基于单片机的电子时钟设计文献综述.docx
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基于单片机的电子时钟设计文献综述
毕业设计开题报告
电子信息工程
基于单片机的电子时钟设计
摘要
本文的内容主要介绍了以MCS-51单片机为核心的数字钟的硬件结构以及软件的设计，其中应用了DS12887时钟芯片、1602液晶显示器（LCD）以及蜂鸣器等器件，一起实现了数字时钟定时、准点闹铃和调时等功能。
该设计的电路部分主要由时钟模块、液晶显示、键盘调时和蜂鸣器报时三个模块组成。
文章通过对数字钟和单片机的发展背景、现状和发展前景以及应用的介绍，确定了该课题研究的方向。
在最后的总结中，概括了单片机系统的性能、特点以及发展方向。
一、前言
设计的目的：
在设计的过程中，我们可以理解单片机最小系统的概念，知道怎么才能让单片机系统运行起来，使我们对单片机的理解不仅仅局限于理论上；通过键盘和显示模块的设计，我们可以了解单片机控制的基本理念，并了解单片机和外围IC的接口模型；而通过对单片机最重要两个功能（中断、定时）的使用，可以使我们熟悉单片机的基本结构与工作原理；在最终的制作过程中，我们还可以熟悉硬件制作的流程和实现软件功能的过程，以提高动手能力，让理论和实践相结合。
设计的内容：
利用单片机最小系统，设计一个电子时钟，要求包括以下内容：
（1）显示时间、日期、三组闹铃。
（2）4个按键实现显示状态切换，时间、日期、闹铃的设置。
（3）闹铃时间到蜂鸣器以1HZ的频率响三次。
（4）单片机停电重启后定时设计不变、时间准确。
设计的意义：
电子时钟是一种采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。
相关概念：
●单片机最小系统：
单片机最小系统，是指由最少的元件组成的可以使单片机工作的系统，也叫做单片机最小应用系统。
89C52内部有4KB的闪烁存储器，芯片本身就是一个最小系统。
在能够满足系统的性能要求的情况时，可优先考虑采用这种方案。
这种芯片构成的单片机最小系统具有简单、可靠的特点。
用89C52单片机构成最小系统时，只要在单片机上接时钟电路和复位电路就可以了。
不过该最小系统只能用于一些小型的数字量的测控单元。
●蜂鸣器：
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，使用直流电压供电，广泛地在计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备等电子产品中作为发声器件使用。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型：
1．压电式蜂鸣器：
主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等器件组成，有的外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或者集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V的直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器就会推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片一般使用锆钛酸铅或者铌镁酸铅压电陶瓷材料，在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起就能制成。
2．电磁式蜂鸣器：
主要由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，而振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
●中断技术：
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。
CPU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）。
●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。
二、主题
●单片机的发展：
继1971年微处理器的研制成功不久，就出现了单片机，但最早的单片机是1位的。
单片机的发展历史可以分为四个阶段：
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，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，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（HSI/HSO），实时处理的能力很强。
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。
●中断技术的优点：
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。
●国内外研究现状：
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。
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。
●对问题的评述：
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E^PROM或闪烁（Flash）存储器。
（3）程序保密化。
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
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，CMOS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。
三、总结
通过对单片机以及数字钟的相关文献的阅读和分析，我得出了以下结论：
单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展，很容易构造成各种规模的应用系统，控制功能强，可以很方便的实现多机和分布式控制系统等优点，在各个领域中得到了广泛的应用，例如工业自动化、智能仪器仪表、消费类电子产品、通信方面等等。
20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，经历了：
单片机初级阶段、低性能单片机阶段、高性能单片机阶段、8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段，它的功能也变得越来越强大，预计它今后的发展趋势为：
（1）微控制器的CPU核仍以CISC为主，但向RISC演化；
（2）提升指令执行速度；（3）集成大容量片上FLASH存储器，实现ISP、IAP；（4）普遍使用混合信号（数字-模拟相混合）集成技术；（5）追求低电压、低功耗、低价位、LPG（少腿芯片）。
中断技术在单片机中有重要的作用，它使单片机不用花费许多时间在原地踏步的查询操作上，还能消除CPU在查询方式中的等待现象，在很大程度上提高了CPU的工作效率。
由于这种种优点，单片机的硬件结构中都带有中断系统。
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