基于单片机的电子时钟设计 毕业论文.doc

中等职业学校专业骨干教师国家级 培训结业论文（设计） 基于单片机的电子时钟设计 学员姓名_ _ 学员单位_ 犍为县职业高级中学 培训专业_电子与信息技术_ 培训地点_ 武汉职业技术学院_ _ 培训时间_2013.03.112013.05.31 全国重点建设职教师资培训基地 武汉职业技术学院 基于单片机的电子时钟设计 完成日期：_2013-05-28_ _ 指导教师签字：_ 成绩：_ _ i 摘 要 电子钟是一种能够显示年、月、日、星期、时、分、秒的计时装置，与传统的机 械钟相比，它具有显示直观、走时准确等优点，因而得到广泛应用。随着人们生活水 平的不断改善，在许多场合都可以数字电子钟。 在现有的数码管电子钟技术基础上，本设计论述了以 stc89c52rc 作为核心控制器、 以 lcd1602 液晶显示器作为显示设备的系统硬件电路的设计与实现。该设计包括总体 设计方案和各个模块的具体设计方法。该控制系统由稳压直流电源、微处理器最小系 统、液晶显示模块、独立按键以及 rs232 通信模块构成。 关键词：stc89c52rc 硬件电路 液晶显示器 独立按键 ii 目 录 摘 要 .i 目 录 .ii 引 言 iii 1 系统方案设计 1 1.1 设计框图 1 2 硬件单元模块设计 1 2.1 stc89c52 引脚简介 .2 2.2 晶振电路设计 3 2.3 复位电路设计 3 2.4 独立按键电路设计 4 2.5 显示模块电路设计 5 2.5.1 液晶显示器引脚介绍5 2.5.2 lcd1602 内部 ram 地址 6 2.5.3 lcd1602 显示原理简介 6 2.5.4 1602 与微处理器的连接电路图 .6 2.6 电源模块 7 2.7 串口电路设计 8 3 总结与体会 9 结束语 .10 参考文献 .11 iii 引 言 本论文旨在研究和设计一个采用单片机控制、独立按键可调、液晶显示的电子时 钟系统。整个系统由硬件系统和软件系统构成，本文着重对硬件部分进行设计和验证。 本系统硬件将实现以下功能：整个系统会显示年、月、日、星期、时、分、秒，并且 年、月、日、星期和时间通过独立按键可调。在程序下载时，可通过rs-232串口,利 用下载软件直接将程序下载到单片机中，方便硬件的调试。 基于单片机的电子时钟设计 1 1 系统方案设计 1.1 设计框图 该方案描述了基于 stc89c52rc 系统的电子时钟的总体设计框图。该系统由晶振 电路、复位电路、电源电路、lcd1602 液晶显示电路、rs-232 程序串口下载电路以及 独立按键电路构成。系统原理框图如图 1.11 所示。 微处理器stc89c52 独立按键电路 电源电路 复位电路 晶振电路 lcd1602 液晶 显示电路 rs-232 电路 图 1.1-1 电子时钟系统框图 当系统上电后，单片机实现复位功能，系统正常启动后，一方面，lcd1602 液晶 显示器显示程序预定的年、月、日、星期、时、分、秒信息；另一方面，通过独立按 键，调整年、月、日、星期和时间达到正确的值。并且由于 lcd1602 具有微功耗、体 积小、显示内容丰富、超薄轻巧的特点，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。故 该控制系统具有结构简单，模块电路较少，用户操作方便以及成本较低的优点。 2 硬件单元模块设计 stc89c52 是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗以及抗干扰超强的单片机，其指 令完全兼容传统 8051 单片机，其主要特性如下：（1）其采用 dip40 封装，常见工作 电压为 5v。 （2）应用程序空间达 8k，便于开发人员使用。 （3）具有 eeprom 功能（电 可擦可编程只读存储器，掉电后数据不丢失，一般用在即插即用的环境） ，片上集成 512 字节 ram，提高了数据处理能力。 （4）通过串口（rxd/p3.0,txd/p3.1）能直接下 载程序，方便用户的对软件系统的调试。 （5）工作温度含商业级（075）和工业 基于单片机的电子时钟设计 2 级（-40+85）两个层次，能满足不同客户的需求。 2.1 stc89c52 引脚简介 基于单片机的电子时钟电路设计所采用的是 stc89c52 控制芯片，其结构引脚如 图 2.1-1 所示。 图 2.1-1 stc89c52 结构图 引脚介绍如下所示： （1）vcc（40 引脚）和 vss 为（20 引脚）分别为电源的正极端和接地端。 （2）p0 口：p0 口包括 p0.0p0.7（3932 引脚） ，既可以作为普通的 i/o 口， 也可以作为在访问外部存储器的低 8 位地址线。由于其内部没有上拉电阻，作为普通 的 i/o 口时，需要外接 10k 的上拉电阻。 （3）p1 口：p1 口包括 p1.0p1.7（18 引脚） ，是一个 8 位双向 i/o 口，其内 部自带上拉电阻，作 i/o 口时，直接外接电子元件。此外，p1.0 还具有定时器/计数 器 2 的外部计数脉冲输入端，p1.1 还具有定时器/计数器 2 的外部控制输入端（t2ex） 。 （4）p2 口：p2 口包括 p2.0p2.7（2128 引脚） ，内部自带上拉电阻的 8 位双 向 i/o 端口， ，既可作为普通的 i/o 口，也可作为在访问外部存储器的高 8 位地址线。 基于单片机的电子时钟设计 3 它与 p0 口的 8 根线共同构成 16 位地址线。 （5）p3 端口包括（p3.0p3.7，1017 引脚）：p3 是一个 8 位双向 i/o 端口， 内部带上拉电阻的。除作为一般 i/o 口外，p3 口还具有其他其它复用功能。当 p3 口 的某些口线作为复用功能引脚时，就不能够作为普通的 i/o 口。p3 剩余口线，可以通 过位定义语句使用。其复用功能引脚如下表 2.1-1 所示： 表 2.1-1 p3 口复用引脚功能 端口号 引脚号 复用功能说明 p3.0 10 rxd（串口输入端） p3.1 11 txd（串口输出端） p3.2 12 int0（低有效） p3.3 12 int1（低有效） p3.4 14 t0（t0 的外部输入端） p3.5 15 t1（t1 的外部输入端） p3.6 16 wr（外部数据存储器写选通,低有效） p3.7 17 rd（外部数据存储器读选通,低有效） 2.2 晶振电路设计 xtal1 和 xtal2 分别为时钟振荡的两个引脚。当外接晶振时，这两个端子用来接 石英晶体，振荡频率为晶体振荡频率，该部分为单片机提供时钟节拍，我们也可以称 之为单片机的主频。30p 的两个电容起微调和起振的作用，其原理框图如图 2.2-1 所 示。 基于单片机的电子时钟设计 4 图 2.2-1 晶体振荡电路 2.3 复位电路设计 单片机在上电时，都必须先完成复位动作，使 cpu 和其它部件均处于一个确定的 初始状态，然后从这个状态开始工作。而单片机自身不能够完成复位动作，需要人为 添加外围复位电路。只要在单片机的 rst 端口连续提供两个机器周期的高电平，单片 机就可完成复位动作。单片机的自动复位是根据电容的充电实现的。而手动按键复位 电路是当按键 k1 按下时，电容迅速放电，rst 端出现高电平；当 k 被释放时，+5v 的 电源通过 r3 又给又给电容 c2 从新充电，使 rst 端出现复位正脉冲。其持续时间取决 于 rc 电路的时间常数，复位电路图如图 2.3-1 所示。 图 2.3-1 复位电路 2.4 独立按键电路设计 单片机的独立按键设计中，通常采用检测引脚电平的高低来判断是有有按键按下。 在检测系统中，通常会采用延时去抖的方法，来判断是否是真正的按键按下。在按键 检测中，通过检测与单片机相连接引脚的低电平来判断，其独立按键的电路，其原理 框图如图 2.4-1 所示 图 2.4-1 家用电器驱动电路 基于单片机的电子时钟设计 5 其中，k2 为功能性调节按键，k3 为加一按键，k4 为减一按键。当第一次按下 k2 时，时间停止，表示进入时间调节功能，lcd1602 光标在分钟位置闪烁，按下 k3 或者 k4，就能够调节分钟；当第二次按下按下 k2 时，lcd1602 光标在小时位置闪烁，按下 k3 或者 k4，就能够调节小时；当第三次按下按下 k2 时，就能够调节日期；以此类推， 就可以调节月和年。最后一次按下 k2，就可以正常走时了。 2.5 显示模块电路设计 lcd 是 liquid crystal display 的简称，其显示的原理是利用液晶的物理特性， 通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示。它可以显示字母、数字、图形。液 晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动的特点，目前已经被广泛应用 在众多领域中。其正面外形结构如图 2.5-1 所示。 图 2.5-1 1602 外形图 2.5.1 液晶显示器引脚介绍 lcd1602 液晶显示器采用 16 脚接口。其中：gnd、vcc、vo 分别为电源地、电源 正以及液晶显示偏压信号引脚；rb0-rb7 为 8 根数据线；rs、rw、e 分别为数据/命令 选择端(h/l)、读/写选择端(h/l)和使能信号选择端，bla 和 blk 为背光源的正负极。 其结构示意图如图 2.5.1-1 所示。 基于单片机的电子时钟设计 6 图 2.5.1-1 lcd1602 结构示意图 2.5.2 lcd1602 内部 ram 地址 lcd1602 中数据 02 表示能显示两行，16 表示每行能显示 16 个字符。其中 000f 以及 404f 表示内部 ram 显示缓冲区上下两行中每一个字符的地址，只要向对应的 地址中写入需要显示的 ascii 代码，就可以显示出对应的字符，其内部 ram 显示缓冲 区的地址映射图如表 2.5.2-1 所示。 表 2.5.2-1 显示缓冲区的地址映射表 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 27 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 4a 4b 4c 4d 4e 4f 50 67 2.5.3 lcd1602 显示原理简介 1602 模块内部存储了 160 个点阵字符，有大小写的英文字母、阿拉伯数字和日文 等。每个字符都有特定的代码，比如大写的英文字母“b”的代码是 01000010（42h） ， 我们在使用时，只要把地址 42h 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母 “b”的图形了。其部分字符对照表如表 2.5.3-1 所示。 表 2.5.3-1 lcd1602 部分字符对照表 高位 低位 0000 0011 0100 0101 0110 0111 0000 （1 ） 0 p p 0001 （2 1 a q a q 基于单片机的电子时钟设计 7 ） 0010 （3 ） b r b r 0011 （4 ） 2 c s c s 1111 （8 ） ？ d - o o 2.5.4 1602 与微处理器的连接电路图 vcc 接 5v 电源正极，vss 接电源地；rb0-rb7 接 stc89c52 的 p2.0-p2.7 口；液晶 显示偏压信号引脚 vo 通过滑动变阻器与+5v 电源相连接。我们调节滑动变阻器，就可 改变屏幕的明暗程度,背光极与 10 欧姆电阻串联，起到限流作用，防止烧坏 1602。而 液晶的 rs、rw、e 端分别连接单片机的 p1.7、p1.6 和 p1.5，作为 1602 的数据读写与 使能端控制，其与 stc89c52 结构连接如图 2.5.4-1 所示。 图 2.5.4-1 lcd1602 与单片机的连接图 2.6 电源模块 在电子电路中，经常需要直流电源供电，在小功率电路中，它是由电源变压器、 整流、滤波和稳压模块构成，稳压电源的组成框图部分如图 2.6-1 所示。 电源变压 整流电路 滤波电路 稳压电路 基于单片机的电子时钟设计 8 图 2.6-1 稳压电源的组成 电源变压器将电网 220v 的交流电变成较低的交流电压，然后通过整流电路，把 交流电变成脉动的直流电，由于该直流电具有较大的纹波系数，必须通过滤波电路加 以处理。在实际的电路中，通常将一定值的电解电容并联上一个较小的无极性电容。 通过滤波电路虽然有 10%左右的波动，但是随着电网的波动和温度、负载的变化，电 压值不稳定，故需要在整流、滤波电路后加上稳压模块。稳压模块的功能是在电网的 波动以及温度和负载的变化时，维持输出电压的稳定。如果是在大功率的电路中，这 需要考虑开关稳压电源。单片机的工作电压为+5v，故在稳压电源设计中，需要引入 由三端集成稳压器件 lm7805 供电系统，电源设计电路如图 2.6-2 所示 图 2.6-2 电源设计电路图 2.7 串口电路设计 max232 是美信公司专为电脑的 rs-232 串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v 电源供电，其芯片引脚图如图 2.7-1 所示 基于单片机的电子时钟设计 9 图 2.7-1 电源设计电路图 引脚介绍： 第一部分是由 1 到 6 脚和 4 只电容构成电荷泵电路。功能是产生正负 12v 两个电 源，供给 rs-232 串口电平的需要。 第二部分是由 7 到 14 脚构成数据转换通道。其中 11 脚、12 脚、13 脚、14 脚分 别为 t1in、r1out、r1in、t1out，构成第一数据通道。7 脚、8 脚、9 脚、10 脚分别 为 t2out、r2in、r2out、t2in 构成第二数据通道。ttl 或 cmos 数据从 t1in、t2in 输 入，经转换成 rs-232 数据，从 t1out、t2out 送到电脑 db9 插头上；db9 插头的 rs- 232 数据从 r1in、r2in 输入，经转换成 ttl 或 cmos 数据后从 r1out、r2out 输出。 第三部分的 gnd（15 脚） 、+5vvcc（16 脚）是供电引脚。 为方便系统的调试，增加了 rs-232 串口模块。pc 机通过 db9 插头与 max232 芯片 相连，将 rs-232 数据转化成 ttl 电平，送到单片机；同时单片机将数据送到 max-232 芯片，经 max-232 转换，通过 db9 插头又送到 pc 机上，实现串口的通信，其电路如 图 2.7-2 所示。 基于单片机的电子时钟设计 10 图 2.7-2 rs-232 连接图 3 总结与体会 通过这次基于单片机的电子时钟的设计，使我从宏观的角度上更加清醒地认识了 从资料收集到数据计算，再到硬件电路设计等整个过程。在模拟电子技术方面，我进 一步熟悉了电路图的理解以及如何看芯片资料来使用电子元器件。在 proteil 99se 软件方面，绘制原理图中 erc 的纠错也使我受益匪浅。 在此，我也非常感谢我的指导老师姚四改老师，在整个设计的过