基于单片机的电子时钟设计开题报告.docx

1、基于单片机的电子时钟设计开题报告开 题 报 告基于单片机的电子时钟设计 一、 选题的背景、意义1. 1 选题的发展背景： 单片机的发展：第一阶段（1974 年-1976 年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的 形式而且功能比较简单。例如，仙童公司生产的 F8 单片机，实际上只是包括了 8 位 CPU、64B 的 RAM 和 2 个并行口。因此，还需加 1 块 3851（由 1KB 的 ROM、定时 器/计数器和 2 个并行 I/O 口构成）才能组成 1 台完整的计算机。第二阶段（1976 年-1978 年）：低性能单片机阶段。以 Intel 公司制造的 MCS-48 单片机为代表，

2、这种单片机内集成有 8 位 CPU、并行 I/O 口、8 位定时器/计数器、RAM 和 ROM 等，但是不足之处是无串行口，中断处理比较简单，片内 RAM 和 ROM 容量 较小且寻址范围不大于 4KB。第三阶段（1978 年-现在）：高性能单片机阶段。这个阶段推出的单片机普遍带有 串行口 I/O 口，多级中断系统，16 位定时器/计数器，片内 ROM、RAM 容量加大， 且寻址范围可达 64KB ，有的片内还带有 A/D 转换器。这类单片机的典型代表是：Intel 公司的 MCS-51 系列、Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等。由于这类单片机 的性能性价比高

3、，所以仍被广泛应用，是目前应用数量较多的单片机。第四阶段（1982 年-现在）：8 位单片机巩固发展及 16 位单片机、32 位单片机推 出阶段。此阶段的主要特征是一方面发展 16 位单片机、32 位单片机及专用型单片机； 另一方面不断完善高档 8 位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需要。16 位单片 机的典型产品如 Intel 公司生产的 MCS-96 系列单片机，其集成度已达 120000 管子/ 片，主振为 12MHz，片内 RAM 为 232B，ROM 为 8KB，中断处理为 8 级，而且片内 带有多通道 10 位 A/D 转换器和高速输入/输出不见（HS I/HS O），实时处理

4、的能力很 强。而 32 位单片机除了具有更高的集成度外，其主振已达 20MHz，这使 32 位单片机的数据处理速度比 16 位单片机提高许多，性能比 8 位、16 位单片机更加优越 1。 中断技术：1当单片机的 CPU 正在处理某件事情（例如，正在执行主程序）时，单片机外部或者内部发生的某一时间（如外部设备产生的一个电平的变法，一个脉冲沿的发生或者 内部计数器的计数溢出等）请求 CPU 迅速去处理，于是，CPU 暂时中止当前的工作， 转到中断服务处理程序处理所发生的时间。中断服务处理程序处理完该事件后，再回 到原来被中止的地方，继续原来的工作（例如，继续执行被中断的主程序），这称为 中断。CP

5、U 处理事件的过程，称为 CPU 的中断响应过程。对事件的整个处理过程， 称为中断处理（或中断服务）。如果没有中断技术，CPU 的大量时间可能会浪费在原地踏步的查询操作上，或者 采用定时查询，即不论有无中断请求，都要定时去查询。采用中断技术完全消除了 CPU 在查询方式中的等待现象，大大提高了 PCU 的工作效率。由于中断工作方式的 有点极为明显，因此在单片机的硬件结构中都带有中断系统。单片机电子钟原理：电子时钟是一个将时，分，秒显示在人的面前的计时装置，它的计时周期一般为 24 小时，显示满为 23 时 59 分 59 秒，另外还会有秒表，显示日期等额外的功能。因 此，一个数字钟的电路主要是

6、由译码显示器，时、分、秒、星期计数器，校时电路， 报时电路和振荡器组成。主电路系统由译码显示器，秒信号发生器，时、分、秒、星期计数器，校时电路 和报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，直接决定了计时系统的精确 程度，一般采用石英晶体振荡器和分频器制成。将标准秒信号送入秒计数器（采用 60进制计数器）中，每当累计 60 秒时会发出一个分脉冲信号，该信号作为分计数器的 时钟脉冲。分计数器（也采用 60 进制计数器），每当累计 60 分钟，就会发出一个时脉冲信 号，该信号会被送到时计数器中。时计数器（采用 24 进制计数器），可以实现 24 小时的累计。每当累计 24 小时， 就会发出一个

7、星期脉冲信号，该信号会被送到星期计数器中。星期计数器采用 7 进制计数器，可实现 7 天的累计。 译码显示器将时，分，秒，星期计数器的输出状态显示出来。 整点报时电路是通过计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后触发一个音频2发生器实现。校时电路是用来对时，分，秒，星期显示数字进行校对调整。 1.2 选题的意义：电子时钟从原理上来说，是一种比较典型的数字电路，它包含了组合逻辑电路以 及时序电路。传统电子时钟的设计方法有两种：使用组合逻辑电路以及时序电路等一 些中小规模的集成电路来设计；使用单片机的编程技术来设计。这两种设计都有着硬 件复杂，设计使用的时间较长以及成本较高的缺点。电子时钟是一种采

8、用数字电路实现显示时、分、秒数字的计时装置，是人们日常 生活中不可缺少的物品，在个人，家庭以及办公室等公共场所中被广泛应用，给人们 的生活，学习，工作以及娱乐带来了许多便利条件。而由于数字集成电路和石英晶体 振荡器等相关技术的不断发展，电子时钟的性能相对于老式钟表有了更大的提高，变 得更加准确、稳定，携带也变得越来越方便，并且还大大的扩展了原来所以的报时功 能。在许多方面，例如定时自动报警、时间程序自动控制、按时自动打铃、定时广播、 自动起闭路灯、甚至各种定时电气的自动启用等，都是在钟表数字化的基础上制成的。 因此，研究电子时钟还有发展它的更深的应用，有非常重要的意义。二、相关研究的最新成果及

9、动态2.1 单片机研究： 目前单片机应用于各个领域中，它在仪表仪器中的应用显得更加优越。基于单片机制成的电子时钟有计时准确、功耗较低的优点，因此，它在各个领域里得到了广泛 的应用。目前单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各个公司的产品在保证尽量兼 容的同时，又向高速度、高运算能力、较大的寻址范围和小型廉价方面发展。在单片 机发展的同时，也推动了应用系统的发展，而应用系统的发展，又会反过来对单片机 有更高的要求，使得单片机的发展得到促进。现今，国内外的单片机正向着功能更强、 速度更快、功耗更低、辐射更小等发面发展。而随着集成度的不断提高，众多的外围 功能器件集成在片内已经变得可能，这也将是单片机

10、以后发展的趋势。随着单片机档 次的提高（为了适应检测、控制功能的更高要求），使单片机除了一般必须要有 ROM、 RAM、定时器/计数器、中断系统外，片内集成的器件通常还要有电源监控与复位电 路，WDT，A/D 转换器，DMA 控制器，中断控制器，锁相环，频率合成器，CRT 控 制器等等。3由于单片机系统的优异的性能，可靠性以及较低的成本，被应用于各个技术领域中，然而，对于一些特殊的应用系统，我们不但希望单片机系统能完成有关数据的采 集以及处理，而且还想知道产生这些数据的时间，以更好更细地掌握现场情况。所以， 为单片机添加数字时钟将是一项不可或缺的新型工程技术。随着社会的快速发展，国 内外已经有

11、许多有关数字钟的设计成果，而使用单片机设计的数字钟功能更强大，界 面也比较好，更好的满足了人们对数字钟的智能化要求。单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等各方面发展。为 满足不同的用户需要，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。1.CPU 的改进(1)采用双 CPU 结构，以提高处理能力。（2）增加数据总线宽度，单片机内部采用 16 位数据总线，其数据处理能力明显优于一般 8 位单片机。（3）串行总线结构，大大减少单片机外部引线，使得单片机与外部接口电路连接 简单。2.存储器的发展（1）加大存储容量。（2）片内 RPROM 采用 EPROM 或闪烁（Flash）存储器。（3）程

12、序保密化。 3.片内 I/O 的改进单片机都有较多的并行口，以满足外围设备、芯片扩展的需要，并配有串行口， 以满足多机通信功能的要求。（1）增加并行口的驱动能力，这样可以减少外部驱动芯片。（2）增加 I/O 口的逻辑控制功能，大大加强了 I/O 口线控制的灵活性。（3）有些单片机设置了一些特殊的串行接口功能，为构成分布式、网络化系统提 供了方便条件。4.外部电路内装化4随着集成度的不断提高，有可能把众多的外围功能器件集成在片内。这也是单片机发展的重要趋势。除了一般必须具有的 ROM 、RAM 、定时器/计数器、中断系统外， 随着单片机档次的提高，以适应检测、控制功能更高的要求，片内集成的不见还

13、有 A/D 转换器、D/A 转换器、DMA 控制器、中断控制器、锁相环、频率合成器、字符 发生器、声音发生器、CRT 控制器、译码驱动器等。随着集成电路技术及工艺的不断发展，能装入片内的外围电路也可以是大规模 的，把所需要的外围电路全部装入单片机内，即系统的单片化是目前单片机发展趋势 之一。5.低功耗化8 位单片机中有二分之一的产品已 CMOS 化，CM OS 芯片的单片机具有功耗小的 优点，而且为了充分发挥低功耗的特点，这类单片机普遍配置有 Wait 和 Stop 两种工 作方式。综观单片机几十年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电 压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片

14、内存储器容量增加和 Flash 存储器化方 向发展。但其位数不一定会继续增加，尽管现在已经有了 32 位单片机，但使用的并 不多。可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低，以 及使用更方便。此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来 越多。2.2 电子时钟研究： 电子时钟不仅仅只作为一个钟表的作用，它在其他方面的应用也很多，广泛的应用于各个领域。目前电子时钟的设计大体相同，有所不同的是它的相关扩展功能，比 如定时控制，整点报时，日历显示等等。现今的科技处于高速发展阶段，人们对电子产品的要求也随之越来越高。为了适 应发展，对电子时钟的研究也应该

15、有所加深。目前电子时钟的发展趋势是：体积变得 越来越小巧，功能变得越来越强大，比如增加了定时控制，闹钟，整点报时等功能， 设计出来的电子时钟的外观更加的美观、时尚，随着人们的审美观的改变而改变着， 而且，电子时钟的性能比之以前也更加稳定，时间上的误差越来越小。三、课题的研究内容及拟采取的研究方法、技术路线及研究难点，预期达5到的目标3.1 研究内容利用单片机最小系统设计一个数字钟，主要由振荡器、LCD 数码管显示、按键以 及蜂鸣器等模块构成，实现时间、日期的显示，并具备闹铃功能。1、振荡器 数字钟的核心是振荡器，它的作用是产生一个频率标准时间频率信号，接着由分频器分秒脉冲，所以，振荡器频率的稳

16、定性和精确性决定了数字钟的质量以及数字钟计时的准确程度。通常我们采用石英晶体振荡器。一般情况下，振荡器的频率越高， 数字钟计时的准确程度越高。石英晶体振荡器分频后得到一个准确稳定的 32768Hz 的 方波信号，这可以确保数字钟的准确以及稳定。2、LCD 数码管在单片机应用系统中，我们经常使用的是点阵字符型的 LCD 显示器。使用点阵 字符型的 LCD 显示器的时候，一定要有相对应的 LCD 控制器和驱动器，用来对 LCD 显示器执行扫描、驱动，以及还需要一定空间的 RAM 和 ROM ，用来存储写入的命令 以及显示字符的点阵。目前人们已经把 LCD 控制器、驱动器、RAM 、ROM 以及 L

17、CD 显示器用 PCB 连接在一起，统称作液晶显示模块 LCM（LCD Module）。使用的时候 只要向 LCM 里面输入相应的命令和数据就可以实现显示所需要的内容。这种模块与 单片机的接口比较简单，使用起来灵活方便。产品一般可以分成字符和图形两种。本 次设计使用 LCD1602 显示器。3、按键本次设计有 4 个按键，实现显示状态切换以及时间、日期、闹铃的设置。采用中 断的方式实现。4、蜂鸣器 蜂鸣器模块是由蜂鸣器驱动电路以及定时器/计数器组成。选用压电式蜂鸣器，它工作时大概需要 100mA 的驱动电流。当定时器/计数器的输出为高电平时，蜂鸣器发出响声，当定时器/计数器的输出为低电平时，蜂

18、鸣器不发出声音。 3.2 研究方法项目实现需要掌握和熟悉单片机，蜂鸣器，LCD 显示和相关芯片的工作原理与实 现方法。6（1）单片机应用熟悉 51 系 列单 片 机的 硬件结 构 ，指令 系 统 ，中断系 统，定时 器 /计 数 器 ，键 盘， 显 示模 块 的设 计 ， 外 围 IC 的接 口 设计 。（ 2 ） 蜂鸣 器 熟悉 蜂 鸣器 硬 件结 构 和相 关 知识 。（ 3 ） LED 显示 和 相关芯 片熟悉 使 用单 片 机来 进 行 LED 显 示的方 法和相关 的编程 ，另 外 还 有接 口 电路 。（ 4 ） 软件 设 计7开 始结 束3.3 研究难点对于 单 片机 的 研究

19、还 比较 表 面化 ， 许多 深 入的 东 西还 要 继续 学 习相 关 知识 ， 所使用 的相 关 器件 以 及单 片 机的 结 构也 要 更深 的 了解 过 ，对 于要 使用 的 电路 分 布 要明确 了解 ， 不能 出 现差 错 ， 最 后 的调 试 过程 要 仔细 ， 避免 发 生错 误 。3.4 预期达到的目标 设计 出 来的 数 字钟 符 合要 求 ，即能 够显 示 时间 、日期，具有 闹钟功 能，且 整点蜂鸣 器响 动 报时 ，4 个按 键 实现数字钟状态的切换以及时间、日期、闹钟的设定。8四、论文详细工作进度和安排2010.12 任务书下达，查阅相关资料。2011.1.10 之

20、前完成文献综述，2 篇外文文献翻译。2010-2011 第 2 学期开学第 1 周 完成开题报告。2010-2011 第 2 学期 2-4 周 查阅并学习 51 系列单片机及其编程语言的资料。2010-2011 第 2 学期 5-7 周 学习 51 系列单片机编程语言并熟悉仿真环境。2010-2011 第 2 学期 8-9 周 用软件实现电子时钟的仿真。2010-2011 第 2 学期 10-11 周 撰写论文。2011.5.27-29 毕业答辩。五、主要参考文献1 张毅刚单片机原理及应用 M高等教育出版社，2003：2-82 潘晓宁，朱耀东单片机程序设计实践教程M清华大学出版社，20093

21、恒盛杰资讯Protel 电路板设计从入门到精通 M中国青年出版社，2006：56-584 李广第单片机基础 M 北京航空航天大学出版社，19995 胡建，刘玉宾等定时/计数器，单片机原理与接口技术M 机械工业出版社， 2005：15-196 夏继强单片机实验与实践教程M 北京航空航天大学出版社，2001：43-467 张迎新等单片机初级教程 M北京航空航天大学出版社，19998 肖洪兵跟我学用单片机 M北京航空航天大出版社，20029 钱逸秋单片机原理与应用 M电子工业出版社，200510 何立民MCS-51 单片机应用系统设计 M北京航空航天大学出版社，200011 赵润林，张迎辉单片机原理

22、与应用教程M北京大学出版设，2005：105-11012 何立民单片机中级教程原理与应用 M北京航空航天大学出版社，200013 关宗安，仲丛久基于单片机实现的多路定时控制器的设计 M沈阳航空工业， 200414 张友德单片微型机原理、应用与实践 M上海复旦大学出版社，199215 何希庆，高伟MCS-51 单片机原理、实验、实例 M山东大学出版社，1989916 张毅刚 MCS-51 实用汇编子程序设计M 哈尔滨工业大学出版社， 2003 ：187-19417 李华MCS-51 系列单片机实用接口技术 M北京航空航天大学出版社，199318 孙育才，王荣兴等ATMEL 新型 AT89S 62

23、 系列单片机及其应用M清华大学 出版社，200619 Jacob Millman & Arvin Grabel ， Microelectronics McGraw-Hill Book CompanyJNew York，200120 Claus Kuhnel，Klaus ZahnertBASIC stampJNewnes，200021 Harprit Singh SandhuRunning Small Motors with PIC Microcontrollers JM cGraw Hill Professional，200922 王勇面向数字化印后设备的厚度检测仪与规格预置装置的研究 D 北京工业 大学，2006：90-9223 沙剑波空间偏振编码信号检测技术研究 D 南京理工大学，2007：39-4110