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数字中说明书
本文论述了如何利用单片机来设计一个时钟的方法。
本设计基于单片机技术原理,以单片机芯片AT89C52作为核心控制器,通过硬件电路的制作以及软件程序的编制,设计制作出一个多功能数字时钟系统。
单片机扩展的LCD显示器用来显示秒、分、时计数单元中的值。
整个设计包括两大部分:
硬件部分和软件部分,以单片机为核心,配以一定的外围电路和软件。
硬件是整个系统的基础,软件部分则要合理、充分地支持和使用系统的硬件,从而完成系统所要完成的任务。
本设计采用LCD液晶显示并以其亮度高、显示直观等优点被广泛应用于智能仪器及家用电器等领域。
该时钟系统主要由时钟模块、闹钟模块、环境温度检测模块、液晶显示模块、键盘控制模块以及信号提示模块组成。
能够准确显示时间(显示格式为时时:
分分:
秒秒,24小时制),可随时进行时间调整,具有时间设置(小时和分钟)、闹钟时间设置、闹钟开、闹钟关功能。
数字显示小时、分钟,有AM、PM指示器,闹钟就绪灯,蜂鸣器。
220V供电。
设计以硬件软件化为指导思想,充分发挥单片机功能,大部分功能通过软
件编程来实现,电路简单明了,系统稳定性高。
单片机在这种情况下诞生了基于单片机电子时钟。
目录
前言..............................................1
第1章硬件系统设计................................2
1.1单片机........................................2
1.2硬件设计......................................3
1.3硬件模块......................................3
1.3.1主控单元....................................3
1.3.2显示部分....................................5
1.3.3显示器接口及显示方式........................7
1.3.4键盘控制模块................................8
1.3.5声音提示模块................................8
1.3.6直流稳压电源部分............................9
第2章软件设计...................................13
2.1设计思路.....................................13
2.2模块设计.....................................13
2.3软件模块.....................................14
2.3.1计时模块...................................14
2.3.2调时功能.................................14
2.3.3主程序模块................................14
2.3.4键盘控制模块..............................14
2.3.5在编程过程中要用到的其它程序模块...........14
第3章程序编译和系统调试及仿真..................15
3.1程序编译....................................15
3.1.1主要程序设计分析...........................15
3.1.2程序设计...................................16
3.2软件调试.....................................23
3.2.1伟福简介.........................................................................23
3.2.2软件调试.........................................................................24
3.3硬件调试..................................................................................25
结论.....................................................................................................28
谢辞.......................................................................................................29
参考文献.................................................................................................30
外文资料翻译.........................................................................................31
前言
数字钟是采用数字电路实现对时,分,秒数字显示的计时装置,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少的必
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,使得数字钟
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。
诸如定时自动报警、按时
自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、
通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表
数字化为基础的。
因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
近年来随着以计算机为轴心的各种各样信息处理装置的诞生,为适应
这种新形势,信息家电,网络终端,广播-通信等用途的LCD市场也将迅
速扩大,而且如今LCD发展方向不仅在于大屏幕,而且在中小屏幕方面,
例如汽车导航系统,摄像机,数字式照相机,便携式电视,PDA(个人数字
助理),娱乐/游戏机,摄影机等有着进一步的发展。
液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显
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。
LCD可分为段式LCD、字符式LCD和点阵式LCD。
其中,段式LCD和字符式LCD只能用于字符和数字的简单显示,不能满
足图形曲线和汉字显示的要求;而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字,
还可以显示各种图形、曲线以及汉字、动画,并且可以实现屏幕滚动、反
转、闪烁等功能,用途十分广泛。
由此可见LCD的应用是如此广泛,所以用MPU控制液晶显示器是很
普遍的应用。
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2
第1章硬件系统设计
1.1单片机
单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力
(如算术运算,逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU),随机存
取数据存储器(RAM),只读程序存储器(ROM),输入输出电路(I/O口),可
能还包括定时计数器,串行通信口(SCI),显示驱动电路(LCD或LED驱动
电路),脉宽调制电路(PWM),模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成
到一块单块芯片上,构成一个最小然而完善的计算机系统。
这些电路能在
软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务[1]。
单片机芯片的集成度很高,它将微型计算机的主要部件都集成在一块
芯片上,具有以下特点:
(1)体积小、重量轻、价格便宜、耗电少;
(2)根据工控环境要求设计,且许多功能部件集成在芯片内部,其
信号通道受外界影响小,故可靠性高,抗干扰性能优于采用一般的CPU;
(3)控制功能强,运行速度快。
其结构组成与指令系统都着重满足
工控要求。
有丰富的条件分支转移指令和很强的位处理功能及I/O口逻辑
操作功能;
(4)片内存储器的容量不可能很大;引脚也嫌少,I/O引脚常不够用,
且兼第二功能以至第三功能。
但存储器和I/O接口都易于扩展;
自单片机出现至今,单片机技术已走过了30多年的发展路程。
纵观
30年来单片机发展里程可以看出,单片机技术的发展以微处理器(MPU)
技术及超大规模集成电路技术的发展为先导,以广泛的应用领域拉动,表
现出较微处理器更具个性的发展趋势。
单片机应用最多的领域主要有以下:
因它具有“小、轻、廉、省”的特点,所以特别适用于“电脑型产品”,
在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨
房设备、家庭安防设备等许多产品上得到应用。
适用于仪器、仪表,不仅
能完成测量,还具有处理、监控等功能,易于实现数字化和智能化。
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1.2硬件设计
硬件设计框图
图1-1硬件设计框图
由框图的设计结构可以分块设计电路。
1.3硬件模块
1.3.1主控单元
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片
机,片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes
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,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内
置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大AT89C52单
片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
下表是89c52的主要性能参数
液晶显示器
键盘控制模
声音提示
AT89C52
主控单元
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4
表1-189c52的主要性能参数
主要性能参数:
•与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
•8k字节可重擦写Flash闪速存储器
•1000次擦写周期
•全静态操作:
0Hz—24MHz
•三级加密程序存储器
•256×8字节内部RAM
•32个可编程I/O口线
•3个16位定时/计数器
•8个中断源
•可编程串行UART通道
•低功耗空闲和掉电模式
AT89C52提供以下标准功能:
8k字节Flash闪速存储器,256字节内
部RAM,32个I/O口线,3个16位定时/计数器,一个6向量两级中断结
构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路[2]。
同时,AT89C52
可降至0HZ的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲
方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系
统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其
它所有部件工作直到下一个硬件复位。
下表是89c52的极限参数
表1-2AT89C52的极限参数
工作温度-55℃to+125℃
储藏温度-65℃to+150℃
任一引脚对地电压-1.0Vto+7.0V
最高工作电压6.6V
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直流输出电流15.0mA
1.3.2显示部分
单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器,简称LED
(LightEmittingDiode);液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay);
近几年也有配置CRT显示器的。
液晶显示器简称是利用液晶经过处理后能
够改变光线传输方向的特性,达到显示字符或者图形的目的。
其特点是体
积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点,在单片机应用系统中有
着日益广泛的应用。
1602芯片:
主要用于显示时间和定时时间。
1602芯片由点阵字符液晶
显示器件和专用的行、列驱动器、控制及必要的链接件、结构件组装而成,
可以显示数字和西文字符,但不能显示图形,已经可以满足本次设计的需
要。
1602型LCD显示模块具有体积小,功耗低,显示内容丰富等特点[3]。
1602型LCD可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0~D7和RS,R/W,
EN三个控制端口,工作电压为5V,并且具有字符对比度调节和背光功能。
1.外型尺寸:
80X36X13(LXWXH)
2.接口信号说明
表1-31602型LCD的接口信号说明
编号符号引脚说明编号符号引脚说明
1VSS电源地9D2DataI/O
2VDD电源正极10D3DataI/O
3VL液晶显示偏压信号11D4DataI/O
4RS数据/命令选择端(H/L)12D5DataI/O
5R/W读写选择端(H/L)13D6DataI/O
6E使能信号14D7DataI/O
7D0DataI/O15BLA背光源正极
8D1DataI/O16BLK背光源负极
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3.主要技术参数
表1-41602型LCD的主要技术参数
显示容量16X2个字符
芯片工作电压4.5~5.5V
工作电流2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压5.0V
字符尺寸2.95X4.35(WXH)mm
4.基本操作程序
读状态:
输入:
RS=L,RW=H,E=H输出:
D0~D7=状态字
读数据:
输入:
RS=H,RW=H,E=H输出:
无
写指令:
输入:
RS=L,RW=L,D0~D7=指令码,E=高脉冲输
出:
D0~D7=数据
写数据:
输入:
RS=H,RW=L,D0~D7=数据,E=高脉冲输出:
无
5.RAM地址映射图
控制器内部带有80字节的RAM缓冲区,对应关系1-5表所示
表1-5对应关系
LCD
16字X2行
6.状态字说明
表1-6状态字说明
STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0
0
0
0
1
0
2
0
3
0
4
0
5
0
6
0
7
0
8
0
9
0
A
0
B
0
C
0
D
0
E
0
F
1
0
。
。
2
7
4
0
4
1
4
2
4
3
4
4
4
5
4
6
4
7
4
8
4
9
4
A
4
B
4
C
4
D
4
E
4
F
5
0
。
。
6
7
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D7D6D5D4D3D2D1D0
STA0~STA6当前地址指针的数值
STA7读写操作使能1:
禁止;0:
允许
注意每次对控制器进行读写操作之前,都必须进行读写检测,确保
STA7为0。
7.数据指针设置
控制器内部设有一个数据地址指针,用户可以通过它们访问内部的全
部80字的RAM。
8.其它设置
表1-7其他设置
指令码功能
01H
显示清屏:
1.数据指针清0
2.所有显示清0
02H显示回车:
数据指针清0
表1-8指令码及功能
指令码功能
00001DCB
D=1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
1.3.3显示器接口及显示方式
笔段式LCD显示器:
类似于LED数码管显示器。
每个显示器的段电
极包括a,b,c,d,e,f,g七个笔划(段)和一个背电极BP(或COM)。
可以
显示数字和简单的字符。
点阵式LCD显示器:
段电极与背电极呈正交带状分布,液晶位于正交
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的带状电极间。
点阵式LCD的控制一般采用行扫描方式[4]。
1.3.4键盘控制模块
按键按照结构原理可分为两类,一类是触点式开关按键,如机械式开
关、导电橡胶式开关等;另一类是无触点式开关按键,如电气式按键,磁
感应按键等。
前者造价低,后者寿命长。
目前,微机系统中最常见的是触
点式开关按键。
按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类,这两类键盘的
主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。
编码键盘主要是用硬件来实
现对键的识别,非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。
全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码,此外,一般还
具有去抖动和多键、窜键保护电路。
这种键盘使用方便,但需要较多的硬
件,价格较贵,一般的单片机应用系统较少采用。
非编码键盘只简单地提
供行和列的矩阵,其它工作均由软件完成。
由于其经济实用,较多地应用
于单片机系统中。
在本套设计中由于只需要几个功能键,此时,可采用独
立式按键结构[5]。
按键的软件结构:
按键中有一个复位键及定时键、调时键加一键和减一键,一个按键接
在复位电路上,另外四个按键接在P0——P4口,低电平表示有按钮按下;
按钮没有接防抖电路,需要设计软件防抖。
1、定时。
按下定时键后可以开始定时,过程如下:
定时---〉小时加/
减---〉按定时---分钟加/减---按定时。
2、调时。
按下调时键后可以调时,过程如下:
调时---年加/减---调时
--月加/减---调时---日加/减---调时---时加/减---调时---分加/减---调时---秒
加/减---调时。
1.3.5声音提示模块
蜂鸣器:
89C52的P2.0口接了一个蜂鸣器,定时时间到,P1.0输出
一定频率脉冲时,蜂鸣器将发出响声;一分钟后停止。
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1.3.6直流稳压电源部分
直流稳压电源是给电子设备提供稳定直流电压的电子电路。
这次电路
需要的是+5V直流电源。
1.3.7滤波电路
它的任务是将全滤波形的输出通过RC滤波网络以后变成更平坦的直
流电压,减小脉动,提高整流的效果[6]。
这是整流管中通过的电流的瞬间值要
比平均值大得多,特别在接通电源瞬间有相当大的冲击电流(即充电电流)通
过整流管,这一点要引起注意。
(1)电源变压器
它的任务是把电源电压220V变压到合适的大小。
如果U2的值太大,
会造成集成端稳压器7805的功耗大,温升高,且浪费电能。
反之,如果U2的
值小到一定程度,三端稳压器不能正常工作,失去稳压作用.因此U2的值应
大小合适,这个值应该使三端稳压器在交流电网电压最低和输出电流最大
时能正常工作。
而且在正常稳压的前提下,它的压降尽可能小,以减小功耗。
(2)整流电路
它的任务是将正弦波变换成直流电压。
这里一般采用桥式整流电路来
实现,既可用四个二极管来组成,也可用整流桥堆来完成,只是参数一定要选
择合理。
(3)稳压电路
要求输出恒定的直流电压,且要达到设计中所提出的要求。
1.4硬件电路测试
1.4.1硬件电路ERC测试
如图1-2所示,选择ERC做电路测试。
如果通过测试,则出现1-3所
示界面。
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图1-2ERC测试
图1-3通过测试
1.4.2硬件电路网格化
硬件电路网络化如图1-4所示,选择CREATENETLIST,即可产生图
1-5所示界面。
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图1-4硬件电路网格化图
图1-5硬件电路网格化图
1.4.3生成PCB板
PCB板的生成过程比较复杂。
首先要新建一个WIZARD文件,按提示选择,之中要选择双层板并通
过空连接。
之后即可产生一个PCB文件,在对话框中选择LOADNET,再对
网格化后的文件进行编译。
如果无错即可出现如图1-6所示的对话框。
图1-6选择精确显示
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在图1-6的对话框中选择精确显示。
即可弹出PCB板概图的界面。
把
各个元件按照合理的布局拉开,在点击AUTOROUTE--ALL-ROUTEALL,
既可生成PCB板。
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第2章软件设计
2.1设计思路
本系统是以单片机的基本语言汇编语言来进行软件设计,指令的执行
速度快,节省存储空间。
为了便于扩展和更改,软件的设计采用模块化结
构,使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。
对于一个微控制系统来说,硬
件是基础,软件是灵魂。
软件在很大程度上决定了系统的先进性、可靠性、
实用性以及实时性。
本次设计所涉及到的软件设计主要是系统编程和其他
应用软件和调试软件的使用,其中重中之重是用汇编语言来进行程序编制,
编制的程序要求可靠性高、实时性强、简练易于维护等等。
程序设计的具体步骤如下:
(1)提出各种可供选择的方案;
(2)对各个方案进行论证,选取合理的方案,画出系统流程图;
(3)在综合分析对比各种合理方案的基础之上选择一个最佳方案;
(4)功能分解。
通常分为结构设计和过程设计两个阶段。
结构设计
确定程序由哪些模块组成,以及这些模块之间的关系;过程设计确定
每个模块的设计程序结构,将各个模块组织成良好的层次系统;
(5)审查与仿真调试:
对总体设计的程序进行严格的审查,在审查之
后使用仿真设备(本设计采用的是南京伟福H51/S仿真器)进行程序仿真和
调试。
2.2模块设计
本次设计实现的功能主要有计时、计日期、计星期、实现闹钟、时间
日期星期和闹钟的调整以及键盘扫描、显示扫描。
为了方便实现、调试以
及贯彻模块化设计的思想,将整个程序分成了若干个模块,每个模块又由
若干个子程序组成,下面分别就各模块详细描述。
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2.3软件模块
2.3.1计时模块
该模块完成秒、分、时、日、星期、月、年的计算更新、有效性检查。
通过定时器0工作于16位重装载方式准确地定时50毫秒,再由软件计数
20次以完成定时1秒。
秒、分、时、日、星期、月的加1、调整程序分别
编成子程序,若有进位,则本位从新计数,并调用下一级子程序。
2.3.2调时功能
当由于时钟误差或意外断电后可以用调时功能较时。
2.3.3主程序模块
主程序模块主要由计时、调时、按键选择等模块组成,下面将做详细
描述,再次从略。
2.3.4键盘控制模块
由于在硬件设计中只用到四个键,所以,这是一个相对简单的流程,
但在实际编程中会因为硬件过于简单,而使程序很复杂。
2.3.5在编程过程中要用到的其它程序模块
1)LCD初始化2)判断闰年3)时间的加减这些程序在本设计都比
较重要,也很复杂,但都有经典程序可以参考,不做赘述。
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第3章程序编译和系统调试及仿真
3.1程序编译
3.1.1主要程序设计分析
(1)主程序设计中采用定时器T0中断完成,其余状态循环调用显
示子程序,当P3.7端口或者P1.7端口开关按下时,转入调整时间或者调
整日期功能程序。
(2)显示子程序
数码管显示的数据存放在内存单元70H-75H中,其中70H~71H存放秒
数据,72H~73H
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