1、1基于 PIC16F84 时钟设计绪论一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。从古至今，时间一直是人们生活中不可或缺的重要帮手。郭沫若先生曾说：“时间就是生命，时间就是速度，时间就是力量。 ”时间对我们来说总是弥足珍贵。随着社会的不断发展，时间概念在我们的日常工作、学习、生活中已经变得越来越重要。如果没有时间概念，社会将停滞不前。从古代的圭表、水漏，到后来的机械钟表以及当今的电子钟，都充分显现出了时间的重要。因此利用当今先进的科技致力于多功能时钟的研究将能更好的服务于人们的生活。1 课题背景1.1 多功能时钟研究的背景 120 世纪末,电子技术的快速发展,毫无疑问,由于现代电子产品和各种高科技产品几乎
2、渗透到社会的所有领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化水平和全面的科学和技术水平的提高,但产品更新频率越来越快。随着科技的发展社会的进步和全球化的日益激烈的竞争,人们也越来越对数字时钟的功能提出要高要求,传统的时钟不能满足人们的需求。多功能时钟,无论是外型还是在功能上都发生了显著的变化,许多电子时钟都已具备闹钟、电子秒表、温湿度检测、查看日历等功能。多功能时钟非常广泛地采用单片机作为核心控制器，为其多功能的实现奠定了坚实的基础。多功能时钟是采用数字电路实现对时，分，秒数字显示的装置，广泛用于家庭、车站、医院等公共场所，成为人们日常生活中不可或缺的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体
3、振荡器的广泛应用，多功能数字时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。具有定时自动报警、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、甚至各种定时电器的自动启用等功能，所有这些，都是近年来多功能时钟迅猛发展的结果。1.2 多功能时钟研究现状与意义时钟自从发明的那天起，就成为人类的朋友，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。但随着时间的推移，科学技术的不断发展，生活节奏越来越快，竞争日益激烈，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。可以说时间的准确已成为各行各业安全运行的基础，
4、如果时间出现误差而不能及时校正，会造成一系列严重的后果和无法挽回的经济损失。 2设计多功能时钟的方法有很多种，可以用中小规模集成电路组成电子时钟，也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子时钟，还可以利用对单片机编程来实现电子时钟。在众多方法中，采用单片机的电子时钟具有硬件结构简单、编程灵活、便于功能扩展等特点。由单片机作为数字时钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘可以进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术（LCD）或者数码管显示技术（LED） 。LED 具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等
5、许多其他显示器无法比拟的优点，近年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。所以，本设计仍然采用数码管显示技术。温湿度传感器自从 20 世纪 90 年代中期问世以来就对人类的生活和工作产生广泛而深刻的影响，此类传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术迅猛发展所产生的结晶。目前，国际上已开发出多种温湿度传感器，它主要有温度传感器、湿度传感器、A/D 转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路等模块构成。有些温湿度传感器还带多路选择器、中央控制器、随机存取存储器和只读存储器，能实时更新并输出数据，适配于各种微控制器即单片机（MCU） ，并且可通过软件来实现显示功能，其智能
6、化由软件和硬件的综合开发水平决定，二者缺一不可。当前，从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向转变，是新型温湿度传感器发展升级的大势所趋。毫无疑问，以后温湿传感器将不仅具有更高的精度、更多的功能，而且还能实现总线标准、可靠性及安全性高。在日常生活和自动控制系统中，人们经常会有时间和温度湿度实时监控的需求。这就给具有多种功能的时钟提供了前景广阔的市场。因此，研究多功能时钟以及扩大其应用，具有非常现实而深远的意义。1.3 多功能时钟的功能多功能时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化、智能化，拥有时间显示精确、造型小巧、界面友好、扩展性能强等特点，被广泛应用于生活和工作当中。当今市场上的多
7、功能时钟种类繁多，功能不一，有些小巧别致，有些体型较大。多功能时钟首先是数字化了的时间显示或报时器，在此基础上，人们可以根据不同的需求，在具有时钟功能的同时，增加其他功能。比如定时闹铃，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。本设计多功能时钟主要功能为：3a) 具有时间显示和手动校对功能，24 小时制；b) 具有定时闹钟功能；c) 具有环境温湿度采集功能；2 PIC 单片机介绍2.1 PIC 单片机的背景 2目前单片机厂商遍布全球，产品性能各异。针对各种各样的不同需求，应选择哪个公司、何种型号的单片机产品呢？首先，我们来搞清楚这两个概念：集中指令集（CISC）和精简
8、指令集（RISC） 。采用 CISC 结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯.诺伊曼结构。它具有丰富的指令，较强的功能，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。采用 RISC 结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类 CISC 单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。一般来说，控制结构简单、功能单一的小家电，可以采用 RISC 型单片机；在控制结构复杂、功能多样的场合，如通讯产品、工业控制系统、航空
9、电子仪器表等，则应采用 CISC 单片机。但是，随着近几年来 RISC 单片机的迅速发展完善，使其中的一些佼佼者也能在结构关系复杂的场合毫不逊色。依据不同的程序存储方式，单片机可分为 EPROM，OTP（一次性可编程） ，QTP 三钟。最开始的时候，我国使用无 ROM 单片机（片上无 ROM，另需要外接 EPROM） ，对单片机的普及起了很大作用，但是这种强调接口的单片机无法得到广泛使用，甚至逐步走向灭亡。如单片机的应用一味强调接口，外接 I/O 以及寄存器，就失去了单片机的固有特色。目前，绝大部分单片机都已将程序存储器内置其中，给应用带来了极大的方便。Microchip 公司生产的 PIC
10、8 位单片机 16F8X 系列产品是 PIC 单片机中级型产品之一。该系列产品的主要型号是 16F83 和 16F84。该系列产品的最大特点是有 8k14 的Flash(闪速 E2PROM)程序存储器和带 8 位的 Flash(闪速 E2PROM)数据存储器，其擦写次数上万次，数据保存时间大于 40 年。所以该系列产品非常适合那些刚开始学习单片机的新手以及那些可能会频繁改动程序代码的应用，比如，当用户发觉产品的某些功能不太令人满意时，就可以随时通过修改程序来增加或调整产品的功能。另外，对于那些学习、开发 PIC 单片机的个人或单位来说，其又是一种很好的可重复多次的实验芯4片。PIC 8 位单片
11、机 16F8X 系列产品内部的 Flash 数据存储器不仅具有掉电保护数据的功能，而且还有极高的数据保密性，这就使得 PIC16F8X 被广泛应用在智能 IC 卡、密码锁、电子防盗系统等方面，甚至航空电子方面。2.2 主要功能 3 拥有高性能的 RISC 结构 CPU。PIC16F8X 单片机与其它单片机相比，其指令集更加精简，只有 35 条单字节指令。同时执行速度为 DC400ns。Flash 程序和E2PROM 数据存储器优势突出。具有多种硬件中断和直接，间接，相对三种寻址方式。 微控制特性。PIC16F8X 单片机采用上电复位方式，自振式看门狗。程序保密位使得数据更安全。同时拥有微功耗睡
12、眠功能和四种可选的振荡方式。 电源特性。拥有较宽工作电压，2V6V(PIC16LF84 工作电压为 5V)。 温度特性。拥有较宽工作温度范围，商用级为 070；工作级为4085；汽车级为40125。得益于较宽的工作温度范围，使得 PIC 单片机产品被大量应用于各行各业。特别是汽车级产品，其应用领域甚至已经拓展到航空仪表上。2.2.1 I/O 口输入/输出端口在单片机内部电路与外部世界之间起着交换数据和信息的重要作用。从外界接收到的检测信号、键盘信号等各种开关量信号由输入端口向单片机内部电路输送。向外界输送的内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等由输出端口负责。数据的输入和输出都
13、需通过单片机内部有关电路，再与引脚构成输入/输出(I/O)端口。PIC16F84 芯片有两个 I/O 端口(PROTA 和 PORTB)。端口 A 为 5 位口，端口 B 为 8 位口，共占用 13 位引脚。每个端口由一个锁存器(即数据存储器中的特殊功能寄存器 05H、06H 单元)、一个输出驱动器和输入缓冲器等组成。当把 I/O 口作输出时，数据可以锁存；作输入口时，数据可以缓冲。2.2.2 引脚的功能和符号 4单片机外特性体现在硬件上，用户只能通过引脚的连接组建单片机系统。PIC 8 位单片机系列和 MCS51 系列单片机一样，其引脚除电源 VDD、VSS 为单一功能外，其余的引脚常可具有
14、多个功能，即引脚的复用功能。图 2.2.2-1 是 PIC16F84 的引脚功能图。5图 2.2.2-1 PIC16F84 的引脚功能图VDD（14）、VSS（5）：这是 PIC 电源输入引脚，VDD 为正电压、VSS 为地线，工作电压在 2.56.25V。RA0-RA3：双向 I/O，TTL 输入电平。RA4/TOCK1：开漏输出/输入，复用为 TMRO 外部时钟输入，施密特输入电平。MCLR：复位脚，低电平复位，施密特输入电平。RB0/INT：双向 I/O，外部中断输入，内部有弱上拉，TTL 输入电平。RB1-RB4：双向 I/O，内部有弱上拉，TTL 输入电平。RB5-RB7：双向 I/
15、O，内部有弱上拉，TTL 输入电平，引脚电平变化可引起中断。OSC1/CLKIN：振荡器引脚/外部系统时钟输入。OSC2/CLKOUT：振荡器引脚/外部系统时钟输出。2.2.3 E2PROM 结构和操作原理在 EEPROM 与单片机内部总线之间，把两个寄存器为分界，以地址寄存器 EEADR 和数据寄存器 EEDATA 作为对话窗口，左边的工作寄存器 W 通过数据总线与两个寄存器进行数据传送，是由 CPU 执行用户程序分两次来完成，一次传送地址，一次传送数据；而右边的两个寄存器利用硬件自动实现与 EEPROM 之间的数据传送。EEPROM 结构如2.2.3-1 所示。62.2.3-1 EEPRO
16、M 结构图2.2.3.1 从 EEPROM 中读取数据从 EEPROM 里内读取内容，指定单元的地址需要事先被用户程序送入 EEADR 中，并且将 EEPGD 控制位清零，然后将读操作控制位 RD 置 1。因为数据寄存器 EEDATA 里的数据在下一个指令周期里才有效，所以接下来可以安排指令读取数据到 W。EEDATA 中的数据可以被一直保留，直到下一次读操作开始或由软件送入其他数据。读取 EEPROM 的操作步骤归纳如下：把地址写入到地址寄存器 EEADR 中。把控制寄存器清 0，以选定读取对象为 EEPROM 数据存储器。把控制位 RD 置一，启动本次读操作。读取已经反馈到 EEDATA
17、寄存器中的数据。2.2.3.2 向 EEPROM 中烧写数据 5向 EEPROM 中写数据的过程，实质上是一个“烧写”的过程，不仅需要高电压，而且需要较长的烧写时间。向 EEPROM 中烧写一批数据的时间大约在毫秒级。由于安全的需要，向 EEPROM 中烧写数据比读取数据复杂和麻烦。向 EEPROM 进行一次写操作的过程需要多个步骤才能完成：必须事先把地址和数据分别放入 EEADR 和EEDATA 中，并把 EEPGD 位清 0；再把 WREN 写允许位置一；最后再把 WR 写启动位置一。除了正在对 EEPROM 进行写操作之外，平时 WREN 位必须保持 0。WREN 和 WR 两位的置一操
18、作，绝对不能在一条指令的执行中同时完成，必须安排两条指令。即只有在前一次操作中把控制为 WREN 置一，后面的操作才能把控制位 WR 置一。在一次写操作完毕之后，WREN 位由软件清 0。如果在一次写操作尚未完成之前，用软件清除 WREN 位，不会停止本次写操作过程。3 硬件设计3.1 系统的设计思路本次设计完成电子时钟时、分、秒的显示及环境温湿度测量等功能的基础上完成7定时闹钟，倒计时的功能。硬件电路包括总体系统电路、按键模块、DHT11 温湿度传感器模块、蜂鸣器报警电路模块；软件部分主要通过 C 语言的编程实现电子时钟，闹钟，温湿度采集，然后通过 LED 将时间以及温湿度显示出来，通过按键
19、操作实现功能的转换和屏幕的切换。设计中结合硬件、软件的分步调试，达到要求的控制效果。3.1.1 设计流程 该设计的主要流程如下：首先阅读大量参考文献，确定硬件框架图，如图 3.1.1-1所示。然后在 protues 上进行原理图的绘制和修改，在仿真通过的情况下，购买所需要的元器件。接着把元器件焊接到各个功能电路的模块上，并结合程序进行调试。最后将各个功能的电路连接组合起来，然后再进行总体调试直到成功。图 3.1.1-1 硬件设计框图经过查阅各种资料和构思,设计的总体硬件电路如图 3.1.1-2 所示：8图 3.1.1-2 总体电路图3.2 温湿度传感器3.2.1 DHT11 概述 6 DHT1
20、1 是一款由一个电阻式测湿元件和一个 NTC 测温元件构成的湿温度一体化的数字传感器。将它与单片机等微处理器简单的电路连接起来，其就能够实现对本地湿度和温度信息的实时采集。DHT11 将实时采集的部湿度和温度数据通过单总线一次性传递给单片机，仅仅需要一个 I/O 口。数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。DHT11 的性能指标和特性如下： 工作电压范围：3.5V-5.5V 工作电流 ：平均 0.5mA 湿度测量范围：2090RH 温度测量范围：050 湿度分辨率 ：1RH 8 位 温度分辨率 ：1 8 位 采样周期 ：1S 与 TTL 兼容（ 5V） 3.2.2 DHT11
21、电路连接说明DHT11 数字温湿度传感器连接方法极为简单。第一脚接电源正极，第四脚接电源地端。数据端为第二脚。可直接接主机（单片机）的 I/O 口。为提高稳定性，建议在数据端和电源正极之间接一只 4.7K 的上拉电阻。第三脚为空脚，此管脚悬空不用。DHT11 的引脚说明如表 3.2.2-1 所示。表 3.2.2-1 DHT11 的引脚说明表Pin 名称 注释1 VDD 供电92 DATA 串行数据，单总线3 NC 空脚4 GND 接地，电源负极3.3 复位电路设计在设计基于单片机的产品过程中，设计人员总会格外关注和重视单片机复位电路的设计。因为单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的
22、可靠性。我们设计的许多单片机系统在实验室调试成功后，却在现场大量出现“死机” 、 “程序走飞”等现象，这主要是因为单片机的复位电路设计不可靠。PIC16F84 单片机复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。微分型复位电路，积分型复位电路，比较器型复位电路，看门狗型复位电路是单片机复位电路的四种主要类型。复位部分电路设计（MCLR）如图 3.3-1 所示。图 3.3-1 复位电路图智能系统一般有手动和上电复位电路。通常实现复位电路有两种途径：一是用 uP监控电路，二是采用 RC 复位电路。uP 监控电路实现简单，成本低，但复位可靠性相对较低；RC 复位电路
23、虽然成本较高，但是复位可靠性高，尤其在高可靠重复复位方面优势明显。复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把程序计数器 PCL 初始化为 0000H，可使 16F84 单片机从 0000H 单元开始执行程序。PIC16F84 芯片有下列几种不同的复位方式。(一) 上电复位 POR。(二) 在正常工作状态下通过外部 MCLR 引脚加低电平复位。(三) 在省电休眠状态下通过外部 MCLR 引脚加低电平复位。(四) 定时器 WDT 超时溢出复位实时监视。10PIC16F84 片内集成有“上电复位”POR 电路，对于一般应用，只要把 MCLR 引脚接高电位即可。在正常工作或休眠状态下用 MCLR 复位，
24、只需在 MCLR 引脚上加一按键瞬间接地即可。在本设计中，我采用的是上电复位方式。所谓的一阶充放电电路，其实质也就是 RC 复位电路。电路提供的有效的复位信号在系统电源逐渐稳定的过程中具有非常重要的作用，当系统电源稳定后自动撤消复位信号。即不管单片机是在正常运行状态，还是处于睡眠和死机状态，只要按下复位开关，电路接通，在人工复位端MCLR（低电平有效）加入低电平信号,就会令其无条件复位。3.4 系统时钟电路设计时钟电路如图 3.4-1 所示。图 3.4-1 时钟电路图单片机的系统时钟信号通常可以由两种方式获取，一种是采用时钟振荡电路，另一种是由专用时序脉冲信号提供。它是整个单片机芯片内部工作的
25、重要基本信号,同时也为单片机与其他外接芯片之间的通信提供了可靠的同步时钟信号。PIC 单片机系统时钟信号的频率范围较广,理论上频率范围可为 DC1-20MHz, PIC16F84 时钟电路通常是自激多谐振荡器，其一般由 4MHz 的石英晶体、电容、片内的一个反向器、一个反馈电阻构成。C1、C2 电容起着系统时钟频率微调和稳定作用，因此本多功能时钟在实际应用中一定要注意正确选择参数（这里选用 20pF），并保证电路的对称性（尽可能匹配），选用质量上乘的瓷片或云母电容，温度系数应尽可能低。3.5 键盘部分电路设计按键根据结构原理可分为两种，一种是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一种是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。触点式开关按键虽然寿命较短，但价格低廉。目前，触点式开关按键是单片机系统中最常见的。
