多功能數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)資料

多功能數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)資料,多功能,數(shù)字,時(shí)鐘,設(shè)計(jì),資料 多功能數(shù)字時(shí)鐘 目 錄 一． 方案論證與比較 二． 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 三． 軟件設(shè)計(jì) 四． 系統(tǒng)測(cè)試與分析 五． 設(shè)計(jì)總結(jié) 六． 參考資料 摘要 本設(shè)計(jì)由單片機(jī)89C51、DS12887A時(shí)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(gè)具有多功能的數(shù)字時(shí)鐘 。它由220V、50Hz交流電源供電，能夠準(zhǔn)確的顯示時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、鬧鐘定時(shí)，并能夠?qū)r(shí)鐘所在的環(huán)境溫度、工作時(shí)的電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率進(jìn)行顯示，還具有電壓欠壓、過(guò)壓報(bào)警以及非接觸止鬧功能。 一、方案論證與比較 1．?dāng)?shù)字時(shí)鐘 數(shù)字時(shí)鐘是本設(shè)計(jì)的最主要的部分。根據(jù)需要，可利用兩種方案實(shí)現(xiàn)。 方案一：本方案完全用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘。原理為：在單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器設(shè)三個(gè)字節(jié)分別存放時(shí)鐘的時(shí)、分、秒信息。利用定時(shí)器與軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)1秒定時(shí)中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲(chǔ)器內(nèi)相應(yīng)的秒值加1；若秒值達(dá)到60，則將其清零，并將相應(yīng)的分字節(jié)值加1；若分值達(dá)到60，則清零分字節(jié)，并將時(shí)字節(jié)值加1；若時(shí)值達(dá)到24，則將十字節(jié)清零。 該方案具有硬件電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但由于每次執(zhí)行程序時(shí)，定時(shí)器都要重新賦初值，所以該時(shí)鐘精度不高。而且，由于是軟件實(shí)現(xiàn)，當(dāng)單片機(jī)不上電，程序不執(zhí)行時(shí)，時(shí)鐘將不工作。 方案二：本方案采用Dallas公司的專用時(shí)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(shí)鐘鬧鐘功能，因此，可直接對(duì)其以用于顯示或設(shè)置，使得軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單。為保證時(shí)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(dāng)電網(wǎng)電壓不足或突然掉電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)，鋰電池也能保證芯片的正常運(yùn)行，以備隨時(shí)提供正確的時(shí)間。 基于時(shí)鐘芯片的上述優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用方案二完成數(shù)字時(shí)鐘的功能。 2．?dāng)?shù)碼管顯示 方案一：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(gè)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)。 方案二：動(dòng)態(tài)顯示。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位的輪流點(diǎn)亮各個(gè)位，對(duì)于顯示器的 每一位來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺(jué)暫留功能可以看到整個(gè)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(diǎn)亮?xí)r間與間隔時(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(dòng)態(tài)顯示節(jié)省了I/O口，降低了能耗。 本設(shè)計(jì)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(jì) 1．總體設(shè)計(jì) （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(jī) 溫度轉(zhuǎn)換模塊 頻率采集模塊 時(shí)鐘芯片 報(bào)警系統(tǒng) 鍵盤(pán)　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(shuō)明 a. 數(shù)碼管顯示模塊：用數(shù)碼管顯示時(shí)間、環(huán)境溫度、電網(wǎng)頻率及電壓溫度轉(zhuǎn)換模塊：測(cè)量環(huán)境溫度，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)。 b. 時(shí)鐘芯片：用DS12887A時(shí)鐘芯片向單片機(jī)提供時(shí)間與鬧鈴信息。 c. 報(bào)警系統(tǒng)：用蜂鳴器。當(dāng)鬧鈴開(kāi)且所設(shè)置的鬧鈴時(shí)刻到時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)電網(wǎng)電壓欠壓或過(guò)壓時(shí)，蜂鳴器也報(bào)警。當(dāng)“鬧鈴關(guān)”鍵按下或有遙控器止鬧時(shí)，停止報(bào)警。 d. 鍵盤(pán)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(pán)。 e. 單片機(jī)控制模塊：用89C51實(shí)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(cè)量電網(wǎng)電壓，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)。 2．模塊設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 （1） 碼管顯示：本設(shè)計(jì)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(hào)，且利用動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)約了單片機(jī)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(jī)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(jì)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(jìn)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(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)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(jì)性的特點(diǎn)。 根據(jù)該電源所帶的負(fù)載知流過(guò)該電源的電壓不超過(guò)I=1A。因?yàn)樽儔浩鬏敵龃蠹s為Uo=12V，所以電阻。因?yàn)殡娋W(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?yàn)闀r(shí)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(duì)電源電路中全波整流后的信號(hào)進(jìn)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(jī)的P1.5口。在單片機(jī)內(nèi)部數(shù)1S內(nèi)脈沖的個(gè)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入單片機(jī)89C51進(jìn)行處理。電路圖如圖6所示。 　　　　　　 　圖6　測(cè)溫電路 （５） 電壓轉(zhuǎn)換模塊：因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓也是模擬量，要想利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理仍需將模擬量進(jìn)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(hào)作為輸入。因?yàn)轭l率采集電路也以全波整流后的信號(hào)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(pán)、狀態(tài)顯示模塊：為了使軟件編程簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)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(gè)按鍵都通過(guò)一個(gè)10K的上拉電阻接電源+ ,按鍵的另一端接地。當(dāng)有鍵按下時(shí)，與該鍵相連的PB口的相應(yīng)位變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)檢測(cè)到該變化后即轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理程序，同時(shí)在程序中點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管。 表1 PB、PC口與鍵和狀態(tài)的對(duì)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(shí)間 設(shè)置鬧鈴 小時(shí) 分鐘 鬧鈴開(kāi) 鬧鈴關(guān) PC口 PC.1 PC.2 PC.3 PC.4 PC.5 PC.6 PC.7 狀態(tài) 時(shí)鐘 溫度 電壓 頻率 AM/PM 鬧鈴響 鈴不響 （７） 報(bào)警系統(tǒng)：將蜂鳴器一端接在單片機(jī)的P1.6口上，另一端接地。當(dāng)需要報(bào)警時(shí)，在口上送上高電平即可；需要關(guān)報(bào)警時(shí)，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(hào)的干擾，信號(hào)處理簡(jiǎn)單。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路，我們采用了遙控電視機(jī)中經(jīng)常使用紅外遙控系統(tǒng)。遙控器直接使用電視機(jī)的遙控器，不用改裝。紅外信號(hào)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(jiǎn)單，電路如圖8所示。用接收器輸出的信號(hào)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(dāng)接收器接收到信號(hào)并輸出脈沖時(shí)，三極管N3導(dǎo)通，相當(dāng)于“鬧鈴關(guān)”接通按下，單片機(jī)的相應(yīng)引腳被置為低電平。單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)，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(jì) 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(dāng)數(shù)字時(shí)鐘處在鬧鈴開(kāi)狀態(tài)下到達(dá)所設(shè)置的鬧鈴時(shí)間時(shí)，進(jìn)入該中斷服務(wù)子程序。此中斷服務(wù)子程序的作用是當(dāng)系統(tǒng)處在鬧鈴狀態(tài)下時(shí)，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(dòng)停止。 四、系統(tǒng)測(cè)試與分析 1．測(cè)試儀器 ： 秒表 溫度表 電壓表 調(diào)壓器 頻率計(jì) 低頻信號(hào)發(fā)生器 2．基本要求部分的測(cè)試與分析 (1) 按下“設(shè)置時(shí)間”鍵，觀察到“鐘表” 和“溫度”的發(fā)光二極管同時(shí)點(diǎn)亮，此時(shí)可對(duì)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。按下“小時(shí)”，“分鐘”鍵，觀察數(shù)碼管的小時(shí)部分和分鐘部分是否隨相應(yīng)按鍵的變化而變化。經(jīng)測(cè)試該步可以很好的實(shí)現(xiàn)。調(diào)整時(shí)間完畢后，再按一下“設(shè)置時(shí)間” 開(kāi)啟報(bào)警系統(tǒng) 開(kāi)始 初始化 顯示時(shí)間 讀電壓 電壓>240V? 電壓<200V? 有鍵按下嗎? 判斷鍵值 功能 顯示時(shí)間 顯示溫度 顯示頻率 顯示電壓 設(shè)置時(shí)間 設(shè)置鬧鐘 鬧鈴關(guān)處理 鬧鈴開(kāi)處理 關(guān)閉報(bào)警系統(tǒng) 顯示電壓 Y N Y N N Y 圖9 主程序流圖 進(jìn)入中斷子程序 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 蜂鳴器響 MOV R1, #2 MOV R2,#0FFH 定時(shí)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(chǎng) 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(duì)時(shí)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(shí)點(diǎn)亮；按下“小時(shí)”、“分鐘”鍵，觀察數(shù)碼管的小時(shí)部分和分鐘部分是否隨相應(yīng)按鍵的變化而變化，經(jīng)測(cè)試該部分可很好的實(shí)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(cè)量數(shù)字時(shí)鐘變化1分鐘時(shí)的時(shí)間間隔。由測(cè)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(jì)。這其中主要的原因是設(shè)計(jì)中使用了12887專用時(shí)鐘芯片。 (4) 設(shè)置好鬧鈴時(shí)間后，按下“鬧鈴開(kāi)”鍵，在所設(shè)置的鬧鈴時(shí)刻觀察蜂鳴器是否產(chǎn)生鬧鈴報(bào)警，并觀察代表鬧鈴響與不響的發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮。經(jīng)測(cè)試該部分也能很好的完成。 (5) 在系統(tǒng)鬧鈴時(shí)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(diǎn)亮。經(jīng)測(cè)試該部分也能很好的完成。 (6) 當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘的小時(shí)位大于12時(shí)，觀察代表AM/PM的發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮。經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘的小時(shí)位大于12時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。 2． 發(fā)揮部分的測(cè)試與分析 在該部分中，利用“功能”鍵實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能之間的切換。此時(shí)“鬧鈴開(kāi)”鍵作為各個(gè)功能的“確認(rèn)”鍵。按下功能鍵，選擇相應(yīng)的功能，然后按下確認(rèn)鍵即執(zhí)行相應(yīng)的功能。再按一下“確認(rèn)”鍵，即可回到時(shí)鐘狀態(tài)。 （1）鍵盤(pán)切換現(xiàn)場(chǎng)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(jì)放入不同的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。 表2 與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)量值比較表 溫度計(jì)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(cè)試知，數(shù)字鐘的輸出與溫度計(jì)值基本上相等，誤差不大于0.5度。 （2）鍵盤(pán)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(shí)鐘與電壓表，將它們的電壓值進(jìn)行比較。如表3所示。利用低頻信號(hào)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(jì)和數(shù)字時(shí)鐘，將所得頻率值進(jìn)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(shí)鐘 220．0 214.4 200.2 231.1 235.6 表4頻率值 頻率計(jì) 50 48 46 52 54 數(shù)字時(shí)鐘 050.0 047.8 045.8 052.1 054.8 （3）欠壓、過(guò)壓報(bào)警：利用調(diào)壓器改變電壓值，觀測(cè)出當(dāng)電壓大于240或小于200時(shí)數(shù)字時(shí)鐘具有報(bào)警功能。 （4）利用遙控器，當(dāng)鬧鈴響時(shí)，能對(duì)其實(shí)現(xiàn)遙控止鬧的功能。 五、設(shè)計(jì)總結(jié)： 經(jīng)過(guò)小組成員的一致努力，完成了本次課題的任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的的。設(shè)計(jì)制作了一個(gè)具有多種功能的數(shù)字時(shí)鐘。 本設(shè)計(jì)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(shí)間設(shè)置（小時(shí)和分鐘）、鬧鐘時(shí)間設(shè)置、鬧鐘開(kāi)、鬧鐘關(guān)功能。 　?。?）數(shù)字顯示小時(shí)、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(pán)切換現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度顯示。（0～60℃1℃） 　?。?）鍵盤(pán)切換電網(wǎng)頻率、電壓顯示。 （3）電壓欠壓、過(guò)壓報(bào)警（～220V10％）功能。 （4）非接觸止鬧功能。 六、參考資料： 1.《微型計(jì)算機(jī)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(jī)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(jì)與實(shí)踐》 黃正謹(jǐn)?shù)染? 東南大學(xué)出版社 2002.3 4.《電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題解析》 黃正謹(jǐn)?shù)染? 東南大學(xué)出版社 2003.5