數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)與制作

1、數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)與制作論文摘要:本畢業(yè)論文基于單片機(jī)技術(shù)原理，以單片機(jī)芯片STC89C51作為核心控制器，通過硬件電路的制作以及軟件程序的編制，設(shè)計(jì)制作一個多功能數(shù)字時(shí)鐘系統(tǒng)。能夠準(zhǔn)確顯示時(shí)間（顯示格式為時(shí)時(shí)：分分：秒秒，24小時(shí)制），可隨時(shí)進(jìn)行時(shí)間調(diào)整，具有鬧鐘時(shí)間設(shè)置、鬧鐘開/關(guān)、止鬧功能以及日歷功能。設(shè)計(jì)以硬件軟件化為指導(dǎo)思想，充分發(fā)揮單片機(jī)功能，大部分功能通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，電路簡單明了，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。同時(shí)，該時(shí)鐘系統(tǒng)還具有功耗小、成本低的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。由于系統(tǒng)所用元器件較少，單片機(jī)所被占用的I/O口不多，因此系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)展性。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 液晶顯示 日歷芯片引言時(shí)鐘

2、，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(shí)鐘更是在人類生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)等多個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而隨著時(shí)間的推移，人們不僅對于時(shí)鐘精度的要求越來越高，而且對于時(shí)鐘功能的要求也越來越多，時(shí)鐘已不僅僅是一種用來顯示時(shí)間的工具，在很多實(shí)際應(yīng)用中它還需要能夠?qū)崿F(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、過欠壓報(bào)警功能等。鐘表的數(shù)字化給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動報(bào)警、按時(shí)自動打鈴、時(shí)間程序自動控制、定時(shí)廣播、自動起閉路燈、定時(shí)開關(guān)烘箱、通斷

3、動力設(shè)備、甚至各種定時(shí)電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。可以說，設(shè)計(jì)多功能數(shù)字時(shí)鐘的意義已不只在于數(shù)字時(shí)鐘本身，更大的意義在于多功能數(shù)字時(shí)鐘在許多實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。在很多實(shí)際應(yīng)用中，只要對數(shù)字時(shí)鐘的程序和硬件電路加以一定的修改，便可以得到實(shí)時(shí)控制的實(shí)用系統(tǒng)，從而應(yīng)用到實(shí)際工作與生產(chǎn)中去。因此，研究數(shù)字時(shí)鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。怎樣讓時(shí)鐘更好的為我們服務(wù)？怎樣讓時(shí)鐘更符合實(shí)際應(yīng)用的需求？這就要求人們不斷設(shè)計(jì)出新型時(shí)鐘，不斷設(shè)計(jì)出適合實(shí)際應(yīng)用的多功能時(shí)鐘。本畢業(yè)設(shè)計(jì)方案正是根據(jù)以上所述并結(jié)合日常生活中對時(shí)鐘功能需求的分析，運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一個適合日常生活需

4、要的多功能數(shù)字時(shí)鐘。此多功能數(shù)字時(shí)鐘除了傳統(tǒng)的顯示時(shí)間功能之外還具日歷功能以及定時(shí)鬧鐘功能。1 主要模塊方案的確定1.1 時(shí)鐘模塊方案的比較與確定方案一：采用TTL、CMOS集成電路實(shí)現(xiàn)的，其系統(tǒng)方框圖如圖1所示。數(shù)字鐘主要由以下幾個部分組成：信號源、分頻器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、六進(jìn)制計(jì)數(shù)器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、BCD七段顯示譯碼/驅(qū)動器、LED(Light-emitting-diode)七段顯示數(shù)碼管、時(shí)間校準(zhǔn)電路和鬧時(shí)電路。這是一種純硬件電路系統(tǒng)，用時(shí)序邏輯電路實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能，用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)鬧鐘報(bào)時(shí)的設(shè)定。該電路具有抗干擾強(qiáng)、計(jì)算精確，使用元器件種類少等優(yōu)點(diǎn)，但是這種實(shí)現(xiàn)方法可靠性差、控制精度低，靈

5、活性小、線路復(fù)雜、安裝調(diào)試不方便，且不具備對測溫信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的功能。要實(shí)現(xiàn)測溫功能必須再添加處理芯片，系統(tǒng)集成度低。方案二：利用可編程邏輯器件PLD（Programmable Logic Devices）實(shí)現(xiàn)?？删幊踢壿嬈骷LD具有集成度高、速度快、功耗小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。且EDA(Electronic Design Automation)軟件的功能和時(shí)序仿真功能使得電路的調(diào)試變得十分方便。這種方案與前一種相比，可靠性增加，同時(shí)可以很好的完成時(shí)鐘的功能。但是對于溫度測量，其不具備對測溫?cái)?shù)據(jù)的處理功能，無法很好的完成擴(kuò)展功能的要求。同時(shí)這種方案只能選用數(shù)碼管顯示，顯示的效果不夠理想。因此，

6、系統(tǒng)的靈活性不夠。方案三：利用單片機(jī)內(nèi)部具有的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能。以12MHz晶振為例，通過計(jì)算可知，使定時(shí)器每50ms產(chǎn)生一次中斷，當(dāng)產(chǎn)生20次中斷后秒單元將加一，以此類推，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒的走時(shí)，并加以顯示。雖然這種方法存在由于系統(tǒng)晶振誤差、溫漂、中斷響應(yīng)時(shí)間的不確定性及定時(shí)器重新裝載時(shí)間常數(shù)所帶來的誤差等不足。而且用這種方法實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘在斷電的情況下將停止走時(shí)，通電后必須再初始化，需要重新調(diào)表。但是利用這種方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)展性。由于時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)大部分是由軟件的編程來實(shí)現(xiàn)的，因此沒有前幾種方案中來自硬件的束縛。只要對數(shù)字時(shí)鐘的程序和硬件電路加以一定的修改，就可應(yīng)用到一些實(shí)時(shí)控制的

7、系統(tǒng)中去。系統(tǒng)的實(shí)用意義更大。通過以上三種方案的比較，決定采用方案三。1.2 顯示模塊方案的比較與確定方案一：采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，這種方法具有亮度高、體積小、重量輕且經(jīng)濟(jì)耐用等優(yōu)點(diǎn)，但其顯示不夠直觀、提供信息量少、不易理解且需要外加譯碼電路，電路連接比較復(fù)雜。利用數(shù)碼管顯示通常有以下兩種方案：靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止。該方式每一位都需要一個8 位輸出口控制。靜態(tài)顯示時(shí)較小的電流能獲得較高的亮度，且字符不閃爍。但當(dāng)所顯示的位數(shù)較多時(shí)，靜態(tài)顯示所需的I/O口太多，造成了資源的浪費(fèi)。動態(tài)顯示：所謂動態(tài)顯示就是一位一位的輪流點(diǎn)亮各個位，

8、對于顯示器的每一位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高穩(wěn)定度的顯示。動態(tài)顯示節(jié)省了I/O口，降低了能耗。但必須考慮LED掃描速度以及LED點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時(shí)間之間比例關(guān)系的安排。方案二：采用液晶LCD(Liquid Crystal Display)顯示。液晶顯示具有功耗低、輕便防震、顯示信息豐富的特點(diǎn)。通過液晶來實(shí)現(xiàn)顯示功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)基本的顯示信息，而且可以顯示豐富的符號指示信息以及文字指示信息，如AM/PM，鬧鐘符號等，信息量豐富且直觀易

9、懂。而且液晶顯示還具有壽命長，不產(chǎn)生電磁輻射污染、無需外加譯碼電路等優(yōu)點(diǎn)。不過相較LED顯示來說，液晶顯示模塊比較昂貴，且編程難度較大。為了使顯示界面友好清晰、操作方便、可顯示信息量大，決定采用方案二。2 硬件設(shè)計(jì)部分 軟件調(diào)試問題分析LED閃爍問題：雖然本次設(shè)計(jì)的最終方案是采用LCD顯示屏實(shí)現(xiàn)顯示功能，但是在進(jìn)行方案比較時(shí)曾采用過LED顯示方法，最初數(shù)碼管顯示不正常，出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)這是由于延時(shí)時(shí)間選擇不當(dāng)造成的。由于數(shù)碼管是采用動態(tài)顯示方式，為了使人眼產(chǎn)生視覺暫留效果，每一次顯示時(shí)都必須加入適當(dāng)?shù)臅r(shí)間延時(shí)。由于一開始所選用的延時(shí)時(shí)間太短，因此出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，在增加顯示延時(shí)之后，數(shù)碼

10、管顯示正常。鬧鈴蜂鳴器異常啟動問題：鬧鈴蜂鳴器的啟動/關(guān)閉是通過單片機(jī)輸出的控制信號來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)當(dāng)前時(shí)間與鬧鐘設(shè)置時(shí)間比較吻合時(shí)，單片機(jī)將對鬧鈴控制口P3.4執(zhí)行取反命令，從而啟動蜂鳴器發(fā)聲。一開始編寫程序時(shí)，沒有對P3.4口的最初狀態(tài)作正確設(shè)置，由于系統(tǒng)開機(jī)復(fù)位后，P3.4口處于高電平狀態(tài)，因此出現(xiàn)一開機(jī)蜂鳴器就處于啟動狀態(tài)的情況。通過在主程序最開始加入對P3.4口取零命令后，蜂鳴器啟動/關(guān)閉控制恢復(fù)正常。按鍵消抖問題：在最初編寫程序時(shí)，鍵盤控制部分按照常例加入了按鍵消抖程序。在實(shí)際調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)按鍵出現(xiàn)反應(yīng)不靈敏現(xiàn)象。這是因?yàn)樵阪I盤控制程序中，除了消抖程序外，還加入了按鍵提示音程序（每次按壓

11、鍵盤時(shí)，蜂鳴器發(fā)出“嗶”的一聲提示音）。由于在調(diào)用提示音子程序時(shí)，實(shí)際上已實(shí)現(xiàn)了一次時(shí)間的延時(shí)，因此再加入按鍵消抖程序的延時(shí)后，致使延時(shí)時(shí)間過長而出現(xiàn)按鍵反應(yīng)不靈敏問題。通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)提示音子程序本身所產(chǎn)生的延時(shí)已能夠滿足按鍵消抖時(shí)間延遲的要求，因此在鍵盤控制程序中無需再加入專門的按鍵消抖程序。在去除按鍵消抖程序后，按鍵控制靈敏度恢復(fù)正常。計(jì)時(shí)顯示異常問題：計(jì)時(shí)程序里面秒值顯示每次達(dá)到60后直接跳變到下一分鐘的01秒，最終會出現(xiàn)24：60：60的時(shí)間顯示。正確的顯示應(yīng)該是秒值達(dá)到59后變成00，時(shí)間值在顯示到23：59：59之后的下一秒顯示為00：00：00。出現(xiàn)這種異常顯示的主要問題在于每次計(jì)

12、時(shí)相應(yīng)的時(shí)鐘計(jì)時(shí)器在向高一位進(jìn)位的時(shí)候沒有將顯存單元清零。因此在計(jì)時(shí)程序里面出現(xiàn)進(jìn)位情況時(shí)，增加相應(yīng)顯存清零的語句后，計(jì)時(shí)顯示恢復(fù)正常。結(jié)論與謝辭本畢業(yè)論文運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，以單片機(jī)STC89C51作為核心控制器，設(shè)計(jì)制作了一個多功能數(shù)字時(shí)鐘。由于時(shí)間和技術(shù)方面的限制，本設(shè)計(jì)的功能還不夠完善和豐富，系統(tǒng)還具有一定的擴(kuò)展空間。在不改變系統(tǒng)硬件電路的基礎(chǔ)上，通過單片機(jī)程序的編制，還能為系統(tǒng)增加其它的功能，如碼表計(jì)數(shù)功能、計(jì)時(shí)倒數(shù)功能、多組定時(shí)功能、鬧鈴音樂提示音功能等。由于系統(tǒng)所用I/O口較少，因此只要對系統(tǒng)硬件進(jìn)行一定改動，利用單片機(jī)空出的I/O口，通過單片機(jī)程序的編制，還能為系統(tǒng)增加其它的功能，如濕度測量功能、家電開關(guān)控制功能等。本次畢業(yè)論文鍛煉了我理解問題、分析問題、解決問題的能力。使我學(xué)會有效查找文獻(xiàn)和篩選對設(shè)計(jì)有用文獻(xiàn)的方法。在設(shè)計(jì)的過程中，吸取了很多前人的設(shè)計(jì)理念。這些文獻(xiàn)資料為設(shè)計(jì)的成功提供了理論和實(shí)踐的指導(dǎo)。在學(xué)習(xí)新知識的同時(shí)，把課程中學(xué)到的理論知識很好的運(yùn)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中來，增強(qiáng)了動手能力和系統(tǒng)開發(fā)研制能力。范靈芝老師從本畢業(yè)論文開始的總體規(guī)劃布置和詳細(xì)要求到設(shè)計(jì)的最終完成以及論文的撰寫和修改，