毕业论文多功能数字钟.doc

1、 第 1 页 共 14 页多功能数字钟（B）摘 要本多功能数字钟系统以 89C55 单片机作为控制核心，其外围电路包括时钟闹钟模块、温度测量模块、交流电电压测量及过欠压报警模块、交流电频率测量模块。其中使用串行时钟芯片 PCF8563，实现时间的显示设置和闹钟功能。通过温度传感器 AD590、 AC-DC 转换芯片 AD536 及模数转换芯片 ICL7135实现温度和交流电压的测量。利用波形转换电路和单片机内部定时器测量交流电的频率。利用光电开关实现非接触关闭闹钟功能。本系统很好的完成了题目要求的基本及发挥要求，并进行了进一步的扩展。ABSTRACTThe multi-function dig

2、ital clock system uses MCU 89C55 as its central part. The periphery circuits including clock module, temperature measure module, voltage measure module and frequency measure module. To achieve these functions, the system uses clock circuit PCF8563, temperature sensor AD590, AC-DC converter AD536, an

3、alog-to-digital converter ICL7135 and so on. The design achieved and even exceeded all the technical indexes with better accuracy and control.一、 方案论证与比较本题目的要求是设计一个数字时钟，要求具有 24 小时时间、闹钟设置并具有闹铃功能。同时要求有对环境温度及供电电源特性进行测量的扩展功能。我们提出了以下几种方案：1. 方案一这是一种纯硬件电路系统。各功能采用分离的硬件电路模块实现。用时序逻辑电路实现时钟功能，用 555 定时器实现闹钟的设定，以及

4、用热敏电阻作为温度传感器等。但这种实现方法可靠性差、控制精度低，灵活性小、线路复杂、安装调试不方便，而且不方便实现对系统的扩展。第 2 页 共 14 页2. 方案二这种方法用可编程逻辑器件（PLD）实现。这种方案与前一种相比，可靠性增加，同时可以很好的完成时钟的功能。但是对于温度和电压的测量，不具备对数据的处理功能，无法很好的完成扩展功能的要求。同时这种方案只能选用数码管显示，显示的效果不够理想。同时，系统的灵活性不够。3. 方案三这种方案采用 89C55 单片机作为系统的控制核心。时钟功能采用单片集成的时钟芯片实现，可以使用液晶显示（LCD）测量数据及提示信息，有着智能化的人机界面。同时，采

5、用模数转换器实现对温度、电压等测量数据的转换，可将其读入单片机进行处理。由于使用了单片机，整个系统可编程，系统的灵活性大大增加了。另外，本方案可以方便的实现其他功能的扩展。经过以上的比较论证，我们选用方案三来完成题目的要求。二、 系统原理框图根据题目设计要求，要实现时间和闹钟的显示及设定、温度测量、市电电压频率测量报警、非接触止闹等功能。针对此要求，本系统由以下几个模块构成，如图 2-1 所示：图 2-1三、 主要电路设计与计算1. 基本功能部分（1） 89C51 单片机基本系统核心部分为 89C51 单片机与地址锁存器 74LS373、总线驱动器 74LS245 构成单片机的基本系统，电路如

6、图 3-1 所示：第 3 页 共 14 页图 3-1这里通过三态 8D 锁存器 74LS373 锁存单片机的低八位地址。同时为了方便驱动其它电路，通过总线驱动器 74LS245 增加单片机的驱动能力。将数据及地址等信号通过 40 线的总线引出，便于对此单片机系统作进一步的扩展。（2） I2C 串行时钟 PCF8583 本 数 字 钟 系 统 的 重 要 部 分 在 于 时 钟 和 闹 钟 功 能 模 块 ， 这 里 选 用 串 行 日 历 时钟 芯 片 PCF8563。 与 采 用 并 行 总 线 与 单 片 机 进 行 数 据 通 信 的 时 钟 芯 片 相 比 ，PCF8563 与 单 片

7、 机 的 连 线 大 为 减 少 ， 极 大 的 节 省 了 单 片 机 的 系 统 资 源 。PCF8563 具 有 内 部 时 钟 电 路 、 内 部 震 荡 电 路 、 内 部 低 电 压 检 测 及 两 线 制 I2C 总线 通 信 方 式 ， 不 但 使 用 外 围 电 路 简 洁 ， 而 且 增 加 了 芯 片 的 可 靠 性 。 时 钟 芯 片 与单 片 机 的 接 口 电 路 如 图 3-2 所 示 ：图 3-2第 4 页 共 14 页PCF8563 的管脚排列及描述如图所示。图 3-3PCF8563 采用了 I2C 总线接口，虽然总线时序关系复杂，但我们可以利用PHIL IP

8、S 公司提供的软件包，使得编程极为简单，可靠性极强。在设计中我们主要用到了 PCF8563 的计时功能和报警功能。PCF8563 内部共有 16 个寄存器。其中 00H，01H 为控制方式寄存器，02H08H 为时间寄存器，09H0CH 为报警功能寄存器，0DH 为时钟输出寄存器，0EH 和 0FH 为定时器功能寄存器。其中报警和时间寄存器的位描述如图 3-4 所示：图 3-4可以看出芯片内部时间寄存器和报警寄存器在地址上是连在一起的，并且数据全部是以 BCD 码形式存放的，这样使得数据读写和处理变得相当简洁和便利。在本设计中，PCF8563 通过 SCL、SDA、/INT 与单片机相连，其中

9、 SCL为时钟输入端，数据随时钟信号同步输入器件或从器件输出；SDA 为双向引脚，用于行数据的输入输出；/INT 是中断信号输出端，可通过设置报警寄存器按指定时间在该脚产生报警信号，低电平有效；SDA、 SCL、/INT 均为漏极开路，必须接上拉电阻。PCF8563 共有四种报警方式,分别为小时报警(每小时的同一分钟时刻报警),日报警(每天的同一小时时刻报警),月报警(每月的同一天时刻报警)和星期报警第 5 页 共 14 页(每星期的同一天时刻报警)。发生报警时在/INT 引脚产生一个中断，低电平有效，同时在 PCF8563 的内部产生中断标志 AF。软件清 AF 后就清除了/INT 上的中断

10、信号。我们在设计中联合应用了 PCF8563 的小时报警、日报警和月报警的功能。即可以设定每个月某日的某时某分为闹铃时刻。报警时，/INT 的低电平使单片机产生中断，在中断服务程序中，单片机控制蜂鸣器发出闹铃声。（3） 液晶显示器（LCD）这里采用点阵式液晶显示器 SMG12864 代替数码管显示时间，不仅可以有更好的显示效果，同时还可以显示提示信息，将此多功能数字钟做成智能化人机界面。另外，扩展功能也要求我们采用液晶显示。接口电路如图 3-5 所示：图 3-5SMG12864 是一种 128*64 点阵的液晶显示器。其控制器内部有两个 64*64位（512 字节）的 RAM 缓冲区，用户可以

11、通过控制器内部设定的数据地址页指针和列指针来访问全部 RAM 字节。这里将 SMG12864 的数据口和数据总线相连，片选信号、读写控制信号、使能信号、复位信号等控制线与 P1 口的部分口线相连，通过单片机的控制可以方便的实现对液晶的写入。（4） 键盘接口电路在设计键盘接口电路时，我们使用 HD7279 键盘控制器来扫描 8*2 的 16 键键盘，单片机通过查询方式从 HD7279 读出键码，接口电路如图 3-6 所示：第 6 页 共 14 页图 3-6HD7279 可以同时对多达 8*8 的键盘进行监视，并具有自动消抖和识别键码的功能；同时 HD7279 和单片机采用串行接口，占用口线较少，

12、因此可以提高单片机的效率和节省系统资源。这里用两条列线端口和八条行线端口，实现对 16 键键盘的自动监视和键码的识别。单片机对 HD7279 的按键信号端进行查询，并以串行方式读入键码。（5） 非接触止闹电路这里采用光电开关 ES50。此开关的特性是：开关前一定范围内无障碍物时，输出高电平；当有障碍物挡在开关前时，输出低电平。对光电开关的输出信号经过信号调理电路，再接入单片机口线 P3.5 进行检测。当单片机检测到该信号的下降沿时，就关闭闹铃。2. 温度测量部分（1） 测温电路设计对 于 温 度 传 感 器 ， 我 们 选 择 了 单 片 集 成 的 温 度 传 感 器 AD590。 常 见

13、的 感温 元 件 有 热 电 偶 、 热 电 阻 和 半 导 体 等 传 感 器 。 热 电 偶 的 价 格 便 宜 ， 但 精 度 低 ，需 要 进 行 冷 端 补 偿 ， 电 路 的 设 计 比 较 复 杂 ； 热 电 阻 精 度 较 高 ， 但 需 要 标 准 稳 定电 阻 是 陪 才 能 使 用 ； 而 半 导 体 温 度 传 感 器 线 路 设 计 简 单 ， 精 度 较 高 ， 线 性 度 好 ，价 格 适 中 。AD590 为单片集成两端感温电流源，所产生的电流经过电阻网络和多级运算放大器，输出范围在 00.6V 的电压（温度范围为 060） 。电路图如图 3-7 所示： 第 7

14、 页 共 14 页图 3-7AD590 的特性为：流过器件的电流( )等于期间所处环境的热力学温度A（开尔文）度数，即：A/K 式 中 ： 流 过 器 件 （ AD590） 的 电 流 ， 单 位 为 A；T热 力 学 温 度 ， 单 位 为 K。同 时 ， AD590 输 出 呈 现 高 阻 抗 ， 其 本 身 保 证 在 0 （ 即 热 力 学 温 度 273.2K）时 ， 输 出 电 流 为 273.2 。 所 以 当 R1 和 R2 的 阻 值 之 和 为 1K 时 ， 在 AD590的 2 脚 ， 可 以 得 到 273.2mV 的 电 压 ， 且 输 出 电 压 随 温 度 的 变

15、 化 为 1mV/K。 在AD590 之 后 连 接 由 运 算 放 大 器 OP07 构 成 的 跟 随 器 ， 以 提 高 输 出 负 载 能 力 。 要想 得 到 输 出 电 压 在 0 60 时 输 出 为 00.6V， 必 须 对 信 号 进 行 降 压 和 放 大 。考 虑 到 精 度 的 要 求 ， 我 们 先 对 跟 随 器 的 输 出 信 号 经 过 一 级 反 向 放 大 ， 再 经 过 一级 反 向 求 和 降 压 ， 最 后 得 到 00.6V 的 电 压 ， 且 在 整 个 温 度 范 围 内 保 持 良 好 的线 性 。 计 算 过 程 如 下 ： 0 60 时 )

16、(602.73.1 vU调 节 电 位 器 R7 为 10K1372*RU调 节 电 位 器 R8， 使 为 2.732V)2(583 U调 节 电 位 器 为 10K3914则 ： 7.01U故 ： 范 围 为 00.6V， 在 ICL7135 的 量 程 范 围 内4第 8 页 共 14 页但 由 于 AD590 的 增 益 有 偏 差 ， 同 时 电 阻 也 有 误 差 ， 因 此 必 须 对 电 路 进 行调 整 。 调 整 方 法 为 ：1. 为 了 获 取 准 确 的 温 度 值 ， 分 别 在 0 （ 冰 水 混 合 物 ） 、 100 （ 沸 水 ） 和36.5 （ 人 体 温

17、 度 ） 进 行 温 度 定 标 。 具 体 步 骤 是 ： 把 AD590 放 于 冰 水混 合 物 中 ， 调 节 电 位 器 R1， 使 得 跟 随 器 输 出 电 压 为 273.2mV。 依 次 调节 R7、 R8， 使 得 运 放 U2、 U3 的 输 出 为 -2.732V 和 2.732V。2. 将 AD590 放 入 沸 水 中 ， 调 节 电 位 器 R11， 使 得 U4 输 出 为 1V。3. 同 理 进 行 36.5 使 得 定 标 。（ 2） 高 精 度 AD 芯 片 ICL7135 设 计对 于 模 数 转 换 芯 片 ， 我 们 选 择 高 精 度 AD 芯 片

18、 ICL7135。 此 方 案 利 用ICL7135 的 “BUSY”端 ， 可 以 在 只 占 用 单 片 机 的 一 个 I/O 口 和 一 个 内 部 定 时器 的 情 况 下 ， 得 到 准 确 的 转 换 数 据 。 接 口 电 路 如 图 3-8 所 示 ：图 3-8ICL7135 具 有 正 负 20000 个 数 的 分 辨 率 ， 而 且 有 BCD 码 和 STB 信 号 输 出 。通 常 利 用 这 两 个 信 号 读 入 数 据 需 要 占 用 单 片 机 5 个 I/O 口 。 出 于 对 单 片 机 资 源的 考 虑 ， 我 们 巧 妙 的 利 用 了 “BUSY”

19、信 号 和 芯 片 的 输 入 时 钟 信 号 ， 就 可 以 实现 同 样 的 功 能 ， 极 大 的 节 省 了 宝 贵 的 系 统 资 源 。 ICL7135 是 以 双 积 分 形 式 进 行AD 转 换 的 电 路 。 它 的 每 个 转 换 周 期 除 了 自 动 调 零 外 ， 包 括 积 分 阶 段 和 反 积 分阶 段 。 如 图 3-9 所 示 ：第 9 页 共 14 页图 3-9ICL7135 内 部 规 定 积 分 时 间 固 定 为 10001 个 时 钟 脉 冲 时 间 ， 反 积 分 时 间 长度 与 被 测 电 压 的 大 小 成 比 例 ， 且 最 多 为 2

20、0000 个 时 钟 脉 冲 时 间 。ICL7135“BUSY”端 的 高 电 平 的 宽 度 等 于 积 分 和 反 积 分 时 间 之 和 。 所 以 这 里 利用 单 片 机 内 部 的 定 时 器 对 ICL7135 的 时 钟 脉 冲 计 数 ， 利 用 “BUSY”信 号 作 为计 数 器 的 门 控 信 号 ， 控 制 计 数 器 只 在 “BUSY”为 高 电 平 时 计 数 。 由 于 芯 片 的满 量 程 输 入 电 压 为 2V， 所 以 用 “BUSY”高 电 平 期 间 计 数 器 的 内 容 减 去10001， 其 余 数 值 便 等 于 被 测 电 压 的 数

21、值 ， 且 为 小 数 点 后 四 位 的 高 精 度 数 据 。同 时 ， 本 系 统 有 温 度 和 电 压 两 种 数 据 需 要 测 量 。 为 了 节 省 资 源 及 减 小 硬 件电 路 的 复 杂 性 ， 这 里 采 用 继 电 器 在 两 路 信 号 之 间 进 行 切 换 。 继 电 器 的 控 制 信 号CONTROL 有 单 片 机 提 供 。3. 交流电特性测量部分（1） 交流电电压测量对 于 交 流 电 的 电 压 测 量 ， 我 们 采 用 单 片 集 成 的 有 效 值 变 换 器 AD536， 将经 过 变 压 器 降 压 的 交 流 电 信 号 转 换 为 精

22、 确 的 直 流 信 号 ， 送 ICL7135 进 行 模 数转 换 后 读 入 单 片 机 并 进 行 显 示 。 电 路 如 图 3-10 所 示 ：图 3-10传 统 的 有 效 值 变 换 器 大 多 为 近 似 有 效 值 计 算 ， 对 于 复 杂 信 号 和 大 动 态 范 围的 信 号 存 在 着 转 换 精 度 不 高 的 缺 点 。 AD536 根 据 数 学 表 达 式计 算 的 是 真 有 效 值 ， 得 到 了 精 度 的 保 证 。)()(22VrmsinAvgVinvgrms将 220V 交 流 电 经 过 变 压 器 得 到 7.5V 的 交 流 电 压 Vi

23、n， 经 AD536 后 输 出 的7.5V 的 直 流 电 压 ， 在 经 过 电 阻 网 络 分 压 后 ， 再 通 过 调 节 R17 改 变 运 放 的 增 益 ，使 得 运 放 TL084 输 出 为 1V， 同 时 增 加 了 直 流 信 号 的 驱 动 能 力 。 输 出 的 信 号第 10 页 共 14 页Vout 送 入 ICL7135 进 行 转 换 ， 同 时 也 作 为 过 欠 压 报 警 模 块 的 输 入 信 号 。（2） 交流电频率测量对于交流电频率的测量，我们将经过降压的交流信号，通过比较器 LM311实现波形转换。将产生的方波信号与单片机口线相连，可以得到交流

24、电的频率。电路如图 3-11 所示：图 3-11频 率 测 量 的 原 则 是 ： 低 频 信 号 测 周 期 ， 高 频 信 号 测 频 率 。 因 此 我 们 的 方 案是 ： 将 低 压 交 流 电 信 号 Vin 经 过 比 较 器 LM311 与 0 电 平 进 行 比 较 ， 可 以 得 到峰 值 为 1112V 的 方 波 信 号 。 经 过 降 压 并 通 过 运 算 放 大 器 以 提 高 驱 动 能 力 ， 信号 被 接 至 单 片 机 的 口 线 P3.0， 作 为 内 部 定 时 器 T0 的 门 控 信 号 。 通 过 T0 的 计数 测 得 方 波 的 周 期 ， 经 过 处 理 后 即 可 得 到 交 流 电 的 频 率 。（3） 交流电过欠压报警对 于 交 流 电 压 超 出 波 动 范 围 报 警 部 分 ， 这 里 采 用 了 电 压 比 较 器 LM311。将 前 一 级 芯 片 AD536 输 出 的 直 流 信 号 ， 经 过 运 放 的 处 理 后 ， 与 基 准 电 压 源LM336-5 产 生 的 电 压 +5V 进 行 比 较 。 如 果 超 出 波 动 范 围 限 制 （ 10%） ， 将 驱动 发 光 管 闪 亮 和 蜂 鸣 器 报 警 。 电 路 如 图 3-12 所 示 ：图 3-12