辅导教师：秦文华 赵建平
作者：邢庆翠 王式龙 张乾
完成时间：2004年9月13日
电子设计参赛队：B甲0816
曲阜师范大学
2004年9月13日
目 录
一． 方案论证与比较
二． 系统设计
三． 软件设计
四． 系统测试与分析
五． 设计总结
六． 参考资料
摘要
本设计由单片机89C51、DS12887A时钟芯片、DAC0809模数转换芯片为核心，辅以必要的电路，构成了一个具有多功能的数字时钟 。它由220V、50Hz交流电源供电，能够准确的显示时间、调整时间、闹钟定时，并能够对时钟所在的环境温度、工作时的电网电压、电网频率进行显示，还具有电压欠压、过压报警以及非接触止闹功能。
数字时钟是本设计的最主要的部分。根据需要，可利用两种方案实现。
方案一：本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将十字节清零。
该方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。
方案二：本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS12887A。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。
基于时钟芯片的上述优点，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。
2．数码管显示方案一：静态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，造成了资源的浪费。
方案二：动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的 每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了I/O口，降低了能耗。
本设计从节省I/O口和降低能耗出发，采用方案二。
二、系统设计 1．总体设计（1）系统框图
系统框图如图1所示。
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数码管显示模块 |
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温度转换模块 |
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频率采集模块 |
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时钟芯片 |
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报警系统 |
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键盘 状态显示 |
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电源 |
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电压转换模块 |
图1 系统框图
（2）模块说明
a. 数码管显示模块：用数码管显示时间、环境温度、电网频率及电压温度转换模块：测量环境温度，并经过模数转换后送单片机。
b. 时钟芯片：用DS12887A时钟芯片向单片机提供时间与闹铃信息。
c. 报警系统：用蜂鸣器。当闹铃开且所设置的闹铃时刻到时，蜂鸣器报警，当电网电压欠压或过压时，蜂鸣器也报警。当“闹铃关”键按下或有遥控器止闹时，停止报警。
d. 键盘和状态显示模块：用可编程并行I/O芯片8255接状态显示所用的发光二极管及选择各功能的键盘。
e. 单片机控制模块：用89C51实现。是系统的主控制器，控制其它模块协调工作。
f. 电源模块：向各用电系统提供电源。
g. 电压转换模块：测量电网电压，并经过模数转换后送单片机。
2．模块设计与参数计算
（1） 码管显示：本设计采用串行输出显示，利用一片8位移位寄存器74LS164给所有数码管提供显示信号，且利用动态显示，节约了单片机I/O口，降低了能耗。数码管采用LG5643FH。电路如图2所示。
（2） 电源模块：由于单片机及其处围的用电模块都用5V或12V直流电源，而电网电压为220V交流电，因此需要设计电源。利用8W的变压器将220V的电网电压变压后加在桥式整流电路的两端进行全波整流。利用三端稳压电源分别产生12V和5V的电压。三端稳压电源选择CW7812DS和CW7805DS。原因是它们有过压保护和过流保护而使其免受高压或大电流的袭击；而且与其他三端稳压电源相比，它们更具经济性的特点。
根据该电源所带的负载知流过该电源的电压不超过I=1A。因为变压器输出大约为Uo=12V，所以电阻 。因为电网电压一般为220V ，50Hz，所以全波整流后的电压周期大约为10毫秒。又因为时间常数 ms,所以取 。
图2 数码管显示电路
图3 电源电路
0.1pf的小电容用于滤掉电路路频率较高的部分，使电压输出更加平稳。
（3）频率采集模块：如图４所示，对电源电路中全波整流后的信号进行判断：若电压大于＋5V，则二极管正极电压被嵌位于为5.7V，若小于5V，则为原值不变。因此形成向下的尖脉冲，经施密特触发器CD4093变为正脉冲。如图５所示。施密特触发器的输出接单片机的P1.5口。在单片机内部数1S内脉冲的个数，除以2后即为电网电压的频率。
图４ 频率采集电路
图５ 频率采集电路的波形变换
（４） 温度转换模块：用温度传感器采集环境温度将其转化成模拟量，并将该模拟量送入DAC0809的输入端进行模数转换。最后将转换后的数字量送入单片机89C51进行处理。电路图如图6所示。
图6 测温电路
（５） 电压转换模块：因为电网电压也是模拟量，要想利用单片机对其进行处理仍需将模拟量进行模数转换。转换电路如图７所示。它仍利用电源电路中全波整流后的信号作为输入。因为频率采集电路也以全波整流后的信号作为输入，为了防止电压转换电路的RC回路产生的稳态电压影响频率采集电路的工作，应在电压转换模块的输入端接入二极管。
图７ 电压转换电路
（６） 键盘、状态显示模块：为了使软件编程简单，本设计利用可编程I/O芯片8255。接法如表1所示。PB口接按键，PC口则用于控制状态显示所用的发光二极管。每个按键都通过一个10K的上拉电阻接电源+ ,按键的另一端接地。当有键按下时，与该键相连的PB口的相应位变为低电平，单片机检测到该变化后即转到相应的键处理程序，同时在程序中点亮相应的发光二极管。
表1 PB、PC口与键和状态的对应关系
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PB口 |
PB.0 |
PB.1 |
PB.2 |
PB.3 |
PB.4 |
PB.5 |
PB.6 |
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按键 |
功能 |
设置时间 |
设置闹铃 |
小时 |
分钟 |
闹铃开 |
闹铃关 |
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PC口 |
PC.1 |
PC.2 |
PC.3 |
PC.4 |
PC.5 |
PC.6 |
PC.7 |
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状态 |
时钟 |
温度 |
电压 |
频率 |
AM/PM |
闹铃响 |
铃不响 |
（７） 报警系统：将蜂鸣器一端接在单片机的P1.6口上，另一端接地。当需要报警时，在口上送上高电平即可；需要关报警时，则送低电平。
（８） 红外非接触止闹系统：红外线传输稳定、可靠，不容易受外界杂散信号的干扰，信号处理简单。为了简化系统电路，我们采用了遥控电视机中经常使用红外遥控系统。遥控器直接使用电视机的遥控器，不用改装。红外信号的接收，采用红外光电二极管与放大电路一体的红外接收器，该器件只有三只引脚，使用极其简单，电路如图8所示。用接收器输出的信号送到三极管N3的基极，N3的集电极、发射极并接在“闹铃关”两端。当接收器接收到信号并输出脉冲时，三极管N3导通，相当于“闹铃关”接通按下，单片机的相应引脚被置为低电平。单片机检测到该信号，执行相应的关闹铃程序。
图 8 红外遥控止闹电路
三、软件设计 1．主程序流程图主程序流程图如图9所示。
2. 蜂鸣器闹铃中断服务子程序蜂鸣器闹铃中断服务子程序流图如图10所示。当数字时钟处在闹铃开状态下到达所设置的闹铃时间时，进入该中断服务子程序。此中断服务子程序的作用是当系统处在闹铃状态下时，若闹铃关键按下或有遥控止闹，则关闭蜂鸣器；蜂鸣器在32.55s之后自动停止。
四、系统测试与分析 1．测试仪器 ：秒表
温度表
电压表
调压器
频率计
低频信号发生器
2．基本要求部分的测试与分析(1) 按下“设置时间”键，观察到“钟表” 和“温度”的发光二极管同时点亮，此时可对时间进行设置。按下“小时”，“分钟”键，观察数码管的小时部分和分钟部分是否随相应按键的变化而变化。经测试该步可以很好的实现。调整时间完毕后，再按一下“设置时间”
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开启报警系统 |
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开始 |
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初始化 |
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显示时间 |
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读电压 |
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电压>240V? |
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电压<200V? |
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有键按下吗? |
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判断键值 |
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功能 |
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显示时间 |
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显示温度 |
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显示频率 |
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显示电压 |
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设置时间 |
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设置闹钟 |
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闹铃关处理 |
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闹铃开处理 |
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关闭报警系统 |
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显示电压 |
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