基于单片机的多功能时钟

中文题目：基于单片机的多功能时钟设计

外文题目: THE DESIGN OF MULTIFUNCTIONAL CLOCK BASED ON

SINGLE-CHIP

毕业设计（论文）共 62 页（其中：外文文献及译文完成日期 2013年06月 20页） 图纸共0张答辩日期 2013年06月

辽宁工程技术大学

本科毕业设计（论文）学生诚信承诺保证书

本人郑重承诺：《 》毕业 设计（论文）的内容真实、可靠，系本人在 指导教师的指导下，独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担全部责任。

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辽宁工程技术大学

本科毕业设计（论文）指导教师诚信承诺保证书

本人郑重承诺：我已按学校相关规定对 同学的毕业设计（论文）的选题与内容进行了指导和审核，确认由该生独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担指导教师相关责任。

指导教师签名：

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摘要

多功能时钟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。单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得与机械式时钟相比具有更高的准时性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命。钟表的数字化给人们生产生活带来了极大地方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

数字钟在日常生活中最常见，应用也最广泛。本文以AT89S52芯片为核心，辅以必要的外围电路和温度传感器，设计一简易的多功能电子时钟系统。设计中以DS1302为时钟芯片，DS18B20为温度传感器，通过液晶显示器LCD1602实时显示时间及温度，通过按键设置年月日和星期以及定时闹钟，定时闹钟时间到自动发出警报。数字钟采用24小时制方式显示时间。文章的核心主要从硬件设计和软件编程两个大的方面。 关键词：时钟；单片机；LCD液晶显示

I

Abstract

Multifunctional clock is widely used in personal family, station, wharf, office and other public places, it becomes necessary things in people daily life.Digital clock is the most common application in the module of single-chip.A digital clock is a kind of digital circuit technology implementation, minutes and seconds timing device.As the development of digital integrated circuits and quartz crystal oscillator is widely used, so compared with the mechanical clock has higher quality on time and intuitive, and without a mechanical device,and having a longer life. The digital clock brought the greatly convenient to people production the life , and greatly expanded the clocks chime of the original function.Therefore, the digital clock and expand its application, has a very realistic significance.

Digital clock in our daily lives is the most common, is the most widely applied.The main section is designed digital bell to single-chip AT89C51 core, with LCD modules, clock chips, and other functional modules. In this paper, DS1302 chip is used as the clock chip, DS18B20 chip is used as the temperature sensor and LCD1602 was used to display time and temperature.You can set year, month and time alarm clock through the four buttons.When the real time reach to the time clock，the system will warn automatically.24 hours using digital bell system display time.The article primarily from the core hardware design and software programming two major aspects.

Keywords: clock; single-chip;LCD display

II

目录

引言 ........................................................................................................................... 1 1 时钟的背景知识 ................................................................................................. 3 1.1 时钟的研究背景 ........................................................................................... 3 1.2 国内外时钟的研究现状 ............................................................................... 4 2 总体设计方案 ..................................................................................................... 6 2.1 多功能时钟的工作原理 ............................................................................... 6 2.2 多功能时钟的总体结构 ............................................................................... 6 3 系统硬件设计 ..................................................................................................... 8 3.1 硬件介绍 ....................................................................................................... 8 3.1.1 单片机AT89C51 ....................................................................................... 8 3.1.2 时钟芯片DS1302 ................................................................................... 10 3.1.3 温度传感器DS18B20 ............................................................................. 11 3.1.4 液晶显示屏LCD1602 ............................................................................. 14 3.2 系统硬件构架 ............................................................................................. 17 3.2.1 AT89C51单片机最小系统 ..................................................................... 17 3.2.2 温度测量模块 ........................................................................................ 18 3.2.3 时钟模块 ................................................................................................ 18 3.2.4 电源模块 ................................................................................................ 19 3.2.5 LCD液晶显示模块 ................................................................................. 20 3.2.6 蜂鸣器模块 ............................................................................................ 21

3.2.7 键盘输入模块 ........................................................................................ 21 3.2.8 整体电路 ................................................................................................ 22 4 系统软件设计流程 ........................................................................................... 23 4.1 主程序流程 ................................................................................................. 23 4.2 时间日期程序流程 ..................................................................................... 23 4.3 温度显示程序流程 ..................................................................................... 24 4.4 定时报警程序流程 ..................................................................................... 24 5 仿真结果与分析讨论 ....................................................................................... 25 5.1 proteus简介 ................................................................................................ 25 5.2 Keil uVision3软件简介 .......................................................................... 26 5.3 仿真 ............................................................................................................. 26 6 结论 ................................................................................................................... 28 致谢 ......................................................................................................................... 29 参考文献 ................................................................................................................. 30 附录A 外文文献译文 ........................................................................................... 31 附录B 外文文献 ................................................................................................... 39 附录C 程序 ........................................................................................................... 51

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引言

从古代的水漏、十二天干地支，到后来的机械钟表以及当今的石英钟，都充分体现了时间的重要性。时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友【1】，时间是人们日常生活中不可或缺的因素，随着电子时代的到来，科学技术的日益进步，人们已经不安于一个普普通通的钟表，而是开始追求具有更多功能的时钟，因而时钟的样式也变得多种多样了。本文能够使人们了解时钟的工作原理和AT89C51单片机的结构和汇编语言，以及熟练运用proteus软件进行仿真验证。

时钟已经广泛应用到各个行业，在日常生活中也非常的常见，无论是工作、学习还是 生活都离不开它的身影。其中，定时功能是我们经常会用到的，如闹钟的定时提醒，电风扇等。随着单片机性价比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛。大则可以构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能；小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大、体积小、质量轻、灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构成

【2】各种各样、功能各异的微电子产品。

1957年，Ventura发明了世界上第一个电子表，从而奠定了电子时钟的基础，电子时钟开始迅速发展起来。现代的电子时钟是基于单片机的一种计时工具，采用延时程序产生一定的时间中断，用于一秒的定义，通过计数方式进行满六十秒分钟进一，满六十分小时进一，满二十四小时小时清零，从而达到计时的功能。现在高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟、石英钟、石英表都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调试。数字式电子时钟用集成电路计时时，译码代替机械式转动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差。这种表具有时、

【3】分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。现如今，基于单

片机的时钟设计技术，无论国内外都已经非常的纯熟并应用到了各个领域。

根据现有的实际情况，设计一种多功能时钟，不仅可以与普通时钟一样显示时间，还可以进行定时提醒，再增加一个温度传感器，就可进行实时温度显示，让我们可以掌控周围环境温度，方便大家的生活，适应先下追求高品质生活的人们。通过本设计，不仅提高了动手能力，还锻炼了把理论知识和实际应用结合在一起的能力。

本文主要内容为：

第一章为时钟的背景知识，介绍时钟的研究背景，国内外当前的研究现状。 第二章为多功能时钟的总体设计方案，包括时钟的工作原理、系统的硬件框图及各部

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分能够实现的功能。

第三章为本文的核心电路设计部分，包括各部分硬件的组成，设计电路图及各硬件的工作原理等方面的介绍。

第四章为本次设计的系统程序流程部分，包括能够实现各个功能的设计流程，使本文在软件设计流程方面的工作过程能够易于理解。

第五章为本次设计的仿真结果与分析讨论，包括对仿真工具proteus和keil uvision3的介绍，并利用两个软件的完美组合对此多功能时钟的工作过程进行仿真。

第六章为结论部分，总结本设计能够实现的各个功能以及需要改进的方面。 最后是致谢和参考文献。

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1 时钟的背景知识

本章主要介绍时钟的时钟的研究背景，国内外当前的研究现状。

1.1 时钟的研究背景

20世纪末，电子技术得到了极速的发展，毫无疑问，在其推动下，现代电子产品以及各种高科技产品几乎渗透到了社会的各个领域，这有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度以及综合科技水平的提高，但产品更新换代的频率也越来越快。随着科技的发展、社会的进步和全球化竞争的日益激烈，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。多功能电子钟不管在性能还是在样式亦或是用途上都发生了重大的变化，许多电子钟都已具备电子闹钟、电子秒表、温度检测等功能。同时单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的[4]。

多功能电子时钟除了具有时钟的功能外还可以包含对环境温度检测的功能。温度是一种最基本的环境参数，在各个行业生产及日常生活中，对温度的测量及控制始终占据着非常重要的地位。目前，典型的温度检测控制系统由模拟式温度传感器、A/D转换电路和各种单片机组成。由于模拟式温度传感器输出的模拟信号必须经过A/D转换环节转换为数字信号后才能与单片机等微处理器接口进行读写的操作，所以硬件电路会比较复杂，成本较高。而以DS18B20为代表的新型单线总线数字式温度传感器集温度测量和A/D转换于一体，这类传感器可以直接输出数字量，同时与单片机接口电路结构非常简单，可以广泛用于距离远、节点分布多的场合，具有较强推广应用价值。[5]

数字电子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或缺的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，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。例如定时自动报警、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、甚至各种定时电器的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

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1.2 国内外时钟的研究现状

数字电子时钟，自从它发明的那天起，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，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经济损失[6] 。

电子时钟的设计方法有多种，可用中小规模集成电路组成电子钟，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钟，还可以利用对单片机编程来实现电子钟。其中，利用单片机实现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或者数码管显示技术[7]。

温度是一种最基本的环境参数，日常生活和工农业生产中经常要检测温度。传统的方式是采用热电偶或热电阻，但是由于模拟温度传感器输出为模拟信号，必须经过A/D转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口，使得硬件电路结构复杂，制作成本较高。近年来，美国DALLAS公司生产的DSl8B20为代表的新型单总线数字式温度传感器以其突出优点广泛使用于仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中。DSl8B20 集温度测量和A/D转换于一体，直接输出数字量，传输距离远，可以很方便地实现多点测量，硬件电路结构简单，与单片机接口几乎不需要外围元件[8]。

智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是上世纪90年代中期问世的。此类传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器。智能温度传感器内部一般包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器、随机存取存储器和只读存储器。智能温度传感器能实时更新并输出温度数据，适配于各种微控制器也就是通常所说的单片机（MCU），并且可通过软件来实现显示功能，其智能化取决于软件和硬件的综合开发水平，二者缺一不可。目前，新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展[9]。21世纪后，智能温度传感器毫无疑问正朝着高精度、多功能、总

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线标准化、高可靠性及高安全性等高科技的方向迅速发展，开发虚拟传感器和网络传感器、研制更先进的单片测温系统已是刻不容缓[10]。在日常生活和自动控制系统中，我们时常会遇到对时间和温度实时监控的需求。这就给具有多种功能的时钟提供了市场，也有了市场开发的前景。本文给出了一种基于单片机实现带温度检测的电子时钟的设计方法和实现过程。

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2 总体设计方案

2.1 多功能时钟的工作原理

本设计采用AT89C51单片机作为本系统的控制模块，辅以必要的外围电路，如图2-1所示。其中单片机是核心部件，完成数据处理和控制功能，它将时钟模块，温度检测模块的数据读取并进行处理，从而把数据传输到显示模块，实现温度、日历和闹铃的显示。时钟部分采用时钟芯片DS1302，提供年月日、时分秒信息；温度部分采用温度传感器DS18B20，向系统提供温度信息；以LCD1602液晶显示器为显示模块，把单片机传来的数据显示出来，并且显示多样化。在显示电路中，主要靠按键来实现各种显示要求的选择与切换。

2.2 多功能时钟的总体结构

键盘输入模块 晶振、复位电路 显示模块 单 时钟模块 片 温度控制模块 机 图2-1总体结构框图

电源模块 蜂鸣器模块 Figure 2-1 overall structure diagram

1）电源模块

电源模块用来给整个系统提供能量，使整个系统能够顺利执行。 2）复位、晶振电路

为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态并从初始状态开始正常工作。当单片机系统在运行出错

【5】

或操作错误使系统处于锁死状态时，也可按复位键重新启动。

3）时钟模块

提供单片机工作所需的频率，计算定时器初值即需此晶振频率，产生时钟脉冲信号，

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并提供给显示模块，显示出时分秒及温度。本时钟芯片采用DS1302。 4）温度测量模块

通过DS18B20温度传感器将周围环境的温度测出，并将此模拟数据传输到显示模块。 5）蜂鸣器模块

当接收到警报信号时，蜂鸣器有电流流过，开始工作，发出声响。 6）显示模块

采用DS1302液晶显示器，将接收到的时间模拟信号及温度模拟信号转变为数字信号显示出来。

7）键盘输入模块

可以通过按键来实现时间或温度的显示，还可进行闹钟的设定。根据本时钟的功能设置以下功能键：K1选定键，当调整时间或定时时，使时间部分闪烁，可以辅助调整时间；K2加一键和K3减一键：当调整时间或定时时进行加一或减一调整；K4确认键，用于定时或校对时间后，进行确认，取消闪烁。

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3 系统硬件设计

3.1 硬件介绍

3.1.1 单片机AT89C51

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机AT89C51提供了高性价比的解决方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

单片机主控电路的主要元件是AT89C51，其外型如图3-1。

图3-1 单片机AT89C51结构图

Figure 3-1 single-chip AT89C51 structure diagram

单片机AT89C51管脚说明： 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

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数据或地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止

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ALE的输出，可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX时ALE才起作用。另外该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

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，则在此期间对程序存储器的读操作只限定外部程序存储器（0000H-FFFFH）。当/EA端保持高电平时，单片机读内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V或5V编程电源（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。

3.1.2 时钟芯片DS1302

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与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，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。

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，可使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。

图3-2外部引脚分配

Figure 3-2 distribution of external pins

各引脚的功能为：

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DS1302的引脚排列,其中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和X2是振荡源，外接32.768kHz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：首先，RST接通控制逻辑，允许地址命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。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RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc>2.0V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。I/O为串行数据输入输出端(双向)。SCLK为时钟输入端。

3.1.3 温度传感器DS18B20

1)DS18B20功能特点

DS18B20具有超小体积和超低硬件开销，精度高，抗干扰能力强等优点。具有全数字温度转换及输出，单总线数据通信，最高12 位分辨率，检测温度范围大的特征，是开发温度相关产品的很好的选择。其主要功能如下：

a 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯 b 简单的多点分布应用 c 无需外部器件 d 可通过数据线供电 e 零待机功耗

f 测温范围-55~+125℃，以0.5℃递增。华氏器件-67~+2570F，以0.90F 递增 g 温度以9 位数字量读出

h 温度数字量转换时间200ms（典型值） i 用户可定义的非易失性温度报警设置

j 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件 k 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统 2）DS18B20内部工作原理

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度

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报警触发器TH和TL配置寄存器。如图3-3所示。

图3-3 DS18B20原理图

Figure 3-3 schematic diagram of DS18B20

DS18B20引脚定义： 1)DQ为数字信号输入/输出端 2)GND为电源地

3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）

图3-4 DS18B20引脚图

Figure 3-4 the the pin figure of DS18B20

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图3-5给出了DS18B20测温原理：DS18B20用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55℃的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增加，表明所测温度大于-55℃。

同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。

斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，使其在测温时获得比较高的分辨率。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。

DS1820 内部对此计算的结果可提供0.5℃的分辨力。温度以16bit带符号位扩展的二进制补码形式读出。数据通过单线接口以串行方式传输。

DS1820 测温范围-55℃~+125℃，以0.5℃递增。如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表。

图3-5 DS18B20测温原理图

Figure 3-5 temperature measurement schematic diagram of DS18B20

DS18B20与单片机的硬件连接有两种方法：一是VDD接外部电源，GND接地I/O与

单片机的I/O线相接；二是用寄生电源供电，此时VDD和GND接地，I/O接单片机I/O。无论是那种供电方式，I/O线都要接4.7kΩ左右的上拉电阻。图3-6中，DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND均接地，而图3-7中，DS18B20采用外接电源方式，其VDD

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端用3-5.5v电源供电。本设计采用3-7所示接线，即外接电源工作方式[11]。

图3-6 DS18B20接寄生电源图

Figure 3-6 Parasitic power diagram of DS18B20

图3-7 DS18B20外接电源图

Figure 3-7 Circumscribed power diagram of DS18B20

3.1.4 液晶显示屏LCD1602

1）LCD1602特点说明[12] [13]

液晶显示模块由于具有低功耗、寿命长、体积小、显示内容丰富、价格低、接口控制方便等优点，因此在各类电子产品中被极广泛地推广和应用。字符型液晶显示模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等点阵式液晶显示模块。本系统设计采用字符型液屏显示模块LCD1602作为显示器件，这样不仅简化了系统的硬件设计，而且极大地提高了系统的可靠性。字符型液晶显示模块LCD1602是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。LCD1602 可以显示两行，每行16个字符，采用＋5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比[14]。

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2）LCD1602功能介绍

LCD1602各引脚功能如表3-1所示。

表3-1 LCD1602管脚功能表

Table 3-1 pins function table of CLD1602

编号 1 2 3 4 5 6 7 8

符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1

引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压编号 数据/命令选择端（H/L） 读/写选择端（H/L）

使能信号 Data I/O Data I/O

编号 9 10 11 12 13 14 15 16

符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK

引脚说明 Data I/O Data I/O Data I/O Data I/O Data I/O Data I/O 背光源正极 背光源负极

a 基本操作时序：

LCD1602 读写操作时序总体上来说是比较简单的，掌握其有两种方法：一种是直接看时序图，另外一种方法是直接记忆和总结读写时电平高低和变化。很显然第二种更简单、直接，下面就列出典型读写的时序要求，以方便编写程序。

读状态--输入：RS=L，R/W=H，E=H 输出：D0-D7=状态字

写指令--输入：RS=L，R/W=L，D0-D7=指令码，E=高脉冲 输出：无 读数据--输入：RS=H，R/W=H，E=H 输出：D0-D7=数据

写数据--输入：RS=H，R/W=L，D0-D7=数据，E=高脉冲 输出：无 b 状态字说明：

表3-2 状态字表 Table 3-2 state word table

STA7 D7

STA6 D6

STA5 D5

STA4 D4

STA0-6 STA7

当前数据地址指针的数值

读写操作使能

1：禁止 0：允许

15

STA3 D3

STA2 D2

STA1 D1

STA0 D0

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对控制器每次进行读写操作之前，都必须进行读写检测，确保STA7为0 c 指令说明：

表3-3 显示模式设置表

Table 3-3 the table of showed mode setting

指令码

功能

0

0

1

1 1 0

0

0 设置16×2显示，

5×7点阵，8位数据口 表3-4 显示开/关及背光灯设置表

Table 3-4 the table of showed on or off and backlight

指令码

功能

0

0

0

0

1

D

C

B

D1 开显示；D=0 关显示 C=1 显示光标；C=0 不显示光标 B=1 光标闪烁；B=0光标不显示

0

0

0

0

0

1

N

S

N=1 当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一 N=0 当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一 S=1 当写一个字符，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光标不移动而屏幕移动的效果

S=0 当写一个字符，整屏显示不移动

d 数据控制

控制器内部有一个数据地址指针，用户可通过它们来访问内部的全部80字节RAM e 数据指针设置

表3-5 数据指针设置表

Table 3-5 the data pointers setting table

指令码

功能 80H+地址码（0-27H,40H-67H）

设置数据地址指针

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f 其他设置

表3-6 其他设置指令表

Table 3-6 other setting instruction table

指令码 01H

功能

显示清屏：1.数据指针清零 2.所有显示清零

02H

显示回车：1.数据指针清零

3）LCD1602初始化过程 a 延时15ms

b 写指令38H(不检测忙信号) c 延时5ms

d 写指令38H(不检测忙信号) e 写指令5ms

f 写指令38H(不检测忙信号)

g 之后每次写指令、读/写数据操作之前均需检测忙信号 h 写指令38H：显示模式设置 i 写指令08H：显示关闭 j 写指令01H：显示清屏幕 k 写指令06H：显示光标移动设置 l 写指令0CH：显示及光标设置

3.2 系统硬件构架

3.2.1 AT89C51单片机最小系统

最小系统包括晶体振荡电路、复位开关和电源部分。图3-8为AT89C51单片机的最小系统。为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态并初始状态开始正常工作。当单片机系统在运行出错或

【15】操作错误使系统处于锁死状态时，也可按复位键重新启动。晶振电路的作用是为系统提

供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

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图3-8 最小系统电路图

Figure 3-8 the smallest system circuit diagram

3.2.2 温度测量模块

温度测量传感器采用DALLAS公司DS18B20的单总线数字化温度传感器，测温范围为-55℃~125℃，可编程为9位~12位A/D转换精度，测温分辨率达到0.0625℃，直接输出数字信号，使设计简单控制方便，采用寄生电源工作方式，CPU只需一根口线便能与DS18B20通信，占用CPU口线少，可节省大量引线和逻辑电路。接口电路如图3-9所示。

图3-9 DS18B20测量电路

Figure 3-9 measure circuit of DS18B20

3.2.3 时钟模块

时钟模块采用DS1302芯片，DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片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：

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RST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，其接线电路如图3-10所示：

图3-10 时钟电路

Figure 3-10 clock circuit

3.2.4 电源模块

单片机工作需要使用5V电压，因此需要给单片机设计电源电路。图3-11是单片机的

电源电路。它采用LM7805三端集成稳压器，可输出+5V的直流电压供电。

图3-11 电源电路

Figure 3-11 power circuit

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3.2.5 LCD液晶显示模块

LCD液晶显示模块采用LCD1602型号，具有很低的功耗，正常工作时电流仅2.0mA/5.0V。通过编程实现自动关闭屏幕能够更有效的降低功耗。LCD1602分两行显示，每行可显示多达16个字符。LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，通过内部指令可实现对其显示多样的控制，并且还能利用空余的空间自定义字符。其接线如图3-12所示：

图3-12 LCD显示电路 Figure 3-12 Showed circuit of LCD

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3.2.6 蜂鸣器模块

当接收到警报信号时，蜂鸣器有电流流过，开始工作，发出声响。本模块采用PNP三极管为蜂鸣器放大电流，基极通过10k电阻与单片机89C51的闲置引脚P1.3相连接，集电极直接接地，发射极接蜂鸣器。报警模块电路如图3-13所示。

图3-13报警电路

Figure 3-13 the warming circuit

3.2.7 键盘输入模块

时间日期的校正需要按键模块来完成。四个按键K1-K4接到89C51芯片的P2.0-P2.3起到调节时间日期等功能。如图3-14所示，四个按键中K1为切换键，K4为确认键，K2为上调键，K3下调键。

图3-14 按键电路 Figure 3-14 key-press circuit

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整体电路

系统整体电路如图3-15所示：

图3-13 系统总体电路图

Figure 3-13 circuit diagram of overall system

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3.2.8

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4 系统软件设计流程

本章主要介绍各部分的工作流程，使各部分的工作流程更清晰明了。

4.1 主程序流程

主程序就是主流程程序，它可以调用温度设置、时间日期设置及定时设置这三个子程序来实现其需要的功能。

开始 初始化

读取温度、时间储存器 显示时间、温度 温度设置 时间日期设置 定时设置

图4-1主程序流程图 Figure 4-1 flow diagram of main program 4.2 时间日期程序流程

时间日期程序主要进行对时间日期的调整。

开始 初始化 读取日期和时间数据

调整日期和时间 将数据转换成液晶字符

返回 图4-2时间日期程序流程图

Figure 4-2 flow diagram of time and date program

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4.3 温度显示程序流程

温度显示程序主要对温度进行读取并显示。

开始 初始化 读取DS18B20数据 将数据转换为液晶字符显示

返回 图4-3 温度显示程序流程图

Figure 4-3 flow diagram of temperature showed program

4.4 定时报警程序流程

定时报警程序主要来实现定时报警功能，当设置的时间到达时，系统发出声响。 开始 初始化 选择闹钟

设置时间

开始计时 N 时间到 Y 蜂鸣器发出声响 返回

图4-4定时报警程序流程图

Figure 4-4 flow diagram of alarm timing program

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5 仿真结果与分析讨论

本章节中主要对proteus软件和keil uvision3软件进行介绍，并简单说明两者联合调试的过程。

5.1 proteus简介

Proteus是由英国labcenter electronics公司开发的，是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器【16】。

Proteus软件由ISIS和ARES两个软件构成．其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平

台软件，ARES是高级的布线编辑软件。通过Proteus ISIS软件的VSM(虚拟仿真技术)，用户可以对模拟电路、数字电路以及基于微控制器的系统连同所有外围接口电子元件一起仿真 Proteus软件的模拟仿真直接兼容SPICE模型，采用了扩充的SPICE3175电路仿真模型，能够记录基于图表的频率特性、直流的传输特性、参数的扫描、噪声分析、傅里叶分析等。 Proteus软件的数字仿真支持JDEC文件的物理器件仿真，有全系列的rrL和CMOS数字电路仿真模型。同时一致性分析易于系统的自动测试Proteus软件可提供的模拟(数字)、交(直)流等元器件达30 多个元件库，共计数千种。如各类运算放大器、计数器、寄存器、 多位数码管、多种D/A和A/D转换器等，都可直接调用。此外， 对于元件库中没有的器件，也可依照需要自己创建。在 仪器仪表方面，Proteus除了提供常见的交、直流电压、电流表、 示波器外，还有逻辑分析仪、计数器、SPI调试器、IIC调试器、信号发生器、点阵图形发生器等特殊的仪器。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标。例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗【17】。

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5.2 Keil uVision3软件简介

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会事半功倍。

Keil是美国keil software公司开发的，是目前广为应用的51单片机软件开发工具之一，它支持汇编、C语言以及混合编程，同时具备功能强大的软件仿真功能，在软件模拟仿真方式下不需要任何单片机硬件即可完成用户程序仿真调试，同时也提供各种硬件仿真功能。

5.3 仿真

用proteus和Keil uVision3像仿真器一样联调测试，下面是它们的整合过程： 1）把proteus安装目录下的VDM51.dll（C：\\program files\\labcenter electronics\\proteus6 professional\\models\\）文件复制到keil安装目录下的\\C51\\bin目录中。

2）编辑keil目录下的tools..ini文件，在C51项下，加入TDRV5=BIN\\VDM51.DLL(\MONITOR-51 DRIVER\注意：TDRVX为单片机软件仿真的硬件硬件配置设置，在本实验中，设为TDRV5)。

3）打开proteus ISIS软件，设计单片机实验硬件组成框图，建立硬件连接原理图。 4）打开Keil uVision3软件，建立单片机系统软件工程，针对实验要求编制程序。 5）在Keil uVision3软件中选择菜单“project”->“options for target ‘target1’”，在出现的对话框中选择“output”页面，选中“creat hex file”选项，选择“debug”页面，选中 “use”-proteus vsm monitor-51 driver，进入“settings”，host设为127.0.0.1，prot设为8000。

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6）在proteus ISIS软件中，选择菜单“source”->“add\\remove source code files”，在出现的对话框中点击“chang”按钮，选择从Keil uVision3软件工程中所生成的hex文件，点击“ok”。在debug菜单下选中“use remote debug monitor”。

7）在Keil uVision3软件中直接进行仿真，连续运行或单步运行，即可在proteus ISIS软件中看到单片机硬件仿真运行结果，如图5-1。

图5-1 仿真效果图 Figure 5-1 simulation images

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6 结论

本设计的硬件电路主要由单片机最小系统电路、按键模块、温度测量模块、时钟芯片模块、LCD1602液晶显示模块等模块组成，软件方面则是通过C语言对系统进行编程，这体现了本设计的实时性和灵活性。系统实现了以下多种功能：

1）显示年、月、日、星期等日历相关信息。通过按键设置年月日和星期，以及定时闹钟。

2）掉电后时钟芯片正常运行，重新上电后不用校正时钟。 3）定时时间到达时，蜂鸣器报警；手动按任意键报警停止。 4）实时温度显示。

本设计还有一些地方可以改进：可以增加一个背光自动调节功能。

该功能主要是通过液晶显示屏LCD1602外接光敏三极管来实现，但考虑到器件价格及时间方面的限制，放弃了这个部分。但若能有这个功能，则夜晚的时候背光灯更亮，白天的时候背光灯较暗，这也间接起到了节能的作用。

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致谢

本文是在王中宝导师悉心指导和鼓励下完成的。具体工作和撰写过程中都凝聚着他的心血和汗水。他敏锐的洞察力，渊博的知识、严谨的治学态度和一丝不苟的工作作风给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。衷心感谢王中宝老师在学习和工作上的鼓励与关心，其敏感的思维，富于创新的精神使我一生受益，同时感谢与我一起工作学习的同学们营造了活跃、紧张、认真的学习气氛，使我在校期间能够有长足的进步。

最后，感谢辽宁工程技术大学四年的培养，感谢曾经教育和帮助过我的所有老师，衷心感谢百忙之中抽出时间参加论文评阅和论文答辩的各位老师，感谢他们为审阅本文所付出的辛勤劳动。

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刘岩：基于单片机的多功能时钟设计

参考文献

[1] 刘晓杰, 戴霞娟. 多功能电子时钟系统设计[D]. 厦门大学, 2012. [2] 谢自美. 基于单片机的电子时钟设计[D]. 湖南理工大学, 2008． [3] Ken Martin. Design of clock[D]. KORUS, 2009．

[4] 王云涛,王楠.浅谈多功能数字钟的设计[J].山东电力高等专科学报.2005.4(8):71-72．

[5] 刘长勇,叶希梅.《基于DS18B20的温度测量装置的设计》.鲁东大学学报（自然科学

版）.2009.25(3):225-228．

[6] 赵琳,王璐,闵莉.基于单片机的时钟校时系统设计[J].科技广场.2009.1:192-194． [7] 林军,谢晓斌.用8031单片机控制的数字钟[J].半导体技术.2002. 2:40-44．

[8] 易丽华,黄俊.基于AT89C51单片机与DS18B20 的温度测量系统 [J]电子与封装.2009.5:39-43. [9] 沙占友.智能温度传感器的发展趋势[J].电子技术应用.2002.5:6-7． [10] 严芸.浅谈温度传感器的现状与发展[J].大众科技.2006.5:38-39．

[11] 张开碧,王浩,曾勇斌.基于STC89C52单片机的多功能数字钟的设计[J].科技信息.2010.35:7． [12] 长沙太阳人电子有限公司SMC1602A LCM使用说明书．

[13] 朱华光.LCD1602编程中一些问题怎样解决[J ].电脑编程技巧与维护.2010.15:90-91． [14] 黄克亚.基于液晶显示器的数字电子钟设计[J].科学之友：下旬.2010.10:33-34． [15] 白驹衍 《单片计算机及应用》北京：电子工业出版社， 1999（2）：56-60． [16] 周润景，张丽娜等，Proteus入门实用教程【M】，北京：机械工业出版 社．2007．9：1—1．

[17] 刘小兵．谈单片机教学与Proteus相结合的优势UI．2007年第36期： 38-39．

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附录A 外文文献译文

这篇文章引自汉斯．卡门恩德编著的《模拟芯片设计》。 引言

让假设一下你的集成芯片需要一个运算放大器，你将会选择什么？当你检索有关IC供应厂商的数据图书时，你会发现那将是成百上千种，一些虽然有低电流损耗，但是工作速率太慢，其他一些也是相当复杂，或多或少有着一些输入输出特性的偏差。为实现高电流输出，生产厂家在设计时已经减去了输入失调电压的影响，设计成单电源电压供电的快速器件。

然而模拟设计模块有一些其固有的问题.没有理想的模拟设计，设计成的仅仅是在一个特殊应用场合下的最优化。如果你期待一个这么库，它能够包含所有的模拟设计模块，并把它们插入任何你所需的电路设计中，那么你无疑将接受到一个很大的打击。虽仅仅包含运算放大器（包括所有其他线形函数），但这个库还是将会是非常大。各种数据将会在手册上被列出，如果没有列出，那么你在进行IC设计时注定要降低你个人的ICs了。

简言之，模拟单元设计没有标准。如果你的电子产品要求比较苛刻，那么你发现你只能用框图去调整精确或者重新设计一个了。在以上无论哪种情况下，都需要使电路工作于器件级，把晶体管，电阻和其他小电容连在一起。

要做到这一点，你就需要知道哪种器件是可行的，它们的极限状态是多少等等，最重要的是你需要对器件知识理解得更详细一点。最简单的方法就是去学习一些复杂的技术去了解它，多向这方面先驱者学习，他们也遇到过相同的问题，这样会给你带来一些启示的。 半导体

早在1874年，费迪南德布劳恩还是德国莱比锡一个24岁的老师时，他发表一篇无外乎是一个革命性的论文。他发现有些材料不符合欧姆定律，例如用天然方铅矿晶体（铅亚硫酸盐，铅中主要的矿石矿物）和其他亚硫酸盐，在它们表面加一个弹簧加载金属片并观察到通过设备的电流，发现电流依赖于所加的电压极性。甚至更让人费解的是，在有很好导通时，电阻呈现出随电流增加而反而降低。布莱恩（他后来发明了CRT）发现，现在所知道的例如二极管，整流器。它不是一个很理想的器件，正向和反向电流有30%的偏差。当时实际中也没有一个这样的电子应用产品。布莱恩不能解释这一现象，其他人也不能。

1879年乔治霍普金斯大学的埃德温霍尔发现了霍尔效应理论：这就是，当金属片通以磁场时将会发现金属上有电流并发生偏转。而且他发现他所实验的金属都偏向同一方向。

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刘岩：基于单片机的多功能时钟设计

他很兴奋的公布他证实了电子中存在负电荷。

不久他发现，在一些材料中这种偏转却朝另一个地方，或许还存在正电荷？直到1904年，无线电的发明和“检测器”的需求。信号需要放大调制和保证音乐和语音可视化，无线电频率需要整流。因此，在布莱恩发现奇怪现象后，经过30年，这种导线接触方铅矿（和现在的许多其他材料，如硅碳化物，碲和硅）被发明为一种可以使用的电子产品。这种器件被称为“猫晶须”，事实上它并不能很好工作，不得不在晶体中试多个点来保证它能产生大信号。不久就迅速被真空管取代，因为真空管不仅能整流，还能放大信号。这种半导体（或二极管）在当时很流行。

1927年，另一种实用产品出现了，用氧化铜（后来用硒）精巧设计的大面积整流器产生线形直流电压，这种产品主要用于汽车电池。但是这些器件如何工作尚不清楚。尽管当时没有半导体产业，大多数大学和大公司实验室和一些研究所依然坚持半导体方面的研究探索，就是在这么一种环境下。1931年，威尔逊提出完整能带模型，他认为：电子仅存在离散能级，同一个能级最多只能容纳两个自旋相反的电子。能级从高到低依次排列为：最里能级（最高能级）是价带，中间一个禁带，再是导带。一旦电子到达最里能级，在电场中电子受到激发使半导体导通。这理论很好，但人们将它应用于二极管中，却花费了15年之久。现实中，半导体效应依然有两个疑惑。第一，到目前为止人们主要的只是其表面行为。猫晶须只是适用于金属线氧化铜，硒整流器金属片。今天被认识的仅仅存在于肖特莱二极管，第二，半导体材料必须是纯净的，而杂志元素和化合物存在抵消了想要的行为。二战期间，雷达的出现，改变这种状况。为获得足够性能，它需要工作于高频。真空管太慢因此猫晶须再一次成为人们焦点（用于天线后对电波整流以使它能和本地振荡器混合产生低频信号，这能用真空管处理）。很多研究团体获得大量资金，这时人们争相开始研究，他们着手于猫晶须研究，试着去寻找决定它不可靠性和反复变化性的因素。为得到二极管效果，一些不纯材料是必须的。这些杂质处于元素周期表中具体位置，硅和锗有四个价键，简单的说价键是位于最外层电子轨道上由四个电子，以硅为例来说明，硅元素周期为14，表明共有14个电子，第一轨道（或能级）有两个电子，第二轨道8个，第三轨道4个。对于原子接触的最外层轨道，其轨道上电子不被一个原子所特有，它从一能级到另一能级运动，正是这个共享的原子将原子联系在一起，组成导体电子导电的基础，电子在电场中很容易受到激发漫游，然而在绝缘体中，电子紧靠原子核，电学上，硅是一个奇怪的材料，它是绝缘体，但他又不是一个很好的绝缘体，当掺有合适杂质时这个奇怪情况发生了。

正是在周期表中处于元素数15的磷，和硅一样，第一轨道有2个电子，在第二轨道8

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辽宁工程技术大学毕业设计（论文）

个，但第三轨道5个，现在用磷原子去代替硅晶体中的硅原子，有一新原子的4电子价带将和硅电子循环流动，但五价原子不符，过剩电子产生一负电荷，此时硅成为n型硅。这种过剩电子不同于静电荷，当刷你的头发，头发会直立，但这移动是暂时的。但掺杂硅，电荷永久，固定的位于晶格中（它不会成为电池）。相似的，周期表中位于硅左边上一个周期的硼，元素数为5，第一轨道2电子，第二轨道3电子，价带上3电子，用硼原子取代硅原子，将会丢失一个电子，产生一个正电荷，或称p型材料。就像n型硅中过剩电子一样，它也能提供电场产生电流，但导通机制不是电子，而是空穴。霍尔效应正与这相违背，对掺杂半导体，理解空穴和电子移动机制是很重要的，在n型材料，磷原子过剩电子在邻近硅电子徘徊并取代它，被取代电子占据另一个轨道，类似依次进行，直到最里层电子到达开始点-磷原子。音乐椅—近乎光速—这无休止的游戏很大程度上取决于温度，在绝对零度不运动，对硅，约-60度就足够可以使其运动，200度，硅运动很强烈以致变成像导体一样。

只在相对很窄的范围内，大约-55度到150度，硅才表现出适用的半导体特性，p型材相邻位置有一个硼原子，它填满价带，取代另一个电子依次进行直到第一个电子再次移到硼原子位置，这种运动由电子引起，却等效为空穴运动。

当电场代表着移动方向，电子电流将朝向阳极方向，被从阴极电子所取代。那是令人吃惊的事，这么少的杂质掺杂却能使材料呈现n型或p型，硅每立方厘米含5?1022g个原子，杂质能级很容易掺入每立方厘米5?1015个硼或磷原子，例每百万硅原子中掺入一个杂质。花费如此长时间去发现自然界中半导体效应，而杂质数远多于一百万种也不足为怪了。 二极管

尽管硅中掺有杂质是一件令人不悦的事，它既不是一个很好的导体，作为电阻，他甚至还不如一个金属片或碳。但如将n型和p型原子同时掺入一硅晶格中，情况就会突然变化。异性电荷互相吸引，n型材料边界的过剩电子载流子移向p区并停留在P区。一个电子填入空穴处，电荷互相抵消，这一区域成为空间电荷区或耗尽区。现在假设在二极管两端通以电压，p区接负电压，n区接正电压，这仅仅是把电荷向相反方向推进，扩大了空间电荷区，然而，如p区接正电压，n区接负电压。随着电压增加，电荷将向靠近方向移动，更近邻将使更多电子和空穴移向耗尽区，这种关系呈现指数关系： 0.3伏（室温下）有很小电流流过，0.6伏电流比较符合实际，0.9伏时电流很大。这种关系用二极管电压表表示为

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刘岩：基于单片机的多功能时钟设计

I?IS(eVq/KT?1)

这儿VD为流过二极管两端电压，K为波尔兹曼常数值为（1.38?10?23焦耳每开尔文）T为绝对温度单位为开尔文，q为电子电荷值为1.6?10?19库仑，I为流过二极管的实际电流，

IS为扩散电流。注意到1.38E-23经常被记为1.38?10?23，扩散电流决定于掺杂类型，二极管面积和（很大程度）温度。对一个合理的小尺寸IC二极管，其扩散电流为1.0?10?16

其实这个等式忽略了一些东西，事实上，二极管方向运用时有一个极限电压有点类似于一些绝缘体，存在这么一点，当反向电场变得很大时，反向电荷将发生击穿，击穿电压由掺杂浓度决定，掺杂浓度越大，击穿电压越小。为避免击穿，需要付出代价，，需要降低掺杂浓度，那么耗尽层将变大，耗尽层电压越大，这一点在设计时必须要涉及到。存在于半导体结中的相反电荷和平行板电容中电荷并无两样，因此每个结包含一个电容，又正电荷和负电荷的距离依赖于所加电压，所以电容依赖于电压。电压越低，电容越大，为正相关性。最后，在半导体同样存在电阻（不含耗尽区），对一个典型浓度5?1015（个/每立方厘米）,给出一个实际击穿电压大约25伏，电阻对磷（n型）大约1欧姆每厘米，对硼（p型）大约3欧姆每厘米。相比较而言，铝电阻为2.8微欧姆每厘米，铜1.7微欧姆每厘米，电阻率（电阻率或电阻）通过测量边长为1厘米的材料立方体的相反表面得到。 三极管

当世上第一个半导体二极管用于工作时，位于新泽西的贝尔实验室一下世界闻名了，吸引了无数豪杰。正是在他们中，有杰出的比尔肖特莱，他于1938年和沃尔特布拉顿组成团队对半导体进行调查研究，耗尽层给了肖特莱灵感，他发现这和真空管很相似，肖特莱冒出这么一个想法：如果在这个区域增加一个电极，它将可以控制在氧化铜整流器上的大电流，产生一个相当于三端真空管的固态器件，它将这一想法告诉布拉顿，布拉顿很吃惊，因为这个问题也困扰他很长时间。他甚至已经计算过如此一个电极。结果被证明太小不切实际，肖特莱不管怎么调试也不起作用，布拉顿是对的。

肖特莱不是一个轻易被打败的人。他不断完善他的想法，提出了一个不同的操作理论，他觉察到，既然在半导体中，一个少量的电子和空穴对应，并且都带有一个电荷。他将一金属电极放于表面。通以电压，要么将他拉向表面或将它推离表面，他就想靠近表面的耗尽区可以人为的改变。他试了一下，不过令他失望的是，这仍然不工作。这一想法和今天的MOS管很相似。

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