1、0基于单片机的智能闹钟设计摘 要：本文通过单片机来实现电子打铃系统。基于单片机的智能闹钟设计包括：电源电路，单片机最小系统及扩展 LCD 显示电路，4*4 矩阵键盘电路，打铃系统电路。本设计采用 C 语言编程，使用模拟软件驱动电路以实现其设计的各项功能。本文主要介绍了在设计过程中智能数字闹钟的软、硬件部分及在设计调试过程中遇到的一些问题以及解决方法。关键词：单片机；智能数字闹钟； 电子打铃系统1Intelligent alarm clock design based on MCUAbstract：In this paper, through the microcontroller to ach
2、ieve electronic bell system. Includes a smart alarm clockdesign based on SCM: power supply circuit, MCU minimum system and the expansion of LCD display circuit,4*4 matrix keyboard circuit, bell system circuit. This design uses the C language programming, the use of simulation software with the drivi
3、ng circuit designed to achieve the various functions. This paper mainly introduces the soft,hardware part of intelligent digital alarm clock in the design process and some problems in the design of the process of debugging and solutions.Keywords: Single-Chip Microcomputer; Intelligent digital alarm
4、clock; bell system目 录第一章 前 言 .11.1 前言 .11.2 需求分析 .21.3指标及技术 .31.4 实现功能方法 .3第二章 硬件设计 .52.1 89C51内部结构简介 .52.2 外部接口设备介绍 .62.2.1矩阵式键盘 .62.2.2 矩阵式键盘的结构与工作原理 .62.2.3 矩阵式键盘的按键识别方法 .72.2.4 液晶显示模块概述 .72.3 电路设计 .82.3.1.接口电路 .82.3.2.电源电路 .82.3.3.打铃系统电路 .82.3.4.整个系统电路 .82.4电路图中硬件介绍 .82.4.1 继电器 .82.4.2 MAX232 .9
5、2.4.3 DS1302 .9第三章 软件设计 .123.1. 电路原理图的设计步骤 .123.2 软件过程设计 .123.2.1程序流程图 .123.2.2 4*4矩阵键盘 .143.2.3 DS1302时钟芯片 .15第四章 系统的组装与调试 .184.1 硬件的组装与调试 .184.1.1 焊接技术的介绍 .184.2 软件调试 .184.2.1 使用工具的熟悉 .184.2.2 软件编程 .19第五章 结 论 .20参考文献 .210第一章 前 言1.1 前言21 世纪是信息时代，电子技术的飞速发展，令单片机以其体积小，价格低，在工业控制，自动化，家用电器，智能仪器仪表，航空航天，通信
6、，导航，车载功能齐全，性价比高等优点在电子领域日益广泛的应用了起来。电子信息技术的 MCU 开发已成为许多领域不可或缺的一项技术。其中通信，自动化，机电一体化，电气等相关专业，工程技术人员尤其必须掌握。 SCM 应用并不局限于它带来的绝对意义上的实用功能以及巨大的经济效益，更重要的是它从根本上改变了人们对传统的控制系统的设计思路和方法，前者必须是由模拟或数字电路来实现大部分控制功能，不易操作且成本较高，而现在实现了单芯片控制，能够使用仅仅一个芯片就取代了硬件和软件，不仅易操作和节约成本，还提高了系统性能控制技术即微控制技术，它的成立标志着一个新的概念。单片机的众多优点及其鲜明的特点为其广泛普及
7、以及后续的微控制技术将因此日益发展复杂，更加充实，成为今后技术开发领域冉冉升起的一颗新星。本论文的目的是在理论研究的基础上，通过完成包括微控制器的资源和一个小的系统集成设计和编程功能的应用程序的应用，使我不但能够将在教室学习的理论知识和实际动手能力联系起来，而且还让我对电子电路，电子元器件等这方面书本以外的知识，进一步加深了解，以获得更全面的锻炼和提高。本方案采用软件编程，涉及到设备的使用等布局调试技巧，丰富了自己的设计思维，为我以后能够独立开展今后的一些单片机的应用开发和设计工作打下了基础。该论文通过采用 89C51 单片机为基础的智能型数字闹钟应用程序，实现了单芯片微控制器的电子钟系统控制
8、打铃。时间可以设定，保存，修改，并通过软件与 32 段每一天打铃交流设置。在实际应用中，微控制器是一个单一的多主机系统中，也就是说，只用一个单一芯片上系统的应用程序。目前已经有大量的领域在逐渐使用单片机来做控制系统，如工业控制系统，包括单芯片，自适应控制系统和控制系统，数据采集系统等;用单片机测量，智能电表控制，实现了仪表数字化，智能化，多功能，综合性，灵活的单芯片计算机编程错误校正，线性的过程 1 。11.2 需求分析整个系统通过程序取代硬软件来降低成本，打铃设置可以适应当前的学校系统，目前，大多数小学，幼儿园的下课铃尤其是农村，山区仍用人工方法，时间通常用普通的时钟，采取人工打铃时间不精确
9、，而本方案使用一个低成本的程序设计，功能简单实用，有一定的市场推广价值。并有一定的可扩展性，采用继电器控制，可减少重复投资，还可以节省许多人工上的资费，如此简单易行且成本低廉的设计，操作合理将有很大的市场空间。 程序使用了一个可扩展的微控制器作为主控单元，采用专用的时钟芯片作为处理时间，测量精度高，功耗低，而使用超级电容器作为备用电源，充电时间可以在几秒钟内被控制，可掉电使用一个月，有极长的使用寿命，按铃时间可以支持独立的工作和 PC 设置两种模式，在易用性，耐久性和可维护性对整个程序有很大的技术特点。一、矩阵键盘的按键识别方法介绍一种“行扫描法”用来确定矩阵式键盘上何键被按下。行扫描，也就是
10、一种逐行（或列）进行扫描的查询法，是一种很常用的按键的识别方法之一，介绍如下。 1，以确定键盘按键是否按下整个行线 Y0-Y3 被设置为低，则状态列线检测。只要有一排水平低，这意味着该键盘的键被按下时，该封闭粘合线处于低电平和四个键中 4 相交的行线。如果所有的列线为高，键盘按不出键。 2 关闭，以确定在确认键被按下时，键输入确定所述特定盖的过程中的关键位置。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定低行线，列线，然后一根根的位置来检测状态的渐进层次。如果列出的低，列线和行线设定按钮是在一个封闭的低调的交点 2 。二、LCD 的结构及工作原理对于液晶显示屏
11、，它通常包括制造胶合板，ITO（铟锡氧化物）膜构成，配向膜，偏光板，从上层和下层的玻璃基板。每个夹层包括电极和取向膜，所述槽形成，具有90 度的上部和下部玻璃基板。三明治的地方下来的液晶，液晶将按照沟槽的方向。总体看起来像液晶分子的扭转取向排列在螺旋。当光线穿过液晶分子竖立，结果会出现黑色屏幕上。一种液晶显示器（LCD）将根据电压是否，液晶分子与面板来实现显2示的列方向。LCD 的分类，有各种不同的分类。根据自己的显示段，点字符式，点阵等通常被划分。除了以前采用的黑白显示，由于技术的发展现在有多种灰度和彩色显示器以供采用 3 。128 * 64 液晶显示屏，可显示日期，时间，正确的，和其他信息
12、。当时间达到设定的报警继电器会响钟，铃 10 秒，自动停止，液晶也会显示相关信息。整个系统钟还有一个蜂鸣器报警装置来保证系统是否处于正常运行状态。整个系统软件支持通信和报警时间的设置，有多种方式通过键盘输入。操作方便,界面友好。1.3指标及技术采用 MC5-51 系列单片机制作支持打铃的时钟控制器。 支持打铃每天设置，每次调节的铃声。 掉电运行的时钟，时钟仍然正常精确运行约一个月。 支持 LCD 菜单显示，可显示打铃备注。 支持按周打铃设置为每天重复一次，按响了门铃，支持每个周六和周日停止功能。 支持键盘输入功能，有多级菜单。 内置海量国标汉字库，采用简体中文 16 点阵汉字显示。 打铃采用继
13、电器和内部蜂鸣器控制，兼容目前市面上使用的大部分打铃设备。 中文点阵液晶显示技术。 I2C 总线及 EPROM 数据存储技术。 单片机与 pc 机串行通讯技术。 单片机系统数据分配及结构存储技术。 单片机系统多级菜单控制技术。 单片机系统低功耗设计技术。1.4 实现功能方法本系统设计通过查询预想采用的单片机是 89C516RD+。其中 89C51 是 51 系列 CPU3中最普遍使用的，单片机应用项目为电子元件常用，体积小，功能强大，性能稳定，价格低廉。已经广泛应用于各类家用电器和玩具，智能测试设备，机电一体化产品，自动监测和控制系统，计算机控制和通信技术。液晶采用广泛使用的 128*64 字
14、符液晶显示屏，SMG12864，时间是由外部时钟芯片DS1302 的控制，键盘采用的是标准的 4*4 矩阵键盘。存储芯片用用 24LC08。 整个系统可以在装配进行编程，Keil uVision3 用来使用软件调试，整个系统是通过以下步骤来完成：首先，大量的在线以及图书馆搜索工具及书籍，得到了大量资源，对其进行整理学习，设计电路原理图，并最终用软件调试将其模拟出来。4第二章 硬件设计2.1 89C51内部结构简介89C51 包含 8 位微控制器，分别是 CPU，ROM，RAM，串行端口，并行 I/ O 接口，定时器/计数器，中断系统几个单位和数据总线，地址总线和控制总线组件。 中央处理器：89
15、C51 是 8 位数据宽度的处理器，它的功能是能迅速处理 8 位二进制数或代码。主要是由逻辑单元，控制单元和特殊寄存器组成。 存储器：89C51 采用哈佛结构而不是冯诺依曼结构是因为其 ROM 和 RAM 是分开的。它有 4096 个 8 位 ROM 存储单元，256 个 RAM 单元，其中低 128 个为用户单元，高 128 个为特殊寄存器单元。 定时/计数器：，为了实现内部定时和外部计数，产生中断，以及作为扩展中断源，89C51 有 2 个 16 位的定时/计数器。 并行输入输出口：89C51 共有 P0，P1，P2，P3 ，4 个 8 位的并行 I/O 口，且都是双向。其中 P3 口还可
16、作为第二功能扩展口。 全双工串行口：89C51 内置一个既可用于异步通信，也可用作同步通信的全双工串行通信口，用于与其他设备间的串行数据传送。 中断系统：89C51 有 2 个外部中断源，2 个定时/计数中断和 1 个串口中断。具有2 级的中断优先级。 时钟电路：89C51 内部包含时钟电路，可以外接晶振和电容作为整个单片机运行的时钟脉冲，也可接外部时钟源作为工作时钟，其最高频率达 24MHz。89C51 的引脚功能： 电源引脚：VCC：电源端，正电源接 4.05.0V 电压，正常工作电压为5V。VSS：接地端。 外接晶振或外部晶振器引脚：XTAL1：时钟 XTAL1 脚，片内振荡电路的输入端
17、。XTAL2：时钟 XTAL2 脚，片内振荡电路的输出端。5 输入输出端口引脚：P0 口：双向数据传输口。当 89C51 外接存储器时，作为分时复用端口，需要地址锁存器，89C51 从 P0 口分时传输数据或者存储器低 8 位地址。P1 口：双向数据传输口。P2 口：双向数据传输口。外接存贮器时传输存储器高 8 位地址。P3 口：双向数据传输口。当3 口用做第二功能扩展口时时，各引脚含义如下： P3.0：串行数据接受口；P3.1：串行数据发送口；P3.2：外部中断 0 信号输入；P3.3：外部中断 1 信号输入；P3.4：计数器 0 外部输入；P3.5：计数器 1 外部输入；P3.6：外部 R
18、AM 读选通；P3.7：外部 RAM 写选通；RST：单片机内部复位信号输入端；ALE/Error!：地址锁存；Error!：外部程序存储器读选通信号；Error!/VPP：访问内部或外部程序存储器选通信号。2.2 外部接口设备介绍 该系统使用的外部接口设备包括：44 列的矩阵键盘，DB-9 串行接口 RS-232C，ds130 时钟芯片。电源电路，存储器芯片 24C08，128 *64LCD 液晶。2.2.1矩阵式键盘有许多单片键盘，其采用最多的是独立键盘和矩阵键盘，前者是相对简单的，后者是用于多按钮的情况下。2.2.2 矩阵式键盘的结构与工作原理 在键盘多个键的数目，从而减少 I / O
19、端口被占用时，通常配置成矩阵形式的键。在矩阵键盘的交叉口处的每个水平和垂直线交点处都用一个按钮来进行连接。在这种6方式中，端口可以构成 4* 4 =16 个按键，比线为键盘直接向端口增加了一倍多，并且更多的线，不同的是比较明显的，如两条线，然后更能够构成 24 或 25 键的键盘，而直接用端口线则只能多出两个键。因此，需要相对较多的键的数目设计，使用的键盘矩阵方法做是比较合理的。由此可见键盘矩阵结构相比直接法也更复杂，通过连接到正电源线和连接到微控制器的线 I/ O 端口的输出端的线路的电阻以确定该列，该列连接到 I/ O 口线作为输入。因此，当没有按下按钮，所有的输出端子为高，表示没有键按下
20、。当有一个键被按下时，输入行会很低，从而使通过读取输入线的状态，便可以得知是否有键被按下了。具体的识别及编程方法如下所述。2.2.3 矩阵式键盘的按键识别方法 键盘 I / O 端口使用 8031 的 P1 口，键盘连接到列线低 4 P1 口，键盘线 P1 口接收到的四高。列线 P1.0-P1.3，分别接有四个拉电阻到正电源+5 V，和 P1.0-P1.3 设置为输入线，列线，该线被设置对线 P1.4-P.17 输出线。四行四列线线形成 16 交集。检测当前键是否被按下。方法检测 P1.4-P1.7 输出全为“0” ，读取 P1.0-P1.3 的状态，P1.0-P1.3，仿佛所有的“1” ，没
21、有任何按键被关闭，否则有纽扣。拔出钥匙抖动。当检测到一个键时，延迟时间做测试，以确定下一个步骤。如果该键被按下时，哪一个应确定键关闭。方法是扫描键盘线 4。 P1.4-P1.7 按顺序输出的以下四种组合： P1.7 1 1 1 0P1.6 1 1 0 1P1.5 1 0 1 1P1.4 0 1 1 12.2.4 液晶显示模块概述液晶显示模块用来显示汉字及图形，采用的是一块 128*64 点阵使的液晶模块，其内置了海量简体的国标的字体（16X16 点阵） ，128 个字符（8X16 点阵）点阵显示RAM 和 64X256（GDRAM） 。其中还有位并行和串行两种连接 - 8：可与 CPU 提供两个接口连接到微处理器直接接口。具有多种功能：光标显示，画面移位，睡眠模式等 5。一、 模块引脚说明液晶液晶模块引脚图如表 2.1 所示。表 2.1 液晶模块引脚说明
