电气工程与自动化毕业论文：语音报时电子时钟的设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计语音报时电子时钟的设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘要数字时钟是采用数字电路来实现其对时，分，秒的数字的显示的一种计时的装置。到目前为止，它被广泛的用于家庭，车站, 码头，办公室等公共场所,已经成为人们日常生活中的必需品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,数字钟的精度远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们的生产生活带来了极大的方便。本文是语音报时电子时钟的设计，要求实现的时钟带有报时以及计时的功能，并且要求在掉电的情况下还能保持正常的计时功能。本文就是从语音电子钟的设计原理，设计方案入手，详细

2、的介绍了系统硬件设计，软件设计。采用 AT89S51 单片机来驱动 DS1302 时钟芯片的运行，来完成计时的工作。为了保持掉电情况下还能正常计时，我采用的是在DS1302 这块时钟芯片外接外备电池来完成掉电计时的工作。并通过录音芯片 isd4002 和外接喇叭来实现语音输出功能。关键字：单片机; 时钟;语音输出IIIAbstractDigital Clock is a time counting devices using digital circuits. Its widely used in families, stations, docks, offices and other pub

3、lic places and has become a necessity in daily life. Due to the development of the digital integrated circuits and the application of quartz crystal oscillators, the precision of the digital clock has far exceeded the old ones. Digital clocks give the peoples work and daily life a great convenience.

4、This article is the design of voice broadcast electronic clock, demands of the clock with a chime and chronograph functions, and power-down required to maintain normal circumstances but also the timing functions.This article is from the design of voice-clock theory, design, a detailed introduction t

5、o the system hardware design, software design.DS1302 with AT89S51 microcontroller clock chip to drive the operation time to complete the work.Power-down situations in order to maintain the normal time but also, I used this in the DS1302 clock chip to complete the external battery external power-down

6、 timing equipment work.Isd4002 by recording chip for voice calls and external speaker output.Keywords: SCM; clock; speech outputIV目 录第 1 章 绪论 .11.1 选题的目的和意义 .11.2 语音电子时钟的介绍 .11.3 本次设计要做的工作 .1第 2 章 语音电子时钟的原理和方案 .22.1 设计原理 .22.2 设计方案 .2第 3 章 语音电子时钟的硬件设计 .43.1 CPU 模块部分 .43.1.1 本次设计的 AT89S51 原理图 .43.1.2

7、 AT89S51 单片机的晶振电路 .53.1.3 AT89S51 复位电路 .73.2 时钟显示电路模块 .73.2.1 功能特色 .73.2.2 DS1302 芯片的结构图 .83.2.3 本次设计 DS1302 的接线图 .83.2.4 DS1302 芯片的功能简述 .93.2.5 DS1302 芯片主要工作原理图 .93.2.6 涓流充电寄存器 .133.2.7 DS1302 芯片结论 .133.3 电源电路模块 .143.4 语音输出模块 .143.4.1 ISD4002 芯片优点 .143.4.2 ISD4002 结构图 .153.4.3 各管脚功能 .153.4.4 语音输出电路

8、的原理图 .163.5 LED 显示电路模块 .163.5.1 LED 数码管 .163.5.2 本设计中显示电路的硬 件原理图 .17V3.5.3 74HC244 芯片的介绍 .17第 4 章 语音报时电子时钟的软件设计 .184.1 系统的总程序流程图 .184.2 子程序设计 .194.2.1 时钟读出程序的设计 .194.2.2 时间调整程序设计 .214.2.3 语音播放部分 .22结论 .23致谢 .24参考文献 .25附录 1 系统总原理图 .26附录 2 程序 .271第 1 章 绪论1.1 选题的目的和意义20 世纪末，随着科学技术的不断发展，电子技术也相应的也获得了快速的发

9、展，由于这个原因，现代的电子产品已经进入到我们生活当中的每一个角落。让现代社会的发展速度变得更迅速。与此同时，也进一步提升了现代电子产品的性能。也加速了新产品的诞生。时间对现代人们来说是个不可或缺的朋友，每个人的生活中必不可少的就是时间，相应的人类对时间的精度的要求也越来越高，怎么样设计才能设计出高精度的时间仪器已经变的非常的重要。由于以前的时钟都比较笨重，精度也不高，所以设计出一款方便，小巧，精度高的时钟已经是社会发展的必然。期间的新产品就是语音报时的电子时钟的诞生。带有语音功能的电子产品和电子设备近年来广泛的出现在我们生活中的各个角落，语音时钟是现在电子时钟多功能化发展的一个方向。将语音引

10、入到时钟中来实现时间的语音播报。单片机是一种功耗低，超小型，低成本，功能强大的芯片，在国内越来越受到人们的重视，并在生活中得到了广泛的应用。本设计是一个通过 AT89S51 单片机，时钟芯片 DS1302，录音芯片 ISD4002，7 段数码管来实现时钟的时间、日期显示以及语音输出的功能。1.2 语音电子时钟的介绍单片机从 20 世纪 70 年代产生以来，一直被人们受到重视，并得到广泛的应用，到现在这个阶段，单片机的发展越来越快，功能也越来越强大。目前单片机已经渗透到我们生活的每个领域，无时无刻不存在着，比如说导弹上面的导航装置，飞机上的对仪表的控制，计算机的网络通讯和数据的传输，工业自动化过

11、程的实时控制以及数据的处理，还有就是 IC 卡，录像机等等各种电子设备都有用单片机。因此，学习单片机的各种控制越来越受到我们这些学生的喜欢。语音电子时钟从字面上看来，就是语音和电子钟的结合，它不仅能显示时间，还应该具有自动报时的功能。它是一种用数字电路来实现秒，分，时的计时装置，它与老式的时钟相比，不仅外观上有了很大的突破，而且也方便了很多，并且它的计时更加的准确。因而在人群中受到广泛的应用。钟表的数字化已经对人们的生活带来了极大的方便，再加上语音报时功能，就更受到人们的喜欢，目前数字钟已经是我们生活上的必需品，在家庭，车站，码头，剧院等公共场所，我们都能看到数字钟的存在。当然电子钟也能用于现

12、代化得进程中，比如说机械手，自动化设备，定时自动报警系统等等。以上的这些都是以钟表的数字化为前提的。也是整个控制的核心，占主导的地位。因此研究电子钟是非常有意义的一件事情。随着人们生活水平的提高，钟表的数字化已经是必然，以后该进一步提升钟表的多功能化。1.3 本次设计要做的工作1 实现时间的显示2 具有整点，半点的报时功能3 采用市电4 在断电情况下依然能保持根据我设计的要求，首先我要做的是该用哪些设备来实现这些功能。首先我选择了AT89S51 单片机来个总控制，为实现时间的计时，我用了一块时钟芯片 DS1302，然后在用一个数码管，然后就是解决报时功能，我采用的是同过对录音芯片 ISD400

13、2 的控制然后再扬声器里播放出来。2第 2 章 语音电子时钟的原理和方案本设计要求设计一个能显示时，分，秒的电子时钟，并带有语音报时功能。2.1 设计原理时钟功能由时钟芯片 DS1302 来实现，大致过程是先将各种数据写入 DS1302 的寄存器，设置好当前的时间和格式。接着让 DS1302 开始运作，然后 DS1302 时钟会按照设置情况运转，再利用单片机将其寄存器内的数据独处来，显示在数码管上。语音输出功能利用录音芯片 ISD4002 以及外接喇叭来实现。将事先要的声音寄存在芯片ISD4002 中，然后通过单片机控制这块芯片，把存储在 ISD4002 的语音信号经过放大器由外接喇叭释放放出

14、来。2.2 设计方案方案一：我们使用并行的接口时钟芯片 DS12887 设计时钟电路。这个设计方案采用AT89S51 单片机为主控芯片，并且利用并行时钟芯片 DS12887 为核心的计时芯片，来组成数字时钟的电路。该电路能够很准确的计时，而且还附加许多的其他功能，在掉电时候能保存用户设置参数和故障状态参数等重要参数。设计图如图 2.1 所示图 2.1 DS12887 芯片接口电路图此设计虽然能完成所要求的任务，综合性能也比较好，但是它的并行接口方式占用大量接口资源，给另外的设计带来很大的不便。方案二：使用串行接口时钟芯片DS1302 来设计时钟电路。这个设计方案以单片机 DS1302 为核心的

15、计时芯片，组成数字时钟电路。该电路不但能够准确的计时，而且还附加其他的功能，并且，它的三线接口可以节省接口资源，在断电后仍然不丢失时间和数据信息。此设计方案接口电路如图 2.2 所示 图 2.2 DS1302 芯片接口电路图通过以上的两个方案的比较，我们可以看到，第二个方案明显比第一个方案简单，计时可靠，性能也比较好。故我选择第二个方案来做本次设计。按照系统设计功能的要求，确定由主控模块，时钟模块，显示模块，键盘接口模块，发声模块共 5 个模块构成。主控芯片采用 AT89S51 单片机，时钟芯片则采用美国 DALLAS 公3司推出的一种高性能，低功耗，带 RAM 的实时时钟 DS1302,采用

16、 DS1302 作为计时芯片，可以更好的做到计时准确，更重要的是 DS1302 可以在很小电流的后备电源（2.55.5V 电源，在 2.5V 时耗电小于 300NA）下继续计时，而且 DS1302 可以编程选择多种充电电流来对后备电源进行慢速充电，可以保证后备电源基本不耗电。显示电路采用八位共阳 LED 数码管，采用查询法查键实现功能调整。录音芯片则采用 ISD4002，用事先录好的语音用单片机控制它，经过放大，从外界喇叭中释放出来。并可通过按键对时间进行调整工作。电路系统框图如图2.3 所示：图 2.3 电路系统框图（AT89S51)主控模块DS1302 时钟电路扬声器电路ISD4002录音

17、芯片键扫描电路八位 LED 数码管显示电路4第 3 章 语音电子时钟的硬件设计 3.1 CPU 模块部分本次设计实现的是语音报时电子时钟的显示和报时作用，所以我们就需要一个关键，也就是一个主控的模块，就是说来控制整个功能的一个载体吧。我选择的是 AT89S51 单片机来控制。AT89S51 单片机它是由美国的 ATMEL 公司生产的。优点表现在它是一种低功耗、高性能的 CMOS8 位单片机，里面包含了 4K Bytes ISP 的可以重复的擦写 1 千次的 Flash 只读程序存储器，这个器件用的是 ATMEL 公司的高密度、非意失性存储技术制造，并且它与 MCS-51 的指令系统和 AT89

18、C51 引脚的结构兼容的。AT89S51 这块芯片内部它集成了通用 8 位中央处理器以及 ISP Flash 的存储单元。单片机 AT89S51 的强大功能在嵌入式控制应用体系中也得到了广泛的应用。3.1.1 本次设计的 AT89S51 原理图 P.0/T2EXCI567RS9xDNWALVOGU?pFaYKesckol-B图 3.1 AT89S51 外部电路原理图P0 口：它是为一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口，也即地址/数据总线的复用口。作为输出口用时，它能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”时，被定义为高阻输入。在访问外部数据存储器或者程序存储器时，这一组接口线分时转换

19、地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活了内部上拉电阻。P1，P2，P3 口：这是三个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，端口的输出缓冲级可以驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这个时候可以作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻。某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。5由原理图可以看出我用到了 19,18,9,31,15,17,40 这几个引脚。其中各个引脚的含义如下XTAL1 和 XTAL2 这两个引脚是谐振器端口，分别表示时钟振荡器反相放大器输入端和输出端RST 是一个复位端：高电平的有效复位，在

20、复位端上保持两个机器周期的高电平就可以完成操作EA/VPP：外部访问允许。此设计接一个 VCC 电源电压，即 EA 端保持高电平，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。如果想要 CPU 仅访问外部程序的存储器，则 EA 端必须保持低电平（接地） 。但是这里需要注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA端状态。T1，RD 这两个引脚原理图中接两个开关用于控制时间的调整和设定VCC 引脚表示电源电压由上图可以看到我在 XTAL1 和 XTAL2 两端接了个晶振以及电容，这样做的目的是产生振荡，给定一个时钟脉冲信号。3.1.2 AT89S51 单片机的晶振电路1 晶体振荡器特性AT

21、89S51 单片机中有一个构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别为该反向放大器的输入端和输出端。这个反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体及电容 C1，C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1，C2 虽然没有很严格的要求，但如果电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡工作的稳定性，起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体，电容应该使用30pF10pF。单片机的时钟信号通常有两种电路形式：内部振荡方式和外部振荡方式。2 内部振荡方式在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器（晶振）如

22、下图 3.2 所示图 3.2 内部振荡图电容 C1、C2 起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为 5-30PF（常用 30PF） 。晶振的振荡频率范围在 1.2MHZ-12MHZ（一般取 12MHZ 或 6MHZ)。由于单片机内部有一个高增益的运算放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。3 外部振荡方式是把自己有的时钟信号引入单片机。这种方式适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持一致。外部振荡方式如下图，对 HMOS 的单片机外部信号由 XTAL2 引入，对于 CHMOS 的单片机由 XTAL1 引入，外部时钟信号为高电平持续时间要大于 20NS，且频率低于 12MHZ的方波XTAL1XTAL2