《测控系统原理》课程设计
课题：
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课题：多功能数字钟设计
多功能数字钟设计
一、绪论
1.1 引言
随着微电子技术和超大规模集成电路技术的不断发展，家用电子产品不但种类日益丰富，而且变得更加经济实用，单片微型计算机体积小、性价比高、功能强、可靠性高等独有的特点，在各个领域得到了广泛的应用。数字钟是一种应用非常广泛的日常计时工具，数字显示的日历钟已经越来越流行，特别是适合在家庭居室、办公室、大厅、会议室、车站和广场等使用。LCD数字显示的日历钟显示清晰直观、走时准确、可以进行夜视，并且还可以扩展出多种功能。功能也越来越齐全，除了时、分、秒显示及闹铃。但通过我们对各种电子钟表、历的不断观察总结发现目前市场的钟、历都存在一些不足之处，比如：时钟不精确、产品成本太高、无环境温度显示等，这都给人们的使用带来了某些不便。为此设计了一种功能全面、计时准确、成本低廉的基于51单片机的多功能数字钟设计。
二、功能要求
1. 数字钟能用LCD液晶显示]时、分、秒并设置指定时间的闹铃。
2. 数字式温度计要求测温范围-50~100°C，LCD液晶直读显示。
三、系统设计
3.1 方案论证与设计
3.1.1 控制部分的方案选择
1. 用可编程逻辑器件设计。可采用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。设计起来结构清晰，各个模块，从硬件上设计起来相对简单，控制与显示的模块间的连接也会比较方便。但是考虑到本设计的特点，EDA在功能扩展上比较受局限，而且EDA占用的资源也相对多一些。从成本上来讲，用可编程逻辑器件来设计也没有什么优势。
2. 用凌阳16位单片机设计。凌阳16位单片机有丰富的中断源和时基，方便本实验的设计。它的准确度相当高，并且C语言和汇编兼容的编程环境也很方便来实现一些递归调用。I/O口功能也比较强大，方便使用。用凌阳16位单
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片机做控制器最有特色的就是它的可编程音频处理，可完成语音的录制播放和识别。这些都方便对设计进行扩展，使设计更加完善。成本也相对低一些。但是，在控制与显示的结合上有些复杂，显示模组资源相对有限，而且单片机的稳定性不是很高。
3. 主控芯片使用stc系列stc89C52单片机，宏晶公司生产的ST89C52单片机采用高性能的静态80C51设计，由先进工艺制造，并带有非易失性Flsah程序存储器。它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片，市场应用最多。本系统采用了此方案。
3.1.2测温部分的方案选择
1.在日常生活及工农业生产中经常要乃至温度的检测及控制，传统的测温元件有热电偶和热电阻。而热电偶和热电阻测一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。
2.与前面相比，采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55～125°Ｃ，最大分辨率可达0.0625°Ｃ。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。
3.1.3 显示部分的选择
1. 8段数码管虽然可视范围十分宽，而且经济实惠，也不需要复杂的驱动程序，但操作繁琐，显示的内容简单。
2. 相比于数码管，液晶显示方式虽然价格相对较贵，但液晶显示效果出众，可以运用菜单项来方便操作，。所以最后选择LED数码管显示方案。
3.2 数字钟系统组成
按照系统设计功能的要求，确定数字钟系统由主控制器、时钟模块、测温电路、显示模块、键盘接口共5个模块组成。
总体系统构成框图如图3.2所示。
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图3.2 数字钟系统构成框图
四、硬件电路设计
系统由主控制器STC89C51、温度传感器DS18B20传感器、LCD显示电路及键盘扫描电路,声光闹铃电路组成。系统原理图如图4.1所示
CMOS微处理芯片，市场应用最多。主要性能特点有：
8KB Flash ROM，可以檫写1000次以上，数据保存10年。 256字节内部RAM。 电源控制模式
——时钟可停止和恢复； ——空闲模式；
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——掉电模式。
6个中断源。
4个中断优先级。
4个8位I/O口。
全双工增强型UART。
3个16位定时/计数器，T0、T1（标准80C51）和增加的T2（捕获和比较）。 全静态工作方式：0～24MHz。
4.2 DS18B20温度传感器
测温电路主要使用温度传感器DS18B20，由于LCD液晶实现温度显示。
4.2.1 温度传感器原理
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要示通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：
独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；
无须外部器件；
可通过数据线供电，电压范围为3.0～3.5V；
零待机功耗；
温度以9或12数字量读出；
用户可定义的非易失性温度报警设置；
报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18B20采用3脚PR—35封装或８脚SOIC封装，其内部结构框图如图3.2.1所示。
4
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V图4.2.1DS18B20内部结构图
4.2.2 DS18B20与单片机接口电路
DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20
的1脚接地，2脚作为引线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式。单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。由于
SJ
NLTSTFKNLGNLENRS
单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。 其原理框图如图4.2.2所示。
NL
TS
HWJS
4.2.2 DS18B20与单片机接口电路
5
RS45EN6
P1
设
SJ
设
TF
开
KNL
关
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4．3 显示电路设计
显示部分主要采用LCD液晶显示，LCD液晶采用1602尺寸的液晶显示器。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD
1602LCD主要技术参数：
显示容量:16×2个字符
芯片工作电压:4.5—5.5V
工作电流:2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压:5.0V
字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm
1602LCD尺寸图
4.4按键接口电路
由于按键只有6个，采用独立式接法，并用查询法完成读键功能。
按键功能图如下： 图4.3 1602LCD尺寸图
6
即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
软件仿真图如下：
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图4.5软件仿真图
五、软件设计 软件设计主要由时钟模块，温度采集模块，按键控制模块，显示模块等组成。
5.1主程序设计
图5.1.主程序框图
5.2时钟模块设计
时钟模块采用单片机自身的定时中断进行设计。定时器T0用于时间计时。8
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定时溢出中断周期设为50ms，中断进入后先进行定时中断初值校正，当中断累计20次（即50ms*20=1s）时，对秒计数单元进行加以操作。最大计数值为23时59分59秒。在计数单元中，采用十进制BCD码计数，满10进位。 T0中断计时程序流程图如图5.2所示。
图5.2 T0中断计时程序流程图
5.3温度采集模块
温度采集模块程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序等等。
DS18B20温度计主程序流程图如图4.3所示。
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图4.3 DS18B20温度计主程序流程图
六、调试及性能分析
6.1调试步骤
系统的调试分为硬件调试和软件调试。其中硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊现象。时钟和测温部分的硬件电路很简单， DS18B20只通过1根线与单片机相连接，很容易检测，主要是检测引脚晶振和电源是否接好。另外可以通过软件来调试硬件，如编写一个简单的显示程序来测试显示电路连接是否正确。接下来可进行软件调试，。最后调试日历、时间、闹钟、报警和温度程序。
主要步骤如下：
1. 开闹铃时显示闹铃符号，关时不显示；
2. 设置闹铃按1下进入 设置状态；按2下，退出设置状态；
3. 设置时间按1下进入设置状态，并停止计时；按2下，推出设置状态，并开始计时；
4. 当设置闹铃、时间没按下时，调时、调分不起作用；
5. 不可以在设置时间的过程中设置闹铃，不可以在设置闹铃的过程中设置时间；
6. 设置闹铃后，闹铃时间在第一行显示；
7. 切换温度用到了调时键，为避免冲突，看温度与设置时间、设置闹铃不可同时有效；
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8. 每当设置闹铃时，闹铃都初始化为00:00,设置完后，闹铃消失；
6.2性能分析
计时器最关键的是计时的精度，由于数字钟中用自身的中断计时，经测试制作的数字钟，误差较大，设计可以通过换用标准晶振或用软件进行修正。
七、总结
通过本次课程设计，我对本专业学到的知识有了进一步的了解。加强了我的学习能力和分析问题解决问题的能力，让我意识到理论联系实际的重要性。实际操作中我遇到了很多问题，通过老师的耐心指导还有来自同学们的帮助，我独立自主的完成了本次课程设计。相信在未来的工作中我会从这次课程设计中得到很多帮助及指导，当遇到困难时最初想到的不因该是放弃，而是想该如何去完成这件事。机会只会留给那些曾经准备，正在准备，时刻准备着的人。
参考文献
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[7] 张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海：复旦大学出版社，2003.225～256.
[8] 李光飞.单片机设计实例指导[M].北京：北京航空航天大学出版
社,2004.5,96～100.
[9] 胡汉才 单片机原理及其接口技术[M]. 北京： 清华大学出版社 , 1996.89～110.
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[10] 杨立民.单片机技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社.1997.90～120.
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第二篇：多功能数字钟设计与应用报告
内容摘要：本设计采用一块单片机（AT89S52）作为多功能数字钟的控制核心，加以温度传感器、红外接收管、蜂鸣器、液晶显示器（LCD1602）、电源电路及其他电路构成。实现了时间设置、闹铃设置、闹铃开和关的功能；LCD显示小时、分钟，有AM、PM指示灯，闹钟就绪灯，闹钟到点蜂鸣器报警，220V供电基本功能。另外，本设计还实现了通过切换键盘显示现场温度，红外停止闹铃的功能。
关键词：温度传感器 红外接收管 蜂鸣器 液晶显示器（LCD1602） 电源电路
Abstract：This design uses a single chip (AT89S52) as the core controller of
by a multi-functional digital clock,complemented temperature
crystal sensor,infrared receiver,buzzer,liquid display(LCD1602),power
circuit and other circuit. It implementes time setting,alarm setting,and alarm on/off functions.Moreover, it has some basic functions such as displaying hour and minute,AM/PM indicator light,alarm clock ready light,buzzer alarm and 220V power supply.In the end,this design also can show the scene temperature through switching the keyboards,and stop the alarm by infrared circuit.
Key words：temperature sensor infrared receiver buzzer liquid crystal display(LCD1602) power circuit
第1页
1 方案比较与设计
1.1 数字时钟显示器的选择与控制
方案一：采用5只7段共阴极数码管，分别显示小时、’—’及分钟（如23-30），P0口连接数码管的段选端（a、b、c、d、e、f、g），P2口（0-4端）控制数码管位选端（cs1-cs5）。
方案二：采用一块液晶显示器（LCD1602），显示内容多，可以显示AM(PM)、小时、“：”、分钟及秒钟（如PM 23:30:30），另外控制也较为方便，只用两个控制线（lcdrs、lcden）。
方案一编程较简单，但硬件电路较乱；方案二编程与硬件电路实现都较为方便。考虑到本设计的需要，采用方案二。
1.2 按键的选择与控制
方案一：采用4只轻触按键完成各项功能的设置，分别为功能键、增加键、减少键、开关闹铃键，采用按键复用的设计思路。此种方案硬件简单，软件实现困难。
方案二：采用6只轻触按键完成各项功能的设置，分别为设置时间、设置闹铃、调整小时、调整分钟、开闹铃、关闹铃，采用分模块的设计思路。此种方案必第一种只多2只按键，软件实现较为方便。所以采用方案二。
第2页
2 系统设计
2.1系统框图
系统说明
（1） AM、PM、闹铃就绪LED指示灯部分，三只LED发光二
管分别作为AM、PM、闹铃就绪指示灯。
（2） LCD1602液晶显示器部分，作为本系统的显示器，显
示时间、闹钟与温度。
（3） 蜂鸣器、温度传感器、红外接收部分，分别用来闹铃到点报警，显示现场温度及非接触时停止闹铃。
（4） 键盘部分，作为本系统的控制部分，用来设置时间、
闹铃与显示温度。
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2.2 方案实现
2.2.1 电源电路
本系统采用5V直流电源作为整个电路的供电模块，电路如下：
电容滤波，LED电源指示灯。
2.2.2 系统电路图
除电源模块外，由单片机复位电路，单片机晶振电路，LED指示灯电路，温度传感器（DS18B20），蜂鸣器，液晶显示器（LCD1602），红外接收电路，键盘接口电路组成。系统整体电路如下图所示
第4页
总电路说明
（1） LED指示灯电路：分别用3只发光二极管作为AM、PM
和闹铃就绪的指示的灯。
（2） LCD1602液晶显示器接口电路：将单片机的P2.7和
P2.6分别连接LCD的RS和EN端，P0口接LCD的数据端（DB0-DB7）。LCD1602显示时间、闹铃、温度。
（3） 温度传感器接口电路：将单片机的P1.5与温度传感器
的数据口相连。用单片机控制温度传感器，采集实时温度，并通过LCD显示。
（4） 蜂鸣器接口电路：通过一个PNP三极管放大电路，将
单片机的P3.6与三极管的基极相接，实现单片机控制蜂鸣器发声。
（5） 键盘接口电路：本系统共用6只接触式按键，分别与
单片机的P2.0-P2.5相连，实现单片机控制键盘。
第5页
（6） 红外接口电路：红外接收管的数据端与单片机的P3.2
相连，通过中断实现单片机对红外的控制，进而实现非接触式停止闹铃功能。
4、键盘功能说明
（7） 本系统共用到6只按键，分别用来设置时间、设置闹
铃、调整小时、调整分钟、开闹铃、关闹铃。
（8） 实时时间显示在LCD的第二行，闹钟时间与温度显示
在第一行。
（9） 设置时间与设置闹铃处于同一优先级，不可同时有效。
当设置完闹铃时，闹钟时间在第一行消隐掉。
（10） 调整小时与调整分钟必须在设置时间或设置闹铃按下
时才有效。
（11） 开闹铃与关闹铃相对独立，不受其他按键的影响。
（12） 调整小时的按键作为切换显示温度的开关，当他作为
第二功能用时，设置时间与设置闹铃的功能无效。
3 理论分析与计算
3.1时间的控制与计算：用定时器实现单片机的时间走动，定时器0定时50ms，经20次中断就过了1s，每过1s在中断服务程序中，通过软件编程让秒、分、时显示在LCD上。单片机不停的扫描键盘，当有按键按下时，就进入相应的服务程序。如：当设置时间键按下时，时间停止，进入调整时间状态，通过调时与调分两个按键可调整时间，再按下设置时间键就推出设置，时间继续。
第6页
3.2 温度的采集与计算：通过温度传感器采集实时温度，由于室温大于0度小于100度，本系统对温度不要求特别精确，故保留两位整数，一位小数显示在LCD上。通过调时按键的第二功能，可切换键盘将温度显示在LCD的第一行。
3.3 蜂鸣器报警的设计：当闹铃到点时，蜂鸣器就发出“滴滴”的声音以报时。软件实现方法就是：当闹钟的时间与实施时间对应相等就代表闹铃到点。若不打开闹铃，蜂鸣器就不发声；在蜂鸣器发声的过程中，若关掉闹铃，蜂鸣器就停止发声。
3.4 红外止闹的设计：本系统只利用红外接收管，通过单片机的外部中断0作为红外的控制入口。在蜂鸣器发声过程中，按下遥控器的任意一个键，单片机就可控制蜂鸣器使其停止发声。软件实现方法就是：在外部中断0的服务程序中，关闭蜂鸣器。
4 测试方法与调试
（一）本系统为多功能数字钟，一切功能的测试均通过6只按键来完成。可分别设置时间、设置闹铃、调整小时、调整分钟、开闹铃、关闹铃。
（二）本程序较大，采用C51语言编写。先调试各功能模块，在调试整个系统。
（三）程序见附页
第7页
参考文献
【1】中国科学院陕西天文台《时间频率公报》19xx年06期
【2】《数字电路和数字系统实验与课程设计实训教程.》杨萍.北京人民邮电出版社，2009.5，151 ～ 156
【3】《模拟数字可编程器件与电路设计》汤琳宝、陈恒等.北京科学出版社，2003
【4】《实用多功能电子时钟设计[D]》 翟王文，徐宏亮，艾学忠.吉林化工学院自动化系．2001：32-33．
附 页
程序：
//DS18B20.h
#include<intrins.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
uchar lsb,msb;
uchar disbuf[7];
uchar t1,t2;
sbit dq=P1^5;
bit presence;
void delay(uint z)
{
} uint x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);
void delay1(uint i)//延时14us，12MHz
第8页
{while(--i);}
bit rst_ds18b20()//dq复位;没有检测从机
{
dq=1 ;
_nop_(); //稍做延时
dq=0 ; //单片机将dq拉低
delay1(60); //延时480us-960us，主要是此延时要长最好800us以上
dq=1 ; //拉高总线
delay1(5); //延时16-60us,等待从机发存在信号
presence=dq; //从机发送60-240us的低脉冲作为存在脉冲 delay(30); //至少延时（480us-720us），等待dq拉为高电平（自动的）
return presence;
}
uchar rd_byte() //读时，先拉低数据线至少1us，再释放。每两次读至少有1us的间隔
{
uchar i,dat;
dq=1;
}
void wr_byte(uchar dat)//数据线由高拉低产生写信号
{
uchar i;
dq=1;
for(i=0;i<8;i++)
{ for(i=0;i<8;i++) { dq = 0 ; // 给脉冲信号 dat>>=1; //该句4us dq=1; // 给脉冲信号 delay1(1);//主机马上释放总线,并延时至少14us，等待数据送上 if(dq) dat|=0x80; delay1(5);//保持数据至少（60us-15us），等待上拉电阻将dq拉高 } return dat;
第9页
dq=0;//dq由高拉低后，在15内期间采样dq状态 dq=dat&0x01;
delay1(8);//写数据要维持60us-120us dq=1 ; //然后拉高dq
dat>>=1;
}
}
void rd_temperature() //读取温度
{
rst_ds18b20(); wr_byte(0xCC) ; // 只有一个从机，跳过读序列号的操作 wr_byte(0x44) ; //启动温度转换 rst_ds18b20(); // 复位 wr_byte(0xCC) ; //跳过读序号列号的操作 wr_byte(0xBE) ; //读取温度寄存器 lsb=rd_byte() ; //温度低8位
msb=rd_byte() ; //温度高8位
}
void process_temperature()//处理温度
{
uchar flagdat,flag; if(msb&0xf0) { flag=1; msb=~msb; lsb=~lsb+1; flagdat='-'; } else { flag=0; //0表示温度为正 flagdat=' '; } t1=msb<<4; t1|=(lsb>>4); t2=(lsb&0x0f)*0.0625*10; disbuf[0]='T'; disbuf[1]=':';
第10页
} disbuf[2]=t1%100/10+'0'; disbuf[3]=t1%10+'0'; disbuf[4]='.'; disbuf[5]=t2+'0'; disbuf[6]='\0'; if(disbuf[2]==0x30) { } disbuf[2]=' '; if(disbuf[3]==0x30) disbuf[3]=' ';
//main.c
//开闹铃时显示闹铃符号，关时不显示
//设置闹铃按1下进入 设置状态；按2下，退出设置状态；
//设置时间按1下进入设置状态，并停止计时；按2下，推出设置状态，并开始计时
//当设置闹铃、时间没按下时，调时、调分不起作用
//不可以在设置时间的过程中设置闹铃，不可以在设置闹铃的过程中设置时间
//设置闹铃后，闹铃时间在第一行显示
//切换温度用到了调时键，为避免冲突，看温度与设置时间、设置闹铃不可同时有效
//每当设置闹铃时，闹铃都初始化为00:00,设置完后，闹铃消失
//lcd1602有64B的CGRAM，可用来写入自定义字符，5*8点阵的可写8个（每个占8字节），5*11点阵的可写4个（每个占16字节）
//写命令wcmd(0x40),显示所写入字符，送入数据0x00-0x07(对应显示8个字符)。
#include<reg52.h>
#include<ds18b20.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
void inc_second();
void inc_minute();
void inc_hour();
void beep();
void wdscan();
void disp_sfm(uchar x,uchar y,uchar dat);
第11页
#define PORT P0
sbit lcdrs=P2^7;//LCD数据命令选择端
sbit lcden=P2^6;//LCD使能端
sbit setsj=P2^0;//设置时间
sbit setnl=P2^1;//设置闹铃
sbit ts=P2^2;//调整小时
sbit tf=P2^3;//调整分钟
sbit knl=P2^4;//开闹铃
sbit gnl=P2^5;//关闹铃
sbit lam=P1^0;//AM指示灯
sbit lpm=P1^1;//PM指示灯
sbit lnl=P1^2;//闹铃就绪指示灯
sbit fm=P3^6;//蜂鸣器端口
//sj为设置时间按下的标志,nlflag为闹铃键按下的标志；tzflag为调时
（1）、分按下（2）的标志
uchar sj,tzflag,nlflag,tznl,wdnum;
uchar hour,minute,second,tcnt,nlhour,nlminute,nldk;
uchar code table[]=" 23:59:50";
uchar code bmp[]={0x0e,0x11,0x1f,0x00,0x0a,0x00,0x00,0x00,
0x0C,0x12,0x12,0x0C,0x00,0x00,0x00,0x00};//闹铃符号与温度符号; void wcmd(uchar cmd)
{
lcden=0; lcdrs=0; PORT=cmd; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0;
}
void wdata(uchar dat)
{
lcden=0; lcdrs=1; PORT=dat; delay(5); lcden=1; delay(5);
第12页
} lcden=0;
void goxy(uchar x,uchar y)
{
}
void disp_str(uchar *str)
{
while(*str) { wdata(*str); str++; if(x==1) wcmd(0x80+y); else wcmd(0x80+0x40+y);
}
}
void disp_bmp(uchar x,uchar y,uchar dat) {
goxy(x,y);
wdata(dat);
}
void lcd_init()
{
uchar i ; wcmd(0x38);//显示模式设置：16*2，5*7，8位数据接口 wcmd(0x0c);//开显示，不显光标，光标不闪烁 wcmd(0x06);//地址自动加1 wcmd(0x01);//清屏 wcmd(0x40);//写CGRAM
for (i=0;i<16;i++)
wdata(bmp[i]);
goxy(2,0);
disp_str(table);
}
void timer0_init()
{
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TMOD=0X01;
TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
}
void timer0() interrupt 1 {
TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; tcnt++;
if(tcnt==20)
{
tcnt=0;
inc_second();
disp_sfm(2,4,hour); disp_sfm(2,7,minute); disp_sfm(2,10,second); wdata(' ');
wdata(' ');
wdata(' ');
wdata(' ');
wdata(' '); }
}
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