基于单片机的数字钟设计与实现毕业论文

基于单片机的数字钟设计与实现毕业论文

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目录

1 引言 (1)

2 单片机及辅助工具介绍 (2)

2.1 单片机基础知识 (2)

2.2 单片机的历史 (2)

2.3 单片机的发展过程 (3)

2.4 单片机的应用 (3)

2.5 Protel DXP 2004软件介绍 (4)

2.6 Proteus (5)

2.6.1 Proteus简介 (5)

2.6.2 Proteus的基本操作 (6)

2.6.3 连线（WIRING UP） (7)

2.7 Keil uVision2软件介绍 (7)

3 元器件说明 (9)

3.1 单片机芯片AT89S52 (9)

3.2 LED七段数码管 (11)

3.3 驱动芯片74HC595 (13)

3.4 DS1302 (15)

3.4.1 DS1302简介 (15)

3.4.2 DS1302的结构及工作原理 (15)

3.4.3 DS1302实时显示时间的软硬件 (17)

3.4.4 调试中问题说明 (17)

3.5 温度传感器18B20 (18)

3.5.1 温度传感器简介 (18)

3.5.2 DS18B20的部结构 (20)

3.5.3 DS18B20温度传感器的存储器 (20)

3.5.4 DS1820使用中注意事项 (21)

4 硬件电路设计 (23)

4.1 总体电路设计 (23)

4.2 按键调时接口电路设计 (23)

4.3 时间读取接口电路设计 (24)

4.4 显示时间和温度接口电路设计 (24)

4.5 PROTEL制作主板电路 (25)

4.5.1 创建项目文件 (25)

4.5.2 原理图设计 (25)

4.5.3 放置元件并连接 (25)

4.5.4 连接线路 (25)

4.5.5 元件注释 (26)

4.5.6 报表生成 (26)

4.5.7 创建PCB文件 (29)

4.5.8 PCB布局和布线 (32)

4.5.9 3D效果图 (33)

5 软件程序设计 (34)

5.1 软件设计思路 (34)

5.2 读写时钟芯片1302子程序 (36)

5.3 读写18B20芯片子程序 (38)

6 总结 (41)

谢辞 (42)

参考文献 (43)

附录 (44)

外文资料 (57)

1 引言

随着半导体技术的飞速发展，以及移动通信、网络技术、多媒体

技术在嵌入式系统设计中的应用，单片机从4位、8位、16位到32

位，其发展历程一直受到广大电子爱好者的极大关注。单片机功能越

来越强大，价格却不断下降的优势无疑成为嵌入式系统方案设计的首

选，同时单片机应用领域的扩大也使得更多人加入到基于单片机系统

的开发行列中，推动着单片机技术的创新进步。而数字钟正是一种用

数字电路技术与单片机技术实现计时的装置，与机械式时钟相比具有

更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因

此得到了广泛的使用。

数字钟是指以微处理器为核心，充分利用数字技术和软件技术，

与各类脉冲信号的传感器配合，记录时间等的智能仪表。数字钟是日

常生活、工业生产中常用的一种工具，社会拥有量和需求量都很大。

功能上要求能够完成准确走时、调时，性能上要求抗干扰能力强，稳

定可靠，同时在价格上具备竞争力。

结合以上几点，设计了一款数字钟，达到了可靠和经济的双重要

求，同时易于与其它产品结合使用，是非常必要的。本设计主要着眼

于数字钟的可靠性与实用性，把工业用单片机技术、与微型机技术应

该在数字钟设计中，开辟了单片机技术与现代计时方法相结合的一条

新路。

该电子钟设计工作原理为：单片机上电后，从芯片DS1302上讲

读取时间数据，计时开始。通过按钮进行调时，上电复位进行校正时

间。通过芯片18B20来读取温度，通过LED数码管显示其值。日常生

活中对单片机数字钟的问题要求越来越高，本设计仅针对简单的数字

钟进行研究。能够实现数字钟的正确走时以及温度的显示。

2 单片机及辅助工具介绍

2.1 单片机基础知识

单片微型计算机简称单片微机或单片机，又称微控制器。它是在

一块半导体芯片上，集成了CPU、ROM、RAM、I/O接口、定时器/

计数器/中断系统等功能部件，构成了一台完整的数字电子计算机。由

于集成电路技术的进步，片甚至还可包含HSO、HIS、A/D转换器、

PWM等称为“片外设”的特殊功能部件。随着单片机功能的增强，由

单片机构成的计算机应用系统也日益增强，它一样可以配用打印机、

绘图仪、CRT等外围设备，一样可以联网。特别是1987年INTEL公

司在MCS-96的基础上继续推出了MCS-，又陆续出现了许多新趋向，

例如：HSO、HIS发展为EPA；数据传送有了PTS；配合大功率晶体

管的控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器等领域的突出地位，

并使它不断拓宽应用围，增添了新的活力。

2.2 单片机的历史

单片机（single chip microcomputer）是指在一块半导体芯片上

集成了中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、程序存储器

（ROM或EPROM）、定时/计数器及各种I/O接口电路等，也就是指

集成在一块半导体芯片上的计算机。由于单片机体积小、价格低、特

别擅长于作为控制器使用，因而又称单片机为微控制器

（microcontroller）。

单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段

第一阶段——单片机阶段（1976午～1978年）。这阶段的任务

是探索计算机的单芯片集成。以Intel公司的MCS—48为代表，其

CPU、存储器、定时器／计数器、中断系统、I/O端口、时钟以及指令

系统都是按嵌入式系统要求专门设计的。

第二阶段——单片机的完善阶段（1978年～1982年）。计算机

的单芯片集成探索取得成功后，随后的任务就是要完善单片机的体系

结构。作为这一阶段的典型代表是Inlel公司将MCS—48向MCS—5l

系列的过渡。它在以下几个重要方面奠定了单片机的体系结构

(1) 完善的外部总线。有8位数据总线、16位地址总线、控制总

线及具有多机通信功能的串行通信接口。

(2) CPU外围功能单元的集中管理模式。

(3) 设置面向工控的位地址空间及位操作方式。

(4) 指令系统突出控制功能。

第三阶段——微控制器形成阶段（1983年～1990年）。这一阶

段单片机的主要技术发展方向是满足测控对象要求的外围电路的增强，

如A／D转换、D／A转换、

高速I／O口、WDT（程序监视定时器）、DMA（高速数据传输）

等，强化了智能控制的特征。

第四阶段——微控制器全面发展阶段（1990年以后）。即当前的

单片机时代，其显著特点是百花齐放、技术创新。单片机正在满足各

个方面的需求。从玩具、小家电、工程控制单元到机器人、智能仪表，

过程控制，个人信息终端等无所不能。

2.3 单片机的发展过程

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有

(1) 低功耗CMOS化：MCS-51系列的8031推出时的功耗达

630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗

要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补

金属氧化物半导体工艺）。象80C51就采用了HMOS（即高密度金属

氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工

艺）。CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够

高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征更适合于在

要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期

单片机发展的主要途径。

(2) 微型单片化：现在常规的单片机普遍都是将中央处理器

（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、

并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单

一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调

制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都

集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越

强大。

(3) 主流与多品种共存：现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，

但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有

PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国的Winbond系列单

片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公

司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国的

HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占

据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公

司的专用单片机。在一定的时期，这种情形将得以延续，将不存在某

个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发

展的道路。

2.4 单片机的应用

(1) 智能仪器仪表

单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和

精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而

可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、

智能传感器等。

机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算

机技术于一体，

具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开

发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装

机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。

(2) 实时工业控制

单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、

液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。

在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不

同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效

率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。

(3) 分布式系统的前端模块

在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的

分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端

采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系

列优点。

(4) 家用电器

当之无愧的排在前列，随着计算机技术的不断进步，为适应时代的发

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

新一代的EDA前端设计工具。

Protel DXP打破了传统的设计工具模式，提供了以项目为中心的

设计环境，包括强大的导航功能、源代码控制、对象管理、设计变量

和多通道设计等高级设计方法。其特点如下

(1) 全新一代的EDA前端设计工具

Protel DXP建立在独特的设计浏览器集成平台上。设计浏览器允

许Protel DXP 系统的各个模块交互工作在一起，就像操作单一的模块

工具一样，界面统一。

(2) 数模混合电路仿真功能

Protel DXP能够在原理图输入阶段进行信号完整性分析，有效避

免了设计师在设计初级阶段存在的问题，极大提高了设计师的设计效

率，提高了板卡的设计效率。

(3) 支持FPGA设计