基于單片機(jī)的智能電子鐘設(shè)計(jì)

1、 基于單片機(jī)的智能電子鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能電子鐘已經(jīng)越來(lái)越受歡迎。我們通過(guò)以MSC-51單片機(jī)為核心控制芯片，結(jié)合DS12887時(shí)鐘芯片、DS18B20溫度傳感器，利用74LS138譯碼器及7段數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示時(shí)間和溫度，在調(diào)時(shí)模塊中利用按鍵進(jìn)行控制調(diào)時(shí)調(diào)分（先調(diào)時(shí)再調(diào)分）、在設(shè)置鬧鐘模塊中利用按鍵進(jìn)行設(shè)置鬧鐘，當(dāng)時(shí)間到點(diǎn)利用蜂鳴器發(fā)聲，同時(shí)可通過(guò)按鍵取消響聲，根據(jù)數(shù)碼管顯示的時(shí)間，利用兩個(gè)LED燈指示上下午，同時(shí)利用兩個(gè)LED燈每隔半秒閃爍進(jìn)行半秒提示。關(guān)鍵詞 MSC-51 DS12887 DS18B20 74LS138 前言智能電子時(shí)鐘是采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，分，

2、秒及溫度數(shù)字顯示的裝置，廣泛用于個(gè)人家庭，車站，碼頭辦公室等公共場(chǎng)所，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡谋匦杵?，由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用，智能時(shí)鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)老式鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。例如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、自動(dòng)啟閉路燈、定時(shí)開關(guān)烘箱、通斷動(dòng)力設(shè)備、甚至各種定時(shí)電器的自動(dòng)啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究智能時(shí)鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非常現(xiàn)實(shí)的意義電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)方法有多種，可用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘，也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電

3、路組成電子鐘，還可以利用對(duì)單片機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)電子鐘。其中，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電子時(shí)鐘具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程靈活、便于功能擴(kuò)展等特點(diǎn)。由單片機(jī)作為數(shù)字鐘的核心控制器，可以通過(guò)它的時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，將其時(shí)間數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)輸出，利用顯示器顯示出來(lái)。通過(guò)鍵盤可以進(jìn)行定時(shí)、校時(shí)功能。輸出設(shè)備顯示器可以用液晶顯示技術(shù)或者數(shù)碼管顯示技術(shù)。1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路本次設(shè)計(jì)完成電子時(shí)鐘時(shí)、分、秒的顯示及環(huán)境溫度測(cè)量等功能的基礎(chǔ)上完成定時(shí)鬧鐘的功能，并利用LED燈指示上下午和半秒指示，硬件電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、DS12887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片電路模塊、74LS138和七段數(shù)碼管顯示模塊、按鍵模塊、DS18B20溫度傳感

4、器模塊、蜂鳴器報(bào)警電路模塊，并利用keil2軟件和proteus軟件進(jìn)行仿真。 圖1系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖2. 單片機(jī)控制模塊本項(xiàng)目是基于MSC-51單片機(jī)為核心的智能電子鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)MSC-51單片機(jī)控制各個(gè)模塊，P0口一部分用來(lái)接獨(dú)立式按鍵，當(dāng)按鍵按下時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生中斷，從而調(diào)用中斷子程序控制實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，P0的一部分用來(lái)接74LS138譯碼器，用于控制點(diǎn)亮哪一位數(shù)碼管，P3口用于接數(shù)碼管的段碼端，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，P2口接了時(shí)鐘芯片DS12887芯片作為定時(shí)作用，同時(shí)用P1口一部分接溫度傳感器DS18B20芯片作為溫度測(cè)量，用P1口一部分接蜂鳴器，當(dāng)鬧鐘到時(shí)發(fā)出聲響。在MSC-51單片機(jī)外部

5、還需加上晶振電路，復(fù)位電路和電源等一些基本電路。 圖2 單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)及引腳圖 圖3 MSC51單片機(jī)接線圖 3. 定時(shí)模塊 3.1實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS12887 3.1.1 DS12887芯片的功能(1) 內(nèi)含一個(gè)鋰電池，斷電可以運(yùn)行十年，并且不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，時(shí)間功能正常運(yùn)行。 (2) 可計(jì)時(shí)至2100年前的秒、分、時(shí)、星期、日、月、年等日歷信息并帶有閏年補(bǔ)償功能。 (3) 可通過(guò)編程選擇BCD碼或者二進(jìn)制數(shù)表示日歷和定時(shí)鬧鐘。 (4) 可通過(guò)編程選擇12小時(shí)或24小時(shí)制，12小時(shí)時(shí)鐘模式帶有PM和AM提示，此外還有有夏令時(shí)功能。(5） 可選擇MOTOROLA和INTEL總線時(shí)序。 (6) 內(nèi)部共

6、有128個(gè)RAM單元，這在常用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘中屬于較大的。其中14個(gè)字節(jié)作為時(shí)鐘和控制寄存器，114字節(jié)為通用RAM，所有ARAM單元數(shù)據(jù)都具有掉電保護(hù)功能。 (7) 可編程并選擇的方波信號(hào)輸出。 (8) 中斷信號(hào)輸出(IRQ)和總線兼容，定時(shí)鬧鐘中斷、周期性中斷、時(shí)鐘更新周期結(jié)束中斷可分別由軟件屏蔽，也可分別進(jìn)行測(cè)試。 (9)三種可供選擇的中斷方式 -時(shí)間性中斷 -周期性中斷 -時(shí)鐘更新結(jié)束中斷。 3.1.2 DS12887芯片的結(jié)構(gòu)及原理 圖6 DS12887引腳圖MOT(模式選擇)：接VCC（+5V）時(shí)，芯片在MOTOROLA時(shí)序下工作，接GND（地）時(shí)，芯片在INTEL時(shí)序下工作。 SQW

7、(方波信號(hào))：通過(guò)15個(gè)分頻器抽頭中的13個(gè)提供方波輸出。 AD0AD7(雙向地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線)：數(shù)據(jù)和控制指令都通過(guò)此8個(gè)引腳來(lái)于單片機(jī)等控制器傳輸。 AS(地址選通輸入)：地址鎖存引腳。 DS(數(shù)據(jù)選通或讀輸入)：該引腳有兩種操作模式，視該芯片是出于MOTOROLA模式或者INTEL模式，當(dāng)使用MOTOROLA時(shí)序時(shí)，DS是一正脈沖，出現(xiàn)在總線周期的后段，稱為數(shù)據(jù)選通；若為INTEL時(shí)序，DS稱作(RD)，RD與典型存貯器的允許信號(hào)(OE)的定義相同。R/W(讀/寫輸入)：R/W管腳同樣也有兩種操作模式。此引腳的兩種模式與DS相似。 CS(片選輸入)：在訪問(wèn)DS12887的總線周期內(nèi)，片選

8、信號(hào)必須保持為低。IRQ(中斷申請(qǐng)輸入)：低電平有效，可作微處理的中斷輸入。沒(méi)有中斷條件滿足時(shí)，IRQ處于高阻態(tài)。IRQ線是漏極開路輸入，要求外接上拉電阻。 RESET(復(fù)位輸出)：若要保證DS12887有效復(fù)位，必須讓該腳保持低電平時(shí)間大于200ms。 3.1.3 DS12887芯片的寄存器寄存器AUIP：更新位。若UIP為1，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的更新轉(zhuǎn)換發(fā)生的很快，而當(dāng)UIP為0，更新轉(zhuǎn)換至少在244µs內(nèi)不會(huì)發(fā)生。 DV0，DV1，DV2：用于晶振和復(fù)位分頻鏈的開啟。 RS3，RS2，RS1，RS0：頻率選擇位，通過(guò)這四個(gè)位用戶可以：a 用PIE位允許中斷； b 用SQWE位允許SQAW

9、輸出； c 二者同時(shí)允許并用相同的頻率； d 二者都不允許。寄存器BSET：此位為0，時(shí)間更新正常進(jìn)行，每秒計(jì)數(shù)走時(shí)一次，當(dāng)此位為1，時(shí)間更新被禁止，程序可對(duì)芯片進(jìn)行初始化的操作和編程。 PIE：周期中斷允許位，PIE為1，則允許以選定的頻率拉低IRQ管腳，PIE為0，則禁止中斷。 AIE：定時(shí)鬧鐘中斷允許位，AIE為1，允許中斷，否則禁止中斷。 UIE：更新結(jié)束中斷允許位，AIE為1，允許中斷，否則禁止中斷。 SQWE：方波允許位，置1選定頻率方波從SQW腳輸出；為0-時(shí)，SQW腳為低。DM：數(shù)據(jù)模式位，DM為1表明為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，而0表明是BCD碼的數(shù)據(jù)。 24/12：小時(shí)格式位，1表明24

10、小時(shí)制，而0表明12小時(shí)制。 DSE：夏令時(shí)允許位，當(dāng)DSE置1時(shí)允許兩個(gè)特殊的更新，在四月份的第一星期日，時(shí)間從1：59：59AM時(shí)改變?yōu)?：00：00AM；在十月的最后一個(gè)星期日的1：59：59AM時(shí)改變?yōu)?：00：00AM。當(dāng)DSE位為0，這種特殊修正不發(fā)生。 3.2時(shí)鐘模塊本設(shè)計(jì)中的DS12887芯片AD0-AD7引腳與STC89C52芯片的P2口相連接。MOT引腳接地，為INTEL總線時(shí)序方式。因此R/W和DS引腳也為對(duì)應(yīng)INTEL的操作模式。4. 按鍵模塊獨(dú)立按鍵K1-K4調(diào)節(jié)不同功能，K4鍵切換時(shí)分秒和鬧鈴時(shí)間的顯示；K1鍵按一下調(diào)節(jié)時(shí)，再按一下調(diào)節(jié)分，再按一下結(jié)束，時(shí)間走動(dòng)，K

11、2鍵加一，K3鍵減一。 5-1鍵盤子程序流程功能是掃描按鍵，判斷按下的是哪個(gè)鍵，然后具體調(diào)用該鍵的程序。如圖所示4-3（其中50H里存儲(chǔ)的是所需修改的時(shí)鐘項(xiàng)）（1） K4鍵程序主要完成定時(shí)模塊和鬧鐘模塊的切換，通過(guò)中斷程序控制。（2） K1鍵程序主要完成選位功能，通過(guò)判斷（50H）單元中的內(nèi)容取值，經(jīng)過(guò)操作，具體判斷出選中了那位。K1鍵對(duì)應(yīng)的位選地址如表4-1所示，程序流程圖如圖4-4所示。 （3）K2鍵和K3鍵：我們?cè)贙2鍵和K3鍵功能程序里設(shè)一個(gè)標(biāo)志允許位，將該標(biāo)志位置1表示K2鍵有效，完成加一功能，而將該標(biāo)志位清零表示K3鍵有效，完成減一功能（如圖4-5所示），跳到修改程序入口地址（如圖

12、4-6所示），再將該位信號(hào)賦給累加器A，然后對(duì)該位時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行修改操作。4.1修改時(shí)分位的流程 此處的退出指的是退出該修改程序，每按一次K2和K3鍵修改一次就退出判斷有無(wú)鍵按下，當(dāng)?shù)诙伟聪翶2或K3鍵后在第一次修改程序后的結(jié)果上進(jìn)行累加或累減（1） “時(shí)”修改程序 選中時(shí)位說(shuō)明(51H)+03H是00H，然后判斷是K2鍵有效還是K3鍵有效，如果是K2鍵有效，則對(duì)取出的十位內(nèi)容進(jìn)行加一操作，在將結(jié)果存入00H單元去顯示（00-24），按下一次加一次，退出后等待第二次按下K2鍵進(jìn)行累加（加到24重新賦0再加，依次循環(huán)）；如果是K3鍵有效，則對(duì)取出的十位內(nèi)容進(jìn)行減一操作，再將結(jié)果存入00H單元去顯

13、示（00-24），按下一次減一次，退出后等待第二次按下K2鍵進(jìn)行累減（減到0重新賦24再減，依次循環(huán)）如圖4-7（2）“分”修改程序選中時(shí)位說(shuō)明(51H)+03H是01H，然后判斷是K2鍵有效還是K3鍵有效，如果是K2鍵有效，則對(duì)取出的十位內(nèi)容進(jìn)行加一操作，在將結(jié)果存入01H單元去顯示（00-60），按下一次加一次，退出后等待第二次按下K2鍵進(jìn)行累加（加到60重新賦0再加，依次循環(huán)）；如果是K3鍵有效，則對(duì)取出的十位內(nèi)容進(jìn)行減一操作，再將結(jié)果存入01H單元去顯示（00-60），按下一次減一次，退出后等待第二次按下K2鍵進(jìn)行累減（減到0重新賦60再減，依次循環(huán)）如圖4-84.2鬧鐘報(bào)警系統(tǒng)由于蜂

14、鳴器的工作電流較大，所以利用一個(gè)三極管放大電流，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)原理圖如圖5-1所示，當(dāng)單片機(jī)的P3.6引腳為高電平時(shí)，三極管截止，無(wú)電流通過(guò)蜂鳴器；反之導(dǎo)通，蜂鳴器響。在定時(shí)過(guò)程中，使P3.6輸出高電平，蜂鳴器不響；當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)，使P3.6輸出低電平，蜂鳴器響，按下K4鍵，給一個(gè)脈沖，送到中斷程序中，使P3.6輸出高電平。 5.溫度顯示模塊DS18B20結(jié)構(gòu)及原理DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器 DS18B20結(jié)構(gòu)框圖 DS1820用一個(gè)高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個(gè)門周期，內(nèi)部計(jì)數(shù)器在這個(gè)門周期內(nèi)對(duì)一個(gè)低溫度系數(shù)的振

15、蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)得到溫度值。計(jì)數(shù)器被預(yù)置到對(duì)應(yīng)于-55的一個(gè)值。如果計(jì)數(shù)器在門周期結(jié)束前到達(dá)0，則溫度寄存器（同樣被預(yù)置到-55）的值增加，表明所測(cè)溫度大于-55。同時(shí)，計(jì)數(shù)器被復(fù)位到一個(gè)值，這個(gè)值由斜坡式累加器電路確定，斜坡式累加器電路用來(lái)補(bǔ)償感溫振蕩器的拋物線特性。然后計(jì)數(shù)器又開始計(jì)數(shù)直到0，如果門周期仍未結(jié)束，將重復(fù)這一過(guò)程，DS1820 測(cè)溫范圍-55+125，以0.5遞增。 DS18B20工作原理圖 DS18B20外接電源圖溫度顯示工作方式溫度傳感器DS18B20的接法很簡(jiǎn)單，它的DQ引腳與MSC-51芯片的P1.7引腳相連接。這里只用到一個(gè)溫度傳感器，若要使用多個(gè)則只需將所有的

16、DS18B20的I/O口接在一起即可，在具體操作時(shí)，通過(guò)讀取每個(gè)芯片的內(nèi)部序列號(hào)來(lái)識(shí)別 溫度傳感器模塊6. 項(xiàng)目總結(jié)本次三片機(jī)三級(jí)項(xiàng)目，本小組對(duì)MSC-51單片機(jī)為核心的控制芯片，DS12887時(shí)鐘芯片、DS18B20溫度傳感器，74LS138譯碼器及7段數(shù)碼管進(jìn)行了大量的資料查閱和研究工作，熟悉并掌握了上述芯片的基本功能和使用方法，將課本學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)用于實(shí)踐操作，熟悉了各種芯片之間的協(xié)同工作，和各種工作模塊的組合思路。讓我們對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)有了更深的體會(huì)。設(shè)計(jì)人員分工明確，培養(yǎng)了小組成員的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和能力，期間也遇到了一些困難，例如我們?cè)诙〞r(shí)模塊關(guān)于累加后如何實(shí)現(xiàn)單位的循

17、環(huán)上遇到困難而最后我們運(yùn)用計(jì)數(shù)重置成功解決了這一問(wèn)題。普通的仿真軟件的安裝和學(xué)習(xí)也讓我們耗費(fèi)了大量的時(shí)間。本次三級(jí)項(xiàng)目讓我們檢驗(yàn)了課堂學(xué)習(xí)的成果，是一次很好的鍛煉。7.程序附錄#include<reg51.h>#include<absacc.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*七段共陰管顯示定義*/ /此表為 LED 的字模, 共陰數(shù)碼管 0-9  - uchar code dispcode = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,

18、0x6f,0x40;  /段碼控制/*定義并初始化變量*/uchar seconde=0;/秒uchar minite=0;/分uchar hour=12; /時(shí)uchar mstcnt=0;/定時(shí)器計(jì)數(shù)，定時(shí)100ms，mstcnt滿10，秒加1uchar shi=0;/鬧鈴功能uchar fen=0;uchar bjcs;/報(bào)警次數(shù)sbit P1_0=P10;                 /second 調(diào)整定義sbi

19、t P1_1=P11;                 /minite調(diào)整定義sbit P1_2=P12;                 /hour調(diào)整定義sbit P1_3=P13;     /鬧鈴功能，調(diào)整時(shí)間sbit L1

20、=P16;      /調(diào)整半秒閃爍燈L1sbit L2=P17;      /調(diào)整半秒閃爍燈L2sbit P1_4=P14;     /關(guān)閉鬧鈴sbit L3=P20; /調(diào)整上午指示燈L3sbit L4=P21; /調(diào)整下午指示燈L4/*函數(shù)聲明*/void delay(uint k );  /延時(shí)子程序void time_pro( );      /時(shí)間處理子程序void display(

21、);       /顯示子程序void keyscan( );       /鍵盤掃描子程序/*延時(shí)子程序*/void delay (uint k)uchar j; /k=1,t=0.125mswhile(k-)!=0)       for(j=0;j<125;j+)     ;     /*時(shí)間處理子程序*/void time_pro(void)&#

22、160;if(seconde=60)   seconde=0;  minite+;  if(minite=60)     minite=0;   hour+;   if(hour=24)       hour=0;      /*半秒延遲子程序*/void delay30s (void)u

23、nsighed char i,j,k; for(i=50,i>0,i-) /1us*50*100*100=0.5sfor(j=100,i>0,i-)for(k=100,i>0,i-);/*半秒閃爍子程序*/void shanshuo30s (void)L1=0; /P16 為低電平，點(diǎn)亮LED燈delay30s();L1=1; /P17 為高電平，滅LED燈delay30s();L2=0; /P16 為低電平，點(diǎn)亮LED燈delay30s();L2=1; /P17為高電平，滅LED燈delay30s();/*顯示子程序*/void display(void)

24、0;if(P1_3=1)  P2=0XFE; P0=dispcodeseconde%10;/秒個(gè)位 delay(1); P2=0XFD; P0=dispcodeseconde/10;/秒十位 delay(1); P2=0XFB; P0=dispcode10;/間隔符 - delay(1); P2=0XF7; P0=dispcodeminite%10;/分個(gè)位 delay(1); P2=0XEF; P0=dispcodeminite/10;/分十位

25、 delay(1); P2=0XDF; P0=dispcode10;/間隔符 - delay(1); P2=0XBF; P0=dispcodehour%10;/時(shí)個(gè)位 delay(1); P2=0X7F; P0=dispcodehour/10;/時(shí)十位 delay(1); /*鍵盤掃描子程序*/void keyscan(void) if(P1_0=0)/秒位的調(diào)整   delay(30);  if(P1_0=0) &

26、#160;   seconde+;   if(seconde=60)       seconde=0;       delay(250);  if(P1_1=0)/分位的調(diào)整   delay(30);  if(P1_1=0)     minite+;  

27、60;if(minite=60)       minite=0;       delay(250);  if(P1_2=0)/時(shí)位的調(diào)整   delay(30);  if(P1_2=0)     hour+;   if(hour=24)      &

28、#160;hour=0;       delay(250); /*上下午指示子程序*/void shangxia12h (void) If(shi<12)L3=0; /P20為低電平，點(diǎn)亮LED燈L4=1; /P21為高電平，滅LED燈elseL3=1; /P20 為低電平，點(diǎn)亮LED燈L4=0; /P21 為高電平，滅LED燈/*定時(shí)鬧鐘*/void dingshi(void) if(P1_3=0)    /按住P1_3BU不松，顯示鬧鈴設(shè)置界面，分別按P1_2、P1

29、_1設(shè)置鬧鈴時(shí)間。   P2=0XFE; / FE=1111 1110  P0=dispcode0;/秒個(gè)位  delay(1);  P2=0XFD; /FD=1111 1101  P0=dispcode0;/秒十位  delay(1);  P2=0XFB; /FB=1111 1011  P0=dispcode10;/間隔符 -  delay(1);  P2=0XF7; /F7=1111

30、 0111  P0=dispcodefen%10;/分個(gè)位  delay(1);  P2=0XEF; /EF=1110 1111  P0=dispcodefen/10;/分十位  delay(1);   P2=0XDF; /DF=1101 1111  P0=dispcode10;/間隔符 -  delay(1);   P2=0XBF; /BF=1011 1111  P0=dis

31、pcodeshi%10;/時(shí)個(gè)位  delay(1);  P2=0X7F; /7F=0111 1111   P0=dispcodeshi/10;/時(shí)十位  delay(1);  if(P1_2=0)/設(shè)定時(shí)   delay(30);  if(P1_2=0)     shi+;   if(shi=24)     

32、0; shi=0;       delay(250);  if(P1_1=0)/設(shè)定分   delay(30);  if(P1_1=0)     fen+;   if(fen=60)       fen=0;       delay(250);  if(hour=shi)&(minite=fen)