毕业设计（论文）多功能电子钟设计

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1、装订线XXX 大 学 毕业设计（论文）纸1、绪论1.1 电子钟的背景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，有力的推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使得现代电子产品的性能得到进一步的提高，产品更新换代的节奏也越来越快。目前，单片机正朝着高性能和多品种的方向发展趋势将是进一步向着CMOS化，低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。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想和设计方法。从前必须有模拟电路或数字电路实现大部分功能，现在已能用单片机通过软

2、件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。电子手表根据其结构形式与发明发展的先后，国际上一般分成“四代”。上海钟表行业先后研制过第一代摆轮游丝式电子表、第二代音叉式电子表。第三代指标式石英电子表、第四代数字显示式石英电子表。第一代、第二代研制成功后随着技术的进步均被第三代电子表所取代，第四代石英电子表虽初期走俏，随后因不受消费者的欢迎也渐趋淘汰，市场上经久不衰的仅是第三代电子表。国内最早研制第三代电子表的是上海钟表元件厂。1972年初，试制出电子元器件和 4节5号电池都装在机芯外面的第一只样表。1974年底，研制出16级分频电路叠加而成。到1984年

3、共研制生产出4177只，注册商标为金星牌。为使该厂能集中精力把电子表元器件的生产搞上去，是年12月，金星牌三代电子表停止生产。1977年9月，上海手表二厂开始研制第三代电子表。1983年生产的DSE型第三代电子表，机芯直径为19.4毫米，轮列部分厚度为2.56毫米，达到薄型要求。1987年，该厂研制成功单片式日历定位装置的DBSE3型第三代电子表获得专利申请。 1987年1月，在上海钟表元件二厂的协助下，有研制成功DSE4型第三代电子表。该厂自行设计的12棱全黑男表、黑珍珠时装女表、情侣表上市后，十分走俏。1989年，该厂设计出高档的K金表和永不磨损型表壳，填补国内空白。到1990年，上海手表

4、二厂累计生产第三代指标式石英电子表353.9万支。1985年9月，上海手表厂自行设计68单机日历第三代电子表。1987年上市10万只，翌年完成101.15万只，是行业内第一个突破第三代电子表年产100万只大关。该厂在加快批量生产的同时，还抓紧新品开发。1988年10月，研制成功DSH15型第三代电子表，成为国内第三代指标式石英电子表系列中最薄表机，1990年获上海市科技进步三等奖。该厂研制开发DSH14A型第三代电子表，注重机芯设计与外观设计一体化，新颖典雅，视薄性强，并在上海钟表元件厂积极配合下，在国内首次采用直径0.600.171.5毫米最薄型红宝石轴承，达到德国DIN8326手表标准的国

5、际先进水准。 19791990年的12年间，上海钟表行业累计生产各类电子表1223.1885万只。1990年全行业共生产各类电子表340万只，占上海手表生产总量的22.45，占全国电子表生产总量的33.5，居全国之首。 三、码表 1959年3月，金声制钟厂研制钻石牌机械码表获得成功，指标刻度为1/10秒。到1961年共生产20325只。嗣後又研制开发指标刻度为1100秒、150秒、1/5秒等10个系列品种。1964年，该厂为海军提供军用计时仪器配套的MS1S型、MS2S型双针码表。1968年，该厂更名为上海码表厂，且继续研制成用於国防科技的511516型特殊码表。 1980年，上海码表厂又研制

6、开发双柄头的机械码表，填补国内空白。此後，钻石牌码表作为我国发射的通讯卫星的时间指令仪器。到1990年，累计生产钻石牌码表144.9291万只。从1988年开始，产品向东南亚出口，1989年进入美国市场。到1990年共出口24.5535万只。 1980年12月，上海手表五厂研制金雀牌石英电子码表10000只。1983年起，金雀牌码表先後被我国第五届全运会，第一届青少年运动会，以及第六届全运会等作为计时工具。1986年10月，该厂研制成功能进行多段计时、具有记忆功能的JD2型电子码表。并经中国田径协会审查，同意在全国比赛中使用。1990年2月，上海手表五厂研制的ID3型电子码表获得成功。经亚运会

7、自行车赛终点计时裁判长试用，其功能、性能和计时精度均达到80年代国际同类产品先进水准。 四、挂表 1958年4月，我国第一只钻石牌机械挂表在金声制钟厂（今钻石手表厂）问世。 1984年11月，上海码表厂（原大光明钟厂）先後研制生产钻石牌MG1J型机械挂表和统一机芯挂表，以及镂空机械挂表等。到1990年累计生产69140只。民国2年（1913年），美华利钟厂开始生产台钟，年产88只，民国13年达636只。12年间累计生产6163只。民国20年和民国21年，昌明电器股份有限公司和德安时钟制造厂先後生产昌明牌和双箭牌台钟。 进入80年代以後，上海钟表行业面临著计画和市场的双重选择。长期来，上海钟表行

8、业基本采取“计画为主、市场为辅”的原则，根据政府经济部门下达的生产计画组织生产。80年代中期开始，随著经济体制从传统的计划经济体制向社会主义市场经济体制转变，上海钟表行业面对新的形势加快经济结构调整和经营体制改革。 在产品发展上，进行产品结构大调整，由单一品种、大批量向多品种、多档次转变。在整个行业内，上海手表三厂作为女表专业生产厂，上海手表五厂为第四代数字显示式石英电子表专业生产厂，上海手表厂、上海手表二厂、上海钻石手表厂则按照男表、女表、电子表三大类产品的机芯规格和按单机、日历、双历、自动、日历自动、双历自动等6种功能形成系列。通过整个行业品种结构的调整，促进生产技术结构和劳动组织结构的调

9、整，带动整个行业管理水准和技术水准的提高，加快了行业技术开发的速度，扩大了产品出口，促进了行业的发展与进步。1.2 电子钟的意义时间对人们来说总是那么的宝贵，工作的忙碌性和复杂性容易使人忘记当前的时间，忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要的事情，一时的耽误可能酿成大祸。 电子钟是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到广泛应用。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到数字电子钟。在城市的主要营业场所、车站、码头等公共场所使用LCD数字电子钟已经成为一种时尚。由于数字

10、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、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动启闭路灯、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，都是以钟表数字化基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.3 电子钟的应用数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、剧场、办公室、等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便，由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，是数字钟具有走

11、时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。2、设计芯片简介在本设计中所用的芯片主要有单片机芯片89C51和单片射频收发芯片nRF2401。下面分别介绍一下两种芯片的功能结构。2.1 单片机2.1.1 单片机简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Micro

12、controller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高

13、，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端1的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核

14、心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计

15、算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一

16、种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所

17、以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，

18、即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗

19、衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。2.1.2 单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开

20、发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以

21、构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电

22、话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误

23、率，也方便于更换。 7.单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。2.2 89C51芯片介绍89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易

24、失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。如下图所示为89C51芯片的引脚功能图兼容标准MCS-51指令系统的89C51单片机是一个低功耗、高性能CHMOS的单片机，片内含4KB在线可编程Flash存储器的单片机。它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。89C51单片机片内的Flash可允许在线重新编程，也可用通用非易失性存储编程器编程；片内数据存储器内含128字节的RAM;有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口;具

25、有两个16位可编程定时器；中断系统是具有6个中断源、5个中断矢量、2级中断优先级的中断结构；震荡器频率0到33MHZ,因此我们在此选用12MHZ的晶振是比较合理的；具有片内看门狗定时器；具有断电标志POF等等。AT80C51具有PDIP,TQFP和PLCC三种封装形式。右图就是PDIP封装的引脚排列，下面介绍各引脚的功能。 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIAS

26、H进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进

27、行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口除了通用I/O口功能外，还有一些特殊功能口，如表2-1所示表2-1 P3口的替代功能引脚符号说明P3.0RXD串行口输入P3.1TXD串行口输出P3.2/INT0外部

28、中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0T0定时器的外部的计数输入P3.5T1T1定时器的外部的计数输入P3.6/WR外部数据存储器的写选通P3.7/RD外部数据存储器的读选通RST：复位端。当振荡器工作时，此引脚上出现两个机器周期的高电平将系统复位。ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）是一个用于锁存地址的低8位字节的书粗脉冲。在Flash 编程期间，此引脚也可用于输入编程脉冲。在正常操作情况下，ALE以振荡器频率的1/6的固定速率发出脉冲，它是用作对外输出的时钟，需要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果希望禁止ALE操作，可通过将特殊功

29、能寄存器中位地址为8EH那位置的“0”来实现。该位置的“1”后。ALE仅在MOVE或MOVC指令期间激活，否则ALE引脚将被略微拉高。若微控制器在外部执行方式，ALE禁止位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电

30、源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.3 nRF2401芯片介绍nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常

31、低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。如上图所示为nRF2410芯片的引脚功能图：其各管脚功能如下表：nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。QFN24引脚封装，外形尺寸只有55mm。nRF2401有工

32、作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定。nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF2401的S

33、hockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在ShockBurstTM收发模式下，nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。ShockBurstTM发射流程接口引脚为CE，CLK1，DATA A. 当微控制器有数据要发送时，其把CE置高，使nRF2401工作； B. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401； C. 微控制器把CE置低，激发nRF2401进行ShockBurstTM发射； D. nRF2401的ShockB

34、urstTM发射 给射频前端供电； 射频数据打包(加字头、CRC校验码)； 高速发射数据包； 发射完成，nRF2401进入空闲状态。ShockBurstTM接收流程接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1) A. 配置本机地址和要接收的数据包大小； B. 进入接收状态，把CE置高； C. 200us后，nRF2401进入监视状态，等待数据包的到来； D. 当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC校验码)，nRF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去； E. nRF2401通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器； F. 微控制器把数据从nRF2401移出；

35、G. 所有数据移完，nRF2401把DR1置低，此时，如果CE为高，则等待下一个数据包，如果CE为低，开始其它工作流程。直接接收模式接口引脚为CE、CLK1和DATA A. 一旦nRF2401被配置为直接接收模式，DATA引脚将根据天线接收到的信号开始高低变化(由于噪声的存在)； B. CLK1引脚也开始工作； C. 一旦接收到有效的字头，CLK1引脚和DATA引脚将协调工作，把射频数据包以其被发射时的数据从DATA引脚送给微控制器； D. 这头必须是8位； E. DR引脚没用上，所有的地址和CRC校验必须在微控制器内部进行。 配置模式在配置模式，15字节的配置字被送到nRF2401，这通过C

36、S、CLK1和DATA三个引脚完成，具体的配置方法请参考本文的器件配置部分。 空闲模式nRF2401的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA，外部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF2401片内。 关机模式在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1uA。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF2401片内，这是该模式与断电状态最大的区别。nRF2401的所有配置工作都是通

37、过CS、CLK1和DATA三个引脚完成，把其配置为ShockBurstTM收发模式需要15字节的配置字，而如把其配置为直接收发模式只需要2字节的配置字。由上文对nRF2401工作模式的介绍，我们可以知道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM收发模式，这样，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高，因此，下文着重介绍把nRF2401配置为ShockBurstTM收发模式的器件配置方法。 ShockBurstTM的配置字使nRF2401能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF2401工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。ShockBurst

38、TM的配置字可以分为以下四个部分： 数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nRF2401能够区分接收数据包中的数据和CRC校验码； 地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nRF2401能够区分地址和数据； 地址：接收数据的地址，有通道1的地址和通道2的地址； CRC：使nRF2401能够生成CRC校验码和解码。 当使用nRF2401片内的CRC技术时，要确保在配置字中CRC校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议。 在配置模式下，注意保证PWR_UP引脚为高电平，CE引脚为低电平。配置字从最高位开始，依次送入nRF2401。在CS引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。 3、

39、整体设计方案介绍本次设计电子钟系统功能简单，用单片机的最小系统就能得以实现。而单片机的最小系统设计中实际上最重要的就是对键盘/显示器接口电路的设计，由于系统功能不同所以要求就不同，接口设计也就不同。对一个键盘/显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件特点。下面是本人在设计前对各种设计方案的考虑：3.1多功能电子钟计时方案方案一：采用实时时钟芯片实时时钟芯片具备年、月、日、时、分、秒计时功能和多点定时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不需程序干预。计算机可通过中断或查询方式读取计时数据进行显示，因此计时功能的实现无需占用CPU的时间，程序简单。此外，实时时钟芯片多数带有锂电池做后备电

40、源，具备永不停止的计时功能；具有可编程方波输出功能，可用做实时测控系统的采样信号等；有的实时时钟芯片内部还带有非易失性RAM，可用来存放需长期保存但有时也需变更的数据。由于功能完善，精度高，软件程序设计相对简单，且计时不占用CPU时间，因此，在工业实时测控系统中多采用这一类专用芯片来实现实时时钟功能。方案二: 软件控制。利用单片机内部的定时/计数器进行中断定时，配合软件延时实现时、分、秒的计时及秒表计时。该方案节省硬件成本，且能使设计者对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而掌握单片机应用技术MCS-51汇编语言程序设计方法，因此，本系统设计采用此种软件控制方法来实现计时。89C51是一种带4

41、K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造它与通用80C51系列单片机的指令系和引脚兼容。片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用通用非易失性存储器编程。它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能价格比的微控制器。它的功能强大，而且也较容易购买，故本设计中所选的单片机为89C51单片机。3.2多功

42、能电子钟键盘/显示方案方案一: 8279扩展。该方案方框图如图所示，8279是一种可编程的键盘/显示接口专用芯片，它含有键盘输入和显示输出两种功能，键扫描程序和动态显示程序全由8279硬件自动完成，此种方案能以比较简单的硬件电路和较少的软件开销实现单片机与键盘、LED显示器的接口。 方案二: 8155扩展，LED动态显示。 该方案方框图如图1.2.2所示，8155是一块可编程的接口芯片，与单片机的接口非常简单，它的键盘、显示共用一个接口电路，可节省I/O口。但动态扫描方式需占用CPU较多的时间，在单片机没有太多实时测控任务的情况下可以采用。方案三: 串口扩展，LED静态显示。该方案方框图如图1

43、.2.3所示，独立式键盘配置灵活，软件结构简单，按键较多时不宜采用。静态显示占用口资源少，采用串口传输实现静态显示， LED数码管与单片机之间通过6个移位寄存器相连，显示亮度有保证，但此方案的硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，比较适用于并行口资源较少的场合。 方案四:独立按键，1602液晶动态显示该方案方框图如下图所示，独立按键与单片机相连构成键盘各个键盘之间作用时相对独立。现市场上使用的1602液晶以并行操作方式居多，但也有并、串同时具有的。本设计使用的只有并行接口，无串行接口，可显示两行。具有很强的实用性能，故本设计中使用此种方案。3.3 多功能电子表原理方框图、原理图3.3.1 多功

44、能电子钟原理方框图多功能电子表整机电路方框图如图：89C51时钟电路时钟电路复位电路键盘控制液晶显示电源无线传输3.3.2 多功能电子钟电路原理图图3-1多功能电子钟液晶显示电路原理图图3-2多功能电子钟键盘电路原理图图3-3多功能电子钟复位电路图3-4多功能电子钟时钟电路原理图图3-5多功能电子钟键盘电路原理图图3-6多功能电子钟无线传输电路原理图3.4 多功能电子钟单元电路工作原理介绍3.4.1 液晶显示电路工作原理 如图3-2所示为液晶显示电路原理图。液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。本设计选用的是1602

45、液晶显示，其为5V电压驱动，带背光，可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置含128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口，无串行接口。1、接口信号（引脚）说明1602型液晶接口信号（引脚）说明2、主要技术参数显示容量16X2个字符芯片工作电压4.55.5V工作电流2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压5.0V字符尺寸295X4.35（WXH）mm3、基本操作时序读状态 输入：RS=L，R/W=H，E=H 输出：D0D7=状态字。读数据 输入：RS=H，R/W=H，E=H 输出: 无写指令 输入：RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：D0D7=数据写数据 输入：R

46、S=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲 输出： 无4、RAM地址映射图控制器内部带有80B的RAM缓冲区，对应关系如下图所示。 当我们向图中的000F、404F地址中的任一处写入显示数据时，液晶都可立即显示出来，当写入到1027或5067地址处时，必须通过移屏指令将它们移入可显示区域方可正常显示。5、状态字说明注意：原则上每次对控制器进行读/写操作之前，都必须进行读/写检测，确保STA7为0。实际上，由于单片机的操作速度慢于液晶控制器的反应速度，因此可以不进行读/写检测，或只进行简短延迟即可。6、数据指针设置控制器内部设有一个数据地址指针，用户可以通过它们访问内部的全部80BRAM如下

47、表所示。7、其他设置8、初始化设置（1）显示模式设置，如下表（2）显示开/关及光标设置，如下表9、接口时序a) 读操作b) 写操作3.4.2 键盘电路工作原理如图3-2所示为键盘电路原理图,本设计采用的是独立式键盘结构，每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。它软件是采用查询式结构，首先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。3.4.3 复位电路工作原理如图3-3所示为复位电路原理图，复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从00

48、00H单元开始执行程序，并使其它功能单元处于一个确定的初始状态。本复位电路采用的是按键复位，它是通过复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，它兼具上电复位功能。因本系统的晶振的频率为11.0592MHz，所以，复位信号持续时间应当超过2S才能完成复位操作。 3.4.4 时钟电路工作原理 如图3-4所示为时钟电路原理图，在89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。3.4.5

49、键盘电路工作原理如图3-5所示为键盘原理图,本系统采用的是独立式键盘结构，每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。它软件是采用查询式结构，首先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。 3.4.6 无线传输电路工作原理如图3-6所示为无线传输电路原理图。nRF2401A 及其外围电路如图所示，包括nRF2401A 芯片部分、稳压部分、晶振部分、天线部分。电压VDD 经电容C1、C2、C3 处理后为芯片提供工作电压；晶振部分包括Y1、C9、C10，晶振Y1允许值为：

50、4MHz、8MHz、12 MHz、16 MHz，如果需要1Mbps 的通信速率，则必须选择16MHz晶振。天线部分包括电感L1、L2，用来将nRF2401A 芯片ANT1、ANT2 管脚产生的2.4G 电平信号转换为电磁波信号，或者将电磁波信号转换为电平信号输入芯片的ANT1、ANT2 管脚。为方便与板的连接，模组提供了两个接口J1、J2，其中J1 为nRF2401的控制端口和通道1 的收发通道，J2 为预留端口，是通道2 的接收通道。J1 接口为10Pin 的插孔，其布局和板的I/O 端口布局一致，可以直接插接到板的I/O 端口使用。J2 预留，如果需要采用双通道接收时，可以将J2 对应的3

51、 根信号线引出，接到单片机的I/O 上即可。对应的I/O 连接和功能描述详见第二章nRF2401芯片介绍。3.4.7 多功能电子中的实现 本设计由89C51、nRF2401、1602液晶、按键等部分构成，能实现时间的显示与调整、定时时间的设定和无线传输等功能。用89C51单片机控制的多功能电子钟，显示器件选用的是1602液晶，它可以显示两行，每行16个字符，显示清晰直观。电路由时钟脉冲发生器、时钟计时器、数字显示电路以及时间调整电路组成。用单片机内的晶体振荡器产生标准时间信号，根据60秒为1分、60分为1小时、24小时为一天的计数周期，分别组成两个60进制（秒、分）、一个12进制（时）的计数器

52、。构成秒分时的计数，实现计时钟表功能。4、程序设计流程监控程序流程图S1键功能程序 S2键功能程序S3键功能程序 S4键功能程序键盘扫描子程序 取键值子程序中断服务程序流程图显示子程序流程图 延时子程序流程图5、总结通过这一段时间的不懈努力，我终于完成了自己毕业设计。功能上基本达标：时钟显示，时钟调整，时钟定时，无线传输等功能。时钟显示功能，精度完全可以满足日常生活显示时间的需要；时钟调整方便快捷；时钟定时保证时钟准确性和可靠性。硬件设计合乎要求，软件设计可以配合硬件实现功能要求。但是由于时间比较短，设计还有些不足之处，如使用时钟定时时显示功能停止。经过论证可能是软件部分还不完善，我会在以后有

53、机会的时候将其加以完善，使其很好的实现所有功能。无可否认机械时代即将过去，电子时代已经到来。作为新时代的我们，更应该提高自身的能力，适应时代的发展。只是来自实践，多去生活中探寻所需要的答案。对于上述所提到的研究课题，我们应尽量考虑到人的因素，增强适中的实用性与操作性，为使用者提供切实的方便，营造一种舒适的生活氛围。所以我们在设计的时候，应该从多方面、多角度去考虑问题，而且应该进一步提高时钟的质量。另外，在本次设计的过程中，我还发现了很多的问题，虽然在此以前没做过这样的设计但通过这次设计的制作我还是学会了很多的东西。单片机类设计的重点在于软件算法的设计，需要很精巧的程序算法，虽然以前接触过一些程

54、序，打我觉的写好一个程序并不是一件简单的事情，比如写一个程序看起来其功能很少就认为编写程序很简单，但在实际编写的时候才发现一些细微的知识或低级的错误经常犯导致程序运行失败。所以有些东西只有学精弄懂并且要十分的细心才行，只有理论的东西很难实现最后的结果，只有脚踏实地的实践才能获得最后的成功。在本次的设计中我还是用到了Protel 99SE，使我进一步巩固了对画图软件的使用能力。在画图的过程中虽然也遇到了一些难题，但我在老师和同学的帮助下都将其一一克服了。这次设计还让我学到了很多有用的知识并且加强了自己的能力，让我知道了89C51在整个时钟电路中的作用以及各部分电路的原理。此次毕业设计的制作使我受

55、益匪浅，不但提升了自己的专业知识能力也提高了我的动手操作能力。在此过程中我也发现了自己许多的不足之处，尤其是理论与实践的脱节十分严重，当然我自己的理论知识也不够火候，还得加强学习。这次设计使我明白了实际动手操作是以牢固的理论知识为基础的，这就要求我们更加努力的去学好书本中的知识。再之现在电子领域、不同的行业极为广泛，对于我们学电子专业的人来说，学好课本上的知识仅仅是基础，要掌握一门技术必须还得更深层的学习，并且亲自动手去做，这样才能达到事半功倍的效果。致谢这次单片机的毕业设计使我受益匪浅，首先我要感谢知道老师张猛老师给予我的热情的指导和帮助，在他的指导下我找到了解决毕业设计困难的途径，他为我精

56、心准备了一系列的设计题目并帮我解答了毕业设计的难点和疑点等很多问题，也给我提供了多种获得毕业设计资料的途径及方法。本设计是在张老师的悉心指导下进行的。在每次设计遇到困难时老师不辞劳苦的讲解才使得我的设计的顺利进行。从设计的选题到资料的搜集直到最后设计的修改的都花费了张老师很多宝贵的时间和精力。在此我向指导老师张老师表示衷心的感谢！张老师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！四年的大学生活即将结束，回顾几年的历程，老师们给予了我们很多的指导和帮助。他们严谨的治学，优良的作风和敬业的态度，为我们树立了为人师表的典范。在此，我对所有电子信息工程学院的老师表示感谢，祝老师们身

57、体健康，工作顺利！同事我还要感谢给予我帮助的各位同学，谢谢！最后，我还要向百忙之中抽出时间对本文进行审阅、评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢！参考文献1、曹巧媛，单片机原理及应用M，北京：电子工业出版社，1997.7。2、赵秀珍，单永磊，单片微型计算机原理及其应用M，北京：中国水利水电出版社，2001.8。3、张毅刚，修林成，胡振江，MCS-51单片机应用设计M，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990.8。4、张洪润，兰清华，单片机应用技术教程M，北京：清华大学出版社，1997.11。5、李华，MCS-51系列单片机实用接口技术M，北京：北京航空航天大学出版社，1993.8。6、陈景初，

58、单片机应用系统设计与实践M，北京：北京航空航天大学出版社。7、马家辰，MCS-51单片机原理与接口技术M，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社。8、刘守义，单片机应用技术M，西安：西安电子科技大学出版社。9 、冯育长，单片机系统设计与实例分析M，西安：西安电子科技大学出版社，2007.510. 李及，赵利民.MCS-51系列单片机原理与应用M.长春:吉林科学技术社，2000.7.11. 张洪润，兰清华，单片机应用技术教程M，北京：清华大学出版社，1997.11。12. 李华，MCS-51系列单片机实用接口技术M，北京：北京航空航天大学出版社，1993.8。13. 向继文等.基于AT89C51的电子钟系

59、统设计J，机电产片开发与创新，2007年第2期14. 姜煜等. 基于FPGA芯片设计多功能数字钟的研究J，应用科技，2008年12月第28卷12期15. 万胜前. 基于KeilC51软件的电子钟设计与制作J，鄂州大学学报，2007年第2期16. 蒋敏. 单片微机万年历设计J，职大学报，2009年第2期17. 彭小军. 用单片机实现电子时钟J.新余高专学报，2009年4月第9卷第2期18. 李晓静等. 液晶显示控制器与单片机的接口及编程J，电子技术，2004年第6期19. 商周.单片机开发，北京：人民邮电出版社，200120.付家才.单片机控制工程实践技术，北京：化学工业出版社，2004.321

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