斷SETB TR0; 啟動T0SJMP $;定時/計數器0中斷服

25、務程序ORG 0200H;T0INT:DJNZ R1,NEXT; T0溢出10次，即1s進一次采樣處理LCALL ADCON; 調用溫度采樣及模數轉換子程序LCALL CALCU; 調用溫度計算子程序LCALL DRVCON; 調用驅動控制子程序LCALL METRICCON; 調用十進制轉換子程序LCALL DISP; 調用數碼管顯示子程序MOV R1,#10; R1重賦值10NEXT:MOV TL0,#0B0H; T0重裝初值MOV TH0,#3CH;RETI;溫度采樣及模數轉換子程序ORG 0300H;ADCON:MOV DPTR,#0F0FFH; 選通ADC0809通道0MOV A,#

26、00H;MOVX DPTR,A; 啟動A/D轉換HERE:JNB P3.3,HERE; 判斷數據轉換是否結束，沒結束則等待MOVX A,DPTR; 讀取轉換后的數據MOV 20H,A; 將從ADC0809中讀取的當前溫度下熱敏電阻上的電壓值存于20H單元RET ；溫度計算子程序ORG 0400H;CALCU:MOV R2,#01H; R2為數據表的索引值寄存器MOV DPTR,#DATATAB; 溫度數據表首地址送DPTRNEXT1:MOV A,R2; 索引值送AMOVC A,A+DPTR; 查表取出某一溫度的數字電壓值CJNE A,20H,K1; 與當前溫度的數字電壓值比較DEC R2; 等于當前溫度的數字電壓值，則查表取出該溫度值作為當前溫度值MOV A,R2;MOVC A,A+DPTR;LJMP K3;K1:JNC K2; 大于當前溫度的數字電壓值，則繼續(xù)取出下一溫度的數字電壓進行比較DEC R2; 小于當前溫度的數字電壓值，則查表取