桂林電子科技大學專業工程設計論文摘 要現代社會電子鬧鐘已廣泛用于各種私人和公眾場合,成為我們生活、工作和學習中不可缺少的好幫手，因此研究實用性更強的電子鬧鐘具有十分重要的意義。本設計是基于單片機的電子鐘設計，不僅具有時分秒的顯示功能，還具有雙鬧鈴和倒計時的功能，實用性非常強。電子鐘的計時部分采用AT89S52單片機內部定時器實現，而顯示功能是采用液晶模塊LCD1602來實現，該電子鬧鐘可以讓使用者通過按鍵來輕松選擇的功能菜單和調節時間，具有非常良好地人機界面。關鍵詞：電子鬧鐘；倒計時；AT89S52；液晶LCD1602；按鍵AbstractIn modern society,the electronic alarm clock has been widely used invarious occasions and become indispensable tolife.It is a good helper to our work and learning. So,there is very important significanceto researchmore practical electronic alarm clock.This design is based on single chip microcomputer,It has display function of hours,minutes and seconds,dual alarm and countdown.The internal timer of AT89S52 achieve the part of time.The liquid crystal LCD1602 achieve the part of display.The users can use the push-buttons to choice the menu of functions and adjust the time.The man-machine interface is very good.Key words: electronic alarm; countdown; AT89S52; liquid crystal LCD1602; button目 錄引言11 設計要求22 方案論證22.1 計時方案的選擇22.2 顯示方案的選擇22.3 按鍵功能方案設計32.4 指示燈和響鈴方案設計33 系統組成34 硬件設計44.1 單片機最小系統設計44.2 顯示電路設計54.3 蜂鳴器電路設計54.4 按鍵電路設計65 軟件設計65.1 走時部分65.2 鬧鈴檢測部分75.3 鍵盤掃描部分75.4 液晶部分85.5 流程圖86 仿真設計117 系統調試及結果117.1 軟件調試117.2 硬件調試127.3 調試結果138 總結13謝 辭14參考文獻15附 錄16第 30 頁 共 33 頁桂林電子科技大學專業工程設計論文引言電子鬧鐘在科學技術高度發展的今天,千家萬戶以及一些公共場合都少不了它,所以設計一個電子鬧鐘，為人們提供報時方便顯得非常有意義。本文給出了一種以51單片機芯片電子鬧鐘設計方法，給人們帶來更為方便的工作與生活。除此之外，此次設計也訓練了自己對單片機最小系統及其外圍電路設計的能力和單片機C語言的編程能力，幫助自己鞏固和運用所學課程，理論聯系實際，提高分析、解決問題的能力。近年來集成電路技術的出現和應用，推動了人類文明的突飛猛進，基于集成電路技術的單片機產品更是方便了人們的生活和工作，目前以單片機技術的應用為核心的產品種類非常豐富。我制作的這個以單片機技術為基礎的LCD可校時可定時電子鬧鐘，是一個實用性很強的單片機電子設計產品。設計時先進行系統的整體規劃確定整個系統的功能，然后按照每個功能的具體要求，進行各個軟件模塊的仿真設計并逐個調試，待全部通過后，才開始實際電路板的制作，最后安裝元器件并下載程序，根據實際情況作進一步的完善。電子鐘的計時部分采用AT89S52單片機內部定時器實現，而顯示功能是采用液晶模塊LCD1602來實現。51系列單片機的控制器運算能力強，處理速度快，可以精確計時，很好地解決了實際生產生活中對計時高精確度的要求，LCD1602液晶顯示模塊有很強的顯示功能，能夠同時顯示16*02個即32個字符，另外使用者可以通過按鍵來輕松選擇功能和調節時間，因此具有非常良好地人機界面。1 設計要求1、利用單片機設計一個用LCD顯示時鐘的電子時鐘，帶鬧鐘功能。2、接通電源后，蜂鳴器連續發出2次響聲，同時工作指示燈閃動，表示開始工作，液晶顯示“000000”（時分秒）。3、通過鍵盤設定兩個鬧鈴響的時間，即設置幾小時幾分鐘后鬧鈴響。4、可設置單獨顯示一個或循環顯示兩個鬧鐘的時、分，用2個LED燈分別指示當前LED數碼管上顯示的是鬧鐘1、鬧鐘2的時間。5、可設置倒計時或正計時。6、硬件成本控制在40元內。2 方案論證2.1 計時方案的選擇1、采用專門的時鐘芯片，例如美國DALLAS公司推出的DS1302實時時鐘芯片，它的工作電壓為2.5V-5.5V，采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據，優點是高性能、低功耗，可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，但DS1302存在時鐘精度不高，易受環境影響，出現時鐘混亂等缺點，并且會增加電路硬件復雜性。2、采用AT89S52單片機內部定時器，51系列單片機內部有兩個16位定時器/計數器，簡稱定時器0和定時器1，簡稱T0和T1，設置T0工作在模式0狀態下，每隔50ms中斷一下，中斷20次正好是1秒。用此方法的優點是可節少硬件設計，計時精度高，缺點是軟件編程略顯復雜。總結：綜合兩種方案的優缺點，以及此次課設的要求，選擇第二種方案是用單片機內部定時器。因為使用該方案不但可以節省硬件成本，還可以更鍛煉自己使用單片機內部定時器和C語言編程的能力。2.2 顯示方案的選擇1、使用LED數碼管，由多個發光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。它能夠在低電壓、小電流的條件下驅動發光，發光響應時間極短，單色性好，亮度高，但是數碼管顯示內容單一，引腳與單片機I/0連接復雜。2、使用液晶LCD1602，液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示，LCD1602是字符型液晶顯示模塊，它是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，并且顯示質量高，功耗小。缺點是較數碼管成本高。總結：數碼管顯示內容單一，液晶則比較豐富，并且數碼管消耗電力會比液晶更高，若選擇數碼管硬件布線會較復雜，影響美觀性，而選擇液晶也不會超過經費支持。綜合兩種方案的優缺點，選擇方案二液晶顯示。2.3 按鍵功能方案設計根據題目設計要求，定義6個12*12mm的按鍵來選擇系統功能菜單和調節時間，分別為K1、K2、K3、K4、K5、K6。各個按鍵的具體功能如表2.1：K1選擇調節時間菜單鍵及時增加鍵K4選擇倒計時菜單鍵K2選擇調節鬧鈴1菜單鍵及分增加鍵K5關閉鬧鈴響聲鍵K3選擇調節鬧鈴2菜單鍵及秒增加鍵K6確認鍵表2.1 按鍵功能表2.4 指示燈和響鈴方案設計1、指示燈：綜合設計要求和自我考慮，需要的指示燈個數為4個，分別為電源指示，程序運行指示和兩個鬧鈴指示。為了加以區分可使用不同顏色的LED。2、響鈴選擇：采用經濟適用的蜂鳴器，它是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、報警器、電子玩具、定時器等電子產品中作發聲器件，而且驅動電路簡單，由單片機一個I/O口外接一個三極管即可。3 系統組成經過以上的計時方案選擇和顯示方案選擇，確定本設計的電子鬧鐘的計時方案為單片機內部定時，顯示方案為液晶LCD1602。鬧鈴的響鈴來源選擇經濟適用的蜂鳴器，并用按鍵來選擇功能菜單和調節時間，用4個不同顏色的發光二極管作為兩個鬧鈴指示燈，程序運行指示燈和電源指示燈。因此系統組成框圖如圖3.1：LCD1602指示燈蜂鳴器AT89S52最小系統鍵盤 圖3.1 系統框圖4 硬件設計4.1 單片機最小系統設計單片機最小系統的設計關鍵的就是時鐘電路和復位電路的設計。1、時鐘電路在這里使用單片機內部振蕩電路，管腳XTAL1、XTAL2用來外接石英晶體和微調電容，如圖4.1所示。晶體可在1.212MHz之間選擇，電容可在630pF之間選擇。圖4.1 時鐘電路2、復位電路當振蕩電路工作，并且在RST引腳加上一個至少保持兩個機器周期的高電平時，就能完成一次復位。這里我使用按鈕復位方式，如圖4.2，利用RC微分電路產生正脈沖來達到復位目的，該正脈沖的持續時間大于兩個機器周期。圖4.2 復位電路4.2 顯示電路設計此設計的顯示電路采用的是液晶模塊LCD1602，其為5V電壓驅動，只有并行接口。其與單片機連接的硬件電路如圖4.3，其中的D0-D7分別連接到單片機的P0.0-P0.7,VSS接地，VDD接+5V電源，VEE經10K電位器接地，用于調節背光，RS端為向液晶控制器寫數據/寫命令選擇端，接單片機P2.1口，RW為讀/寫選擇端，因為我們不從液晶讀取任何數據，故接地，E端為使能信號，接單片機P2.2口。圖4.3 液晶連接電路4.3 蜂鳴器電路設計電路設計如圖4.4，單片機的P2.0腳通過限流電阻R與三極管基極相接，集電極接蜂鳴器。當P2.0引腳電平為0是，三極管導通，蜂鳴器工作，引腳電平為1時，三極管截止，蜂鳴器不工作。因為單片機口輸出低電平時的驅動能力比高電平強的多，故三極管采用基極低電平導通PNP型的三極管。圖4.4 蜂鳴器驅動電路4.4 按鍵電路設計此次按鍵電路設計可直接將按鍵一端接到單片機的I/O口，另一端直接接地。通過單片機檢測低電平判斷按鍵按下，K1-K6分別接至單片機的P3.0-P3.5。按鍵電路如圖4.5：圖4.5 按鍵電路5 軟件設計軟件設計主要包含顯示走時、鬧鈴檢測和鍵盤掃描三部分。5.1 走時部分走時部分主要有3個變量hour、min、sec和deda做為時鐘的時、分、秒和定時標志位，通過單片機內部定時器定時50ms，定時標志位deda加1，此過程在中斷服務程序中完成，當加滿20次時，deda清零并且時鐘的秒sec加1，從而到達計時目的。代碼如下：void T0_srv(void) interrupt 1 TH0=0x3C; TL0=0x0B0; deda+;void conv() if(deda=20)sec+;deda=0; if(sec=60)min+;sec=0;ok=1; if(min=60)hour+;min=0; if(hour=24)hour=0;5.2 鬧鈴檢測部分鬧鈴檢測部分主要的變量有6個，hh1、mm1和flag1做為鬧鈴1的時、分和開關標志位，hh2、mm2和flag2做為鬧鈴2的時、分和開關標志位，當hh1=hour,mm1=min并且開關標志flag1=1時，鬧鈴1便可以執行響鈴程序，當hh2=hour,mm2=min并且開關標志flag2=1時，鬧鈴2便可以執行響鈴程序，在這個子程序中為了不影響正常走時時間，故加上走時函數time( )。代碼如下：void alm_check1() while(alm_flag1=1)&(hour=hh1)&(min=mm1)&(ok=1) time(); alm_led1=0; beep=beep;delay(40); if(k5=0) alm_led1=1;beep=1;ok=0; 5.3 鍵盤掃描部分鍵盤掃面部分是該軟件設計中較復雜的部分，用單片機I/O口檢測低電平來判斷是否有鍵按下，根據按下的鍵值來執行相應的子程序。在此部分增加一個標志變量ok做為子程序執行完畢的標志變量，在子程序執行過程中當K6鍵按下，則ok=1，返回主程序。 while(1) time(); alm_check1(); alm_check2(); if(k1=0) set_time(); if(k2=0) set_atime1(); if(k3=0) set_atime2(); if(k4=0) set_countdown(); 5.4 液晶部分液晶LCD1602做為本設計的顯示元件，其初始化程序如下：void TS1602_INIT(void)RS=0;write_com(0x38); /設置16*2顯示，5*7點陣，8位數據接口write_com(0x0c); /設置開顯示，不顯示光標write_com(0x06); /寫一個字符后地址指針自動加1write_com(0x01); /清屏5.5 流程圖1、主程序流程圖，如圖5.1：圖5.1 主程序流程圖2、中斷服務流程圖：如圖5.2：圖5.2 中斷服務流程圖2、時間流程圖，如圖5.3：圖5.3 時間流程圖3、鬧鈴檢測流程圖，如圖5.4：圖5.4 鬧鈴檢測流程圖4、鍵盤掃描流程圖，如圖5.5：圖5.5 鍵盤掃面流程圖6 仿真設計仿真設計是設計一個系統十分重要的環節，在實際電路做好之前系統軟件調試最好選擇。此次仿真設計采用的是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件Protues，在PROTUES繪制好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，可以在PROTUES的原理圖中看到模擬的實物運行狀態和過程。仿真電路圖如下，圖6.1：圖6.1 仿真電路圖7 系統調試及結果7.1 軟件調試此時設計的軟件調試部分主要在仿真軟件Protues中完成。首先根據硬件設計在Protues中完成原理圖的設計，確定使用單片機的哪些I/O口，然根據軟件設計中的流程圖編寫單片機C語言程序。結合題目要求模塊化地編寫程序，首先編寫走時程序，然后編寫鬧鈴1、鬧鈴2、的程序，最后完成倒計時設計，在分模塊化編寫過程中，不斷地根據仿真現象調試程序來修復軟件編寫錯誤。例如調試液晶的顯示問題，寫指令write_com(0x80)將數據指針定位到第一行第一個字處，當寫第二行時需要重新定位數據指針，寫指令write_com(0x80+0x40)。再者，在顯示倒計時時出現走時時間不準確的問題，故在倒計時變量處理的程序中要加上正計時走時時間變量處理，C_sec、C_min、C_hour是倒計時時間變量，sec、min、hour是走時時間變量。程序如下： void C_conv( ) if(deda=20)C_sec-;sec+;deda=0; if(C_sec0)C_sec=59; C_min-; if(sec=60)min+;sec=0; if(C_min0)C_hour-;C_min=59; if(min=60)hour+;min=0; if(hour=24)hour=0; if(C_hour0) C_sec=0;C_min=0;C_hour=0; for(i=0;i10;i+) routine_led=routine_led; beep=beep; delay(80); ok=1; 最后在顯示時間問題上，要將數字顯示到液晶上，采取的方法是將數字轉化為字符串中的元素然后再送往液晶顯示。程序如下：其中，uchar code lcd_code =0123456789。void display_num(unsigned char num)uchar ge,shi;ge=num%10;shi=num/10;write_date(lcd_codeshi);write_date(lcd_codege); 7.2 硬件調試此次的硬件設計較為簡單，主要的調試部分在于液晶對比度的調試，期間遇到的問題是液晶的對比度調節引腳所接的10k電位器封裝不正確，導致VCC與GND短路，還好及時發現問題，沒有損壞器件。7.3 調試結果經過近兩周的軟件調試和硬件調試，對比設計要求，完成情況如下：1、電路板大小7cm*12cm；2、電路接通電源后，蜂鳴器連續發出2次響聲，同時工作指示燈閃動，液晶第一行顯示“Time:00:00:00”，代表時間，第二行顯示“00:00 F 00:00 F”，代表兩個鬧鈴，初始為關。3、可通過按鍵設定走時時間、兩個鬧鈴響的時間和倒計時時間。4、可顯示兩個鬧鐘的時、分，并用2個LED燈分別指示鬧鐘1、鬧鐘2的時間。8 總結1、通過本次課程設計，實現了基于單片機的電子時鐘設計，在這過程中，我學到了很多，加深了對單片內部模塊的理解，進一步學習了C語言的編寫規則。在設計的前期，我認真地復習了51單片機的相關資料，掌握了單片機外部電路的合理設計以及各個引腳的功能。系統的進行電子時鐘的需求分析，合理的設計出了電路原理框圖，根據原理框圖設計出電路原理圖，然后設計軟件流程圖，根據流程圖對單片機使用C語言編程。在此過程中，我學到了很多在書本上學不到的東西，尤其是在處理故障和解決問題方面的考慮，受益頗多。2、本次設計的題目為基于單片機的電子時鐘設計，通過兩周努力，可以順利實現的功能有：在液晶上顯示走時時間；兩個鬧鈴時間和是否開啟以及倒計時時間；并且能通過按鍵實現設置時間的暫停、啟動、調節等控制。3、在完成設計后，發現有還可以改進的地方，例如增加一個省電模式，即在不需要看時間的時候，將液晶顯示關閉，這是設計前考慮不周的地方。最后，我深刻感受到要做好一個課程設計，就必須做到：在設計程序之前，對所需資料的綜合整理，有效的挑選資料；要明確目標，整理思路；合理設計出系統所必須的流程圖，做好充分的心里準備。這次設計是對我所學單片機一書的綜合考驗，使我能查漏補缺，復習課本知識，加深理解記憶，所以每一步我都用心去做。謝 辭這三周來感謝指導老師對我的指導和建議，感謝同學的熱心幫助，也感謝學校為我們提供學習的環境和條件，在這三周的設計過程中老師和同學的幫助至關重要，在關鍵時刻老師的指點和同學之間的研究讓我少走了許多的彎路。衷心地感謝我的指導老師邱治金老師。本文從選題到完成，從理論上的探討到實際問題的解決，無處不飽含著董老師的心血。邱老師的悉心指導和建議給了我極大的幫助和支持，使我受益匪淺。參考文獻1 沈紅衛.基于單片機的智能系統設計與實現M.北京：電子工業出版社,20052 王守中、聶元銘.51單片機開發入門與典型實例（第2版）M.北京：人民郵電出版社,20093 白駒珩、雷曉平.單片計算機及其應用（第2版）M.成都：電子科技大學出版社,2012附 錄1、元器件清單：專業工程設計元器件清單示例學號： 1000820527 姓名： 周志通 空課題名稱： 基于單片機的簡易鬧鐘設計 空序 號名 稱數 量單 價備 注1單片機89C52及鎖緊底座12lcd1602134腳按鍵（規格12*12mm）6帶按鍵帽44腳按鍵（規格6*6mm）15發光二極管（直徑3mm）3藍綠黃各一個6發光二極管（直徑5mm）1紅7直插電阻360歐48直插電阻1K19直插電阻100歐210直插電阻2.7k111精密電位器10k112晶振12MHz113電解電容10u114直插電容22pF2159012三極管116蜂鳴器117排阻1K*81181*40圓孔插座11排19雙排插針11排20單排插針11排21ISP下載口2*5插座12、電路原理圖：3、PCB圖：頂層底層4、程序代碼#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define TS1602_DATA P0 sbit routine_led=P10;sbit alm_led1=P11;sbit alm_led2=P12; sbit E=P22;sbit RS=P21;sbit beep=P20;sbit k1=P30;sbit k2=P31;sbit k3=P32;sbit k4=P33;sbit k5=P34;sbit k6=P35;uchar i,j;uchar hour=0,min=0,sec=0;uchar hh1=0,mm1=0,hh2=0,mm2=0;uchar alm_flag1=0,alm_flag2=0;uchar deda=0;char C_hour=0,C_min=0,C_sec=0;uchar ok=0;uchar string1=Time: : :;uchar string2= : F : F;uchar string3= : N : F;uchar string4= : F : N;uchar string5= : N : N;uchar string6=Countdown_time:;uchar string7= : :;uchar code lcd_code=0123456789;void delay(uint x) uint i,j;for(i=0;ix;i+) for(j=0;j=20)sec+;deda=0; if(sec=60)min+;sec=0;ok=1; if(min=60)hour+;min=0; if(hour=24)hour=0; /*/函數功能：顯示走時時間/*void disp_time() write_com(0x80+0x05); display_num(hour);delay(1); write_com(0x80+0x08); display_num(min);delay(1); write_com(0x80+0x0B); display_num(sec);delay(1); /*/函數功能：倒計時分秒轉換程序/*void C_conv() if(deda=20)C_sec-;sec+;deda=0; if(C_sec0)C_sec=59; C_min-; if(sec=60)min+;sec=0; if(C_min0)C_hour-;C_min=59; if(min=60)hour+;min=0; if(hour=24)hour=0; if(C_hour0) C_sec=0;C_min=0;C_hour=0; for(i=0;i10;i+) routine_led=routine_led; beep=beep; delay(80); ok=1; /*/函數功能：顯示倒計時時間/*void disp_Countdown_time() write_com(0x80+0x40); display_num(C_hour);delay(1); write_com(0x80+0x43); display_num(C_min);delay(1); write_com(0x80+0x46); display_num(C_sec);delay(1); /*/函數功能：調用走時時間程序函數/*void time() conv(); disp_time(); /*/函數功能：調用倒計時時間程序函數/*void Ctime() C_conv(); disp_Countdown_time(); /*/函數功能：顯示鬧鈴1時間/*void disp_alm1() write_com(0x80+0x40); display_num(hh1);delay(1); write_com(0x80+0x43); display_num(mm1);delay(1); /*/函數功能：顯示鬧鈴2時間/*void disp_alm2() write_com(0x80+0x48); display_num(hh2);delay(1); write_com(0x80+0x4B); display_num(mm2);delay(1); /*/函數功能：調整時間/*void set_time() delay(500); TR0=0; sec=0; ok=0; while(ok=0) if(k1=0)delay(100); if(k1=0)hour+; if(hour=24)hour=0; delay(5); disp_time(); if(k2=0)delay(100); if(k2=0)min+; if(min=60)min=0; delay(5); disp_time(); if(k3=0)delay(100); if(k3=0)sec+; if(sec=60)sec=0; delay(5); disp_time(); if(k6=0)ok=1; TR0=1; /*/函數功能：調整鬧鈴1/*void set_atime1() alm_led1=0; delay(500); ok=0; while(ok=0) if(k1=0)delay(100); if(k1=0)hh1+; if(hh1=24)hh1=0; delay(5); disp_alm1(); if(k2=0)delay(100); if(k2=0)mm1+; if(mm1=60)mm1=0; delay(5); disp_alm1(); if(k3=0) alm_flag1=1; if(alm_flag1=0)&(alm_flag2=0)display_string2(string2); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=1)&(alm_flag2=0)display_string2(string3); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=0)&(alm_flag2=1)display_string2(string4); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=1)&(alm_flag2=1)display_string2(string5); disp_alm1();disp_alm2(); if(k4=0) alm_flag1=0; if(alm_flag1=0)&(alm_flag2=0)display_string2(string2); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=1)&(alm_flag2=0)display_string2(string3); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=0)&(alm_flag2=1)display_string2(string4); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=1)&(alm_flag2=1)display_string2(string5); disp_alm1();disp_alm2(); if(k6=0) ok=1; time(); alm_led1=1; /*/函數功能：調整鬧鈴2/*void set_atime2() alm_led2=0; delay(1000); ok=0; while(ok=0) if(k1=0)delay(100); if(k1=0)hh2+; if(hh2=24)hh2=0; delay(5); disp_alm2(); if(k2=0)delay(100); if(k2=0)mm2+; if(mm2=60)mm2=0; delay(5); disp_alm2(); if(k3=0) alm_flag2=1; if(alm_flag1=0)&(alm_flag2=0)display_string2(string2); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=1)&(alm_flag2=0)display_string2(string3); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=0)&(alm_flag2=1)display_string2(string4); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=1)&(alm_flag2=1)display_string2(string5); disp_alm1();disp_alm2(); if(k4=0) alm_flag2=0; if(alm_flag1=0)&(alm_flag2=0)display_string2(string2); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=1)&(alm_flag2=0)display_string2(string3); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=0)&(alm_flag2=1)display_string2(string4); disp_alm1();disp_alm2(); if(alm_flag1=1)&(alm_flag2=1)display_string2(string5); disp_alm1();disp_alm2(); if(k6=0) ok=1; time(); alm_led2=1; /*/函數功能：調整倒計時時間/*void set_countdown() write_com(0x01); display_string1(string6); displa