基于AT89C51的多功能LCD时钟

数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的多功能LCD时钟电气工程及自动化学院《单片机原理》期末课程设计题目：基于AT89C51的多功能LCD时钟专业：班级：姓名：学号：指导老师：成绩：（2010.6）数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的多功能LCD时钟2目录第1节引言………………………………………………………………………………31.1多功能LCD时钟系统概述………………………………………………………31.2本设计任务和主要内容…………………………………………………………3第2节系统主要硬件电路设计…………………………………………………………52.1单片机控制系统原理……………………………………………………………52.2模块电路设计与比较……………………………………………………………62.3各功能模块设计及实现…………………………………………………………72.3.1单片机控制系统…………………………………………………………72.3.2实时时钟模块……………………………………………………………92.3.3温度检测模块……………………………………………………………92.3.4高速A/D转换电路模块…………………………………………………102.3.5电压有效值转换模块……………………………………………………102.3.6键盘模块…………………………………………………………………112.3.7液晶模块…………………………………………………………………122.3.8频率测量原理模块………………………………………………………122.3.9语音报警模块……………………………………………………………13第3节系统软件设计…………………………………………………………………163.1系统主程序设计………………………………………………………………163.2时间日期控制子程序…………………………………………………………173.3定时中断子程序………………………………………………………………18第四节结束语……………………………………………………………………………20参考文献……………………………………………………………………………………21数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的多功能LCD时钟3基于单片机的多功能LCD时钟第1节引言近年来，随着我国科技的不断发展，我国经济发展的支柱产业——电子产业获得长足发展，近年来各种电子产品琳琅满目，随处可见，随着电子产品的更新速度的加快，各种功能强大，款式新颖的电子产品不断问世。电子时钟便是这一发展趋势中的代表，各种功能的电子时钟应有尽有，且功能不断更新。电子时钟的研究也成为大多数相关专业的学生以及研究人员争先研究的对象，本人根据长时间对市场的关注和对同行对电子时钟的研究，总结前人以有经验特提出此项目设计，此项目结合了前人对电子时钟的研究成果，具有功能强大，设计人性化的特点。此项目的制作，对提高在校大学生的科研能力以及丰富大学生课外生活具有重要意义。1.1多功能LCD时钟系统概述本设计以单片机AT89C51为控制核心，由实时时钟模块、环境温度检测模块、电压检测模块、人机接口模块、报警模块等部分组成。其中实时时钟采用DS12887可实现年月日时分秒等时间信息的采集和闹钟功能。温度检测模块由DS18B20集成温度传感器对现场环境温度进行实时检测。电网检测模块由AD536、ICL7135等实现对电网电压有效值的采样和频率的间接测量及电网电压的欠压、过压检测。人机接口模块由4×4键盘和LCD12864点阵液晶组成，可实现时间显示、闹钟设置、环境温度测量、电网电压、电网频率显示等功能。报警模块由报警蜂鸣器和带音乐芯片的扬声器等可实现闹铃控制和电网电压的过压、欠压报警功能。1.2本设计任务和主要内容本设计以单片机为控制核心，采用模块化设计，共分以下几个功能模块：单片机控制系统、实时时钟模块、环境温度检测模块、电压检测模块、人机接口模块、语音报警模块等。1、单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。2、实时时钟芯片采用带RAM的时钟芯片DS12887。该芯片可以进行时分秒的计数，具有100年日历，可编程接口，还具有报警功能和掉电保存功能，并且可以对其方便的进行程序控制，完全能满足设计的要求。3、温度检测电路采用DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，它具有独特的单线总线接口方式，具有接口简单、精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等特点。数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的多功能LCD时钟44、电网电压检测电路采用有效值转换芯片AD536和高速A/D芯片ICL7135测量市电有效值，将从变压器引入的交流信号通过AD536转换成直流信号后接入ICL7135，利用单片机读取数据后进行相应的幅值变换得到电压有效值。利用集成电路芯片测量精度高，误差小、稳定性好，硬件电路实现简单，可减小硬件体积。5、语音报警电路是提示用户系统的实时状态或对系统进行操作，语音电路可提供整点报时、闹铃以及过压警示等功能。因此，语音电路所选用的芯片必须具备三种功能：分段录音、放音、可寻址，根据这些功能要求，本系统选用美国ISD公司的ISD1420。6、人机接口模块采用7279控制键盘，采用液晶显示。液晶显示功耗低，轻便防震，由于本设计显示信息比较复杂，采用液晶显示界面友好清晰，操作方便，显示信息丰富。本设计采用LCD（128×64）显示各种状态。7、频率测量方案采用测量周期法。将被测量信号经过过零检测后转换成方波信号，利用单片机查询两个上升沿，在此期间根据晶体振荡器产生的周期为Tc的脉冲送计数器进行计数，设计数值为N，则得被测量信号的周期值Tx，然后取其倒数即为被测量信号的频率。第2节系统主要硬件电路设计数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的多功能LCD时钟52.1单片机控制系统原理方案一：采用CPLD作为主控制器控制外围电路进行电压、频率测量，时钟控制、温度测量、键盘和LED控制、报警控制。此方案逻辑电路复杂，且灵活性较低，不利于各种功能的扩展，在测电压时将通过A/D测得的数值转化为电压有效值时有一定的困难。方案二：采用89C51单片机来实现系统的控制。键盘用芯片7289控制，时钟芯片采用DS12887，温度传感器采用DS18B20。市电信号电压可通过更高精度的AD536A、ICL7135等测得，频率可采用测周期法间接测得。此系统硬件简洁，将复杂的硬件功能用软件实现，因此系统控制灵活，能很好地满足本题的基本要求和扩展要求。此方案基本原理框图如下图所示。比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能完全达到设计要求，故采用第二种方案。图2-1系统总体设计框图2.2模块电路设计与比较时钟方案选择：方案一：要求显示小时和分钟，因此可以用门电路组合构成时钟发生器，但此方案硬件复杂，稳定性低，且不易控制。方案二：采用带RAM的时钟芯片DS12887。该芯片可以进行时分秒的计数，具有100年日历，可编程接口，还具有报警功能和掉电保存功能，并且可以对其方便的进行程序控制，能很好的符合要求。故采用方案二。温度检测方案选择：数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的多功能LCD时钟6方案一：采用热电偶或热敏电阻作感温元件，但热电偶需冷端补偿，电路设计复杂，热敏电阻虽然精度较高，但需要标准稳定电阻匹配才能使用，而且重复性、可靠性都比较差。方案二：采用集成温度传感器DS18B20。该传感器结构简单，不需外接电路，数据传输采用one-wire。总线，可用一根I/O数据线即供电又传输数据，在-10℃--+85℃范围内精度为±0.5℃，分辨率较高，重复性和可靠性好。故采用方案二。电压有效值测量方案选择：方案一：采用分段逼近式有效值检波电路。该方法示值虽然是被测电压的有效值，但由于放大器动态范围的限制，对于被测信号会产生一定的波形误差，并且硬件电路搭接复杂，且稳定性能不好。方案二：采用真有效值转换芯片AD536和高速A/D芯片ICL7135测量市电有效值。将从变压器引入的交流信号通过AD536转换成直流信号后接入ICL7135，利用单片机读取数据后进行相应的幅值变换得到电压有效值。利用集成电路芯片测量精度高，误差小、稳定性好，硬件电路实现简单，可减小硬件体积。故采用方案二。频率测量方案选择：方案一：直接测频法。把被测频率信号经过脉冲形成电路后加到闸门的一个输入端，只有在闸门开通时间T（以秒计）内，被计数的脉冲被送到计数器进行计数。设计数器的值为N，由频率定义式计算得到被测信号频率为发f＝N/T。方案二：测量周期法。将被测量信号经过过零检测后转换成方波信号，利用单片机查询两个上升沿，在此期间根据晶体振荡器产生的周期为Tc的脉冲送计数器进行计数，设计数值为N，则得被测量信号的周期值Tx，然后取其倒数即为被测量信号的频率。经分析，采用直接测频法在测量低频段信号时的相对测量误差较大，但在高频段测量信号的频率有较高的精度。如果采用测频法测量低频段50Hz频率信号，要想提高精确度，势必会大幅度增加闸门开通时间T，时效性较差。相反，采用测量信号周期然后取其倒数的方法在低频段测量时精度很高。因此，本题在测量50Hz左右的市电信号频率时采用方案二。电压过压、欠压方案选择：方案一：采用两片比较器芯片LM311对输入电压与上下门限值进行比较。根据LM311的输出驱动蜂鸣器报警。本方案对上下门限值精度和稳定度的要求较高。方案二：软件设定比较值。采用软件编程判断过、欠压值，然后通过单片机口线输出电平驱动蜂鸣器报警。采用软件判断电压过、欠压，省掉了硬件搭接，节省成本。故采用方案二。显示模块的选择：方案一：采用数码管显示。数码管亮度高、体积小、重量轻，但其显示信息简单、有限，在本题目中应用受到很大的限制。方案二：采用液晶显示。液晶显示功耗低，轻便防震。采用液晶显示界面友好清晰，操作方便，显示信息丰富。其他设计的考虑：数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计——基于单片机的多功能LCD时钟7由于单片机接口线有限，我们采用一片8255扩展口线，做相应的控制。闹铃响采用带音乐芯片的扬声器，为实现题目中非接触止闹功能，我们可以采用接近开关或无线接收发送模块通过单片机控制闹铃停止。2.3各功能模块硬件设计及实现本设计以单片机AT89C51为控制核心，由实时时钟模块、环境温度检测模块、电压检测模块、人机接口模块、语音报警模块等部分组成。可实现时间显示、闹钟设置、环境温度测量、电网电压、电网频率显示等功能。报警模块由报警蜂鸣器和带音乐芯片的扬声器等可实现闹铃控制和电网电压的过压、欠压报警功能。键盘用芯片7279控制，时钟芯片采用DS12887，温度传感器采用DS18B20。市电信号电压可通过更高精度的AD536A、ICL7135等测得，频率可采用测周期法间接测得。此系统硬件简洁，将复杂的硬件功能用软件实现，因此系统控制灵活，能很好地满足本设计的基本要求和扩展要求。硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现此设计基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：①系统稳定度；②器件的通用性或易选购性；③软件编程的易实现性；④系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。2.3.1单片机控制系统单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。为了简化电路、降低成本、提高可靠性，本系统采用AT89C51作为主控制器，它是一款与MCS51完全兼容且内部自带有4KB的Flash存储器及256KBRAM单元的芯片，因此可以不需另外扩展EEPROM及静态RAM就可以实现所需功能。单片机最小系统是软硬件系统连接的桥梁。它包括：1、单片机89C512、键盘管理