完整版基于51系列单片机的多路定时唤醒仪设计毕业设计Word格式.docx
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现在是一个知识爆炸的新时代。
新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。
可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。
在这快速发展的年代，时间对人们来说是越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦遇到重要的事情而忘记了时间，这将会带来很大的损失。
因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人。
多路定时唤醒仪给人们带来了极大的方便。
一.1多路唤醒仪研究的背景和意义
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展。
在其推动下，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力的推动和提高了社会生产力的发展与信息化程度，同时也使现代电子产品性能进一步提升，产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌和繁杂容易使人忘记当前的时间。
然而遇到重大事情的时候，一旦忘记时间，就会给自己或他人造成很大麻烦。
平时我们要求上班准时，约会或召开会议必然要提及时间；
火车要准点到达，航班要准点起飞；
工业生产中，很多环节都需要用时间来确定工序替换时刻。
所以说能随时准确的知道时间并利用时间，是我们生活和工作中必不可少的[1]。
想知道时间，手表当然是一个很好的选择，但是，在忙碌当中，我们还需要一个“助理”及时的给我们提醒时间。
所以，计时器最好能够拥有一个定时系统，随时提醒容易忘记时间的人。
最早能够定时、报时的时钟属于机械式钟表，但这种时钟受到机械结构、动力和体积的限制，在功能、性能以及造价上都没办法与电子时钟相比。
电子钟是采用电子电路实现对时、分、秒进行数字显示的计时装置，广泛应用于个人家庭，车站，码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。
由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度，远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、0按时自动打铃、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
然而，更多时候需要提醒人们时间，甚至一天之内提醒人们不同的时间。
因此，研究和设计一款多路定时唤醒仪，有着非常现实的意义。
一.2唤醒仪的功能
唤醒仪主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化，并且带有多路定时报警功能，拥有时间精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点，被广泛应用于生活和工作当中。
当今市场上的电子时钟品类繁多，外形小巧别致。
也有体型较大的，诸如公共场所的大型电子报时器等。
多路定时唤醒仪首先是数字化了的带有三路定时报警的电子时钟，在此基础上，人们可以根据不同场合的要求，在时钟上加置其他功能，比如万年历，环境温度、湿度检测，环境空气质量检测，USB扩展口功能等。
本设计唤醒仪主要功能为：
1.具有时间显示功能，24小时制；
2.能随意设定走时起始时间。
对电子钟而言，最基本的功能是具有对时功能，即能随意设定走时起始时间；
3.具有报警功能，唤醒仪能以声或光的形式告警提示实现多路（三路）定时唤醒；
4.掉电后无需重新设置时间和日期。
第二章多路唤醒仪方案设计
多路唤醒仪就是一个带有三路定时报警的电子时钟，既可以通过纯硬件实现，也可以通过软硬件结合实现，根据电子时钟里的核心部件——秒信号的产生器，通常有以下四种实现形式：
采用FPGA电路的实现形式、采用石英钟专用芯片的实现形式、采用NE555时基电路的实现形式和基于单片机的实现形式。
二.1现场可编程门阵列电路实现形式
现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA），它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是20世纪70年代发展起来的一种可编程逻辑器件，是目前数字系统设计的主要硬件基础。
FPGA在结构上由逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的内部连线连接这些功能块，来实现一定的逻辑功能。
可编程逻辑器件的设计过程是利用EDA开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。
由于EDA技术拥有系统的模拟和仿真功能，可读性、可重复性、可测性非常好，所以利用EDA开发FPGA是目前比较流行的方式。
当然，有时根据需要，也会应用MAX+plus开发集成环境进行设计。
正因为FPGA在设计过程中方便、快捷，而且FPGA技术功能强大，能够应用其制作诸如基代码发生器、数字频率计、电子琴、电梯控制器、自动售货机控制系统、多功能波形发生器、步进电机定位控制系统、电子时钟等。
应用FPGA能够将时钟设计分为四种类型：
全局时钟、门控时钟、多级逻辑时钟和波动式时钟。
多时钟系统能够包括上述四种时钟类型的任意组合[4]。
二.2石英钟专用芯片实现形式
采用石英钟专用计时芯片实现的电子钟，具有实现简单、计时精度高的特点。
石英计时芯片（简称“机芯”）比较多，常见型号的有STP5512F、SM5546A和D60400等。
现结合康巴丝石英钟常用的5512F型为例作简单介绍。
利用5512F的2秒输出信号作为秒加法电路的计数脉冲，可实现电子时钟。
5512F的引脚图如图2.1所示：
图2.15512F的引脚图
其中，引脚7、8为外接晶振及振荡电路，引脚1接电源正极，电源为1.5Ｖ，引脚3、4原为指针用步进电机线圈的输出驱动，这里可用3脚作为脉冲输出，频率决定于外接晶振的频率。
二.3NE555定时器电路实现形式
555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5KΩ的电阻而得名。
目前，流行的产品主要有4种：
BJT两个：
555，556（含有两个555）；
CMOS两个：
7555，7556（含有两个7555）。
采用NE555时基电路或其他振荡电路产生秒脉冲信号，作为秒加法电路的时钟信号或微处理器的外部中断输入信号，可构成电子钟。
由555构成的秒脉冲发生器电路见图2.2。
图2.2基于555的秒脉冲发生器
输出的脉冲信号V0的频率F为：
式（2.1）
可通过调节式2.1中的3个参数，使输出V0的频率为精确的1Hz。
采用555定时器设计电子时钟，成本低，容易实现。
但是受芯片引脚数量和功能限制，不容易实现电子时钟的多功能性。
二.4单片机实现形式
单片机是微型机的一个主要分支，它在结构上的最大特点使把CPU、存储器、定时器和多种输入输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。
就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台微型计算机。
单片机具有如下特点：
1有优异的性能价格比；
2集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制功能强；
3低功耗、低电压，便于生产便携式产品；
4外部总线增加了I2C、ISP等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构；
5单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
所以单片机的应用非常广泛，在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统以及人们的生活中均有用武之地。
单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思路和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种用软件代替硬件的控制技术，是对生产控制技术的一次革命。
利用单片机的智能性，可方便地实现具有智能的唤醒仪设计。
单片机均具有时钟振荡系统，利用系统时钟借助微处理器的定时器计数器可实现电子钟功能。
然而系统时钟误差较大，电子钟的积累误差也可能较大，所以可以通过误差修正软件加以修正，或者在设计中加入高精度时钟芯片，以精确时间。
二.5总体方案设计
在比较了以上四种实现方案之后，考虑单片机货源充足、价格低廉，可软硬件结合使用，能够较方便的实现系统的多功能性，故采用单片机作为本设计的硬件基础。
多路唤醒仪至少要包括秒信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电源、报警指示电路等几部分。
硬件电路框图参照图2.3。
该系统使用AT89C52单片机作为核心，通过读取时钟芯片DS1302的数据，完成此唤醒仪的主要功能——时钟显示、多路定时报警。
使用比较通用的8段共阴数码管，做6位显示，分别显示时、分、秒。
图2.3多路定时唤醒仪硬件系统框图
键盘是为了完成时钟的校对和定时时间的设置功能。
由于此电子时钟要求具有报警功能，所以设计有报警电路，用发光二极管提醒报警。
整个电路使用了两种电源，+5V电源将为整个电路供电。
而+3V电源仅作为DS1302的备用电源。
当+5V电源被切断后，DS1302启用+3V电源，可以保持DS1302继续工作。
从而不会因为断电使系统复位到初始化时间，避免了重新校时的麻烦。
第三章系统硬件设计
在选定设计方案以后，要选择合适的器件，设计合适的硬件电路图才能实现多路唤醒仪的具体功能。
三.1主要IC芯片选择
三.1.1微处理器选择
目前在单片机系统中，应用比较广泛的微处理器芯片主要为8XC5X系列单片机。
该系列单片机均采用标准MCS-51内核，硬件资源相互兼容，品类齐全，功能完善，性能稳定，体积小，价格低廉，货源充足，调试和编程方便，所以应用极为广泛。
例如比较常用的AT89C2051单片机，带有2KBFlash可编程、可擦除只读存储器（E2PROM）的低压、高性能8位CMOS微型计算机。
拥有15条可编程IO引脚，2个16位定时器计数器，6个中断源，可编程串行UART通道，并能直接驱动LED输出。
仅仅是为了完成时钟设计或者是定时报警设置，应用AT89C2051单片机完全可以实现。
但是将两种功能结合在一片单片机上，就需要更多的IO引脚，故本设计采用具有32根IO引脚的AT89C52单片机。
AT89C52单片机是一款低功耗，低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KB（可经受1000次擦写周期）的FLASH可编程可反复擦写的只读程序存储器（EPROM），器件采用CMOS工艺和ATMEI公司的高密度、非易失性存储器（NURAM）技术制造，其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。
片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。
因此，AT89C52是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用在各个控制领域[6]。
AT89C52具有以下主要性能：
1.与MCS—51产品指令和引脚完全兼容；
2.8KB可重擦写Flash闪速存储器；
3.全静态操作：
0——24Hz；
4.1000次擦写周期；
5.三级加密程序存储器；
6.256×
8字节内部RAM；
7.32个外部双向输入输出（IO）口；
8.6个中断优先级；
3个16位可编程定时计数器；
9.可编程串行UART通道；
10.低功耗空闲和掉电模式。
此外，AT89C52是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式——空闲方式（IdleMode）和掉电方式（PowerDownMode）。
在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器计数器、串行口和中断系统都继续工作。
在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止[8]。
图3.1AT89C52芯片PDIP封装引脚图
AT89C52为适应不同的产品需求，采用PDIP、TQFP、PLCC三种封装形式，本系统采用双列直插PDIP封装形式，如图3.1。
三.1.2时钟日历芯片选择
3.1.2.1常用时钟日历芯片比较
在电子时钟设计中，常用的实时时钟芯片有DS12887、DS1216、DS1643、DS1302。
每种芯片的主要时钟功能基本相同，只是在引脚数量、备用电池的安装方式、计时精度和扩展功能等方面略有不同。
DS12887与DS1216芯片都有内嵌式锂电池作为备用电池；
X1203引脚少，没有嵌入式锂电池，跟DS1302芯片功能相似，只是相比较之下，X1203与AT89C52搭配使用时占用IO口较多。
DS1643为带有全功能实时时钟的8K×
8非易失性SRAM，集成了非易失性SRAM、实时时钟、晶振、电源掉电控制电路和锂电池电源，BCD码表示的年、月、日、星期、时、分、秒，带闰年补偿。
同样，DS1643拥有28只管脚，硬件连接起来占用微处理器IO口较多，不方便系统功能拓展和维护。
故而从性价比和货源上考虑，本设计采用实时时钟日历芯片DS1302。
3.1.2.2DS1302简介
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟日历芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三总线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。
工作电压宽达2.5～5.5V。
采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力，并且可以关闭充电功能。
。
有主电源和备份电源双引脚，而且备份电源可由大容量电容（＞1F）来替代。
需要强调的是，DS1302需要使用32.768KHz的晶振。
3.1.2.3DS1302引脚说明
DS1302引脚图参照图3.2。
VCC1为后备电源，VCC2为主电源。
在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。
当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2给DS1302供电。
当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。
X1、X2为振荡源，外接32.768Hz晶振。
RST是复位片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能:
（1）RST接通控制逻辑，允许地址命令序列送入移位寄存器;
（2）RST提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中置RST为低电平，则会终止此次数据传送，并且IO引脚变为高阻态。
上电运行时，在VCC≥2.5V之前，RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
IO为串行数据输入输出端（双向），下文有详细说明。
SCLK为时钟输入端。
图3.2DS1302芯片引脚图
其引脚功能参照表3.1。
表3.1DS1302引脚功能说明
引脚号
名称
功能
1
VCC1
备份电源输入
2
X1
32.768KHz晶振输入
3
X2
32.768KHz晶振输出
4
GND
地
5
RST
控制移位寄存器复位
6
IO
数据输入输出
7
SCLK
串行时钟
8
VCC2
主电源输入
3.1.2.4DS1302的控制字和读写时序说明
在编程过程中要注意DS1302的读写时序。
DS1302是SPI总线驱动方式。
它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。
要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。
DS1302的控制字如表3.2。
表3.2DS1302控制字（即地址及命令字节）
BIT7
BIT6
BIT5
BIT4
BIT3
BIT2
BIT1
BIT0
RAM
A4
A3
A2
A1
A0
RD
控制字的作用是设定DS1302的工作方式、传送字节数等。
每次数据的传输都是由控制字开始。
控制字各位的含义和作用如下：
1.BIT7：
控制字的最高有效位，必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。
2.BIT6：
如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；
3.BIT5至BIT1（A4～A0）：
用A4～A0表示，定义片内寄存器和RAM的地址。
定义如下：
当BIT6位=0时，定义时钟和其他寄存器的地址。
A4～A0=0～6，顺序为秒、分、时、日、月、星期、年的寄存器。
当A4～A0=7，为芯片写保护寄存器地址。
当A4～A0=8，为慢速充电参数选择寄存器。
当A4～A0=31，为时钟多字节方式选择寄存器。
当BIT6=1时，定义RAM的地址，A4～A0=0～30，对应各子地址的RAM，地址31对应的是RAM多字节方式选择寄存器。
4.BIT0（最低有效位）：
如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。
控制字总是从最低位开始输出。
在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。
同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。
图3.3DS1302数据读写时序
DS1302的数据读写方式有两种，一种是单字节操作方式，一种是多字节操作方式。
每次仅写入或读出一个字节数据称为单字节操作，每次对时钟日历的8字节或31字节RAM进行全体写入或读出的操作，称其为多字节操作方式。
当以多字节方式写时钟寄存器时，必须按数据传送的次序依次写入8个寄存器。
但是，当以多字节方式写RAM时，不必写所有31字节。
不管是否写了全部31字节，所写的每一个字节都将传送至RAM。
为了启动数据的传输，CE引脚信号应由低变高，当把CE驱动至逻辑1的状态时，SCLK必须为逻辑0，数据在SCLK的上升沿串行输入。
无论是读周期还是写周期，也无论送方式是单字节传送还是多字节传送，都要通过控制字指定40字节中的哪个将被访问。
在开始8个时钟周期把命令字（具有地址和控制信息的8位数据）装入移位寄存器之后，另外的时钟在读操作时输出数据，在写操作时输入数据，所有的数据在时钟的下降沿变化。
所有写入或读出操作都是先向芯片发送一个命令字节。
对于单字节操作，包括命令字节在内，每次为2个字节，需要16个时钟；
对于时钟日历多字节模式操作，每次为7个字节，需要72个时钟；
而对于RAM多字节模式操作，每次则为32字节，需要多达256个时钟。
这里仅给出单字节读写时序，如图3.3。
多字节操作方式与其类似，只是后面跟的字节数不止一个。
3.2.1.5DS1302的片内寄存器
通过控制字对DS1302片内寄存器进行寻址之后，即可就所选中寄存器的各位进行操作。
片内各寄存器及各位的功能定义如表3.3。
表3.3DS1302有关日历、时间的寄存器
读寄存器
写寄存器
范围
81H
80H
CH
10秒
秒
00-59
83H
82H
10分
分
85H
84H
10
时
1-12
0-23
AMPM
87H
86H
10日
日
1-31
89H
88H
10月
月
8BH
8AH
周日
1-7
8DH
8CH
10年
年
00-99
8FH
8EH
WP
—
DS1302有关日历、时间的寄存器共有10个，时钟日历包含在其中的7个写读寄存器内，这7个寄存器分别是秒、分、小时、日、月、星期和年。
小时寄存器（85H、84H）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。
当为12小时制式时，位5为“0”表示AM；
为“1”表示PM。
在24小时制式下，位5是第二个10小时位（20～23时）。
秒寄存器（81H、80H）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。
当该位置为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；
当该位置为0时，时钟开始运行。
一般在设置时钟时，可以停止其工作，设定完之后，再启动其工作。
控制寄存器（8FH、8EH）的位
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