多功能數(shù)字時(shí)鐘輔導(dǎo)教師：秦文華 趙建平作者：邢慶翠 王式龍 張乾 完成時(shí)間：2004 年 9 月 13 日電子設(shè)計(jì)參賽隊(duì)：B 甲 0816 曲阜師范大學(xué)2004 年 9 月 13 日目 錄一． 方案論證與比較二． 系統(tǒng)設(shè)計(jì)三． 軟件設(shè)計(jì)四． 系統(tǒng)測(cè)試與分析五． 設(shè)計(jì)總結(jié)六． 參考資料摘要本設(shè)計(jì)由單片機(jī) 89鐘芯片、數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為核心，輔以必要的電路，構(gòu)成了一個(gè)具有多功能的數(shù)字時(shí)鐘 它由220V、50流電源供電，能夠準(zhǔn)確的顯示時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、鬧鐘定時(shí)，并能夠?qū)r(shí)鐘所在的環(huán)境溫度、工作時(shí)的電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率進(jìn)行顯示，還具有電壓欠壓、過(guò)壓報(bào)警以及非接觸止鬧功能一、方案論證與比較1．?dāng)?shù)字時(shí)鐘數(shù)字時(shí)鐘是本設(shè)計(jì)的最主要的部分根據(jù)需要，可利用兩種方案實(shí)現(xiàn)方案一：本方案完全用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘原理為：在單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器設(shè)三個(gè)字節(jié)分別存放時(shí)鐘的時(shí)、分、秒信息利用定時(shí)器與軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn) 1 秒定時(shí)中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲(chǔ)器內(nèi)相應(yīng)的秒值加 1；若秒值達(dá)到 60，則將其清零，并將相應(yīng)的分字節(jié)值加 1；若分值達(dá)到 60，則清零分字節(jié)，并將時(shí)字節(jié)值加 1；若時(shí)值達(dá)到 24，則將十字節(jié)清零該方案具有硬件電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

但由于每次執(zhí)行程序時(shí)，定時(shí)器都要重新賦初值，所以該時(shí)鐘精度不高而且，由于是軟件實(shí)現(xiàn)，當(dāng)單片機(jī)不上電，程序不執(zhí)行時(shí)，時(shí)鐘將不工作方案二：本方案采用 司的專用時(shí)鐘芯片 芯片內(nèi)部采用石英晶體振蕩器，其芯片精度不大于 10，且具有完備的時(shí)鐘鬧鐘功能，因此，可直接對(duì)其以用于顯示或設(shè)置，使得軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單為保證時(shí)鐘在電網(wǎng)電壓不足或突然掉電等突發(fā)情況下仍能正常工作，芯片內(nèi)部包含鋰電池當(dāng)電網(wǎng)電壓不足或突然掉電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到內(nèi)部鋰電池供電系統(tǒng)而且即使系統(tǒng)不上電，程序不執(zhí)行時(shí)，鋰電池也能保證芯片的正常運(yùn)行，以備隨時(shí)提供正確的時(shí)間基于時(shí)鐘芯片的上述優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用方案二完成數(shù)字時(shí)鐘的功能2．?dāng)?shù)碼管顯示方案一：靜態(tài)顯示所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止該方式每一位都需要一個(gè) 8 位輸出口控制靜態(tài)顯示時(shí)較小的電流能獲得較高的亮度，且字符不閃爍但當(dāng)所顯示的位數(shù)較多時(shí)，靜態(tài)顯示所需的 I/O 口太多，造成了資源的浪費(fèi)方案二：動(dòng)態(tài)顯示所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位的輪流點(diǎn)亮各個(gè)位，對(duì)于顯示器的 每一位來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次利用人的視覺(jué)暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。

顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也于點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時(shí)間的比例有關(guān)調(diào)整參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高穩(wěn)定度的顯示動(dòng)態(tài)顯示節(jié)省了 I/O 口，降低了能耗本設(shè)計(jì)從節(jié)省 I/O 口和降低能耗出發(fā)，采用方案二二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1．總體設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如圖 1 所示 圖 1 系統(tǒng)框圖（2）模塊說(shuō)明a. 數(shù)碼管顯示模塊：用數(shù)碼管顯示時(shí)間、環(huán)境溫度、電網(wǎng)頻率及電壓溫度轉(zhuǎn)換模塊：測(cè)量環(huán)境溫度，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)b. 時(shí)鐘芯片：用 鐘芯片向單片機(jī)提供時(shí)間與鬧鈴信息c. 報(bào)警系統(tǒng)：用蜂鳴器當(dāng)鬧鈴開(kāi)且所設(shè)置的鬧鈴時(shí)刻到時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)電網(wǎng)電壓欠壓或過(guò)壓時(shí)，蜂鳴器也報(bào)警當(dāng)“鬧鈴關(guān)”鍵按下或有遙控器止鬧時(shí)，停止報(bào)警d. 鍵盤和狀態(tài)顯示模塊：用可編程并行 I/O 芯片 8255 接狀態(tài)顯示所用的發(fā)光二極管及選擇各功能的鍵盤e. 單片機(jī)控制模塊：用 89現(xiàn)是系統(tǒng)的主控制器，控制其它模塊協(xié)調(diào)工作f. 電源模塊：向各用電系統(tǒng)提供電源g. 電壓轉(zhuǎn)換模塊：測(cè)量電網(wǎng)電壓，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送單片機(jī) 2．模塊設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算（1） 碼管顯示：本設(shè)計(jì)采用串行輸出顯示，利用一片 8 位移位寄存器74所有數(shù)碼管提供顯示信號(hào)，且利用動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)約了單片機(jī) I/O 口，降低了能耗。

數(shù)碼管采用 路如圖 2 所示2） 電源模塊：由于單片機(jī)及其處圍的用電模塊都用 5V 或 12V 直流電源，而電網(wǎng)電壓為 220V 交流電，因此需要設(shè)計(jì)電源利用 8W 的變壓器將220V 的電網(wǎng)電壓變壓后加在橋式整流電路的兩端進(jìn)行全波整流利用三端穩(wěn)壓電源分別產(chǎn)生 12V 和 5V 的電壓三端穩(wěn)壓電源選擇 因是它們有過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)而使其免受高壓或大電流的襲擊；而且與其他三端穩(wěn)壓電源相比，它們更具經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)根據(jù)該電源所帶的負(fù)載知流過(guò)該電源的電壓不超過(guò) I=1A因?yàn)樽儔浩鬏敵龃蠹s為 2V，所以電阻 因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓一??12　　　　　單　片　機(jī)溫度轉(zhuǎn)換模塊頻率采集模塊時(shí)鐘芯片報(bào)警系統(tǒng)鍵盤　狀態(tài)顯示電源 電壓轉(zhuǎn)換模塊般為 220V ，50所以全波整流后的電壓周期大約為 10 毫秒又因?yàn)闀r(shí)間常數(shù) 以取 102??02?圖 2 數(shù)碼管顯示電路圖 3　小電容用于濾掉電路路頻率較高的部分，使電壓輸出更加平穩(wěn)3）頻率采集模塊：如圖４所示，對(duì)電源電路中全波整流后的信號(hào)進(jìn)行判斷：若電壓大于＋5V，則二極管正極電壓被嵌位于為 小于 5V，則為原值不變因此形成向下的尖脈沖，經(jīng)施密特觸發(fā)器為正脈沖如圖５所示施密特觸發(fā)器的輸出接單片機(jī)的 。

在單片機(jī)內(nèi)部數(shù) 1S 內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)，除以 2 后即為電網(wǎng)電壓的頻率圖４　頻率采集電路圖５　頻率采集電路的波形變換（４） 溫度轉(zhuǎn)換模塊：用溫度傳感器采集環(huán)境溫度將其轉(zhuǎn)化成模擬量，并將該模擬量送入 輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入單片機(jī) 89行處理電路圖如圖 6 所示圖 6　測(cè)溫電路（５） 電壓轉(zhuǎn)換模塊：因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓也是模擬量，要想利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理仍需將模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路如圖７所示它仍利用電源電路中全波整流后的信號(hào)作為輸入因?yàn)轭l率采集電路也以全波整流后的信號(hào)作為輸入，為了防止電壓轉(zhuǎn)換電路的路產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電壓影響頻率采集電路的工作，應(yīng)在電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端接入二極管圖７　電壓轉(zhuǎn)換電路（６） 鍵盤、狀態(tài)顯示模塊：為了使軟件編程簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)利用可編程I/O 芯片 8255接法如表 1 所示接按鍵，則用于控制狀態(tài)顯示所用的發(fā)光二極管每個(gè)按鍵都通過(guò)一個(gè) 10K 的上拉電阻接電源+ ,按鍵的另一端接地當(dāng)有鍵按下時(shí)，與該B 口的相應(yīng)位變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)檢測(cè)到該變化后即轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理程序，同時(shí)在程序中點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管表 1 C 口與鍵和狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 能 設(shè)置時(shí)間設(shè)置鬧鈴小時(shí) 分鐘 鬧鈴開(kāi) 鬧鈴關(guān) 鐘 溫度 電壓 頻率 M 鬧鈴響 鈴不響（７） 報(bào)警系統(tǒng)：將蜂鳴器一端接在單片機(jī)的 上，另一端接地。

當(dāng)需要報(bào)警時(shí)，在口上送上高電平即可；需要關(guān)報(bào)警時(shí)，則送低電平８） 紅外非接觸止鬧系統(tǒng)：紅外線傳輸穩(wěn)定、可靠，不容易受外界雜散信號(hào)的干擾，信號(hào)處理簡(jiǎn)單為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路，我們采用了遙控電視機(jī)中經(jīng)常使用紅外遙控系統(tǒng)遙控器直接使用電視機(jī)的遙控器，不用改裝紅外信號(hào)的接收，采用紅外光電二極管與放大電路一體的紅外接收器，該器件只有三只引腳，使用極其簡(jiǎn)單，電路如圖 8 所示用接收器輸出的信號(hào)送到三極管 基極，集電極、發(fā)射極并接在“鬧鈴關(guān)”兩端當(dāng)接收器接收到信號(hào)并輸出脈沖時(shí)，三極管 通，相當(dāng)于“鬧鈴關(guān) ”接通按下，單片機(jī)的相應(yīng)引腳被置為低電平單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的關(guān)鬧鈴程序 圖 8 紅外遙控止鬧電路三、軟件設(shè)計(jì)1．主程序流程圖主程序流程圖如圖 9 所示2. 蜂鳴器鬧鈴中斷服務(wù)子程序蜂鳴器鬧鈴中斷服務(wù)子程序流圖如圖 10 所示當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘處在鬧鈴開(kāi)狀態(tài)下到達(dá)所設(shè)置的鬧鈴時(shí)間時(shí)，進(jìn)入該中斷服務(wù)子程序此中斷服務(wù)子程序的作用是當(dāng)系統(tǒng)處在鬧鈴狀態(tài)下時(shí)，若鬧鈴關(guān)鍵按下或有遙控止鬧，則關(guān)閉蜂鳴器；蜂鳴器在 后自動(dòng)停止四、系統(tǒng)測(cè)試與分析1．測(cè)試儀器 ：秒表溫度表電壓表調(diào)壓器頻率計(jì)低頻信號(hào)發(fā)生器2．基本要求部分的測(cè)試與分析(1) 按下“設(shè)置時(shí)間”鍵，觀察到“鐘表” 和“溫度”的發(fā)光二極管同時(shí)點(diǎn)亮，此時(shí)可對(duì)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。

按下“小時(shí)” ， “分鐘”鍵，觀察數(shù)碼管的小時(shí)部分和分鐘部分是否隨相應(yīng)按鍵的變化而變化經(jīng)測(cè)試該步可以很好的實(shí)現(xiàn)調(diào)整時(shí)間完畢后，再按一下“設(shè)置時(shí)間” 主程序流圖開(kāi)啟報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)始初始化顯示時(shí)間讀電壓電壓>240V?電壓<200V?有鍵按下嗎?判斷鍵值功能顯示時(shí)間顯示溫度顯示頻率顯示電壓設(shè)置時(shí)間設(shè)置鬧鐘鬧鈴關(guān)處理鬧鈴開(kāi)處理關(guān)閉報(bào)警系統(tǒng)顯示電壓0 蜂鳴器鬧鈴中斷服務(wù)子程序進(jìn)入中斷子程序保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)蜂鳴器響 #20秒“鬧鈴關(guān)”鍵按下或有遙控止鬧2?1?關(guān)閉蜂鳴器恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回鍵，即可完成對(duì)時(shí)間的設(shè)置2) 按下“設(shè)置鬧鈴”鍵，觀察到“電壓” 、 “頻率”二極管同時(shí)點(diǎn)亮；按下“小時(shí)” 、 “分鐘”鍵，觀察數(shù)碼管的小時(shí)部分和分鐘部分是否隨相應(yīng)按鍵的變化而變化，經(jīng)測(cè)試該部分可很好的實(shí)現(xiàn)調(diào)整好后，再按一下“設(shè)置鬧鈴”鍵，則設(shè)置完畢3) 利用秒表測(cè)量數(shù)字時(shí)鐘變化 1 分鐘時(shí)的時(shí)間間隔由測(cè)試結(jié)果知，誤差范圍很小，其中包括人的反映誤差若除去人的反映誤差，則由電路造成的誤差可忽略不計(jì)這其中主要的原因是設(shè)計(jì)中使用了12887 專用時(shí)鐘芯片4) 設(shè)置好鬧鈴時(shí)間后，按下“鬧鈴開(kāi)”鍵，在所設(shè)置的鬧鈴時(shí)刻觀察蜂鳴器是否產(chǎn)生鬧鈴報(bào)警，并觀察代表鬧鈴響與不響的發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮。

經(jīng)測(cè)試該部分也能很好的完成5) 在系統(tǒng)鬧鈴時(shí)按下“鬧鈴關(guān)”鍵，觀察鬧鈴是否停止，并觀察代表鬧鈴響與不響的發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮經(jīng)測(cè)試該部分也能很好的完成6) 當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘的小時(shí)位大于 12 時(shí)，觀察代表 M 的發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)數(shù)字時(shí)鐘的小時(shí)位大于 12 時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮2． 發(fā)揮部分的測(cè)試與分析在該部分中，利用“功能”鍵實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能之間的切換此時(shí)“鬧鈴開(kāi)”鍵作為各個(gè)功能的“確認(rèn)”鍵按下功能鍵，選擇相應(yīng)的功能，然后按下確認(rèn)鍵即執(zhí)行相應(yīng)的功能再按一下“確認(rèn)”鍵，即可回到時(shí)鐘狀態(tài)1）鍵盤切換現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度顯示：按“功能”鍵選擇“溫度” ，將溫度傳感器和溫度計(jì)放入不同的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表 2 所示表 2 與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)量值比較表溫度計(jì)示值(攝氏度) 氏度) 000．0 025．3 050．0 070．3 字鐘的輸出與溫度計(jì)值基本上相等，誤差不大于 2）鍵盤切換電網(wǎng)頻率、電壓顯示：利用調(diào)壓器改變電網(wǎng)電壓，調(diào)壓器輸出分別接數(shù)字時(shí)鐘與電壓表，將它們的電壓值進(jìn)行比較如表 3 所示利用低頻信號(hào)發(fā)生器模擬電網(wǎng)頻率的變化，并將其輸出分別接頻率計(jì)和數(shù)字時(shí)鐘，將所得頻率值進(jìn)行比較，如表 4 所示。

表 3 電壓值電壓表 220 215 200 230 235數(shù)字時(shí)鐘 220．0 頻率值 頻率計(jì) 50 48 46 52 54數(shù)字時(shí)鐘 ）欠壓、過(guò)壓報(bào)警：利用調(diào)壓器改變電壓值。