数字电子钟的设计与制作.doc

数字电子钟的设计与制作
论文摘要:本毕业论文基于单片机技术原理，以单片机芯片STC89C51作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，设计制作一个多功能数字时钟系统。能够准确显示时间（显示格式为时时：分分：秒秒，24小时制），可随时进行时间调整，具有闹钟时间设置、闹钟开/关、止闹功能以及日历功能。设计以硬件软件化为指导思想，充分发挥单片机功能，大部分功能通过软件编程来实现，电路简单明了，系统稳定性高。同时，该时钟系统还具有功耗小、成本低的特点，具有很强的实用性。由于系统所用元器件较少，单片机所被占用的I/O口不多，因此系统具有一定的可扩展性。
关键词：单片机 液晶显示 日历芯片
引言
时钟，自从它被发明的那天起，就成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是在现在这个讲究效率的年代，时钟更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。然而随着时间的推移，人们不仅对于时钟精度的要求越来越高，而且对于时钟功能的要求也越来越多，时钟已不仅仅是一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。诸如闹钟功能、日历显示功能、温度测量功能、湿度测量功能、电压测量功能、频率测量功能、过欠压报警功能等。钟表的数字化给人们的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。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、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。可以说，设计多功能数字时钟的意义已不只在于数字时钟本身，更大的意义在于多功能数字时钟在许多实时控制系统中的应用。在很多实际应用中，只要对数字时钟的程序和硬件电路加以一定的修改，便可以得到实时控制的实用系统，从而应用到实际工作与生产中去。因此，研究数字时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
怎样让时钟更好的为我们服务？怎样让时钟更符合实际应用的需求？这就要求人们不断设计出新型时钟，不断设计出适合实际应用的多功能时钟。本毕业设计方案正是根据以上所述并结合日常生活中对时钟功能需求的分析，运用单片机技术，设计出一个适合日常生活需要的多功能数字时钟。此多功能数字时钟除了传统的显示时间功能之外还具日历功能以及定时闹钟功能。1 主要模块方案的确定
1.1 时钟模块方案的比较与确定
方案一：采用TTL、CMOS集成电路实现的，其系统方框图如图1所示。数字钟主要由以下几个部分组成：信号源、分频器、十进制计数器、六进制计数器、二进制计数器、BCD—七段显示译码/驱动器、LED(Light-emitting-diode)七段显示数码管、时间校准电路和闹时电路。
这是一种纯硬件电路系统，用时序逻辑电路实现时钟功能，用555定时器实现闹钟报时的设定。该电路具有抗干扰强、计算精确，使用元器件种类少等优点，但是这种实现方法可靠性差、控制精度低，灵活性小、线路复杂、安装调试不方便，且不具备对测温信号进行数据处理的功能。要实现测温功能必须再添加处理芯片，系统集成度低。
方案二：利用可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Devices）实现。可编程逻辑器件PLD具有集成度高、速度快、功耗小、可靠性高等优点。且EDA(Electronic Design Automation)软件的功能和时序仿真功能使得电路的调试变得十分方便。这种方案与前一种相比，可靠性增加，同时可以很好的完成时钟的功能。但是对于温度测量，其不具备对测温数据的处理功能，无法很好的完成扩展功能的要求。同时这种方案只能选用数码管显示，显示的效果不够理想。因此，系统的灵活性不够。
方案三：利用单片机内部具有的计数器实现时钟功能。以12MHz晶振为例，通过计算可知，使定时器每50ms产生一次中断，当产生20次中断后秒单元将加一，以此类推，从而实现时、分、秒的走时，并加以显示。虽然这种方法存在由于系统晶振误差、温漂、中断响应时间的不确定性及定时器重新装载时间常数所带来的误差等不足。而且用这种方法实现的时钟在断电的情况下将停止走时，通电后必须再初始化，需要重新调表。但是利用这种方法实现的系统具有一定的可扩展性。由于时钟的实现大部分是由软件的编程来实现的，因此没有前几种方案中来自硬件的束缚。只要对数字时钟的程序和硬件电路加以一定的修改，就可应用到一些实时控制的系统中去。系统的实用意义更大。
通过以上三种方案的比较，决定采用方案三。
1.2 显示模块方案的比较与确定
方案一：采用LED数码管进行显示，这种方法具有亮度高、体积小、重量轻且经济耐用等优点，但其显示不够直观、提供信息量少、不易理解且需要外加译码电路，电路连接比较复杂。
利用数码管显示通常有以下两种方案：
静态显示：所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，造成了资源的浪费。
动态显示：所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了I/O口，降低了能耗。但必须考虑LED扫描速度以及LED点亮时间与间隔时间之间比例关系的安排。
方案二：采用液晶LCD(Liquid Crystal Display)显示。液晶显示具有功耗低、轻便防震、显示信息丰富的特点。通过液晶来实现显示功能，不仅可以实现基本的显示信息，而且可以显示丰富的符号指示信息以及文字指示信息，如AM/PM，闹钟符号等，信息量丰富且直观易懂。而且液晶显示还具有寿命长，不产生电磁辐射污染、无需外加译码电路等优点。不过相较LED显示来说，液晶显示模块比较昂贵，且编程难度较大。
为了使显示界面友好清晰、操作方便、可显示信息量大，决定采用方案二。
2 硬件设计部分
4.2.2 软件调试问题分析
LED闪烁问题：虽然本次设计的最终方案是采用LCD显示屏实现显示功能，但是在进行方案比较时曾采用过LED显示方法，最初数码管显示不正常，出现闪烁现象。通过调试发现这是由于延时时间选择不当造成的。由于数码管是采用动态显示方式，为了使人眼产生视觉暂留效果，每一次显示时都必须加入适当的时间延时。由于一开始所选用的延时时间太短，因此出现闪烁现象，在增加显示延时之后，数码管显示正常。
闹铃蜂鸣器异常启动问题：闹铃蜂鸣器的启动/关闭是通过单片机输出的控制信号来实现的，当当前时间与闹钟设置时间比较吻合时，单片机将对闹铃控制口P3.4执行取反命令，从而启动蜂鸣器发声。一开始编写程序时，没有对P3.4口的最初状态作正确设置，由于系统开机复位后，P3.4口处于高电平状态，因此出现一开机蜂鸣器就处于启动状态的情况。通过在主程序最开始加入对P3.4口取零命令后，蜂鸣器启动/关闭控制恢复正常。
按键消抖问题：在最初编写程序时，键盘控制部分按照常例加入了按键消抖程序。在实际调试中，发现按键出现反应不灵敏现象。这是因为在键盘控制程序中，除了消抖程序外，还加入了按键提示音程序（每次按压键盘时，蜂鸣器发出“哔”的一声提示音）。由于在调用提示音子程序时，实际上已实现了一次时间的延时，因此再加入按键消抖程序的延时后，致使延时时间过长而出现按键反应不灵敏问题。通过调试发现提示音子程序本身所产生的延时已能够满足按键消抖时间延迟的要求，因此在键盘控制程序中无需再加入专门的按键消抖程序。在去除按键消抖程序后，按键控制灵敏度恢复正常。
计时显示异常问题：计时程序里面秒值显示每次达到60后直接跳变到下一分钟的01秒，最终会出现24：60：60的时间显示。正确的显示应该是秒值达到59后变成00，时间值在显示到23：59：59之后的下一秒显示为00：00：00。出现这种异常显示的主要问题在于每次计时相应的时钟计时器在向高一位进位的时候没有将显存单元清零。因此在计时程序里面出现进位情况时，增加相应显存清零的语句后，计时显示恢复正常。
结论与谢辞
本毕业论文运用单片机技术，以单片机STC89C51作为核心控制器，设计制作了一个多功能数字时钟。由于时间和技术方面的限制，本设计的功能还不够完善和丰富，系统还具有一定的扩展空间。在不改变系统硬件电路的基础上，通过单片机程序的编制，还能为系统增加其它的功能，如码表计数功能、计时倒数功能、多组定时功能、闹铃音乐提示音功能等。由于系统所用I/O口较少，因此只要对系统硬件进行一定改动，利用单片机空出的I/O口，通过单片机程序的编制，还能为系统增加其它的功能，如湿度测量功能、家电开关控制功能等。
本次毕业论文锻炼了我理解问题、分析问题、解决问题的能力。使我学会有效查找文献和筛选对设计有用文献的方法。在设计的过程中，吸取了很多前人的设计理念。这些文献资料为设计的成功提供了理论和实践的指导。在学习新知识的同时，把课程中学到的理论知识很好的运用到实际设计中来，增强了动手能力和系统开发研制能力。
范灵芝老师从本毕业论文开始的总体规划布置和详细要求到设计的最终完成以及论文的撰写和修改，一直给予了关注和悉心指导，并对本次设计仔细审查，提出和修改了不少我疏忽和错误的地方，并指明了设计的改良方向。她认真治学的态度和诲人不倦的精神深深影响了我，让我受益匪浅。在此我要向她表示由衷的谢意。
此外我还要感谢在设计期间给予我无私帮助的同学和所有关心鼓励支持我的人。本次设计能顺利完成有赖于他们的支持。同时感谢学院领导对毕业设计的重视，感谢学院为我们提供了良好的毕业设计环境。
电大高职06电子1 沈洁