基于单片机的液晶屏显示的电子时钟设计.docx
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基于单片机的液晶屏显示的电子时钟设计
课题名称
基于单片机的液晶屏显示的电子时钟设计
指导教师
吕刚磊
学生姓名
陈阳
学号
200729019
专业
机电一体化技术
一、课题来源
指导老师命题范围内选题
二、设计目的
1.了解LCD显示器显示的基本原理
2.了解用LCD液晶显示有什么好处
3.掌握并学会用单片机AT89C52控制的硬件电路的设计和软件设计
三、设计要求
1.能够正确实现基于单片机的液晶屏显示的电子时钟设计功能;
2.理解实现基于单片机的液晶屏显示的电子时钟的原理
3.根据设计要求和设计目的完成硬件设计和软件设计,采用LCD显示
四、设计思路
1.利用AT89C52单片机芯片作为程序控制系统再加上其它外围电路进行辅助
2.按设计要求编写程序并调试
3.输出用液晶屏显示
五、时间安排
第一阶段:
2009年月10月28日前毕业设计(论文)题目上报指导老师
第二阶段:
2009年月11月3日前接受毕业设计任务书,学习毕业设计(论文)要求及有关规定,收集资料、开始撰写开题报告
第三阶段:
2009年11月5日前上交开题报告,由指导老师审阅
第四阶段:
2009年11月30日前利用Protel99se绘制原理图并生成PCB,完成元器件的购买,收集资料,开始设计并撰写论文,初稿完成
第五阶段:
2009年12月1日至2010年1月30用不同方式与指导老师交流,沟通毕业设计进展情况
第六阶段:
2010年3月上旬完成并提交正式毕业设计成果
指导教师签名:
日期:
2009.11.3
基于单片机的液晶屏显示的电子时钟设计
摘要
本设计是利用基于AT89C52单片机用液晶显示器制作的实用液晶电子钟,可完成计时、计分、计秒和校时、校分的功能。
微处理器是单片机的核心,完成运算和控制的操作串行口数据存储器与复位电路,时钟电路,校对电路由微处理器控制完成各自的任务。
最后通过液晶显示时、分、秒。
在振荡器正在运行时,复位是靠RST或在RST引脚上施加持续2个机器周期的高电平来实现,在RST引脚上施加高电平的第2个周期执行内部复位,以后每个周期执行一次,直到RST变化。
复位时,ALE和/RSEN输出高电平,机ALE=1和/RSEN=1,片内RAM不受复位的影响,复位后PC指向0000H使单片机从起始地址0000H开始执行程序。
设计中采用内部时钟方式,在XTAL1和XTAL2两端接晶振,与内部反向器构成稳定的自激振荡器,其发出的时钟脉冲直接送入片内定时控制部件,该液晶电子钟最后由6个液晶显示管显示,时分秒段式LCD显示采用七段显示,其结构除在上电极板上喷上a到g这七个笔画外,还在下电极板喷上与笔画相对应的“日”字形的电极并接公共端COM。
另外时钟的校对采用与校对普通电子表相同的操作方式来完成,只需按K1、K2这两个键来校时校分。
AT89C52的XTAL1和XTAL2分别为反向器的输入和输出,RST为复位输入,由它再接一个上拉电阻,引脚被拉高,P1口作为电子钟的位选,P3口部分作为电子钟的输出端。
关键词电子钟单片机液晶显示
LCDSCREENDISPLAYBASED
ONSINGLECHIPDESIGNOF
THEELECTRONICCLOCK
ABSTRACT
ThisdesignistheuseofliquidcrystaldisplaysbasedonAT89C52microcontrollerproducedbyusefulLCDelectronicclocktocompletetiming,scoring,namely,second,andtheschool,theschoolsub-functions.Microprocessorisamicrocontrollercore,computingandcontrolthecompletionoftheoperationofserialportdatamemoryandtheresetcircuit,clockcircuit,proofreadingcircuitcontrolledbyamicroprocessortocompletetheirtasks.Thefinaladoptionofliquidcrystaldisplayhours,minutesandseconds.Intheoscillatorisrunning,resetdependsontheRSTorRSTpintoexertsustainedtwomachinecycletoachievehigh,intheRSTpinisappliedtothefirst2cyclesofhighimplementationofinternalreset,AftertherunoncepercycleuntilRSTchange.Whenreset,ALEand/RSENoutputhigh,machineALE=1,and/RSEN=1,on-chipRAMisnottheimpactofresetandresetafterthePCpointfromthestartaddressof0000Hto0000HMicrocontrollerbeginimplementationprocedures.Internalclockusedinthedesignmode,thenendsintheXTAL1andXTAL2crystal,andtheinternalstabilityofthereversedeviceconstitutesaself-excitedoscillatorclockpulsesentdirectlyintotheon-chiptimingcontrolunit,theLCDclocklastby6LCDdisplaytubedisplay,whenminutesandsecondsSegmentLCDdisplaywithseven-segmentdisplay,itsstructure,exceptintheelectrodeplatespray.Onatogofthesesevenstrokes,thelowerelectrodeplatesarealsosprayedwiththestrokescorrespondingtothe"day"-shapedelectrode,andthenthepublic-sideCOM.Anotherclockproofingandproofreadingordinaryelectronicwatchesusingthesamemodeofoperationtocomplete,justpressK1,K2ofthesetwokeystotheschoolwhentheschoolhours.AT89C52theXTAL1andXTAL2,respectivelyreversetheinputandoutput,RSTasaresetinput,whichwerefollowedbyapull-upresistor,pinispulled,P1mouthasanelectronicclockChoice,P3mouthpartasanelectronicclockoutputs.
KEYWORDSelectronicclockMCULCD
1概述
单片机即微处理器,自1976年Inter公司推出的MCS-48,迄今已有20多年了。
由于单片机具有集成度高,功能强,体积小,功耗低,使用方便,价格低廉等一系列优点,目前已经应用到人们工作和生活的各个领域,单片机的应用已经从面向工业控制,通信,交通,智能仪表等迅速发展到家用消费产品,办公自动化,汽车电子,PC机外围以及网络通信等广大领域,目前最具有代表性的是MC-51系列单片机,MC-51虽然是8位的单片机,但是它比MCS-48功能强大,此外还具有全,兼容性强,软硬件丰富等优点。
时钟,自从它发明的那天起,就成为人类的朋友,但随着时间的推移,科学技术的不断发展,人们对时间计量的精确度要求越来越高,应用越来越广。
怎样让时钟更好的为人民服务,怎样让我们的老朋友焕发青春呢?
这要求人们不断设计出新型时钟。
现今,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,石英表,石英钟都采用了石英技术,因此走时精度高,稳定性好,使用方便,不需要经常调校,数字式电子钟用集成电路计时,译码代替机械式传动,用LED显示器代替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,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。
一个单片机应用系统中,时钟有两方面的含义:
一是指为了保障系统正常工作的基准震荡定时信号,主要有晶振和外围电路组成,晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢;二是指系统的标准定时时钟,即定时时间,它通常有两种实现方法:
一是用软件来实现,即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现,但误差很大,主要用在对时间精度要求不高的场合;二是用专门的时钟芯片实现,在对时间精度要求很高的情况下,通常采用这种方法,典型的时钟芯片有:
DS1302,DS12887,X1203等都可以满足高精度的要求。
1.1本课题研究的意义
液晶屏数字电子时钟让单片机得到了更加广泛的应用,人们的时间观念更强,生活的更方便快捷,同时增强自我独立学习和动手的能力,为将来的学习和工作打下基础。
时间对于人们来说是越来越宝贵,快节奏的生活往往使人们忘记了时间,一旦遇到重要的事情,这将会带来很大的损失。
因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人们,而液晶屏数字时钟正是人们所需要的。
它显示清晰、字符锐利、画面稳定不闪烁,体积小巧:
而且具有零辐射、低耗能、散热小的优点:
它的调节十分方便,只需通过按键就可以自动调节。
然而随着科学技术的发展,人类社会已进入到高度发达的信息化社会,信息社会的发展离不开电子产品的进步。
现代电子产品的发展越来越快,各种新型电子元器件和智能化的电子产品已经在国民经济的各个领域和人民生活的各个方面得到了日益广泛的应用。
实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。
所以液晶屏电子数字时钟的发展也是在日益成熟。
1.2电子时钟的设计要求和内容
1.任选一款51系列单片机
2.能完成时分秒的显示
3.能完成校对时分
4.要求用PROTEUS软件进行仿真
1.3课题的总体规划
课题主要讨论如何实现对液晶电子时钟的硬件设计和软件设计,以及如何实现液晶屏显示,因此,论文内容安排如下:
第1章将主要介绍课题的研究意义、设计要求与内容、发展现状;
第2章将对课题系统总体方案及硬件设计进行分析,同时设计模块电路及总体硬件电路;
第3章主要对软件设计进行分析;
第4章介绍如何用PROTEUS软件下的软、硬件进行仿真同时分析仿真结果;
第5章结论部分,对本文进行了总结分析,同时对以后的工作进行展望。
2系统总体方案及硬件设计
2.1系统总体方案
采用AT89C52来设计液晶电子钟。
按照功能要求确定系统方案,如下图图2-1所示。
从图2-1中可以看出该设计有微处理器模块,串行口通信模块,时钟模块,数据存储模块以及显示模块等组成。
图2-1控制器功能框图
2.2硬件设计
2.2.1时钟电路
本设计的时钟电路的设计如图2-2,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。
但由于图中的C1、C2电容起着系统时钟频率微调和稳定的作用,因此,在本时钟系统的的实际应用中一定要正确的选择参数(30
3PF),并保证对称性(尽可能匹配),选用正牌厂家生产的瓷片或云母电容,如果可能的话,温度系数要尽可能地低。
实验表明,这两个电容元件对时钟的
走时误差有很大的关系。
图2-2系统时钟电路
2.2.2复位电路
随着微电子技术的的飞速发展,单片机的性能迅速提高,在运算.逻辑控制.智能化方面显示出非凡的优势,在很大程度上取代了原来由数字逻辑电路.运算放大电路组成的检测.控制电路,应用非常广泛。
但由于它存在着死机.程序跑飞等致命缺陷,使它在许多重要场合的应用受到限制。
在抗干扰方面的许多技术,比如设计软件陷阱.加硬件看门狗电路等,可使这一问题有较好的解决,但仍然存在以下问题:
1看门狗动作时,意味着已经出现了错误,且运行了一段时间,这在有些场合是不允许的;2有时程序出现死循环错误,但是刚好把看门狗控制环节包含进去,对于这样的错误采用看门狗无法识别;3在检测控制周期比较长的系统中,单片机花大量时间等待外设,执行等待命令的同时会受到干扰。
针对这些情况,我们在实践中尝试了主动复位的办法,采用等间隔的脉冲或根据外部条件对单片机进行复位唤醒。
每次复位后,单片机执行相应的程序,执行完任务后及时进入休眠,等待下次复位。
用此方法较好地解决了上述问题,并在农用变压器综合保护器实验中得到了较好的效果。
下面以51系列单片机为例探讨具体原理与实现方法,复位信号为高电平。
本设计采用的是电复位方式。
RC复位电路的实质是一介充放电电路,现综合图3说明这种复位电路的特点。
系统上电时该电路提供有效的复位信号RST(高电平)直至系统电源稳定后撤消复位信号(低电平)。
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t=RC>2M(机器周期)便可,但实际设计中,通常取C1=10uf以上,R1通常取10K左右。
实践发现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。
图2-3中的虚线所接的续流二极管D1对于改善复位性能,其着重要作用,它的作用是在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电,因此一定宽度的电源毛刺(如波形中的A点)也可令系统可靠复位。
图2-3RC复位电路
2.2.3液晶LCD1602
其实物如图2-4所示
图2-4液晶LCD1602
注:
能够同时显示16x02即32个字符。
(16列2行),为了表示的方便,后文皆以1表示高电平,0表示低电平。
1、LCD1602的管脚分布:
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线,另外VCC(15脚)和地线GND(16脚),如图2-5所示;其余各管脚的功能如表1所示:
图2-5LCD1602管脚
表1各管脚的功能
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源(+5V)
3
V0
液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
4
RS
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线,高电平
(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。
6
E
E(或EN)端为使能(enable)端,下降沿使能。
7
DB0
底4位三态、双向数据总线0位(最低位)
8
DB1
底4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
底4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
底4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位(最高位)(也是busyflag)
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
注:
关于E=H脉冲——开始时初始化E为0,然后置E为1,再清0.
busyflag(DB7):
在此位为被清除为0时,LCD将无法再处理其他的指令要求
2、寄存器选择控制表如表2:
表2寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器(清除屏等)
0
1
读busyflag(DB7),以及读取位址计数器(DB0~DB6)值
1
0
写入数据寄存器(显示各字型等)
1
1
从数据寄存器读取数据
3、显示地址如表3:
4、1602的字符集
1602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,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码,试验可以用ASCII码直接赋值,在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值,如'A’。
以下是1602的16进制ASCII码表4:
表3显示地址
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
00H
01H
02H
03H
04H
05H
06H
07H
08H
09H
0AH
0BH
0CH
0DH
0EH
0FH
40H
41H
42H
43H
44H
45H
46H
47H
48H
49H
4AH
4BH
4CH
4DH
4EH
4FH
表4指令集
注:
读的时候,先读上面那列,再读左边那行,如:
感叹号!
的ASCII为0x21,字母B的ASCII为0x42(前面加0x表示十六进制)。
5、指令集
1602通过D0--D7的8位数据端传输数据和指令。
显示模式设置:
(初始化)
00110000[0x38]设置16×2显示,5×7点阵,8位数据接口;
显示开关及光标设置:
(初始化)
00001DCBD显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效)
000001NSN=1(读或写一个字符后地址指针加1&光标加1),
N=0(读或写一个字符后地址指针减1&光标减1),
S=1且N=1(当写一个字符后,整屏显示左移)
s=0当写一个字符后,整屏显示不移动
数据指针设置:
数据首地址为80H,所以数据地址为80H+地址码(0-27H,40-67H)
其他设置:
01H(显示清屏,数据指针=0,所有显示=0);02H(显示回车,数据指针=0)。
通常推荐的初始化过程:
延时15ms
写指令38H
延时5ms
写指令38H
延时5ms
写指令38H
延时5ms
(以上都不检测忙信号)
(以下都要检测忙信号)
写指令38H
写指令08H关闭显示
写指令01H显示清屏
写指令06H光标移动设置
写指令0cH显示开及光标设置
完毕
6、Proteus仿真LM016L1602
使用Proteus仿真1602--即LM016L--依照数据手册说明可能遇到困难,可以尝试采用以下方案解决:
数据手册中可能介绍1602内部D0~D7已有上拉,可以使用P0口直接驱动。
在Proteus里LM016L内部可能没有,应该人为加上拉电阻。
建议不要使用排阻,使用普通电阻一个一个拉应该可以解决问题;可能碰到不能检测忙信号的问题,尝试使用延时把忙信号拖过去。
2.2.4LCD显示电路
本设计采用的LCD液晶显示器来显示时钟的时间。
液晶显示器是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。
由于通过控制是否透光来控制亮与暗,当色彩不变时,液晶也保持不变,这样就无须考虑刷新率的问题。
对于画面稳定.无闪烁感的液晶显示器,刷新率不高但图象也很稳定。
LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光,所以它做到了真正的完全平面。
一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据.显示图象,这样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。
完全没有辐射的优点,即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大的伤害。
LCD显示器的工作原理:
LCD由两块玻璃板构成,厚约1mm,其间由包含有液晶材料的5um均匀间隔隔开。
因为液晶材料本身并不发光,所以在显示器两边都设有作为光源的灯管,而在液晶显示屏背面有一块背光板(或称匀光板)和反光膜,背光板是由荧光物质组成的可以发射光线,其作用主要是提供均匀的背景光源。
背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。
液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中,一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。
在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极,电极之间分为行和列,在行与列的交叉点上,通过改变电压而改变液晶的旋光状态,液晶的材料的作用类似于一个个小的光阀。
在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。
当LCD中的电极产生电场时,液晶分子就会产生扭曲,从而将穿越其中的光线进行有规律的折射,然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来,如图2-6所示:
图2-6LCD液晶显示
2.2.5AT89C52单片机芯片
本设计采用的AT89C52单片机芯片来实现电子钟的设计的。
AT89C52是一种带4K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。
管脚如图2-7所示:
图2-7AT89C52管脚
其内部结构如2-8图所示:
图2-8单片机内部结构
AT89C52单片机芯片的主要特征有:
与MCS-51兼容,4K字节可程闪烁存储,数据保留时间长达十年,内含有128*8位内部RAM,32可编程I/O线,两个16位定时器/计数器,5个中断源,可编程串行通道,,低功耗的闲置和掉电模式,片内振荡器和时钟电路。
AT89C52单片机芯片还具有镇荡器特性:
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。
AT89C52单片机芯片管脚说明:
VCC:
供电电压;GND:
接地;P0口:
P0口为一个8位漏极开路双向I/O,每脚可吸收8TTL门电源;P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输入4TTL门电流;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的门电流;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(TTL)这是由于上拉的缘故
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