基于單片機的數字鐘設計與實現畢業論文

基于單片機的數字鐘設計與實現畢業論文

基于單片機的數字鐘設計與實現畢業論文

目錄

1 引言 (1)

2 單片機及輔助工具介紹 (2)

2.1 單片機基礎知識 (2)

2.2 單片機的歷史 (2)

2.3 單片機的發展過程 (3)

2.4 單片機的應用 (3)

2.5 Protel DXP 2004軟件介紹 (4)

2.6 Proteus (5)

2.6.1 Proteus簡介 (5)

2.6.2 Proteus的基本操作 (6)

2.6.3 連線（WIRING UP） (7)

2.7 Keil uVision2軟件介紹 (7)

3 元器件說明 (9)

3.1 單片機芯片AT89S52 (9)

3.2 LED七段數碼管 (11)

3.3 驅動芯片74HC595 (13)

3.4 DS1302 (15)

3.4.1 DS1302簡介 (15)

3.4.2 DS1302的結構及工作原理 (15)

3.4.3 DS1302實時顯示時間的軟硬件 (17)

3.4.4 調試中問題說明 (17)

3.5 溫度傳感器18B20 (18)

3.5.1 溫度傳感器簡介 (18)

3.5.2 DS18B20的部結構 (20)

3.5.3 DS18B20溫度傳感器的存儲器 (20)

3.5.4 DS1820使用中注意事項 (21)

4 硬件電路設計 (23)

4.1 總體電路設計 (23)

4.2 按鍵調時接口電路設計 (23)

4.3 時間讀取接口電路設計 (24)

4.4 顯示時間和溫度接口電路設計 (24)

4.5 PROTEL制作主板電路 (25)

4.5.1 創建項目文件 (25)

4.5.2 原理圖設計 (25)

4.5.3 放置元件并連接 (25)

4.5.4 連接線路 (25)

4.5.5 元件注釋 (26)

4.5.6 報表生成 (26)

4.5.7 創建PCB文件 (29)

4.5.8 PCB布局和布線 (32)

4.5.9 3D效果圖 (33)

5 軟件程序設計 (34)

5.1 軟件設計思路 (34)

5.2 讀寫時鐘芯片1302子程序 (36)

5.3 讀寫18B20芯片子程序 (38)

6 總結 (41)

謝辭 (42)

參考文獻 (43)

附錄 (44)

外文資料 (57)

1 引言

隨著半導體技術的飛速發展，以及移動通信、網絡技術、多媒體

技術在嵌入式系統設計中的應用，單片機從4位、8位、16位到32

位，其發展歷程一直受到廣大電子愛好者的極大關注。單片機功能越

來越強大，價格卻不斷下降的優勢無疑成為嵌入式系統方案設計的首

選，同時單片機應用領域的擴大也使得更多人加入到基于單片機系統

的開發行列中，推動著單片機技術的創新進步。而數字鐘正是一種用

數字電路技術與單片機技術實現計時的裝置，與機械式時鐘相比具有

更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因

此得到了廣泛的使用。

數字鐘是指以微處理器為核心，充分利用數字技術和軟件技術，

與各類脈沖信號的傳感器配合，記錄時間等的智能儀表。數字鐘是日

常生活、工業生產中常用的一種工具，社會擁有量和需求量都很大。

功能上要求能夠完成準確走時、調時，性能上要求抗干擾能力強，穩

定可靠，同時在價格上具備競爭力。

結合以上幾點，設計了一款數字鐘，達到了可靠和經濟的雙重要

求，同時易于與其它產品結合使用，是非常必要的。本設計主要著眼

于數字鐘的可靠性與實用性，把工業用單片機技術、與微型機技術應

該在數字鐘設計中，開辟了單片機技術與現代計時方法相結合的一條

新路。

該電子鐘設計工作原理為：單片機上電后，從芯片DS1302上講

讀取時間數據，計時開始。通過按鈕進行調時，上電復位進行校正時

間。通過芯片18B20來讀取溫度，通過LED數碼管顯示其值。日常生

活中對單片機數字鐘的問題要求越來越高，本設計僅針對簡單的數字

鐘進行研究。能夠實現數字鐘的正確走時以及溫度的顯示。

2 單片機及輔助工具介紹

2.1 單片機基礎知識

單片微型計算機簡稱單片微機或單片機，又稱微控制器。它是在

一塊半導體芯片上，集成了CPU、ROM、RAM、I/O接口、定時器/

計數器/中斷系統等功能部件，構成了一臺完整的數字電子計算機。由

于集成電路技術的進步，片甚至還可包含HSO、HIS、A/D轉換器、

PWM等稱為“片外設”的特殊功能部件。隨著單片機功能的增強，由

單片機構成的計算機應用系統也日益增強，它一樣可以配用打印機、

繪圖儀、CRT等外圍設備，一樣可以聯網。特別是1987年INTEL公

司在MCS-96的基礎上繼續推出了MCS-，又陸續出現了許多新趨向，

例如：HSO、HIS發展為EPA；數據傳送有了PTS；配合大功率晶體

管的控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器等領域的突出地位，

并使它不斷拓寬應用圍，增添了新的活力。

2.2 單片機的歷史

單片機（single chip microcomputer）是指在一塊半導體芯片上

集成了中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、程序存儲器

（ROM或EPROM）、定時/計數器及各種I/O接口電路等，也就是指

集成在一塊半導體芯片上的計算機。由于單片機體積小、價格低、特

別擅長于作為控制器使用，因而又稱單片機為微控制器

（microcontroller）。

單片機的發展歷史大致可分為以下幾個階段

第一階段——單片機階段（1976午～1978年）。這階段的任務

是探索計算機的單芯片集成。以Intel公司的MCS—48為代表，其

CPU、存儲器、定時器／計數器、中斷系統、I/O端口、時鐘以及指令

系統都是按嵌入式系統要求專門設計的。

第二階段——單片機的完善階段（1978年～1982年）。計算機

的單芯片集成探索取得成功后，隨后的任務就是要完善單片機的體系

結構。作為這一階段的典型代表是Inlel公司將MCS—48向MCS—5l

系列的過渡。它在以下幾個重要方面奠定了單片機的體系結構

(1) 完善的外部總線。有8位數據總線、16位地址總線、控制總

線及具有多機通信功能的串行通信接口。

(2) CPU外圍功能單元的集中管理模式。

(3) 設置面向工控的位地址空間及位操作方式。

(4) 指令系統突出控制功能。

第三階段——微控制器形成階段（1983年～1990年）。這一階

段單片機的主要技術發展方向是滿足測控對象要求的外圍電路的增強，

如A／D轉換、D／A轉換、

高速I／O口、WDT（程序監視定時器）、DMA（高速數據傳輸）

等，強化了智能控制的特征。

第四階段——微控制器全面發展階段（1990年以后）。即當前的

單片機時代，其顯著特點是百花齊放、技術創新。單片機正在滿足各

個方面的需求。從玩具、小家電、工程控制單元到機器人、智能儀表，

過程控制，個人信息終端等無所不能。

2.3 單片機的發展過程

縱觀單片機的發展過程，可以預示單片機的發展趨勢，大致有

(1) 低功耗CMOS化：MCS-51系列的8031推出時的功耗達

630mW，而現在的單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機功耗

要求越來越低，現在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS（互補

金屬氧化物半導體工藝）。象80C51就采用了HMOS（即高密度金屬

氧化物半導體工藝）和CHMOS（互補高密度金屬氧化物半導體工

藝）。CMOS 雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠

高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點，這些特征更適合于在

要求低功耗象電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期

單片機發展的主要途徑。

(2) 微型單片化：現在常規的單片機普遍都是將中央處理器

（CPU）、隨機存取數據存儲（RAM）、只讀程序存儲器（ROM）、

并行和串行通信接口，中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單

一的芯片上，增強型的單片機集成了如A/D轉換器、PMW（脈寬調

制電路）、WDT（看門狗）、有些單片機將LCD（液晶）驅動電路都

集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越

強大。

(3) 主流與多品種共存：現在雖然單片機的品種繁多，各具特色，

但仍以80C51為核心的單片機占主流，兼容其結構和指令系統的有

PHILIPS公司的產品，ATMEL公司的產品和中國的Winbond系列單

片機。所以C8051為核心的單片機占據了半壁江山。而Microchip公

司的PIC精簡指令集（RISC）也有著強勁的發展勢頭，中國的

HOLTEK公司近年的單片機產量與日俱增，與其低價質優的優勢，占

據一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產品，日本幾大公

司的專用單片機。在一定的時期，這種情形將得以延續，將不存在某

個單片機一統天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發

展的道路。

2.4 單片機的應用

(1) 智能儀器儀表

單片機用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和

精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結構，從而

可以方便地完成儀器儀表產品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、

智能傳感器等。

機電一體化產品是集機械技術、微電子技術、自動化技術和計算

機技術于一體，

具有智能化特征的各種機電產品。單片機在機電一體化產品的開

發中可以發揮巨大的作用。典型產品如機器人、數控機床、自動包裝

機、點鈔機、醫療設備、打印機、傳真機、復印機等。

(2) 實時工業控制

單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、

液位、流量等物理參數的采集和控制均可以利用單片機方便地實現。

在這類系統中，利用單片機作為系統控制器，可以根據被控對象的不

同特征采用不同的智能算法，實現期望的控制指標，從而提高生產效

率和產品質量。典型應用如電機轉速控制、溫度控制、自動生產線等。

(3) 分布式系統的前端模塊

在較復雜的工業系統中，經常要采用分布式測控系統完成大量的

分布參數的采集。在這類系統中，采用單片機作為分布式系統的前端

采集模塊，系統具有運行可靠，數據采集方便靈活，成本低廉等一系

列優點。

(4) 家用電器

當之無愧的排在前列，隨著計算機技術的不斷進步，為適應時代的發

展，Altium公司也推出了Protel DXP 2004是目前最新的版本，成為

新一代的EDA前端設計工具。

Protel DXP打破了傳統的設計工具模式，提供了以項目為中心的

設計環境，包括強大的導航功能、源代碼控制、對象管理、設計變量

和多通道設計等高級設計方法。其特點如下

(1) 全新一代的EDA前端設計工具

Protel DXP建立在獨特的設計瀏覽器集成平臺上。設計瀏覽器允

許Protel DXP 系統的各個模塊交互工作在一起，就像操作單一的模塊

工具一樣，界面統一。

(2) 數模混合電路仿真功能

Protel DXP能夠在原理圖輸入階段進行信號完整性分析，有效避

免了設計師在設計初級階段存在的問題，極大提高了設計師的設計效

率，提高了板卡的設計效率。

(3) 支持FPGA設計