數(shù)字電子鐘的設計與制作

1、數(shù)字電子鐘的設計與制作論文摘要:本畢業(yè)論文基于單片機技術原理，以單片機芯片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，設計制作一個多功能數(shù)字時鐘系統(tǒng)。能夠準確顯示時間（顯示格式為時時：分分：秒秒，24小時制），可隨時進行時間調(diào)整，具有鬧鐘時間設置、鬧鐘開/關、止鬧功能以及日歷功能。設計以硬件軟件化為指導思想，充分發(fā)揮單片機功能，大部分功能通過軟件編程來實現(xiàn)，電路簡單明了，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。同時，該時鐘系統(tǒng)還具有功耗小、成本低的特點，具有很強的實用性。由于系統(tǒng)所用元器件較少，單片機所被占用的I/O口不多，因此系統(tǒng)具有一定的可擴展性。關鍵詞：單片機 液晶顯示 日歷芯片引言時鐘

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，時鐘更是在人類生產(chǎn)、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、過欠壓報警功能等。鐘表的數(shù)字化給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關烘箱、通斷

3、動力設備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎的?？梢哉f，設計多功能數(shù)字時鐘的意義已不只在于數(shù)字時鐘本身，更大的意義在于多功能數(shù)字時鐘在許多實時控制系統(tǒng)中的應用。在很多實際應用中，只要對數(shù)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(chǎn)中去。因此，研究數(shù)字時鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。怎樣讓時鐘更好的為我們服務？怎樣讓時鐘更符合實際應用的需求？這就要求人們不斷設計出新型時鐘，不斷設計出適合實際應用的多功能時鐘。本畢業(yè)設計方案正是根據(jù)以上所述并結合日常生活中對時鐘功能需求的分析，運用單片機技術，設計出一個適合日常生活需

4、要的多功能數(shù)字時鐘。此多功能數(shù)字時鐘除了傳統(tǒng)的顯示時間功能之外還具日歷功能以及定時鬧鐘功能。1 主要模塊方案的確定1.1 時鐘模塊方案的比較與確定方案一：采用TTL、CMOS集成電路實現(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、十進制計數(shù)器、六進制計數(shù)器、二進制計數(shù)器、BCD七段顯示譯碼/驅動器、LED(Light-emitting-diode)七段顯示數(shù)碼管、時間校準電路和鬧時電路。這是一種純硬件電路系統(tǒng)，用時序邏輯電路實現(xiàn)時鐘功能，用555定時器實現(xiàn)鬧鐘報時的設定。該電路具有抗干擾強、計算精確，使用元器件種類少等優(yōu)點，但是這種實現(xiàn)方法可靠性差、控制精度低，靈

5、活性小、線路復雜、安裝調(diào)試不方便，且不具備對測溫信號進行數(shù)據(jù)處理的功能。要實現(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。且EDA(Electronic Design Automation)軟件的功能和時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，同時可以很好的完成時鐘的功能。但是對于溫度測量，其不具備對測溫數(shù)據(jù)的處理功能，無法很好的完成擴展功能的要求。同時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：利用單片機內(nèi)部具有的計數(shù)器實現(xiàn)時鐘功能。以12MHz晶振為例，通過計算可知，使定時器每50ms產(chǎn)生一次中斷，當產(chǎn)生20次中斷后秒單元將加一，以此類推，從而實現(xiàn)時、分、秒的走時，并加以顯示。雖然這種方法存在由于系統(tǒng)晶振誤差、溫漂、中斷響應時間的不確定性及定時器重新裝載時間常數(shù)所帶來的誤差等不足。而且用這種方法實現(xiàn)的時鐘在斷電的情況下將停止走時，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現(xiàn)的系統(tǒng)具有一定的可擴展性。由于時鐘的實現(xiàn)大部分是由軟件的編程來實現(xiàn)的，因此沒有前幾種方案中來自硬件的束縛。只要對數(shù)字時鐘的程序和硬件電路加以一定的修改，就可應用到一些實時控制的

7、系統(tǒng)中去。系統(tǒng)的實用意義更大。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)碼管進行顯示，這種方法具有亮度高、體積小、重量輕且經(jīng)濟耐用等優(yōu)點，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，就是當顯示器顯示某一字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止。該方式每一位都需要一個8 位輸出口控制。靜態(tài)顯示時較小的電流能獲得較高的亮度，且字符不閃爍。但當所顯示的位數(shù)較多時，靜態(tài)顯示所需的I/O口太多，造成了資源的浪費。動態(tài)顯示：所謂動態(tài)顯示就是一位一位的輪流點亮各個位，

8、對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次。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通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。調(diào)整參數(shù)可以實現(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點亮時間與間隔時間之間比例關系的安排。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。通過液晶來實現(xiàn)顯示功能，不僅可以實現(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。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 硬件設計部分 軟件調(diào)試問題分析LED閃爍問題：雖然本次設計的最終方案是采用LCD顯示屏實現(xiàn)顯示功能，但是在進行方案比較時曾采用過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)這是由于延時時間選擇不當造成的。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，每一次顯示時都必須加入適當?shù)臅r間延時。由于一開始所選用的延時時間太短，因此出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，在增加顯示延時之后，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/關閉是通過單片機輸出的控制信號來實現(xiàn)的，當當前時間與鬧鐘設置時間比較吻合時，單片機將對鬧鈴控制口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，沒有對P3.4口的最初狀態(tài)作正確設置，由于系統(tǒng)開機復位后，P3.4口處于高電平狀態(tài)，因此出現(xiàn)一開機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/關閉控制恢復正常。按鍵消抖問題：在最初編寫程序時，鍵盤控制部分按照常例加入了按鍵消抖程序。在實際調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)按鍵出現(xiàn)反應不靈敏現(xiàn)象。這是因為在鍵盤控制程序中，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，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，實際上已實現(xiàn)了一次時間的延時，因此再加入按鍵消抖程序的延時后，致使延時時間過長而出現(xiàn)按鍵反應不靈敏問題。通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)提示音子程序本身所產(chǎn)生的延時已能夠滿足按鍵消抖時間延遲的要求，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正常。計時顯示異常問題：計時程序里面秒值顯示每次達到60后直接跳變到下一分鐘的01秒，最終會出現(xiàn)24：60：60的時間顯示。正確的顯示應該是秒值達到59后變成00，時間值在顯示到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

12、時相應的時鐘計時器在向高一位進位的時候沒有將顯存單元清零。因此在計時程序里面出現(xiàn)進位情況時，增加相應顯存清零的語句后，計時顯示恢復正常。結論與謝辭本畢業(yè)論文運用單片機技術，以單片機STC89C51作為核心控制器，設計制作了一個多功能數(shù)字時鐘。由于時間和技術方面的限制，本設計的功能還不夠完善和豐富，系統(tǒng)還具有一定的擴展空間。在不改變系統(tǒng)硬件電路的基礎上，通過單片機程序的編制，還能為系統(tǒng)增加其它的功能，如碼表計數(shù)功能、計時倒數(shù)功能、多組定時功能、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)硬件進行一定改動，利用單片機空出的I/O口，通過單片機程序的編制，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。使我學會有效查找文獻和篩選對設計有用文獻的方法。在設計的過程中，吸取了很多前人的設計理念。這些文獻資料為設計的成功提供了理論和實踐的指導。在學習新知識的同時，把課程中學到的理論知識很好的運用到實際設計中來，增強了動手能力和系統(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)劃布置和詳細要求到設計的最終完成以及論文的撰寫和修改，