基于单片机多功能电子时钟的设计说明书

课程设计说明书

课程名称：《单片机技术》

设计题目：基于单片机多功能电子时钟的设计

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2016年 4月22 日

课程设计任务书

基于单片机多功能电子时钟的设计

摘要：设计了一个多功能电子时钟，该系统具有定时、报时、温度显示功能，到设定时间时蜂鸣器会响。该电路主要由时钟芯片模块、液晶显示模块、按键模块、温度传感器模块、蜂鸣器报警电路模块、复位模块构成。软件部分主要通过C程序的编程实现对时钟芯片进行时间数据的读和写，然后通过液晶显示程序将时间显示出来。利用Altium Designer软件对电路图进行了原理图的设计和PCB板的设计，并对电路进行了安装和调试，调试结果与设计预期一致。

关键词：电子时钟、温度显示、Altium Designer、PCB

目录

1.设计背景 (1)

1.1 电子时钟的研究背景 (1)

1.2数字电子时钟的发展趋势 (2)

2.设计方案 (2)

2.1 系统的设计思路 (3)

2.2 系统硬件描述 (3)

2.3 系统软件描述 (4)

2.4 设计程序及预期结果 (4)

3. 方案实施 (5)

3.1主要器件介绍 (5)

3.2单片机的功能 (5)

3.3 单片机最小系统 (8)

3.4电源电路 (10)

3.5液晶显示电路 (11)

3.6键盘电路 (12)

3.7时钟芯片电路 (13)

3.8温度测量电路 (16)

3.9蜂鸣器电路 (16)

3.10原理图的绘制及PCB的布线 (17)

4. 系统调试 (18)

4.1 PCB板的安装 (18)

4.2最小系统的调试 (18)

4.3 液晶显示模块和蜂鸣器报警模块的调试 (19)

4.4 整体调试 (19)

5. 软件设计 (19)

5.1 软件设计总体说明 (19)

5.2主程序流程图 (20)

5.3主程序代码 (20)

6.结果与结论 (21)

7. 致谢 (23)

8.参考文献 (24)

8. 附件 (24)

附件I电路原理图 (24)

附件II PCB布线图 (25)

附件III实物图 (25)

附件IV元器件清单........................... 错误!未定义书签。

附件V子源程序 (26)

1.设计背景

1.1 电子时钟的研究背景

1957年，Ventura发明了世界第一个电子表，从而奠定了电子时钟的基础，电子时钟开始迅速发展起来。现代的电子时钟是基于单片机的一种计时工具，采用延时程序产生一定的时间中断，用于一秒的定义，通过计数方式进行满六十秒分钟进一，满六十分，小时进一，满二十四小时，小时位清零。从而达到计时的功能。传统的数字电子时钟采用了较多的分立元器件，不仅占用了很大的空间而且利用率也比很低。随着系统设计复杂度的不断提高，用传统时钟系统设计方法很难满足设计需求。

20世纪末，电子技术得到了极速的发展，毫无疑问，在其推动下，现代电子产品以及各种高科技产品几乎渗透到了社会的各个领域，这有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度以及综合科技水平的提高，但产品更新换代的频率也越来越快。多功能电子钟不管在性能还是在样式亦或是用途上都发生了重大的变化，许多电子钟都已具备电子万年历、电子秒表、温度检测等功能。同时单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的。

多功能电子时钟除了具有时钟的功能外还可以包含对环境温度检测的功能，温度是一种最基本的环境参数。目前，典型的温度检测控制系统由模拟式温度传感器、A/D转换电路和各种单片机组成。以DS18B20为代表的新型单线总线数字式温度传感器集温度测量和A/D转换于一体，这类传感器可以直接输出数字量，同时与单片机接口电路结构非常简单，可以广泛用于距离远、节点分布多的场合具有较强推广应用价值。

数字电子时钟是采用数字电路实现对时，分，秒数字显示的装置，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或缺的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，数字时钟的精度远远超过老式钟表，钟

表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。例如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电器的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

1.2数字电子时钟的发展趋势

数字电子时钟，自从它发明的那天起就成为人类的朋友，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。但随着时间的推移，社会的进步，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广，可以说时间的准确已成为各行各业安全运行的基础。电子时钟的设计方法有多种，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，还可以利用对单片机编程来实现电子钟。其中，利用单片机实现的电子时钟具有硬件结构简单、编程灵活、便于功能扩展等特点。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。

智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是上世纪90年代中期问世的。此类传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。21世纪后，智能温度传感器毫无疑问正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及高安全性等高科技的方向迅速发展，开发虚拟传感器和网络传感器、研制更先进的单片测温系统已是刻不容缓，在日常生活和自动控制系统中，我们时常会遇到对时间和温度实时监控的需求。这就给具有多种功能的时钟提供了市场，也有了市场开发的前景。本文给出了一种基于单片机实现带温度检测的电子时钟的设计方法和实现过程。

2.设计方案

2.1系统的设计思路

本次设计完成电子时钟年、月、日、时、分、秒的显示及环境温度测量等功能的基础上完成定时闹钟的功能。由于DS12887时钟芯片内含一个锂电池，所以断电情况可以运行十年以上不丢失数据，重新上电后不用校正时钟。硬件电路包括单片机最小系统电路、DS12887实时时钟芯片电路模块、LCD1602液晶显示模块、按键模块、DS18B20温度传感器模块、蜂鸣器报警电路模块；软件部分主要通过c程序的编程实现对时钟芯片进行时间数据的读和写，然后通过液晶显示程序将时间显示出来，通过按键操作实现功能的转换和屏幕的切换。设计中结合硬件、软件的分步调试，达到要求的控制效果。2.2 系统硬件描述

基于单片机系统的电子时钟基本结构框图如图2-1所示该系统所需要的器件包括单片机AT89S52芯片一块，实时时钟芯片DS12887一块，温度传感器DS18B20一块，液晶显示屏LCD1602一块，双4输入与门芯片74LS21一块，蜂鸣器一个，12mHZ的晶振一个，排针排线若干组，电容电阻若干，导线若干，发光二级管一个，三极管一个，按钮5个。

图2.1系统基本结构图

2.3 系统软件描述

系统程序实现三部分功能：时钟部分实现年、月、日、时、分、秒、星期显示和设置、闹钟功能；温度测量部分实现环境温度测量及显示；键盘部分主要为时钟和闹钟设置。

图2.2功能整体流程图

2.4 设计程序及预期结果

该设计的主要流程如下：首先阅读大量参考文献，进行设计方案的确定，然后在

Altium Designer上进行原理图的绘制和修改，在基本电路原理检查无误的情况下，统计所需要的元器件清单(元器件应考虑裕量)。接着把元器件焊接到各个功能电路的模块上，并结合程序进行调试。最后将各个功能的电路程序组合起来，然后再进行总体调试直到成功。

本设计能达到以下结果：

1）显示年、月、日、星期等日历相关信息。通过按键设置年月日和星期，以及定时闹钟。

2）掉电后时钟芯片正常运行，重新上电后不用校正时钟。

3）定时时间到达时，蜂鸣器报警；手动按任意键报警停止；如无人工按键，报警在1.5min后停止。

4）时时温度显示。

3. 方案实施

3.1主要器件介绍

本系统采用AT89S52单片机作为控制器，用LCD液晶显示器作为显示模块，调节时间按键模块，时钟芯片模块，用DS18B20作为温度测量输入模块，用蜂鸣器作为闹钟输出。

3.2单片机的功能

中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

数据存储器(内部RAM)：数据存储器用于存放变化的数据。AT89S52中数据存储器的地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个，

后128个被专用寄存器占用。

程序存储器(内部ROM)：程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。通常采用只读存储器，且其又多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。AT89S52内部配置了4KB闪存。

图3.1 AT89S52引脚图

定时/计数器(ROM)：定时/计数器用于实现定时和计数功能。AT89S52共有2个16位定时/计数器。

并行输入输出(I/O)口：AT89S52共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出，有些I/O口还有其他功能。

全双工串行口：AT89S52内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。·时钟电路：时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。

中断系统：中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。AT89S52共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。

引脚功能如下:

VCC：电源电压。

GND：地。

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

P1口：Pl 是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。

P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I／O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I／0 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收

一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRT0 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。

ALE／PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

PSEN程序储存允许（PSEN ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN 信号。

EA／VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。F1ash 存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。

XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

3.3 单片机最小系统

本设计的单片机最小系统主要包括AT89S52芯片，晶振电路和复位电路。

（一）时钟电路

最小系统晶振电路如图3.2所示。

图3.2 时钟电路

STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL0和XTAL1分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3-9所示，在XTAL0和XTAL1引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。

单片机晶振两个电容的作用：这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十pf。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C式中Cd，Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。

（二）复位电路

无论使用哪种类型的单片机，总要涉及到单片机复位电路的设计．而单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性．许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的[16]。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，

直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才最小系统复位电路如图3.3所示：

图3.3 复位电路

撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。单片机复位电路参数的选定须在振荡稳定后保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。单片机复位电路主要有四种类型：微分型复位电路；积分型复位电路；比较器型复位电路；看门狗型复位电路。

3.4电源电路

图3.4 AC12V变DC5V伏电路

采用桥堆及LM7805将12V交流电转化为该系统需要的+5V直流稳定电压，电路中器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路参数。如图 3.2所示，P5

接口为输入12V交流电，VCC为输出+5V直流稳压电压为系统供电。

3.5液晶显示电路

图3.6液晶显示电路

液晶LCD1602的D0-D7引脚与AT89C52芯片的P2口相接，而控制引脚RS、R/W、CS 则分别接P1.6，P1.5，P1.4。引脚3接一个1K的电位器来调整对比度，从而达到合适的背光灯对比度。

液晶显示模块由于具有低功耗、寿命长、体积小、显示内容丰富、价格低、接口控制方便等优点，因此在各类电子产品中被极广泛地推广和应用。字符型液晶显示模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等点阵式液晶显示模块。本系统设计采用字符型液屏显示模块LCD1602 作为显示器件，这样不仅简化了系统的硬件设计，而且极大地提高了系统的可靠性。字符型液晶显示模块LCD1602是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。LCD1602 可以显示两行，每行16 个字符，采用＋5V 电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。①1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符，芯片工作电压:4.5—5.5V，工作电流:2.0mA(5.0V)，模块最佳工作电压:5.0V ，字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm 。②引脚功能说明：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时

对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS 和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。

LCD1602 读写操作时序总体上来说是比较简单的，掌握其有两种方法：一种是直接看时序图，另外一种方法是直接记忆和总结读写时电平高低和变化。很显然第二种更简单、直接，下面就列出典型读写的时序要求，以方便编写程序。读状态--输入：RS=L，R/W=H，E=H 输出：D0-D7=状态字写指令--输入：RS=L，R/W=L，D0-D7=指令码，E=高脉冲输出：无读数据--输入：RS=H，R/W=H，E=H 输出：D0-D7=数据

写数据--输入：RS=H，R/W=L，D0-D7=数据，E=高脉冲输出：无LCD1602初始化过程：(1)延时15ms(2)写指令38H(不检测忙信号)(3)延时5ms(4) 写指令38H(不检测忙信号)(5)写指令5ms(6) 写指令38H(不检测忙信号)(7)之后每次写指令、读/写数据操作之前均需检测忙信号(8)写指令38H：显示模式设置(9)写指令08H：显示关闭(10) 写指令01H：显示清屏幕(11) 写指令06H：显示光标移动设置(12) 写指令0CH：显示及光标设置。

3.6键盘电路

图3.7键盘电路

74LS21芯片为两组 4 输入与门（正逻辑）。本设计中的四个按键分别接到74LS21芯片的1A，1B，1C，1D，即4输入与门的4个输入。而74LS21的输出1Y则接到AT89S52芯片的P3.2(INT0)引脚，由于该引脚为低电平有效，当警报发生时按下四个按键中任意一个都会使输出1Y变为低电平，则芯片发生中断，报警停止。同时，四个按键key1-key4也接到AT89S52芯片的P1.0-P1.3起到调节时间日期等功能。四个按键中S1为切换键，S2为设定键，S3为上调键，S4下调键。

3.7时钟芯片电路

(一) DS12887功能特点:

DS12887是美国达拉斯半导体公司推出的时钟芯片，此芯片是基于CMOS技术的，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部，这无疑大大简化了外围电路，同时它与目前IBM AT计算机常用的时钟芯片MC146818B和DS1287芯片引脚兼容，可直接进行对等交换。其主要功能如下：

图3.8时钟电路

(1) 内含一个锂电池，断电可运行十年，并且不会丢失数据，时间功能正常运行。

(2) 可计时至2100年前的秒、分、时、星期、日、月、年等日历信息并带有闰年补偿功能。

(3) 可通过编程选择BCD码或者二进制数表示日历和定时闹钟。

(4) 可通过编程选择12小时或24小时制，12小时时钟模式带有PM和AM提示，此外还有有夏令时功能。

(5) 可选择MOTOROLA和INTEL总线时序。

(6) 内部共有128个RAM单元，这在常用的实时时钟中属于较大的。其中14个字节作为时钟和控制寄存器，114字节为通用RAM，所有ARAM单元数据都具有掉电保护功能。

(7) 可编程并选择的方波信号输出。

(8) 中断信号输出(IRQ)和总线兼容，定时闹钟中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。

(9) 三种可供选择的中断方式

-时间性中断

-周期性中断