多功能數(shù)字時鐘設計資料,多功能,數(shù)字,時鐘,設計,資料 多功能數(shù)字時鐘 目 錄 一． 方案論證與比較 二． 系統(tǒng)設計 三． 軟件設計 四． 系統(tǒng)測試與分析 五． 設計總結(jié) 六． 參考資料 摘要 本設計由單片機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)相應的秒值加1；若秒值達到60，則將其清零，并將相應的分字節(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。 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通電流有關，也于點亮時間與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。 本設計從節(jié)省I/O口和降低能耗出發(fā)，采用方案二。 二、系統(tǒng)設計 1．總體設計 （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”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．模塊設計與參數(shù)計算 （1） 碼管顯示：本設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口的相應位變?yōu)榈碗娖?，單片機檢測到該變化后即轉(zhuǎn)到相應的鍵處理程序，同時在程序中點亮相應的發(fā)光二極管。 表1 PB、PC口與鍵和狀態(tài)的對應關系 PB口 PB.0 PB.1 PB.2 PB.3 PB.4 PB.5 PB.6 按鍵 功能 設置時間 設置鬧鈴 小時 分鐘 鬧鈴開 鬧鈴關 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”兩端。當接收器接收到信號并輸出脈沖時，三極管N3導通，相當于“鬧鈴關”接通按下，單片機的相應引腳被置為低電平。單片機檢測到該信號，執(zhí)行相應的關鬧鈴程序。 圖 8 紅外遙控止鬧電路 三、軟件設計 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子程序 蜂鳴器鬧鈴中斷服務子程序流圖如圖10所示。當數(shù)字時鐘處在鬧鈴開狀態(tài)下到達所設置的鬧鈴時間時，進入該中斷服務子程序。此中斷服務子程序的作用是當系統(tǒng)處在鬧鈴狀態(tài)下時，若鬧鈴關鍵按下或有遙控止鬧，則關閉蜂鳴器；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 設置時間 設置鬧鐘 鬧鈴關處理 鬧鈴開處理 關閉報警系統(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”鍵按下或有遙控止鬧 R2=R2-1=0? R1=R1-1=0? 關閉蜂鳴器 恢復現(xiàn)場 返回 Y N N Y N Y N 圖10 蜂鳴器鬧鈴中斷服務子程序 鍵，即可完成對時間的設置。 (2) 按下“設置鬧鈴”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“設置鬧鈴”鍵，則設置完畢。 (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計中使用了12887專用時鐘芯片。 (4) 設置好鬧鈴時間后，按下“鬧鈴開”鍵，在所設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”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，選擇相應的功能，然后按下確認鍵即執(zhí)行相應的功能。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，達到了預期的的。設計制作了一個具有多種功能的數(shù)字時鐘。 本設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 　?。?）具有時間設置（小時和分鐘）、鬧鐘時間設置、鬧鐘開、鬧鐘關功能。 　?。?）數(shù)字顯示小時、分鐘，有AM、PM指示器，鬧鐘就緒燈，蜂鳴器。 　?。?）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》 于海生編 清華大學出版社 1999.6 2.《MCS-51系列單片機原理及應用》 孫涵芳等編 北京航空航天大學出版社 1996.4 3.《綜合電子設計與實踐》 黃正謹?shù)染? 東南大學出版社 2002.3 4.《電子設計競賽賽題解析》 黃正謹?shù)染? 東南大學出版社 2003.5