单片机实时时钟实训指导书.docx
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单片机实时时钟实训指导书
《单片机实时时钟实训》
任务书/指导书
辽宁建筑职业学院自动控制系
2015年11月
《单片机实时时钟实训》任务书
适用专业
电气自动化技术专业
所属课程
单片机控制系统编程与实现
实施学期
第四学期
指导教师
实训班级
实训课时
24学时
实训类别
设计类
一、实训内容
基于AT89S51单片机和时钟芯片PCF8563设计制作一款实时时钟,时钟应具有显示时间、调整时间、定时功能、报警功能等。
利用I2C总线虚拟接口程序来完成对时钟芯片PCF8563的基本读写操作,同时掌握PCF8563寄存器的使用操作,能够使用PCF8563完成时钟读写和定时控制操作。
利用独立按键进行相应设置,利用多位七段数码管进行显示。
二、实训环境
1.场地:
4#实训楼单片机实验室
2.工具:
串口下载线、U口转串口通信模块
3.工具书:
《单片机应用技术》教材
《89C51系列单片机数据手册》
《PCF8563数据手册》
4.材料:
面包板、杜邦线
5.设备:
单片机开发板
计算机(安装有uVisionKeil软件环境和Proteus仿真环境)
数字万用表
双踪示波器
三、实训进度安排
序号
实训内容
时间(学时)
1
任务分析及系统总体设计
4
2
硬件系统设计及电路的搭建
8
3
软件系统设计、代码编写及调试
8
4
软硬件联合调试并完成作品
4
四、实训组织形式
学生自行组建项目组,每组3~4人。
组内选举组长,报指导教师备案,经指导教师同意后,以项目组为单位参与实训环节。
五、实训要求
1.实训开始后,项目组要根据指导教师和实训考核要求进行工作任务分解,并合理分配组员的
工作任务;
2.按照指导教师要求的实训进度安排,分阶段按时完成实训内容;
3.在实训过程中,每名同学都需要每天提交前一天的工作日志(电子稿),由指导教师检查;
4.学生在实训结束后,所完成的实时时钟设计作品必须满足以下标准:
(1)能够正确计数并通过数码管显示当前时间;
(2)能够通过简洁合理的按键操作过程设置时间;
(3)能够设置定时功能,定时时间到后,蜂鸣器发出报警声音。
5.实训结束后学生以组(或个人)为单位提交实训报告纸质稿1份、电子档1份、每人的实训日志电子稿1份,要求在报告中标注清楚小组中每个人完成的任务。
所有电子稿以小组为单位,压缩在一个压缩包中,文件名是小组序号与成员的姓名。
六、考核方式及成绩评定
本实训环节的考核方式采用分组考核结合个人成绩评定的方法进行,主要强调过程考核和成果考核,具体考核标准如下:
1.出勤率(10%)
2.实训态度(10%):
情感态度及团队合作意识
3.过程考核(50%):
本考核由教师现场随堂监测学生独立完成实践工作的能力;并由教师现场抽取实践环节由学生现场完成操作或进行阶段性成果宣讲并答辩。
具体标准见表1所示。
表1过程考核标准
考核项目
标准
得分
实践能力(20分)
操作熟练并能分析和解决问题
25
操作基本熟练能够通过指导完成任务
20
操作不熟练基本应用能力较差
15
任务完成情况(20分)
按时高质完成任务
20
基本能按要求完成任务
16
不能按要求完成任务
10
总结和表达能力(10分)
(阶段性宣讲和答辩)
阶段成果充实并能够准确回答问题
10
阶段成果比较完成能够回答大部分问题
8
阶段成果不完整对教师问题回答不上来
6
4.成果考核(30%):
结合学生实训过程中表现,检查实训报告和实训日志,具体标准见表2。
表2成果考核标准表
考核项目
标准
得分
实训日志(15分)
内容完整真实
15
内容有个别不完整
12
内容有严重缺陷
8
实训报告格式及内容(15分)
内容和格式完整准确
15
内容和格式基本准确
12
格式不完整,内容不准确
8
《单片机实时时钟实训》指导书
一、实训目的
1.熟悉单片机最小系统的硬件构成和工作原理
2.熟悉单片机IO端口的使用方法、分配原则
3.掌握51单片机P0端口与P1、P2、P3端口的区别及不同处理方法
4.理解I2C总线时序图并会调试总线驱动程序
5.掌握PCF8563时钟芯片的使用方法,会读取、设置时间,会操作定时功能
6.理解七段数码管的工作原理,会正确设计数码管驱动电路
7.掌握数码管编码方法,会用查表法编写数码管显示程序
8.理解按键去抖原理,能编写程序滤除按键抖动杂波
9.会编写程序处理按键抬起和按住不放两种不同设计要求
10.掌握软硬件联合调试的常用技巧
11.掌握单片机系统设计流程
12.用于产品设计的初步概念
二、实训内容
本实训基于AT89S51单片机和时钟芯片PCF8563设计制作一款实时时钟,利用AT89S51单片机来虚拟出I2C总线接入带I2C总线的时钟接口器件PCF8563,再结合键盘矩阵和LED显示的知识设计并制作出具有如下功能的实时时钟:
(1)自动计时,由6位LED显示器显示时、分、秒。
(2)具备校准功能,可以由按键设置当前时间。
(3)一年时差不超过5分钟。
(4)可以显示年、月、日。
(5)可以通过按键调整当前年、月、日。
三、实训依据
(一)计时方案
1.方案一:
软件控制
利用MCS-51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。
该方案节省硬件成本,且能够使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高,但程序编写麻烦,并且由于技术的发展,以及设计思路的更新,这种方法在实际生产使用和现场开发中已不多采用。
2.方案二:
采用实时时钟芯片
针对计算机系统对实时时钟功能的普遍需求,各大芯片生产厂家陆续推出了一系列的实时时钟集成电路,如PCF8563、DS1287、DS1302等。
这些芯片具备年、月、日、时、分、秒计时功能和多点定时功能,硬件接口方便,程序编写简单。
此外,实时时钟芯片多数带有锂电池做后备电源,具备永不停止的计时功能。
本系统将采用具有I2C总线接口的实时时钟器件PCF8563来实现时钟的计时。
(二)键盘方案
键盘有两种设计方式:
独立式按键和矩阵式键盘,本系统中用到了5个按键,一个功能键,一个设定键,一个上翻键,一个下翻键,一个确定键,并且采用本项目任务一中介绍的2×3矩阵式键盘来完成设置。
(三)显示方案
对于实时时钟而言,显示显然是另一个重要的环节,本系统采用6位LED动态显示。
四、实训准备(包括理论准备、实训设备介绍等)
(一)最小系统应用电路
单片机最小系统实际应用电路如图1所示(本实训部分电路采用网络标号连接方式,同名网络标号具有电连接关系)。
图1单片机最小应用系统
图1中,由于不需要使用串口通信功能,可以选用12MHz晶振。
对于AT89S51芯片,如果引脚RST(引脚9)保持24个时钟周期的高电平,单片机就可以完成复位。
通常为了保证应用系统可靠地复位,复位电路应使引脚RST保持10ms以上的高电平。
只要引脚RST保持高电平,单片机就循环复位。
当引脚RST从高电平变为低电平时,单片机退出复位状态,从程序空间的0000H地址开始执行用户程序。
插座J2为外接普通5伏电源接口,插座J5为外接USB电源接口,可直接从微机取得5伏电源,二极管D15、D16起电源保护作用,SB0为电源开关,发光二极管D0为电源指示灯。
插座J6为下载线接口,用于在线编程。
(二)按键的读取
键盘是计算机最常用的输入设备,是实现人机对话的一种纽带。
按其结构形式可分为非编码键盘和编码键盘。
编码键盘采用硬件方法产生键码。
每按下一个键,键盘能自动生成键盘代码,键数较多,且具有去抖动功能。
这种键盘使用方便,但硬件较复杂,PC机所用键盘即为编码键盘。
非编码键盘仅提供按键开关工作状态,其键码由软件确定,这种键盘键数较少,硬件简单,广泛应用于各种单片机应用系统,本书主要介绍非编码键盘的设计与应用。
图2按键原理图
当测试到有键闭合后,需进行去抖动处理。
由于按键闭合时的机械弹性作用,按键闭合时不会马上稳定接通,按键断开时也不会马上断开,由此在按键闭合与断开的瞬间会出现电压抖动,如图3所示。
键盘抖动的时间一般为10~20ms,抖动现象会引起CPU对一次键操作进行多次处理,从而可能产生错误,因而必须设法消除抖动的不良后果。
通过去抖动处理,可以得到按键闭合与断开的稳定状态。
去抖动的方法有硬件与软件两种:
硬件方法是加去抖动电路,如可通过RS触发器实现硬件去抖动;软件方法是在第一次检测到键盘按下后,执行一段10ms的延迟子程序后再确认该键是否确实按下,躲过抖动,待信号稳定之后,再进行键扫描。
通常多采用软件方法。
(三)LED数码管显示方式
LED数码管的显示方式通常有两种:
一种是静态显示方式,另一种是动态显示方式。
数码管静态显示方式就是指只有在需要改变显示内容或状态时,才对数码管显示器进行控制操作。
若多位数码管均采用静态方式显示时,要求不同数码管的8段分别由不同的具有琐存功能的数据线进行驱动,而所有数码管的COM端连接在一起接地或+5V(或12V)。
控制数码管静态显示多位时,对每一位的控制是独立的,显示某一位时,只要在相应位的段选线上保持段选码电平,该位就能保持显示的相应字符。
LED数码管采用静态显示方式特点是编程简单,但需要占用的I/O口数量较多,电路复杂。
大家在数字电路课程中学到的数码管显示电路就是属于静态显示方式。
LED数码管在多位显示时,为了简化电路,降低成本,将所有位上名称相同的字段连接在一起,然后再由一个8位的I/O口驱动控制,而不同位上数码管的COM端分别引出由其它不同的I/O控制,如图4就是一个6位的LED数码管动态显示电路。
图4六位动态LED显示器
(四)I2C总线工作原理
I2C总线由数据线SDA和时钟线SCL构成。
总线上挂接单片机、外围器件和外设接口。
所有挂接在I2C总线上的器件和接口电路都应具有I2C总线接口,而且所有的SDA和SCL同名端相连。
采用I2C总线系统结构如图5所示。
I2C总线通常为主从工作方式。
系统中只有一个主器件(单片机),总线上其它器件都是具有I2C总线的外围从器件。
在主从工作方式中,主器件启动数据的发送(发出启动信号),产生时钟信号,发出停止信号。
为了实现通信,每个从器件均有唯一一个器件地址,具体地址由I2C总线委员会分配。
图5 I2C总线系统结构图
I2C总线上数据传送时序如图6-9所示。
图6-9为I2C总线上进行一次数据传输的通信格式。
总线上传送的每一帧数据均为一个字节。
但启动I2C总线后,传送的字节数没有限制,只要求每传送一个字节后,对方回应一个应答位。
在发送时,首先发送的是数据的最高位。
每次传送开始有起始信号,结束时有停止信号。
图6 I2C总线上进行一次数据传输的通信格式
I2C总线为同步传输总线,总线信号完全与时钟同步。
I2C总线上与数据传送有关的信号有起始信号(S)、终止信号(P)、应答信号(A)及位传送信号等。
(四)PCF8563工作原理
PCF8563是Philips公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片,具有定时器功能、多种报警功能、时钟输出功能及中断输出功能等。
由于采用I2C总线接口方式,应用电路简洁,提高了电路的工作可靠性,目前已被广泛应用于电表、水表、煤气表、电话、传真等仪器仪表领域。
PCF8563的引脚排列如图7所示,各引脚功能见表1。
图7 PCF8563的引脚图
表1 PCF8563的引脚功能
引脚
符号
功能描述
1
OSCI
振荡器输入
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