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1、毕业设计方案 毕业设计方案 题 目 多功能电子时钟设计 学 院 计算机科学与信息学院 专 业 计算机科学与技术 班 级 XXX 学 生 XXX 学 号 XXX 指导教师 XXX X年X月X日 - 1 - 贵州大学设计题目:多功能电子时钟设计一、选题背景与意义随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它给人带来的方便是不可否定的，其中数字电子钟和数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化、智能化控制的方向发展。 时间对人们来说总是那么宝贵，想知道时间，手表当然是一个很好的选择
2、，但是，在忙碌当中，我们还需要一个特别的“助理” 及时的给我们提醒时间。所以，计时器应该拥有一个定时系统，可以随时提醒容易忘记时间的人。 最早能够定时、报时的时钟大多属于机械式钟表，但这种时钟受到机械结构、动力和体积的限制，在功能、性能以及造价上都没办法与电子时钟相比。电子钟是采用电子电路实现对年、月、日、时、分、秒等进行数字显示的计时装置，广泛应用于个人家庭，车站， 办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度，远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自
3、动报警、按时自动打铃、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。另外，温度实时显示系统应用同样越来越广泛，比如空调遥控器上当前室温的显示、热水器温度的显示等等。医药卫生、工农业生产上也有很多场合需要测量环境温度。如果能够在电子时钟上附加温度采集功能，将使电子时钟的应用更加广泛。二、设计方案（1）时钟电路设计该程序主要实现对DS1302写保护、充电，对年、月、日、时、分、秒等寄存器的读写操作。在读写操作子程序中都执行了关中断指令，因为在串行通信时对时序要求比较高，而且在此
4、是用I/O口软件模拟串行时钟脉冲，所以在通信过程中最好保证传输的连续性，不要允许中断。其流程图如图2.1。图2.1 实时时钟日历子程序流程图DS1302每次上电时自动处于暂停状态，必须把秒寄存器的位7置位0，时钟才开始计时。如果DS1302一直没有掉电，则不存在此问题。在进行写操作时，需要先解除写保护寄存器的“禁止”状态。当用多字节模式进行操作时，必须写够8字节18。 （2） 环境温度采集电路设计DS18B20是1wire单线器件，它在一根数据线上实现数据的双向传输，这就需要一定的协议来对读写数据提出严格的时序要求，而AT89S51单片机并不支持单线传输。因此，必须采用软件的方法来模拟单线的协
5、议时序。主机操作单线器件DS18B20必须遵循下面的顺序。1、初始化单线总线上的所有操作均从初始化开始。初始化过程如下：主机通过拉低单线480s以上，产生复位脉冲，然后释放该线，进入RX接收模式。主机释放总线时，会产生一个上升沿。单线器件DS18B20检测到该上升沿后，延时1560s，通过拉低总线60240s来产生应答脉冲。主机接收到从机的应答脉冲后，说明有单线器件在线。2、ROM操作命令一旦总线主机检测到应答脉冲，便可以发起ROM操作命令。共有5位ROM操作命令。如表2.1。表2.1 DS18B20的ROM操作命令命令类型命令字节功能说明Raed Rom33H此命令读取激光ROM中的64位，
6、只能用于总线上单个DS18B20器件的情况，多挂则会发生数据冲突Match Rom（匹配ROM）55H 此命令后跟64位ROM序列号，寻址多挂接总线上的DS18B20。只有序列号完全匹配的DS18B20才能响应后面的内存操作命令，其他不匹配的将等待复位脉冲。此命令可用于单挂接或者多挂接总线。Skip Rom（跳过ROM）CCH此命令用于单挂接总线系统时，可以无需提供64位ROM序列号皆可运行内存操作命令。如果总线上接多个DS18B20，并且在此命令后执行读命令，将会发生数据冲突。Search Rom（搜索ROM）F0H 主机调用此命令，通过一个排除法过程，可以识别出总线上所有器件的ROM序列号
7、。Alarm Search（告警搜索）ECH 此命令流程图和Search Rom命令相同，但是DS18B20只有在最近的一次温度测量时满足了告警触发条件，才会响应此命令。3、内存操作命令在成功执行了ROM操作命令之后，才可以使用内存操作命令。主机可以提供6种内存操作命令，如表2.2。表2.2 DS18B20内存操作命令命令类型命令字节功能说明Write Scratchpad（写暂存器）4EH此命令写暂存器中地址24的3个字节（TH、TL和配置寄存器）在发起复位脉冲之前，3个字节都必须要写。Rrad Scratchpad（读暂存器）BEH 此命令读取暂存器内容，从字节0一直读取到字节8。主机可以
8、随时发起复位脉冲以停止此操作。Copy Scratchpad（复制暂存器）48H 此命令将暂存器中的内容复制进E2RAM，以便将温度告警触发字节存入非易失内存。如果在此命令后产生读时隙，那么只要器件在进行复制就会输出0，复制完成后，再输出1。Convert T（温度转换）44H 此命令开始温度转换操作。如果在此命令后主机产生读时隙，那么只要器件在进行温度转换就会输出0，转换完成后再输出1。Recall E2（重调E2存储器）B8H 将存储在E2RAM中的温度告警触发值和配置寄存器值重新拷贝到暂存器中。此重调操作在DS18B20加电时自动产生。Read Power Supply（读供电方式）B4
9、H 主机发起此命令后的每个读数据时隙内，DS18B20发信号通知它的供电方式：0为寄生电源方式，1为外部供电方式。4、数据处理DS18B20要求有严格的时序来保证数据的完整。在单线DQ上，存在复位脉冲、应答脉冲、写“0”、写“1”、读“0”和读“1”几种信号类型。其中，除了应答脉冲之外，均由主机产生。而数据位的读和写则是通过使用读、写时隙实现的。首先了解写时隙。当主机将数据线从高电平拉至低电平时，产生写时隙。有2种类型的写时隙：写“1”和写“0”。所有写时隙必须在60s以上（即由高位拉低后持续60s以上），各个写时隙之间必须保证最短1s的恢复时间。DS18B20在DQ线变低后的1560s的窗口
10、对DQ进行采样，如果为高电平，就为写“1”；如果为低电平，就为写“0”。对于主机产生写“1”时隙的情况，数据线必须先被拉低，然后释放，在写时隙开始后的15s，允许DQ线拉至高电平。对于主机写“0”时隙的情况，DQ线必须被拉至低电平且至少保持低电平60s。再来了解读时隙。当主机从DS18B20读数据时，把数据线从高电平拉至低电平，产生读时隙。数据线DQ必须保持低电平至少1s，来自DS18B20的输出数据在读时隙下降沿之后15s内有效。因此，在此15s内，主机必须停止将DQ引脚置低。在读时隙结束时，DQ引脚将通过外部上拉电阻拉回至高电平。所有的读时隙最短必须持续60s，各个读时隙之间必须保证最短1
11、s的恢复时间。图2.2 环境温度采集子程序流程图所有的读写时隙至少需要60s，且每两个独立的时隙之间至少需要1s的恢复时间。在写时序中，主机将在拉低总线15s内释放总线，并向DS18B20写“1”。若主机拉低总线后能保持60s的低电平，则向单总线器件写“0”。DS18B20仅在主机发出读时隙时才向主机传输数据，所以，当主机向DS18B20发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便DS18B20能传输数据13。实现环境温度采集转换并读取数据的程序流程图参见图2.2。（3） 显示电路设计用74LS164驱动LED数码管静态显示电路，编程也很容易。只要将需要显示的数字编辑成对应的BCD码，逐位送入7
12、4LS164的A、B串行输入端，数码管将正常显示。关键之处是要实现根据键值显示不同的数字。为了方便实现按键显示，程序中调用的都是各个标志位，通过判断标志位的“真”、“假”来决定显示的内容。显示子程序流程图如图2.3。图2.3 显示子程序流程图（4） 键盘扫描设计单片机对键盘扫描的方法有随机扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式。在随机扫描方式中，CPU完成某特定任务后，即执行键盘扫描程序，以确定键盘有无按键输入，然后根据按键功能转去执行相应的操作。在执行键盘按键规定的功能中不理睬键盘输入。定时扫描方式与随机扫描方式基本相同，只是利用CPU内的定时中断，每隔一定时间扫描有无按键被按下，键盘反应速度
13、较快，在处理按键功能过程中，可以通过键盘命令进行干预，如取消、暂停等操作。前两种扫描方式均会占用CPU大量时间。不管有没有键入操作，CPU总要在一定的时间内进行扫描，这对于单片机控制系统是很不利的16。由于本设计中AT89S51单片机在系统中的主要任务是接受DS1302和DS18B20的数据并送出显示，完成时钟/日历校对和日期/温度显示控制。AT89S51单片机完全有能力完成以上工作，所以采用随机扫描键盘方式，系统也能够正常运行。程序流程如图2.4。单片机扫描完键盘，得到键值，并根据键值转入执行对应任务，以实现按键功能。如果没有按键按下，则程序扫描到Key=FFH，将按键值Key清零，返回主程
14、序。图2.4键盘扫描子程序（5） 闹铃电路设计闹铃子程序最主要的任务是不断用时钟分(min)与时(hour)同设定的闹铃分(clk_min)与闹铃时(clk_hour)比较，只要满足min等于clk_min、hour等于clk_hour，响铃启动5分钟，并根据外部按键执行相应贪睡任务。该程序流程图参见图2.5。图2.5 闹铃子程序流程图三、参考文献1. 向继文等.基于AT89C51的电子钟系统设计J，机电产片开发与创新，2007年第2期2. 黄智伟，王彦. FPGA系统设计与实践M，北京：电子工业出版社，2005.13. 刘皖等. FPGA设计与应用M，北京：清华大学出版社，2006，64. 姜煜等. 基于FPGA芯片设计多功能数字钟的研究J，应用科技，2001年12月第28卷12期5 冯育长. 单片机系统设计与实例分析M，西安：西安电子科技大学出版社，2007.56. 李及，赵利民.MCS-51系列单片机原理与应用M.长春:吉林科学技术社，1995.7. 何力民. 单片机应用技术选编5M，北京：北京航空航天大学出版社1997.108. 潘永雄. 新编单片机原理与应用M，西安
