多功能数字钟(A题)

多功能数字钟（A题）摘要：本系统以单片机P89C58为核心控制部件。

设计电路由实时时钟日历模块、环境温度采集模块、人机接口模块、电源模块等部分组成。

其中实时时钟芯片采用串行通讯的DS1302，可实现年月日星期时分秒等时间信息的采集和闹钟功能。

温度采集模块采用DS18B20集成温度传感器，可对现场环境温度进行实时采集。

人机接口模块中，键盘只由简单的5个按键组成，利用中断扩展的方法实现。

操做非常简便和人性化。

显示部分则由KXM1602C实现两行16个字符的液晶显示。

电源模块自制电源供电（220V），同时还有智能充电装置。

设计能支持年、月、日、星期、时、分、秒的时钟，时钟有时间调整功能，能够每天提供2个以上时间点的闹钟功能。

时钟及闹钟具有装卸电池时掉电保护功能，保护时间为永久。

时钟附带有一个温度计功能，温度检测精度为0.5度，显示精度为0.1度。

设计有自制电源供电（220V）。

除上述基本要求及发挥部分外，又新增以下功能：（1）时间显示可实现12/24显示切换（2）秒表功能，显示精度为0.01（3）倒计时功能（4）纪念日提醒（5）生日闹钟（6）闹钟播放音乐（7）自制电源有全自动充电保护功能（8）温度过限音乐报警功能关键字：单片机人机接口 DS1302 DS18B20 KXM1602C 中断扩展掉电保护智能充电保护目录一、设计任务与要求 (3)1、任务 (3)2、要求 (3)（1）、基本要求 (3)（2）、发挥部分 (3)二、总体方案比较与论证 (3)三、模块电路分析与比较 (4)1、时钟方案选择 (4)2、温度采集方案选择 (5)3、显示模块的选择 (5)四、各模块电路原理分析及原理图 (5)1、单片机最小系统 (5)2、智能充电电路原理及电路图 (6)3、时钟模块原理及电路图 (7)4、温度采集模块原理及电路图 (8)5、显示模块电路原理及电路图 (9)6、键盘模块原理及电路图 (10)7、闹钟响及报警模块 (11)五、软件设计 (12)六、系统调试 (13)1.硬件调试 (14)（1）.单片机及外围电路部分 (14)（2）．充电电路部分 (14)2 .软件调试 (14)3.软硬联调 (15)七、指标测试 (15)1.温度采集测试 (15)2.时间显示测试 (16)八、总结 (16)九、参考文献 (17)多功能数字钟设计报告一、设计任务与要求1、任务设计制作一个多功能数字钟。

2、要求（1）、基本要求（1）设计能支持年、月、日、星期、时、分、秒的时钟。

（2）时钟有时间调整功能。

（3）时钟具有闹钟功能。

（4）时钟及闹钟具有装卸电池时掉电保护功能，保护时间大于5分钟。

（2）、发挥部分（1）时钟附带有一个温度计功能，温度检测精度高于2度，显示精度为1度（2）自制电源供电（220V）。

（3）能够每天提供2个时间点的闹钟功能。

（4）其它发挥。

二、总体方案比较与论证方案一：采用 CPLD作为主控制器控制外围电路进行，时钟控制、温度测量、键盘和LED 控制、闹钟实现。

此方案逻辑电路复杂，功耗高，灵活性较低。

而且采用CPLD价格较贵。

方案二：采用中小规模集成电路实现组合逻辑与时序逻辑电路设计，用振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准秒脉冲。

进而得到分和小时，计数器的输出经译码器送显示器。

此方案能实现数字钟的基本功能，但其他扩展功能的实现非常有限。

方案三：基于51系列单片机来实现。

目前单片机技术比较成熟，功能也比较强大，时钟芯片采用DS1302，温度传感器采用DS18B20。

显示采用1602液晶显示。

此方案基本原理框图如图1所示图2-1 原理框图此系统硬件简洁，将复杂的硬件功能用软件实现，控制多个硬件电路的执行因此系统控制灵活，能很好地满足本题的基本要求和扩展要求。

而且编程灵活、调试方便。

从这三种电路设计方案的比较而言，利用单片微型计算机及外围电路编写软件程序来设计数字钟，简单灵活，而且可扩展各种功能，能完全达到设计要求，体现了现代计算机工具的方便、简捷、准确性。

故采用第三种方案。

三、模块电路分析与比较1、时钟方案选择方案一：使用通过单片机内部的定时／计数器，采用软件实现，可以降低系统成本，缺点是误差较大。

一般用在对时间精度要求不高的场合，而且当出现断电等情况程序重新运行时，需要对时间用按键进行校正。

方案二：在系统中扩展外部时钟芯片DS1302。

DS1302时钟芯片内含一个实时时钟／日历电路和32字节静态RAM，可提供秒、分、时、日、日期月、年的信息，每月和闰年的信息可自动调整。

通过简单的SPI串行接口，与单片机仅需用复位、数据和时钟三根I／O口线进行通信，同时DS1302可外接备用电源。

在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

完全能满足题目掉电保护功能的要求。

基于以上分析，我们决定采用串行通讯的DS1302。

，电路结构简单，程序容易编制，时钟精高，容易调整，具有掉电保护功能。

2、温度采集方案选择方案一：使用热敏电阻或温度传感器AD590，把测得的模拟量送入ADC0809的其中一个通道进行A/D转换，将转换后所得数字量送入单片机进行温度值变换之后显示。

电路比较复杂。

且精度难以保证。

方案二：采用单线数字温度传感器DS18B20，DS18B20具有许多优点，该传感器结构简单，不需外接电路，数据传输采用 one-wire总线，可用一根 I/O数据线即供电又传输数据，在-10 ℃ --+85℃范围内精度为±0.5℃，完全能满足题目±1℃的要求，且分辨率较高，重复性和可靠性好。

经比较方案二完全符合电路设计故在本设计中采用方案二。

3、显示模块的选择方案一：采用数码管显示。

数码管亮度高、体积小、重量轻，但其显示信息简单、有限，并且需要较高的驱动能力，功耗高，人机交互功能差，较难控制，在本题目中应用受到很大的限制。

方案二：采用液晶显示。

液晶显示功耗低，轻便防震。

由于本题显示信息比较复杂，采用液晶显示界面友好清晰，操作方便，显示信息丰富。

综合以上两方案,由于系统要显示的信息较多,故本设计中采用方案二。

综上所述，经方案对比，我们采取方案二，在实际设计应用中时钟芯片DS18B20，单线数字温度传感器DS18B20，及液晶显示等，使电路整体结构简单，功能齐全，性能稳定、可靠，设计合理。

四、各模块电路原理分析及原理图1、单片机最小系统单片机系统是整个硬件系统的核心，它即协调整机工作，又是数据处理器，是软硬件系统连接的桥梁，P89C58单片机性能好，价格便宜，其片内含有32KB程序存储器的8位微控制器，P1.0和P1.1还可以分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.0/T2EX），存储器可循环写入/擦除10000次，具有256位内部RAM，32条可编程I/O 口线,2个定时器/计数器，具有6个中断源和2个优先级的中断结构，可编程全双工串行通道等功能，因此，我们选用P89C58单片机来满足程序容量大，控制较为复杂的特点，以完成题目的基本要求和发挥部分的要求。

具体原理图如图4-1所示。

图4-1 单片机最小系统2、智能充电电路原理及电路图充电电路是各部分电路工作的前提，做为发挥部分，我们不仅自己制作电源供电，而且电路为全自动充电保护电路。

利用555时基集成电路，设计一个简单、可靠、实用的全自动充电电路。

将555集成时基电路2脚的电压调为5.5V，这样当蓄电池电压低于5.5V时，充电器开始对蓄电池电充电，此时3脚输出电压高于6V；将555集成时基电路6脚的电压调为6.6V，这样当蓄电池电压高于6.6V时，此时3脚电压输出为零伏，充电器停止对蓄电池电充电。

其中的D1为二极管，型号是IN4007，相当于开关的功能，在电路中起到充电保护的作用。

当蓄电池电压低于5.5V时，D1导通，充电器开始对蓄电池电充电；反之，当蓄电池电压高于6.6V时，D1截止，该器件还实现了对蓄电池防过充电的保护功能。

其具体的充电电路如图4-2所示。

图4-2 全自动充电保护3、时钟模块原理及电路图时钟模块采用时钟芯片DS1302，DS1302是美国 Dallas公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM 的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达 2．5～5．5V。

采用三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。

DS1302内部有一个 31~8 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器。

DS1202具有主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

DS1302的引脚如图 4-3：图4-3 DS1302引脚图VCC1为后备电源VCC2为主电源。

在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

DS1302由 VCC1或 VCC2两者中的较大者供电。

当VCC2大于VCCI+0．2V时，VCC2给 DS1302供电。

当 VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。

X1、X2为振荡源，外接 32．768Hz晶振。

RST是复位/片选线，上电运行时，在 VCC≥2．5V之前RST必须保持低电平。

只有在 SCLK 为低电平时，才能将 RST置为高电平。

I／O为串行数据输入输出端（双向），SCLK为时钟输入端。

DS1302与单片机接口原理图如图4-4：图4-4 DS1302与单片机接口原理图4、温度采集模块原理及电路图DS18B20采用 3脚 PR-35封装，其引脚图如图4-5所示。

图4-5 DS18B20引脚图智能温度传感器 DS18B20将温度传感器、A／D传感器、寄存器、接口电路集成在一个芯片中，可实现直接数字化输出和测试，它的测温范围从-55℃～+l25℃，且在-l0℃～+85℃之间温度精度为±0.5℃，并且转换精度可编程控制。

芯片出厂时为默认12位转换精度。

DS18B20工作在9位、10位、11位和 12位模式时的温度分辨依次为0．5℃、0．25℃、0．125℃、0．0625℃。

和 DS18B20线连接的微控制器的 l/O 口如无内部上拉电阻，必须在总线上加一个上拉电阻。

阻值以5K为佳，DS18B20接收到温度转换命令(44H)后开始转换，转换完成后温度以16位带符号扩展的二进制补码形式，存储在 scratchpad RAM中的第 0、1字节。

在执行读 scratchpad RAM命令(OBEH)后，可将这两字节的温度值通过单总线传给主 CPU。

DS18B20的接口原理图如图4-6：图4-6 DS18B20与单片机接口原理图5、显示模块电路原理及电路图KXM1602C是可以显示两行每行显示l6个字符的液晶显示器。

KXM1602C采用8位数据传送，通过单片机的并行接口与液晶显示模块直接连接，单片机通过对这些接口的操作，实现对液晶显示模块的控制，完成相应的显示。