蓝牙无线LED电子钟

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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)蓝牙无线LED电子钟摘要蓝牙技术是近年来发展迅速的短距离无线通信技术，可以用来替代数字设备间的有线电缆连接，在移动电话和计算机外设等领域有着广阔的应用前景。利用蓝牙技术构建的无线传输模块，可以减少系统间的电缆连接，具有应用方便、灵活等优点，除了应用于各种普通场合外，还可以应用于工矿、企业等，具有广泛的应用前景。本设计本着低成本、方便使用的原则，旨在设计一款无线电子钟，既可以满足市场需求，又将引领电子钟的新的时尚潮流。与传统的电子钟相比，采用蓝牙无线通信的方式，可以实现上位机对电子钟的控制，解决电子钟手动调时、闹钟设置等麻烦，同时无线方式也避免了外部线路的

2、复杂连接。论文首先介绍了蓝牙技术、蓝牙技术的特点以及应用场合；接着讲述了蓝牙无线LED点阵电子钟系统的实现方案；对各部分硬件电路的设计、软件程序流程的设计和蓝牙通信流程的设计分别做了详细的叙述；此外，论文还叙述了上位机通信界面的的设计。该蓝牙无线LED电子钟已完成软件和硬件的设计、制作和调试工作。达到了设计所需要求。该电子钟适用于居家、办公环境等环境。关键字：蓝牙无线传输；57点阵显示；电子钟；VB通信界面Bluetooth wireless LED electronic clockAbstractBluetooth is a kind of short-range wireless comm

3、unication technology that has got rapid development in recent years. It can replace the cables between different digital devises，and has great application field in mobile phone and computer peripherals. Applying Bluetooth technology into wireless transmission module can replace the data transmission

4、 cables in system，and has merits of convenience and flexible application，Besides, it can apply to common occasion it can also apply to factories and enterprises，so it will get great application.This design, which is aimed for the wireless electronic clock, is based on the principle of convenience an

5、d low-cost of the utility. This kind of electronic clock can satisfy the market demanding and led the new fashion of the electronic clock as well. Compared with the traditional one, this design, which employing this Bluetooth wireless transmission, has many advantages, such as, it could make the com

6、puter control the electronic clock which has solved a lot of trouble that has been made by the manufacture. At the same time, this Bluetooth wireless transmission avoids the complicated connection of the outside liner.The first chapter states the Bluetooth technology, its characteristics and its app

7、lication as well. In chapter two, the author gives an overview of the practical case of the Bluetooth wireless LED electronic clock system. Meanwhile, the design of the partial hardware circuit, the process of the software and the process of the Bluetooth transmission are also stated in a detailed w

8、ay. In addition, this thesis highlights the transmission interface of the computer.The author has already finished the design of this Bluetooth wireless LED electronic clocks software and hardware, the making and testing as well, all these work are achieved to the requirements of the design demandin

9、g. This kind of electronic clock is available to our homes, offices and other environment.Keywords: Bluetooth wireless transmission; 57 LED display; electronic clock; VB communication interface目录摘要IAbstractII目录III第一章 引言11.1 课题的背景和意义11.2 蓝牙技术简介11.2.1 蓝牙技术介绍21.2.2 蓝牙技术的特点及指标31.2.3 蓝牙技术的应用5第二章 系统方案设计62

10、.1 系统可选方案介绍62.1.1 电子钟的实现形式62.1.2 短距离无线通信实现形式72.2 系统设计方案的实现72.2.1 蓝牙无线电子钟的功能与设计要求72.2.2 系统设计方案8第三章 电子钟部分硬件电路设计93.1 电子钟的主体模块电路设计93.1.1 华邦单片机W78E58B概述93.1.2 系统晶振电路设计113.1.3 复位电路设计123.2 显示模块电路设计123.2.1 驱动电路设计123.2.2 57点阵LED显示电路设计153.3 时钟模块电路设计163.3.1 时钟芯片DS1302概述163.3.2 DS1302接口硬件电路设计163.4 温度检测模块电路设计173

11、.4.1 温度传感器DS18B20概述173.4.2 DS18B20接口电路设计18第四章 电子钟部分软件设计194.1 主程序设计194.2 显示模块程序设计204.3 DS1302读写程序设计214.3.1 DS1302内部寄存器介绍214.3.2 DS1302读写子程序设计234.4 温度检测程序设计244.4.1 DS18B20内部存储器介绍244.4.2 DS18B20的单线协议和命令254.4.3 DS18B20温度读取程序流程274.5 日历时钟调节程序设计284.5.1 时间调节子程序设计284.5.2 当前编辑位闪烁功能的实现294.6 闹钟功能的实现30第五章 蓝牙无线通信

12、部分设计315.1 设计思路315.2 蓝牙模块使用说明315.2.1蓝牙模块介绍315.2.2 蓝牙模块参数设置335.3 蓝牙模块接口电路设计355.3.1 单片机与蓝牙模块接口电路设计355.3.2 上位机与蓝牙模块接口电路设计355.4 单片机蓝牙无线通信部分软件设计365.4.1 蓝牙HCI层介绍365.4.2 蓝牙无线通信单片机部分程序设计37第六章 上位机控制界面的设计及实现386.1 Microsoft Comm control控件简介386.2通信窗体设计39第七章 系统调试及作品说明457.1 硬件调试457.1.1 断电调试457.1.2 通电调试457.2 软件调试46

13、7.3 作品使用说明467.3.1 使用说明467.3.2 系统实物47参考文献49附录A50图1 电子钟主机部分硬件电路图50图2 电子钟显示部分硬件电路图51图3 上位机与蓝牙模块的接口电路图52图4 单片机与蓝牙模块的接口电路图53附录B 源程序代码54致谢7775第一章 引言1.1 课题的背景和意义随着信息科学的迅速发展。采用通信技术来传输信息在现代社会是十分流行和重要的，它已经变成人们生活和工作的必需，社会发展的重要工具。特别是数字通信，推动了数字化社会的形成，使人们进入信息化社会成为现实。随着通信网络的发展，各种通信电缆五花八门，不但办公室中的电缆无处不在，家用设备的发展也使居室成

14、了电缆的世界。人们在觉得它们必不可少的同时，又伤透了脑筋，如电缆使用不便，连线频出故障，各种电缆之间无法通用。电缆成为现代通信中的美中不足。为了取消连线，以较低成本实现各设备间的无线通信，诞生了无线通信技术。现阶段存在的无线通信技术有以下几种：IrDA(红外无线数据传输技术)、IEEE802.11(一种无线以太网标准)、Home (一种无线局域网技术)和Bluetooth(蓝牙技术)。前三种技术都早于蓝牙技术，经过多年的发展，己经日渐成熟，但蓝牙技术在低功耗和小体积方面有其他无线技术无法比拟的优点，特别是用于便携式设备。蓝牙(Bluetooth)是现代无线通信领域的高新技术，用于替代数字设备间

15、的有线电缆连接，实现短距离10cm100m的无线通讯。蓝牙技术具有体积小、功耗低等突出的优点，因此蓝牙技术的应用范围相当广泛，可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备，如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等，蓝牙的无线通讯方式将上述设备连成一个微微网（Piconet），多个微微网之间也可以进行互连接，从而实现各类设备之间随时随地进行通信。应用蓝牙技术的典型环境有无线办公环境、汽车工业、信息家电、医疗设备以及学校教育和工厂自动控制等。用无线产品替代现有的有线产品将是科技发展的趋势，因此这方面的研究具有重大的现实意义和广阔的应用前景。蓝牙无线LED电子钟就

16、是在基于无线通信的基础上，利用蓝牙无线通信实现电子钟与上位机之间的通信，并且在上位机上能够读取电子钟的时间、温度和调节时间，并实现点阵LED的年、月、日以及时间的准确显示和闹钟设置功能。1.2 蓝牙技术简介“蓝牙”（Bluetooth）原是十世纪统一了丹麦的国王的名字，现取其“统一”的含义，用来命名意在统一无线局域网通讯标准的蓝牙技术。蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织（SIG）来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟该组织，最近微软公司也正式加盟并成为SIG组织的领导成员之一。1.2.1 蓝牙

17、技术介绍 蓝牙是无线数据和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。它的传输距离为10cm100m，工作在2.4GHz ISM频段，采用跳频技术，使用权向纠错编码。TDMA每时隙为0.625s，基带传输速率为1Mb/s。蓝牙支持64kb/s实时语音传输和数据传输，语音编码为CVSD，发射功率分别为1mW、2.5mW和100mW，并使用全球统一的48比特的设备识别码。蓝牙是基于蓝牙协议工作的。蓝牙技术的系统结构分为三大部分：底层硬件模块、中间协议层和高层应用。 底层硬件部分包括无线跳频（RF）、基带（BB）和链路管理（LM）。

18、无线跳频层通过2.4GHz无需授权的ISM频段的微波，实现数据流的过滤和传输，本层协议主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所需要满足的条件。基带负责跳频以及蓝牙数据和信息帧的传输。链路管理负责连接、建立和拆除链路并进行安全控制。蓝牙协议体系栈如图1.1所示。图1.1 蓝牙协议体系栈蓝牙技术结合了电路交换与分组交换的特点，可以进行异步数据通信。 中间协议层包括逻辑链路控制和适应协议、服务发现协议、串口仿真协议和电话通信协议。逻辑链路控制和适应协议具有完成数据拆装、控制服务质量和复用协议的功能，该层协议是其它各层协议实现的基础。服务发现协议层为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服务及其特性

19、。串口仿真协议层具有仿真9针RS232串口的功能。电话通信协议层则提供蓝牙设备间话音和数据的呼叫控制指令。主机控制接口层（HCI）是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它提供了一个调用基带、链路管理、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。蓝牙设备之间进行通信时，HCI以上的协议软件实体在主机上运行，而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。在蓝牙协议栈的最上部是各种高层应用框架。其中较典型的有拨号网络、耳机、局域网访问、文件传输等，它们分别对应一种应用模式。各种应用程序可以通过各自对应的应用模式实现无线通信。拨号网络应用可通过仿真串口访问微微网，数据设备也可由此接

20、入传统的局域网；用户可以通过协议栈中的音频层在手机和耳塞中实现音频流的无线传输；多台PC或笔记本电脑之间不需要任何连线，就能快速、灵活地进行文件传输和共享信息，多台设备也可由此实现同步操作。总之，整个蓝牙协议结构简单，使用重传机制来保证链路的可靠性，在基带、链路管理和应用层中还可实行分级的多种安全机制，并且通过跳频技术可以消除网络环境中来自其它无线设备的干扰。1.2.2 蓝牙技术的特点及指标1.蓝牙技术的特点SIG制定蓝牙技术的出发点包括：全球范围适用；可同时传输语音和数字；具有灵活的组网功能；具有很好的抗干扰能力；体积小、功耗低；开放的接口标准；低成本等。因此蓝牙技术具有以下特点：（1）全球

21、范围适用。蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。全球大多数国家ISM频段的范围是2.42.4835GHz。（2）采用时分双工(TDD)方式可同时传输语音和数据。蓝牙采用时分双工(TDD)方式来实现同时接收和发送数据，蓝牙的信道被分为很多时隙(timeslot)，每个时隙的长度为625ps。在TDD方式下，主设备与从设备占有不同的时隙进行传输，其中主设备只在奇数时隙开始传输，从设备只在偶数时隙开始传输，数据分组的开始与时隙的开始对齐，一个数据分组最多可以占用5个时隙。（3）可以建立临时性的对等连接。蓝牙设备根据其在网络中的角色，可以分为主设备与从

22、设备。蓝牙设备建立连接时，主动发起连接请求为主设备，响应方为从设备。当几个蓝牙设备连接成一个微微网时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。微微网是蓝牙最基本的一种网络，由一个主设备和一个从设备所组成的点对点的通信是最简单的微微网。（4）抗干扰能力强。蓝牙采取了跳频方式来扩展频谱，将2.402-2.480GHz的频段分成79个频点，每两个相邻频点间隔1MHz。数据分组在某个频点发送之后，再跳到另一个频点发送，而对于频点的选择顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625s。（5）具有很小的体积，可以很好地集成到各种不同的设备中。由于个人移动设备的体积不会太大，嵌入其内部的蓝牙模

23、块体积就应该很小。（6）有多种工作模式，可以做到很低的功耗。蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：激活模式、呼吸模式、保持模式和休眠模式。激活模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。呼吸模式下的从设备周期地被激活；保持模式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组，但保持其激活成员地址；休眠模式下的主从设备仍保持同步，但从设备不需要保留其激活成员地址。（7）开放的接口标准。SIG为了推广蓝牙技术的使用，建立事实的短距离连接通信标准，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。（8

24、）低成本，使得设备在集成了蓝牙技术之后只需增加很少的费用。2. 蓝牙技术指标蓝牙技术指标和系统参数如下：工作频段：ISM频段，2.4022.480GHz；双工方式：全双工，TDD时分双工；业务类型：支持电路交换和分组交换业务；数据速率：1Mb/s；非同步信道速率：非对称连接721/57.6kb/s，对称连接432.6kb/s；同步信道速率：64Kb/s；跳频频率数：79个频点/MHz；跳频速率：1600次/s；工作模式：激活模式、呼均模式、保持模式、休眠模式；数据连接方式：面向连接业务SCO，无连接业务ACL；纠错方式：1/3FEC，2/3FEC，ARQ；鉴权：采用反应逻辑算术；发射距离：一般

25、可达1010cm，增加功率情况下可达100m。1.2.3 蓝牙技术的应用蓝牙(Bluetooth)技术自提出以来，在短短4年时间里己风靡全球。目前，全球己有2000多家企业推出了蓝牙芯片、蓝牙平台、应用程序、测试设备等产品。蓝牙技术让包括各种移动设备和计算机外设在内的数字设备之间的无线廉价连接成为可能，它不仅取代了这些设备之间的电缆连接，而且还使得许多数字设备的功能得到了扩充，让原来独立的数字设备可以与其它设备连网交换信息。总之，蓝牙技术随着蓝牙芯片的微型化和成本的降低将会在家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等场合开辟广阔的应用前景。蓝牙技术适用于以下三个方面的短距

26、离无线连接：l)数据和语音接入点；2)替代电线和电缆；3)包含硬件、软件和互操作需求的一种无固定中心站的网络。除此之外，蓝牙无线技术还为己存在数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。蓝牙技术的几种典型应用归纳如下：（1）三合一电话：蓝牙技术使一部移动电话手机能在多种场合内使用，办公室里，这部手机是内部电话，不计电话费;在家里，是无绳电话，计固定电话费;出门在外，是一部移动电话，按移动电话的话费收费。（2）因特网桥：蓝牙技术可以使便携式电脑在任何地方都能通过移动电手机进入因特网，随时随地到因特网上去“冲浪”。（3）交互性会议：在会议中，蓝牙技术可以迅速使自己的信息通

27、过便携脑、手机、PDA等供其他与会者共享。（4）文件、数据、图像的无线传输：利用蓝牙技术取代IrDA或是RS232串口线，方便而快速地传送各种资料。例如将数字相机中的图像无线传输给其它的数字相机或者PC机、PDA等。另外以计算机为中心的无线连接包括计算机与键盘、鼠标、数码相机等外设。（5）各种家用设备和电脑组成家电网：例如蓝牙无线LED电子钟就是电脑利用蓝牙无线传输对电子钟(含蓝牙模块)进行控制。第二章 系统方案设计2.1 系统可选方案介绍2.1.1 电子钟的实现形式电子钟既可以通过纯硬件实现，也可以通过软硬件结合实现，根据电子钟的核心部分秒信号的产生原理，通常有三种形式，如下所述。1.采用N

28、E555时基电路的实现形式采用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构成秒脉冲发生器电路图如图2.1所示，输出脉冲信号V的频率F1.443（RA2RB）C，可以通过这3个参数，使输出V的频率为精确的1Hz。图2.1 555构成的秒脉冲发生器电路2.采用时钟专用芯片的实现形式。采用专用时钟芯片实现电子钟，具有简单，计时精度高等优点。时钟芯片比较多，常见型号的有DS12C887和DS1302等。现以时钟芯DS1302为例作一简单介绍。单片机通过对DS1302寄存器进行读写来获取日历时钟数据，实现电子时钟。DS13

29、02的引脚图如图2.1所示。此设计中，电子钟就是通过单片机对DS1302操作来实现的。图2.2 DS1302引脚图3.采用基于微处理器的实现形式利用微处理器的智能性，可方便实现具有智能的电子钟。由于微处理器均具有时钟振荡系统，利用系统时钟借助微处理器的定时计数器可实现电子钟功能。但系统时钟的误差较大，电子钟的累积误差也可能较大。2.1.2 短距离无线通信实现形式短距离无线通信的实现方式很多，常见的有红外无线传输和蓝牙无线传输等。下面对这两种无线传输方式进行介绍。1.红外无线通信红外无线通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红

30、外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。目前红外使用的IrDA红外数据通讯协议及规范。IrDA1.0可支持最高115.2kbps的通信速率，而IrDA1.1可以支持的通信速率达到4Mbps。红外传输是一种点对点的无线传输方式，距离不能太远，方向必须正确，且中间不能有障碍物，几乎无法控制信息传输的进度。红外线通信技术适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接，尤其是嵌入式系统。红外线技术的主要应用于设备互联、信息网关。另外广泛应用在移动计算和移动通讯的设备中。2.蓝牙无线通信蓝牙传输是通过RF（2.4GHZ）载波进行的，因此它具有电磁波的基本特

31、征，有较大的功率，可以增加传送距离，而且没有角度及方向性限制，能穿透障碍物，可在物体之间反射、镜设、绕射。蓝牙主要用于短距离传输（最多100米）数据和语音（1Mbps），功耗非常低能，同时能连接许多元件，传输速度快。此设计中，电子钟与上位机之间的通信就是采用蓝牙无线通信实现的。2.2 系统设计方案的实现2.2.1 蓝牙无线电子钟的功能与设计要求蓝牙无线LED电子钟具有以下功能要求：（1）具备时间、年、日期、星期、温度、循环显示；（2）能修改电子钟的走时起始时间；（3）具有闹铃功能，能设置闹钟，且能检测室温；（4）创新的采用蓝牙无线模块，通过上机位软件，实现无线同步，可以通过上位机来修改时间、设

32、置闹钟和读取温度值；（6）为了保证此钟的精确，采用时钟模块DS1302，最关键的是采用了进口5ppm的贴片晶振，同时配置了军用可调电容。2.2.2 系统设计方案电子钟的设计以华邦单片机（W78E58B）为核心。W78E58B为增强型51内核，指令集同标准8051指令集完全兼容。时钟芯片采用DS1302，并配用进口5ppm的贴片晶振和军用可调电容。温度检测模块采用Dallas半导体公司的数字化“一线总线”接口的温度传感器DS18b20，温度检测范围为-55+125。就显示部分而言，通常可采用液晶显示和数码管显示，由于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，且液晶显示是一种被动显示，可视性较差；对于

33、具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块（字符或点阵），一般采用并行接口，对微处理器的接口要求较高，占用资源多。而数码管显示则不直观，且可显示的东西少。点阵LED克服了两者的缺点，且亮度高、价格便宜。因此，本设计中显示模块采用57点阵LED实现。单片机与显示模块之间采用74HC595移位寄存器实现数据的串入并出。考虑到调时和闹钟设置这两种操作的使用频率不是很高，为了精简系统，本时钟系统只设四个按键：（1）复位键用于系统复位；（2）set键用于调时的模式切换；（3）up键用于调时；（4）s_n键用于程序下载，且复用作为闹钟设置键。无线传输模块采用基于BC417-143BQN芯片的蓝牙模块。系统方

34、案图如2.3所示。图2.3 系统方案图第三章 电子钟部分硬件电路设计本设计中电子钟部分包括主体模块、时间模块、温度检测模块、显示模块。3.1 电子钟的主体模块电路设计电子钟主体模块包括单片机、时钟电路和复位电路。电子钟的主体电路图如图3.1所示。图3.1 电子钟主体电路图3.1.1 华邦单片机W78E58B概述1.W78E58B概述W78E58B是具有带ISP功能的Flash EPROM的低功耗8位微控制器；带ISP功能的Flash EPROM可用于固件升级。它的指令集同标准8051指令集完全兼容。W78E58B包含32K字节的主ROM、4K字节的辅助ROM（位于4K字节辅助ROM中的装载程序

35、，可以让用户更新位于32K主ROM中的程序内容）。512字节片内RAM，4个8位双向、可位寻址的I/O口，一个附加的4位I/O口P4，3个16位定时/计数器及一个串行口。这些外围设备都由有8个中断源和2级中断能力的中断系统支持。为了方便用户进行编程和验证，W78E58B内ROM允许电编程和电读写。一旦代码确定后，用户就可以对代码进行保护。W78E58B有2种节电模式，空闲模式和掉电模式，2种模式均可由软件来控制选择。空闲模式下，处理器时钟被关闭，但外设仍继续工作。在掉电模式下晶体振荡器停止工作，以将功耗降至最低。外部时钟可以在任何时间及状态下被关闭，而不影响处理器运行。2.W78E58B管脚介

36、绍华邦单片机W78E58B具有三种封装形式：DIP40（W78E58B-40）、PLCC44（W78E58BP-40）、PQFP44（W78E58BF-40），此设计中采用的是PLCC44封装形式。W78E58B（PLCC44封装）的引脚图如图3.2所示。下面介绍W78E58B的引脚功能。图3.2 W78E58B引脚图VDD、GND：电源、地；X1、X2：晶体振荡器的输入、输出；RST：复位引脚，振荡器运行时，此管脚上出现两个机器周期的高电平将使器件复位；ALE：地址锁存使能，ALE用于将P0口地址锁存，使其和数据分离；/PSEN：程序存储使能，此管脚允许外部ROM数据出现在P0口的地址/数据

37、总线上，当访问内部ROM时，此管脚上不输出PSEN信号；/EA：外部访问使能，此管脚使处理器访问外部ROM。当EA保持高电平时，ROM的地址和数据就不会出现在总线上；P0.0-P0.7：端口0，端口0是一个双向I/O口，在访问外部存储器时，端口0可用作低位地址/数据总线。端口0是一个开漏极端口，在进行编程时需要连接一个外部上拉电路；P1.0-P1.7：端口1，端口1是一个具有内部上拉电路的双向I/O口。其中P1.0、P1.1引脚具有复用功能。T2（P1.0）定时/计数器2的外部计数输入；T2EX（P1.1）定时/计数器2的重装载/捕获控制P2.0-P2.7：端口2，端口2是一个具有内部上拉电路

38、的双向I/O口。此端口提供访问外部存储器的高位地址；P3.0-P3.7：端口3，端口3是一个具有内部上拉电路的双向I/O口。所有位都有复用功能，如下：RXD（P3.0）：串行口接收器输入TXD（P3.1）：串行口发送器输出/INT0（P3.2）：外部中断0/INT1（P3.3）：外部中断1T0（P3.4）：定时器0外部输入T1（P3.5）：定时器1外部输入/WR（P3.6）：外部数据存储器写选通/RD（P3.7）：外部数据存储器读选通P4.0-P4.3：端口4，可位寻址的双向I/O口P4。P4.3和P4.2为功能复用管脚，它们既可以作为通用的I/O口，也可以作为外部中断源的输入。3.1.2 系

39、统晶振电路设计系统时钟电路的设计如图3.3。XTAL1、XTAL2分别为系统时钟信号的输入、输出端。对于时间要求不是很高的系统，只要按图进行设计就能使系统可靠起振并稳定运行。图中的C1、C2电容起着系统时钟频率微调和稳定的作用。在本闹钟系统中所用电容C1、C2的电容值选择30pF，采用11.0592MHz的晶振输入。图3.3 系统时钟电路3.1.3 复位电路设计51系列单片机采用高电平复位方式。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将强迫使单片机进入复位状态，当RST引脚由高电平变为低电平使CPU将脱离复位状态，进入指令周期。本系统采用的是RC复位方式，采用外部手动复位。RC复

40、位电路的实质是一阶充放电电路。系统上电时该电路提供有效的复位信号直至系统电源稳定后撤销复位信号。理论上说，51系列单片机复位引脚只要外加2个机器周期的有效信号即可复位，即只要保证tRC2M（机器周期）便可，但实际设计中，通常取C4为10f以上，R1通常取10K左右。若R1如果取值太小，例如1K，则会导致RST信号驱动能力变 差而无法使系统可靠复位。复位电路如图3.4所示。 图3.4 复位电路图3.2 显示模块电路设计显示模块电路包括驱动电路和57点阵LED显示电路，驱动电路又由行扫描驱动电路和74HC595驱动电路组成。下面分别对这几个电路进行详细介绍。显示模块电路具体图见附录2。3.2.1

41、驱动电路设计1.译码器74LS138简述74LS138为3线8线译码器，引脚图如图3.6示。下面介绍它的引脚功能：VCC、GND：电源、地；A、B、C：译码地址输入端；G1：选通端（高电平有效）；/G2A、/G2B：选通端（低电平有效）；Y0Y7：译码输出端（低电平有效）。当片选端G1为高电平，另两个选通端/G2A、/G2B为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。图3.6 74LS138引脚图2.移位寄存器74HC595简述74HC595是8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有一

42、个存储器和三态输出功能。引脚图如图3.7所示。下面介绍它的引脚功能：VCC、GND：电源、地；O0O7：并行数据输出端；Q7：串行数据输出端；SER：串行数据输入端；SRCLK：移位寄存器时钟信号输入端；RCLK：存储寄存器时钟信号输入端；OE：输出使能端，低电平有效；MR：主电复位端，低电平有效。移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SRCLK的上升沿输入，在RCLK的上升沿进入的存储寄存器中去，当使能OE为低电平时，存储寄存器的数据输出到总线。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。图3.7 74HC595引脚图3.行扫描驱动电路的设计点阵显示的行线是由74LS138

43、的输出信号控制的。电路图如图3.8所示。138译码器的译码地址输入端A、B、C分别接单片机的P20、P21、P22引脚，选通端/E1、/E2接单片机P23引脚，选通端E1接电源端，译码输出端Y1Y8分别7个PNP管的基极。图3.8 行扫描驱动电路4.74HC595驱动电路的设计点阵显示的列线是由74HC595的输出信号控制的。74HC595在寄存器时钟信号的上升沿接收数据，在存储寄存器时钟信号的上升沿锁存数据，并将数据并行输出到点阵LED的列线上。74HC595的串行数据输入端SER接单片机P07引脚，移位寄存器时钟输入引脚和存储寄存器时钟输入引脚分别接P05、P06脚。第一片和第二片595的

44、Q7端分别接第二片和第三片595的串行数据输入端SER。595的并行数据输出端O0O7通过限流电阻接到点阵LED的列线上。74HC595驱动电路图如图3.9所示。图3.9 74HC595驱动电路图3.2.2 57点阵LED显示电路设计LED阵列是将多个LED以矩阵方式有规律的连接。57点阵LED引脚图如图3.10所示，其中17为行线，ae为列线。对于共阴极57LED阵列而言，每列LED的阴极连接在一起，即为列引脚，每行LED的阳极连接在一起，即为行引脚。通常站在列的角度来看，所以称之为共阴极。若要点亮其中的某个LED，则只需要行的信号和列的信号交集，对应行接高电平，对应列接地，形成一个回路即可

45、。所以点阵LED就是通过行和列的扫描来实现字符显示的。此设计中采用共阴极57点阵LED。图3.10 57点阵LED引脚图如图3.11所示为57点阵LED显示电路，点阵LED的行线经限流电阻和PNP驱动管接到138的译码输出端，列线经限流电阻接到74HC595的串行数据输出端。点阵显示发光二极管的正常工作电流一般在320mA。在此电路中，译码器输出为低电平，不能直接驱动二极管，因此将译码输出端接到PNP管基极，通过PNP管低电平导通来驱动点阵显示。图3.11 57点阵LED显示电路图3.3 时钟模块电路设计3.3.1 时钟芯片DS1302概述DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，

46、内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：RES（复位）、I/O（数据线）、SCLK（串行时钟）。时钟RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302芯片的引脚图如图2.2所示。下面介绍DS1302芯片的引脚功能：VCC1、VCC、GND：电源

47、、地；X1、X2：晶体振荡器的输入、输出端；RST：复位脚；I/O：数据输入/输出引脚；SCLK：串行时钟。3.3.2 DS1302接口硬件电路设计DS1302接口电路设计如图3.12所示。下面对其接线作具体说明：VCC1电源输入1，3.6V左右，当单片机供电模块断电时，作为DS1302备用电源使用，在断电情况下，可以继续工作；VCC与单片机供电模块+5V电源相连作为DS1302工作时的供电电源；晶振X1和X2直接和32.768KHZ的晶振两端相连，为DS1302提供时钟源；数字部分SCLK、I/O、/RST分别是DS1302的串行时钟端、数据输入/输出端和复位端。其中，DS1302与单片机的

48、连接仅需要3条线：CE引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚。图3.12 DS1302接口电路图3.4 温度检测模块电路设计3.4.1 温度传感器DS18B20概述DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理，而且可以在一条总线上挂接多个DS18B20芯片,构成多点温度检测系统，无需任何外加硬件。DS18B20数字温度传感器可提供912位温度读数,读取或写入DS18B20的信息仅需一根总线，总线本身可以向所有挂接的DS18B20芯片提供电源，而不需额外的电源。由

49、于DS18B20这一特点，非常适合于多点温度检测系统，硬件结构简单，方便联网，在仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用。温度传感器DS18B20有如下特点：(1) 数据传输采用单总线(1-Wire Bus)结构，无需外围其它元件；(2) 能应用在分布式测量系统中；(3) 温度输出为9bit12bit可编程；(4) 测温范围为-55+125，在-1085时精度为0.5；(5) 输出分辨率为12bit时最大的转换时间为750ms；(6) 具有可编程的温度报警功能；(7) 具有可靠的CRC数据传输校验功能；(8) 电源电压范围为35.5V；(9) 低功耗，无外部供电电源

50、也能可靠工作。DS18B20引脚图如右图3.13所示。 图3.13 DS18B20引脚图3.4.2 DS18B20接口电路设计DS18B20接口电路设计如图3.14所示，下面对接口电路作具体说明：VCC采用外部电源供电方式，直接与3.3V电源连接；DQ单线数据输入/输出，外接4.7K上拉电阻，提高驱动能力；GND直接与地相连。DS18B20供电方式有两种：一种是寄生电源，器件可以从单线的通信线获得电源，在信号线的高电平时间周期内，把能量存储在内部电容器中，在单信号线为低时断开此电源，直到高电平重新接上寄生电源为止，另一种方法是DS18B20直接用外部电源供电。此处采用的是直接5V供电方式。单线

51、总线只有一根线，为了线上的每个器件能在适当的时间驱动总线，起一个链接到单线总线的器件必须具有漏极开路和三态输出。DS18B20的单总线接口引脚是漏极开路的，单总线要求近似等于5K的上拉电阻来提高驱动能力。图3.14 DS18B20接口电路图第四章 电子钟部分软件设计电子钟部分程序设计的重点在于时间信号的产生、显示的实现、以及调时的处理、闹钟的设置等方面。下面来详细介绍这几个方面的程序设计。4.1 主程序设计系统功能是通过主程序调用各子程序来实现。在此设计中，主程序主要实现的功能是系统初始化，调用DS1302、DS18B20和点阵显示子程序来实现数据的读取和显示，并通过相应的条件位来判断是否执行

52、时间调节、闹钟设置和闹钟响铃。主程序流程图如图4.1所示。图4.1 主程序流程图4.2 显示模块程序设计前面已经介绍过显示模块的硬件实现，显示模块是通过74LS138和74HC595驱动57点阵LED来实现显示。在程序设计中需要涉及到点阵的显示、行扫描、列数据送入等几个方面。下面来详细介绍显示模块软件实现。显示子程序主要实现的功能是在行扫描的同时将74HC595锁存器里面的数据送到点阵LED列线上。程序框图中a为行扫描子字，每送完一行数据，a加1，循环七次将一组数据显示完；k为字码有效位，在此程序中，只用到了每个字码的低五位，字码的最高3位无效，因此k取值为5 ，每送完一个二进制位，k加1，循

53、环五次将字码的前5位有效位依次送到锁存器里面。i为字码个数，因为显示模块只能显示5个数字或字符，所以i取值为5，每送完一个字码，i加1，循环五次将五个字码送到74HC595的锁存器里面；寄存器数据的送入是在SRCLK脉冲信号的上升沿进行的，而寄存器将数据输出到LED列线上是在RCLK脉冲信号的上升沿进行的。显示模块程序流程图如图4.2所示。图4.2 显示模块流程图4.3 DS1302读写程序设计4.3.1 DS1302内部寄存器介绍电子钟的日历时钟数据是通过W78E58B对DS1302的读写操作来获得的，所以在电子钟的软件设计中，单片机对DS1302的I/O口的读写是关键。前面介绍了1302接

54、口电路的硬件设计，下面来叙述DS1302时间读写程序设计。一般情况，RTC芯片会提供若干控制寄存器、数据寄存器以及状态寄存器，对这些寄存器进行操作即可实现配置、数据读取的功能。下面在程序设计之前先介绍一下DS1302的内部寄存器。DS1302串行时钟芯片主要由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM构成。为了实现数据传送，首先把/RST置为高电平，然后单片机以一定得时序产生SCLK移位时钟，把地址和命令字节信息通过I/O线传给DS1302的移位寄存器，数据在SCLK的上升沿串行输入。无论是读周期还是写周期发生，开始的8位指定RAM字节中的哪个被访问，在开始8个时钟周期把命令输入移位寄存

55、器之后，另外的时钟在读操作时读出数据，在写操作是输入数据。每一次数据传送由命令字节初始化。下面是地址/命令字节所代表的含义，如表4.1所示为地址/命令字节。最高有效位MSB(位7)必须为逻辑1，如果为0，禁止写DS1302。位6为逻辑0指定时钟/日历数据，逻辑1指定RAM数据。位1位5指定进行输入或输出的特定寄存器，最低位LSB为逻辑0指定进行写操作（输入）、逻辑1指定进行读操作（输出），命令字节总是从最低有效位LSB（位0）开始输入。表4.1 DS1302地址/命令字节时钟/日历包含在7个写/读寄存器内。包含在时钟/日历寄存器内的数据是BCD码。如表4.2所示为时钟/日历寄存器详表。其中有两

56、个值得注意的地方，一个是秒寄存器的位7为时钟暂停位，当此位设置为逻辑1时，时钟振荡器停止，DS1302被置入低功率的备份方式，当把此位写成逻辑0时，时钟将启动。另一个是小时寄存器的位7为高电平时，选择12小时方式。12小时方式下位5是AM/PM位，此位为逻辑高电平表示PM。在24小时方式下，位5是第2个10小时位（2023时）。表4.2 时钟/日历寄存器详表4.3.2 DS1302读写子程序设计DS1302时间读写程序设计主要包括读1302和写1302两部分。在程序设计当中，写数据发生在SCLK脉冲信号的上升沿，而读数据发生在SCLK脉冲信号的下降沿，DS1302读、写流程基本一样，故此处只介

57、绍DS1302时间读流程。如4.3图所示为读1302子程序流程图。图4.3 读1302子程序流程图对DS1302读、写都是先将控制字写入，控制字总是从最低位开始输入。在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿，数据被写入DS1302，数据输入从最低位开始。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4.4所示为DS1302数据读写时序图。图4.4 DS1302读写时序图日历时钟数据就是通过调用1302读、写子程序来获得的，在调用的时候只需修改控制字即可，例如写秒寄存器数据时对应的控制字为80H，读秒寄存器数据时对应的

58、控制字为81H。4.4 温度检测程序设计电子钟的温度数据是通过对DS18B20操作获得的，前面介绍了温度检测模块的接口电路，下面叙述一下DS18B20的软件设计。4.4.1 DS18B20内部存储器介绍DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：（1）ROM只读存储器：用于存放DS18B20的ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。

59、DS18B20共64位ROM。（2）DS18B20内有一个能直接转化为数字量的温度传感器，其分辨率为9、10、11、12bit可编程，通过设置内部配置寄存器来选择温度的转换精度，出厂时默认设置为12bit。温度的转换精度有0.5、0.25、0.125、0.0625。温度转换后以16bit格式存入便笺式RAM，可以用读便笺式RAM命令(BEH)通过1Wire接口读取温度信息，数据传输时低位在前。内部温度数据格式如表4.3所示。表4.3 温度数据格式（3）RAM数据暂存器：用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信

60、息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。RAM及EEPROM结构图如图4.5所示。图4.5 RAM及EEPROM结构图4.4.2 DS18B20的单线协议和命令DS18B20有严格的通信协议来保证各位

61、数据的正确性和完整性。主机操作单线器件DS18B20必须遵循下面的顺序。（1）复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由单片机给DS18B20单总线至少480s的低电平信号。当DS18B20接到此复位信号后，延时1560s，通过拉低总线60240s来产生应答脉冲。主机接收到丛机的应答脉冲后，说明有单线器件在线，通信双方达成基本协议。复位及应答时序图如图4.6所示。图4.6 复位及应答时序图（2）控制器发送ROM指令：一旦总线主机检测到应答信号，便可以发起ROM操作指令。ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索

62、、报警芯片搜索。ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令。（3）控制器发送存储器操作指令：在成功执行ROM指令后才能执行内存指令。在ROM指令发送给18B20之后，紧接着就是发送存储器操作指令了。操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。存储器操作指令的功能是命令18B20

63、作什么样的工作，是芯片控制的关键。（4）数据处理：DS18B20要求严格的时序来保证数据的完整性。在单线DQ上，存在复位脉冲、应答脉冲、写“0”、写“1”、读“0”、读“1”几种信号类型。其中除了应答脉冲之外，均由主机产生。数据位的读写则是通过读、写时隙实现的。首先看写时隙。当主机将数据线从高电平拉至低电平是，产生时隙。写时间隙分为写“0”和写“1”，时序图如图7所示。在写数据时间隙的前15s总线需要是被控制器拉置低电平，而后则将是芯片对总线数据的采样时间，采样时间在1560s，采样时间内如果控制器将总线拉高则表示写“1”，如果控制器将总线拉低则表示写“0”。每一位的发送都应该有一个至少15s的低电平起始位，随后的数据“0”或“1”应该在45s内完成。整个位的发送时间应该保持在60120s，否则不能保证通信的正常。写时隙时序图如图4.7所示。再来看读时隙，读时间隙时控制时的采样时间应该更加的精确才行，读时间隙时也是必须先由主机产生至少1s的低电平，表示读时间的起始。随后在总线被释放后