多功能數(shù)字時鐘設(shè)計資料,多功能,數(shù)字,時鐘,設(shè)計,資料 多功能數(shù)字時鐘 目 錄 一． 方案論證與比較 二． 系統(tǒng)設(shè)計 三． 軟件設(shè)計 四． 系統(tǒng)測試與分析 五． 設(shè)計總結(jié) 六． 參考資料 摘要 本設(shè)計由單片機89C51、DS12887A時鐘芯片、DAC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為核心，輔以必要的電路，構(gòu)成了一個具有多功能的數(shù)字時鐘 。它由220V、50Hz交流電源供電，能夠準確的顯示時間、調(diào)整時間、鬧鐘定時，并能夠?qū)r鐘所在的環(huán)境溫度、工作時的電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率進行顯示，還具有電壓欠壓、過壓報警以及非接觸止鬧功能。 一、方案論證與比較 1．數(shù)字時鐘 數(shù)字時鐘是本設(shè)計的最主要的部分。根據(jù)需要，可利用兩種方案實現(xiàn)。 方案一：本方案完全用軟件實現(xiàn)數(shù)字時鐘。原理為：在單片機內(nèi)部存儲器設(shè)三個字節(jié)分別存放時鐘的時、分、秒信息。利用定時器與軟件結(jié)合實現(xiàn)1秒定時中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲器內(nèi)相應(yīng)的秒值加1；若秒值達到60，則將其清零，并將相應(yīng)的分字節(jié)值加1；若分值達到60，則清零分字節(jié)，并將時字節(jié)值加1；若時值達到24，則將十字節(jié)清零。 該方案具有硬件電路簡單的特點。但由于每次執(zhí)行程序時，定時器都要重新賦初值，所以該時鐘精度不高。而且，由于是軟件實現(xiàn)，當單片機不上電，程序不執(zhí)行時，時鐘將不工作。 方案二：本方案采用Dallas公司的專用時鐘芯片DS12887A。該芯片內(nèi)部采用石英晶體振蕩器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完備的時鐘鬧鐘功能，因此，可直接對其以用于顯示或設(shè)置，使得軟件編程相對簡單。為保證時鐘在電網(wǎng)電壓不足或突然掉電等突發(fā)情況下仍能正常工作，芯片內(nèi)部包含鋰電池。當電網(wǎng)電壓不足或突然掉電時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換到內(nèi)部鋰電池供電系統(tǒng)。而且即使系統(tǒng)不上電，程序不執(zhí)行時，鋰電池也能保證芯片的正常運行，以備隨時提供正確的時間。 基于時鐘芯片的上述優(yōu)點，本設(shè)計采用方案二完成數(shù)字時鐘的功能。 2．數(shù)碼管顯示 方案一：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(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。 方案二：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，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(dǎo)通電流有關(guān)，也于點亮?xí)r間與間隔時間的比例有關(guān)。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。 本設(shè)計從節(jié)省I/O口和降低能耗出發(fā)，采用方案二。 二、系統(tǒng)設(shè)計 1．總體設(shè)計 （1）系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)框圖如圖1所示。 數(shù)碼管顯示模塊　　　　　　　 單　片　機 溫度轉(zhuǎn)換模塊 頻率采集模塊 時鐘芯片 報警系統(tǒng) 鍵盤　狀態(tài)顯示 電源 電壓轉(zhuǎn)換模塊 圖1 系統(tǒng)框圖 （2）模塊說明 a. 數(shù)碼管顯示模塊：用數(shù)碼管顯示時間、環(huán)境溫度、電網(wǎng)頻率及電壓溫度轉(zhuǎn)換模塊：測量環(huán)境溫度，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送單片機。 b. 時鐘芯片：用DS12887A時鐘芯片向單片機提供時間與鬧鈴信息。 c. 報警系統(tǒng)：用蜂鳴器。當鬧鈴開且所設(shè)置的鬧鈴時刻到時，蜂鳴器報警，當電網(wǎng)電壓欠壓或過壓時，蜂鳴器也報警。當“鬧鈴關(guān)”鍵按下或有遙控器止鬧時，停止報警。 d. 鍵盤和狀態(tài)顯示模塊：用可編程并行I/O芯片8255接狀態(tài)顯示所用的發(fā)光二極管及選擇各功能的鍵盤。 e. 單片機控制模塊：用89C51實現(xiàn)。是系統(tǒng)的主控制器，控制其它模塊協(xié)調(diào)工作。 f. 電源模塊：向各用電系統(tǒng)提供電源。 g. 電壓轉(zhuǎn)換模塊：測量電網(wǎng)電壓，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送單片機。 2．模塊設(shè)計與參數(shù)計算 （1） 碼管顯示：本設(shè)計采用串行輸出顯示，利用一片8位移位寄存器74LS164給所有數(shù)碼管提供顯示信號，且利用動態(tài)顯示，節(jié)約了單片機I/O口，降低了能耗。數(shù)碼管采用LG5643FH。電路如圖2所示。 （2） 電源模塊：由于單片機及其處圍的用電模塊都用5V或12V直流電源，而電網(wǎng)電壓為220V交流電，因此需要設(shè)計電源。利用8W的變壓器將220V的電網(wǎng)電壓變壓后加在橋式整流電路的兩端進行全波整流。利用三端穩(wěn)壓電源分別產(chǎn)生12V和5V的電壓。三端穩(wěn)壓電源選擇CW7812DS和CW7805DS。原因是它們有過壓保護和過流保護而使其免受高壓或大電流的襲擊；而且與其他三端穩(wěn)壓電源相比，它們更具經(jīng)濟性的特點。 根據(jù)該電源所帶的負載知流過該電源的電壓不超過I=1A。因為變壓器輸出大約為Uo=12V，所以電阻。因為電網(wǎng)電壓一般為220V ，50Hz，所以全波整流后的電壓周期大約為10毫秒。又因為時間常數(shù)ms,所以取。 圖2 數(shù)碼管顯示電路 圖3　電源電路 0.1pf的小電容用于濾掉電路路頻率較高的部分，使電壓輸出更加平穩(wěn)。 （3）頻率采集模塊：如圖４所示，對電源電路中全波整流后的信號進行判斷：若電壓大于＋5V，則二極管正極電壓被嵌位于為5.7V，若小于5V，則為原值不變。因此形成向下的尖脈沖，經(jīng)施密特觸發(fā)器CD4093變?yōu)檎}沖。如圖５所示。施密特觸發(fā)器的輸出接單片機的P1.5口。在單片機內(nèi)部數(shù)1S內(nèi)脈沖的個數(shù)，除以2后即為電網(wǎng)電壓的頻率。 　 圖４　頻率采集電路 圖５　頻率采集電路的波形變換 （４） 溫度轉(zhuǎn)換模塊：用溫度傳感器采集環(huán)境溫度將其轉(zhuǎn)化成模擬量，并將該模擬量送入DAC0809的輸入端進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入單片機89C51進行處理。電路圖如圖6所示。 　　　　　　 　圖6　測溫電路 （５） 電壓轉(zhuǎn)換模塊：因為電網(wǎng)電壓也是模擬量，要想利用單片機對其進行處理仍需將模擬量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換電路如圖７所示。它仍利用電源電路中全波整流后的信號作為輸入。因為頻率采集電路也以全波整流后的信號作為輸入，為了防止電壓轉(zhuǎn)換電路的RC回路產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電壓影響頻率采集電路的工作，應(yīng)在電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端接入二極管。 　　　　　　　　　　　圖７　電壓轉(zhuǎn)換電路 （６） 鍵盤、狀態(tài)顯示模塊：為了使軟件編程簡單，本設(shè)計利用可編程I/O芯片8255。接法如表1所示。PB口接按鍵，PC口則用于控制狀態(tài)顯示所用的發(fā)光二極管。每個按鍵都通過一個10K的上拉電阻接電源+ ,按鍵的另一端接地。當有鍵按下時，與該鍵相連的PB口的相應(yīng)位變?yōu)榈碗娖?，單片機檢測到該變化后即轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理程序，同時在程序中點亮相應(yīng)的發(fā)光二極管。 表1 PB、PC口與鍵和狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系 PB口 PB.0 PB.1 PB.2 PB.3 PB.4 PB.5 PB.6 按鍵 功能 設(shè)置時間 設(shè)置鬧鈴 小時 分鐘 鬧鈴開 鬧鈴關(guān) PC口 PC.1 PC.2 PC.3 PC.4 PC.5 PC.6 PC.7 狀態(tài) 時鐘 溫度 電壓 頻率 AM/PM 鬧鈴響 鈴不響 （７） 報警系統(tǒng)：將蜂鳴器一端接在單片機的P1.6口上，另一端接地。當需要報警時，在口上送上高電平即可；需要關(guān)報警時，則送低電平。 （８） 紅外非接觸止鬧系統(tǒng)：紅外線傳輸穩(wěn)定、可靠，不容易受外界雜散信號的干擾，信號處理簡單。為了簡化系統(tǒng)電路，我們采用了遙控電視機中經(jīng)常使用紅外遙控系統(tǒng)。遙控器直接使用電視機的遙控器，不用改裝。紅外信號的接收，采用紅外光電二極管與放大電路一體的紅外接收器，該器件只有三只引腳，使用極其簡單，電路如圖8所示。用接收器輸出的信號送到三極管N3的基極，N3的集電極、發(fā)射極并接在“鬧鈴關(guān)”兩端。當接收器接收到信號并輸出脈沖時，三極管N3導(dǎo)通，相當于“鬧鈴關(guān)”接通按下，單片機的相應(yīng)引腳被置為低電平。單片機檢測到該信號，執(zhí)行相應(yīng)的關(guān)鬧鈴程序。 圖 8 紅外遙控止鬧電路 三、軟件設(shè)計 1．主程序流程圖 主程序流程圖如圖9所示。 2. 蜂鳴器鬧鈴中斷服務(wù)子程序 蜂鳴器鬧鈴中斷服務(wù)子程序流圖如圖10所示。當數(shù)字時鐘處在鬧鈴開狀態(tài)下到達所設(shè)置的鬧鈴時間時，進入該中斷服務(wù)子程序。此中斷服務(wù)子程序的作用是當系統(tǒng)處在鬧鈴狀態(tài)下時，若鬧鈴關(guān)鍵按下或有遙控止鬧，則關(guān)閉蜂鳴器；蜂鳴器在32.55s之后自動停止。 四、系統(tǒng)測試與分析 1．測試儀器 ： 秒表 溫度表 電壓表 調(diào)壓器 頻率計 低頻信號發(fā)生器 2．基本要求部分的測試與分析 (1) 按下“設(shè)置時間”鍵，觀察到“鐘表” 和“溫度”的發(fā)光二極管同時點亮，此時可對時間進行設(shè)置。按下“小時”，“分鐘”鍵，觀察數(shù)碼管的小時部分和分鐘部分是否隨相應(yīng)按鍵的變化而變化。經(jīng)測試該步可以很好的實現(xiàn)。調(diào)整時間完畢后，再按一下“設(shè)置時間” 開啟報警系統(tǒng) 開始 初始化 顯示時間 讀電壓 電壓>240V? 電壓<200V? 有鍵按下嗎? 判斷鍵值 功能 顯示時間 顯示溫度 顯示頻率 顯示電壓 設(shè)置時間 設(shè)置鬧鐘 鬧鈴關(guān)處理 鬧鈴開處理 關(guān)閉報警系統(tǒng) 顯示電壓 Y N Y N N Y 圖9 主程序流圖 進入中斷子程序 保護現(xiàn)場 蜂鳴器響 MOV R1, #2 MOV R2,#0FFH 定時66.536毫秒 “鬧鈴關(guān)”鍵按下或有遙控止鬧 R2=R2-1=0? R1=R1-1=0? 關(guān)閉蜂鳴器 恢復(fù)現(xiàn)場 返回 Y N N Y N Y N 圖10 蜂鳴器鬧鈴中斷服務(wù)子程序 鍵，即可完成對時間的設(shè)置。 (2) 按下“設(shè)置鬧鈴”鍵，觀察到“電壓”、“頻率”二極管同時點亮；按下“小時”、“分鐘”鍵，觀察數(shù)碼管的小時部分和分鐘部分是否隨相應(yīng)按鍵的變化而變化，經(jīng)測試該部分可很好的實現(xiàn)。調(diào)整好后，再按一下“設(shè)置鬧鈴”鍵，則設(shè)置完畢。 (3) 利用秒表測量數(shù)字時鐘變化1分鐘時的時間間隔。由測試結(jié)果知，誤差范圍很小，其中包括人的反映誤差。若除去人的反映誤差，則由電路造成的誤差可忽略不計。這其中主要的原因是設(shè)計中使用了12887專用時鐘芯片。 (4) 設(shè)置好鬧鈴時間后，按下“鬧鈴開”鍵，在所設(shè)置的鬧鈴時刻觀察蜂鳴器是否產(chǎn)生鬧鈴報警，并觀察代表鬧鈴響與不響的發(fā)光二極管是否點亮。經(jīng)測試該部分也能很好的完成。 (5) 在系統(tǒng)鬧鈴時按下“鬧鈴關(guān)”鍵，觀察鬧鈴是否停止，并觀察代表鬧鈴響與不響的發(fā)光二極管是否點亮。經(jīng)測試該部分也能很好的完成。 (6) 當數(shù)字時鐘的小時位大于12時，觀察代表AM/PM的發(fā)光二極管是否點亮。經(jīng)驗證，當數(shù)字時鐘的小時位大于12時，發(fā)光二極管點亮。 2． 發(fā)揮部分的測試與分析 在該部分中，利用“功能”鍵實現(xiàn)各個功能之間的切換。此時“鬧鈴開”鍵作為各個功能的“確認”鍵。按下功能鍵，選擇相應(yīng)的功能，然后按下確認鍵即執(zhí)行相應(yīng)的功能。再按一下“確認”鍵，即可回到時鐘狀態(tài)。 （1）鍵盤切換現(xiàn)場環(huán)境溫度顯示：按“功能”鍵選擇“溫度”，將溫度傳感器和溫度計放入不同的測試環(huán)境中進行測試，結(jié)果如表2所示。 表2 與標準溫度計測量值比較表 溫度計示值(攝氏度) 0.0 25.2 49.9 70.1 100.0 數(shù)字鐘輸出(攝氏度) 000．0 025．3 050．0 070．3 100.0 由測試知，數(shù)字鐘的輸出與溫度計值基本上相等，誤差不大于0.5度。 （2）鍵盤切換電網(wǎng)頻率、電壓顯示：利用調(diào)壓器改變電網(wǎng)電壓，調(diào)壓器輸出分別接數(shù)字時鐘與電壓表，將它們的電壓值進行比較。如表3所示。利用低頻信號發(fā)生器模擬電網(wǎng)頻率的變化，并將其輸出分別接頻率計和數(shù)字時鐘，將所得頻率值進行比較，如表4所示。 表3 電壓值 電壓表 220 215 200 230 235 數(shù)字時鐘 220．0 214.4 200.2 231.1 235.6 表4頻率值 頻率計 50 48 46 52 54 數(shù)字時鐘 050.0 047.8 045.8 052.1 054.8 （3）欠壓、過壓報警：利用調(diào)壓器改變電壓值，觀測出當電壓大于240或小于200時數(shù)字時鐘具有報警功能。 （4）利用遙控器，當鬧鈴響時，能對其實現(xiàn)遙控止鬧的功能。 五、設(shè)計總結(jié)： 經(jīng)過小組成員的一致努力，完成了本次課題的任務(wù)，達到了預(yù)期的的。設(shè)計制作了一個具有多種功能的數(shù)字時鐘。 本設(shè)計很好的完成了基本功能部分、發(fā)揮部分的功能。 1．基本要求 　　（1）具有時間設(shè)置（小時和分鐘）、鬧鐘時間設(shè)置、鬧鐘開、鬧鐘關(guān)功能。 　?。?）數(shù)字顯示小時、分鐘，有AM、PM指示器，鬧鐘就緒燈，蜂鳴器。 　　（3）220V供電。 2．發(fā)揮部分 　?。?）鍵盤切換現(xiàn)場環(huán)境溫度顯示。（0～60℃1℃） 　?。?）鍵盤切換電網(wǎng)頻率、電壓顯示。 （3）電壓欠壓、過壓報警（～220V10％）功能。 （4）非接觸止鬧功能。 六、參考資料： 1.《微型計算機控制技術(shù)》 于海生編 清華大學(xué)出版社 1999.6 2.《MCS-51系列單片機原理及應(yīng)用》 孫涵芳等編 北京航空航天大學(xué)出版社 1996.4 3.《綜合電子設(shè)計與實踐》 黃正謹?shù)染? 東南大學(xué)出版社 2002.3 4.《電子設(shè)計競賽賽題解析》 黃正謹?shù)染? 東南大學(xué)出版社 2003.5