毕业论文简易电子钟的制作硬件设计.docx
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毕业论文简易电子钟的制作硬件设计
简易电子钟的制作硬件设计
序言
单片机具有体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点,故可以广泛应用于各个领域包括家庭生活必需品,对各行各业的产品更新换代起到了重要的推动作用。
而此次设计的简易电子钟就是一个很典型的例子
电子钟在生活中非常有用,尤其是多路定时功能。
市场上有许多电子钟的专用芯片如:
LM8363、LM8365等,但它们功能单一,电路连接复杂。
不便于制作。
用单片机配合计时软件,可制成功能任意的电子钟,而且可以做到硬件简单、成本低廉。
在本文中主要对软件进行阐述。
首先根据硬件的设计方案确定软件方案,然后对硬件作简要介绍后设计出总的流程图,其次根据总的流程图画出各部分的子流程图然后写出程序,再次对调试中所出现的问题进行分析并解决,最后对本次的设计结果进行分析,提出优点和不足之处,然后总结。
第1章绪论
1.1电子钟的概述
电子钟在生活中非常有用,尤其是多路定时功能。
市场上有许多电子钟的专用芯片如:
LM8363、LM8365等,但它们功能单一,电路连接复杂。
不便于制作。
用单片机配合计时软件,可制成功能任意的电子钟,而且可以做到硬件简单、成本低廉。
1.2数字钟的系统分析
单片机的使用主要表现在以下三个方面:
1、数字钟的结构简单,并且具备最小单片机系统的基本构成。
2、数字钟电路中使用了单片机系统中最为常用的输入输出设备:
按键开关和数码管。
3、数字钟程序可以反映单片机系统中定时器和中断的用法。
单片机系统中的定时和中断是单片机最重要的资源,也是应用最为广泛的功能。
数字钟程序主要就是利用定时器和中断实现计时和显示功能。
按要求,本次的毕业设计要求完成的内容包括:
1、时钟精度:
±30秒/天。
2、可进行时、分、秒的调整。
3、采用六位数字显示。
4、具有报时功能。
添加的功能:
数字钟闹铃功能。
上面所提到的技术指标的意义,主要包含了:
1、定时器的使用:
本设计中通过实现24小时时钟和秒表,充分说明了单片机定时器使用方法。
2、计数器的使用:
本设计中通过实现24小时时钟和秒表的调整,充分利用了单
片机定时器的计数功能。
3、中断的使用:
通过设计24小时时钟和秒表的控制模式,详细地体现了单片机中的中断使用方法及其功能。
4、LED的使用:
本设计中的输出部分就是LED数码管。
图1-2-1数字钟的基本功能模块
基于单片机系统的数字钟的基本结构框图如图1-2-1所示。
从图中可以看出,对于一个最简单的数字钟而言,除了输入控制方法具备数字钟自身的特点之外,LED显示模块和外部存储器的存取操作均是单片机的通用方法。
数字钟的形式众多,有纯硬件的,有软硬件结合的等等。
纯硬件制作的数字钟有着成本高、结构复杂的特点,难以提高响应速度。
通常,我们使用软硬件相结合的方式来做电子钟。
方案一:
使用89C2051单片机的智能电子钟
AT89C2051是性价比很好的单片机,它的I/O吸入电流可以达到20mA,可以直接驱动LED数码管和蜂鸣器;具有2个硬件定时器,非常适合制作电子钟。
设计的原始电路见下图1-2-2,整个电路用25个元器件。
用P1口的8根线驱动LED数码管的段码;用P3口驱动LED数码管的位脚。
由于89C2051的I/O脚的上拉内阻有14K左右,无法为LED数码管提供必要的工作电流,特添加了8只1K电阻,使LED数码管的每段电流在2mA左右。
数码管全部点亮时电流约16mA小于20mA,89C2051可以安全工作[1]。
图1-2-289C2051单片机电子钟的电路原理图
为了节省I/O线,键盘处理采用动态扫描方式。
先置P30=0,P31=P32=1,再读取P31、P32的状态,如果P31、P32=0,则说明有键按下。
进行必要的去抖动处理后,便可得到相应的键值。
(元器件表见元器件表1.2)。
表1.2元器件
名称
型号及参数
数量(个)
备注
数码管0.5’
FJS101AH
4
共阴高亮(红)
数码管0.36’
LF1036
1
共阴高亮(红)
电阻(金膜)
1/4W1KΩ
1/4W10Ω
8
1
电容(瓷片)
104P
1
电容(电解)
100uF/16V
1
集成块插座
DIP-20P
1
晶振
6MHz
1
集成块
89C2051
1
充电池
3.6v/270mAH
1
变压器
2W单6V
1
二极管
IN4007
1
按键开关
5x5
2
蜂鸣器
3v(长音)
1
自带音源
方案弃用原因:
1、使用AT89S51是因为此芯片比较新型,价格便宜,引脚功能多。
2、程序存储器写入方式,二者的写入程序的方式不同。
89C51只支持并行写入,同时需要VPP烧写高压。
89S51则支持ISP在线可编程写入技术,串行写入、速度更快、稳定性更好,烧写电压也仅仅需要4~5V即可。
3、电源范围:
89S5*电源范围宽达4~5.5V,而89C5*系列在低于4.8V和高于
5.3V的时候则无法正常工作。
4、工作频率:
89S5*系列支持最高高达33MHZ的工作频率,而89C51工作频率范围最高只支持到24M[4]、[5]。
5、找到更好的一种办法,可以即简洁明了,又快速可靠地完成毕业设计的任务书要求,详见方案二。
方案二:
运用AT89S51系列单片机制作的单片机
基于单片机的定时和控制装置在许多行业上的广泛的应用,而数字钟是其中最基本,也是最具有代表性的一个例子。
在基于单片机系统的数字钟电路中,除了基本的单片机系统和外围电路外,还需要外部的控制和显示装置。
在本例中,输入装置是按键开关,由于控制数字钟的运行模式,显示装置是LED七段数码管。
第2章系统电路的设计方案
2.1系统方案的提出
单片机的使用主要表现在以下三个方面:
1、数字钟的结构简单,并且具备最小单片机系统的基本构成。
2、数字钟电路中使用了单片机系统中最为常用的输入输出设备:
按键开关和数码管。
3、数字钟程序是以反映单片机系统中定时器和中断的用法。
单片机系统中的定时和中断是单片机最重要的资源,也是应用最为广泛的功能。
数字钟程序主要就是利用定时器和中断实现计时和显示功能。
按要求,本次的毕业设计要求完成的内容包括:
1、时钟精度:
±30秒/天。
2、可进行时、分、秒的调整。
3、采用六位数字显示。
4、具有报时功能。
上面所提到的技术指标的意义,主要包含了:
1、定时器的使用:
本设计中通过实现24小时时钟和秒表,充分说明了单生机定时器使用方法。
2、计数器的使用:
本设计中通过实现24小时时钟和秒表的调整,充分利用了单片机定时器的计数功能。
3、中断的使用:
通过设计24小时时钟和秒表的控制模式,详细地体现了单片机中的中断使用方法及其功能。
4、LED的使用:
本设计中的输出部分就是LED数码管。
便携式仪表的主要功能模块分为3类:
1、输入控制:
是指在一定要求下,采取何种形式的控制方式来实现数字钟不同功能的转换,以主控制指令以何种方式传送到单片机。
2、LED数码显示:
是指单片机将需要显示的数据发送到LED显示模块按照一定的格式显示的功能。
3、外部存储:
是指单片机通过对外部存储器的读写操作,完成对数据的存储和读取,从而扩展单片机的存储单元和数据。
2.2技术方案
一个完整的数字钟电路相当于一个简单的单片机系统,该系统由输入脉冲电路、单片机、晶振和复位电路、外部存储器电呼和LED显示电路5个方面构成。
其中,除了单片机是集成的IC芯片,而其他4个部分则需根据应用要求而自行设计。
1、LED的选择
(1)器件分类
LED发光器件一般常用的有两类:
数码管和点阵。
常用的数码管一般为8字型数码管,分为A、B、C、D、E、F、G、DP八段,其中DP为小数点。
数码管常用的有10根管脚,每一段有一根管脚,另外两根管脚为一个数码管的公共端,两根之间相互连通。
如图2.2所示。
(a)管脚定义(b)内部电路
图2-2LED的管脚和电路原理
从尺寸上分,LED数码管的种类很多,常用的有0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.3、3.0、4.0、5.0等。
一般小于1.0的为单管芯,1.2~1.5为双管芯,1.8以上的为3个以上管芯,因而它们的供电电压要求不同,一般每个管芯的压降为2.1V左右。
通常,0.8以下采用5V供电,1.0~2.3采用12V供电,3.0以上的选择更高电压供电。
从电路上,数码管又可分共阴和共阳两种。
根据以上的知识点,可以确定,本次设计所用的电源为5V供电制[1]。
2、控制指令的输入
外部指令在单片机中的输入一般是通过按键、开关和键盘等输入器件实现的。
在本次的设计中,按键和开关以实现数字钟运行模式的切换和相关输入的操作。
1)开关S1
开关S1的作用是功能设置键。
当S1为1.0时,系统进入闹铃的调整状态;当S1为0.0时,系统进入时钟的调整状态。
2)开关S2
开关S2的作用是“+”键,主要的功能是将数字往上加。
顺序是1、2、3、……9、0、1、2……,当系统进入设置状态时,此键功能才能动作,否则,此键功能不运作。
3)开关S3
开关S3的作用是移位键。
当系统进入设置状态时,此键的功能才会运作,否则此键功能不运作。
此键的主要功能是:
在数码管的时和分之间进行切换。
4)开关S4
开关S4的作用是确定键。
当系统进入设置状态时,此键的功能才会运作,否则此键的功能不运作。
此键的主要功能是:
将系统新近调整的时间作为系统的当前时间,再进行时间的运行,或是将系统新近调整的闹铃作为系统的闹铃时间。
基于单片机的数字钟在设计时需要解决3个方面的主要问题:
一个是LED显示模块的驱动和编程,二是有关单片机中定时器的使用,三是如何利用单片机的外中断实现时钟功能和运行模式的转化。
1、LED的显示和驱动——主要是设计LED数码管和单片机的接口电路,以及利用单片机对LED数码管进行驱动和显示操作。
2、定时器的使用——是单片机中最为基础和重要的资源之一。
3、外中断的使用——是单片机中最为基础和重要的资源之一。
2.3主要芯片的选择及功能
本次设计选用了以下的元器件作为实验器件。
表2.3本次设计用器件
名称
型号及参数
数量(个)
备注
单片机
AT89S51
1
晶振
12MHz
1
数码管
TBC5011E
6
共阳高亮(红)
集成电路
74LS164
6
三极管
S9013
1
蜂鸣器
5V
1
电阻
1K,1/4W
7
1/4W
5.1K
4
6.8K
1
瓷片电容
10PF
2
104/63V
电解电容
22μF/25V
1
220μF/25V
1
IC插座
DIP40
1
DIP14
6
按钮
12*12(mm)
4
塑料基座
一、74LS164
74LS164是一个移位寄存器。
移位寄存器除了具有存储代码的功能以外,还具有移位功能。
1、存储功能。
寄存器用于寄存一组二值代码,它被广泛地用于各类数字系统和数字计算机中。
因为一个触发器能储存1位二值代码,所以用N个触发器组成的寄存器能储存一组N位的二值代码。
对寄存器中的触发器只要求它们具有置1、置0的功能即可,因而无论是用同步RS触发器,还是用主从结构或边沿触发器结构的触发器,都可以组成寄存器。
2、移位功能。
所谓移位功能,就是指寄存器里存储的代码能在移位脉冲的作用下依次左移或右移。
因此,移位寄存器不但可以用来寄存代码,还可以用来实现数据的串行—并行转换、数值的运算以及数据处理等。
图2-3所示电路是由边沿触发器结构的D触发器组成的4位移位寄存器。
其中第一个触发器FF0的输入端接收输入信号,其余的每个触发器输入端均与前边一个触发器的Q端相连。
图2-3用D触发器构成的移位寄存器
因为从CP上升沿到达开始到输出端新状态的建立需要经过一段传输延迟时间,所以当CP的上升沿同时作用于所有的触发器时,它们输入端(D端)的状态还没有改变。
于是FF1接Q0原来的状态翻转,FF2按Q1原来的状态翻转,FF3按Q2原来的状态翻转。
同时,加到寄存器输入端D1的代码存入FF0。
总的效果相当于移位寄存器里原有的代码依次右移了一位。
二、晶体振荡器
在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求。
例如,在将多谐振荡器作为数字钟的脉冲使用时,它的频率稳定性直接影响着计时的准确性。
在这种情况下,我们就使用石英晶体多谐振荡器。
因为在环形振荡器、施密特触发器等这些多谐振荡器中振荡频率主要取决于门电路输入电压在充、放电过程中达到转换电平所需要的时间,所以频率稳定性不可能很高。
目前普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体,组成石英晶体多揩振荡器。
把石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来,就组成了石英晶体多谐振荡器。
石英晶体多谐振荡器的振荡频率取新局面于石英晶体的固有揩振频率f0,而与外接电阻、电容无关。
石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定,具有极高的频率稳定性。
它的频率稳定度足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要
求。
具有各种谐振频率的石英晶体已被制成标准化和系列化的产品出售。
因此,本次设计中,使用的振荡器为12M晶体振荡器。
而之所以选12M是因为,12M正好是1μs的机器周期,计算方便[7]。
三、AT89S51系列单片机
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
表2.3介绍了AT89S51系列单片机的特点。
表2.3AT89S51单片机的特点
·兼容MCS-51指令系统
·4k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM
·32个双向I/O口
·4.5-5.5V工作电压
·2个16位可编程定时/计数器
·时钟频率0-33MHz
·全双工UART串行中断口线
·128x8bit内部RAM
·2个外部中断源
·低功耗空闲和省电模式
·中断唤醒省电模式
·3级加密位
·看门狗(WDT)电路
·软件设置空闲和省电功能
·灵活的ISP字节和分页编程
·双数据寄存器指针
第3章LED的显示方法与显示电路
3.1LED的显示方法
用单片机驱动LED数码管有很多方法,按显示方式分,有静态显示和动态显示,按译码方式可分为硬件译码和软件译码。
静态显示是显示驱动电路具有输出锁存功能,单片机将要显示的数据送出后不再控LED,直到下次显示时再传送一次新的显示数据。
静
态显示的数据稳定,占用的CPU时间少。
动态显示要CPU时刻对显示器件进行数据刷新,显示数据有闪烁感,占用CPU时间多。
这两种显示方式各有利弊:
动态显示虽然使用的硬件少,能节省线路板空间。
但是有闪动感,占用的CPU时间多;静态显示虽然每个显示单元都需要单独的显示驱动电路,使用的电路硬件较多,但是数据显示稳定,占用很少的CPU时间。
所谓动态显示,就是一位一位轮流点亮各位显示器(扫描),对于每一位显示器来说,每隔一段时间点亮一次。
显示器的亮度既与导通电电流有关,也与点亮时间和间隔时间的比例有关。
调整电流和时间参数,可实现亮度较高较稳定的显示。
若显示器的位数不大于8位,则控制显示器公共极电位只需一个8位口(称为扫描口),控制各位显示器所显示的字形也需一个8位口(称为段数据口)。
其接口电路是把所有LED显示器的8个段A~G、DP的同名端连在一起,而每一个数码管的公共端COM是各自独立地受I/O线控制。
CPU向字段输出口送出字形码时,所有显示器接收到相同的字形码,但究竟是那个显示器亮,则取新局面于COM端,而这一端是由I/O控制的,可以自行新局面定何时显示哪一位了。
而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法,轮流控制各个显示器的COM端,使各个显示器轮流点亮[1]。
在轮流点亮扫描过程中,每位显示器的点亮时间是极为短暂的,约1ms左右,但由于人的视觉暂留现象及光光二极管的余辉效应,尽管实际上各位显示器并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感。
本次设计中所用到的是静态显示。
所谓静态显示,就是当显示器显示某一个字符时,相应的发光二极管恒定地导通或截止,例如一段显示器的a、b、c、d、e、f、导通,g·截止时显示“0”。
这种显
示方式的每一个七段显示器需要一个8位输出口控制。
作为MCS-51串行口方式0输出的应用,我们可以在串行口上扩展多片串行输入并行输出的移位寄存器74LS164作为静态显示器接口。
图3-1给出了8位静态显示器的接口逻辑。
下面列出更新显示器子程序清单:
DIR:
MOVR7,#08H
MOVR0,#7FH;7FH~78H为显示缓冲器
DL0:
MOVA,@R0;取出要显示的数
ADDA,#0BH;加上偏移量
MOVCA,@A+PC;查表取出字形数据
MOVSBUF,A;送出显示
DL1:
JNBT1,DL1;输出完否?
CLRT1;完,清中断标志
DECR0;再取下一个数
DJNZR7,DL0;循环8次
RET;返回
SEGTAB:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H;0,1,2,3,4
DB6DH,7DH,07H,7FH,6FH;5,6,7,8,9
图3-18位静态显示器接口
静态显示的优点是:
显示稳定,在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度大,系统在运行过程中,仅仅在需要更新显示内容时CPU才执行一次显示更新子程序,这样大大节省了CPU的时间,提高CPU的工作效率;其缺点是位数较多时显示口随之增加[3]。
3.2显示电路
在本次设计中,所用到的LED的显示电路如图3-2所示:
图3-2本次设计中所用到的LED显示电路
3.3串行口与并行口
本次设计中采用的74LS164是一个移位寄存器,所用到的串、并是:
六个74LS164之间是串行接入;74LS164与单片机之间是串行接入;74LS164与LED之间是并行接入;因为74LS164是移位寄存器,所以,要求“串入并出”。
3.3.1串行接口
中央处理器CPU和外界的信息交换称为通信。
通常有并行和串行两种通信方式,数据的各位同时传送的称为并行通信,数据一位一位串行地顺序传送的称为串行通信。
并行通信通过并行接口来实现,例如MCS-51的P1口就是并行接口。
P1口作为输出口时,CPU将一个数据写入P1口以后,数据在P1口上并行地同时输出到外部设备。
P1口作为输入口时,对P1口执行一次读操作,在P1口上输入的8位数据同时被读出。
串行通信通过串行口来实现。
MCS-51有一个全双工的异步串行接口可以用于串行数据通信。
在并行通信中信息传输线的根数和传送的数据位数相等,通信速度快,适合于近距离通信;全双工的串行通信仅需一根发送线和一根接收线,半双工串行通信用一根线发送或接收,串行通信适合于远距离通信,虽然速度慢,但成本可以在为降底[2]。
串行通信有两种基本方式:
异步通信方式和同步通信方式。
异步通信方式是按字符传送的,字符的前面有一个起始位(0),后面有一个停止位
(1),这是一种起止式的通信方式,字符之间没有固定的间隔长度。
这种方式的优点是数据传送的可靠性较高、能及时发现错误,缺点是通信效率比较低。
同步通信是按数据块传送的,把传送的字符顺序地连接起来,组成数据块。
在数据块前面加上特殊的同步字符,作为数据块的起始符号,在数据块的后面加上校验字符,用于校验通信中的错误。
在同步通信中字符之间是没有间隔的,通信效率比较高。
特殊功能寄存器SCON存放串行口的控制和状态信息,串行口用定时器T1或T2(8052等)作为波特率发生器(发送接收时钟),特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD为串行口波特率的倍特率控制位。
MCS-51串行接口具有四种工作方式,它们是由SCON中的SM0,SM1这两位定义的。
一、方式0
方式0是扩展移位寄存器的工作方式,以串行扩展I/O接口。
输出时将发送数据缓冲器中的内容串行地移到外部的移位寄存器,输入时将外部移位寄存器内容移入内部的输入移位寄存器,然后写入内部的接收数据缓冲器。
在以方式0工作时,数据由RXD串行地输入/输出,TXD输出移位脉冲,使外部的移位寄存器移位。
波特率固定为振荡器频率的十二分之一。
方式0输出时,串行口上外接74LS164串行输入并行输出移位寄存器的接口逻辑图如图3.3.1
(1)所示。
TXD端输出的移位脉冲将RXD端输出的数据移入74LS164。
图3-3-1-1方式0输出时连接移位寄存器
CPU对发送数据缓冲器SBUF写入一个数据,就启动串行口从低位开始串行发送,经过8个机器周期,串行口输出数据缓冲器内容移入外部的移位寄存器74LS164,置位TI,串行口停止移位,于是完成一个字节的输出。
由此可见,在串行口移位输出过程中,74LS164的输出状态是动态变化的。
若fosc=12MHz,则这个时间为8μs。
另外,串行口是从低位开始串行输出的,所以在图3.3.1
(1)中,数据的低位在右高位在左,串行方式0输出时,可以串接多个移位寄存器。
3.3.2并行接口
典型的MCS-51单片机有四个双向8位输入/输出口P0~P3口,每一个口都由口锁存器、输入缓冲器/输出驱动器所组成。
一、P3口
P3口作为多功能口,它的第一功能为准双向口,其特性和P1口相似,第二功能为特殊输入/输出线。
其定义见表3.3.2。
P3口锁存器Q端接与非门驱动输出场效应管T,该与非门的另一个控制端为第二功能输出线。
P3口的引脚状态通过输入缓冲器输入到内部总线和第二功能输入线。
表3.3.2P3口的第二功能定义
口引脚
第二功能
口引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行输入线)
P3.4
TO(定时器T0外部计数脉冲输入线)
P3.1
TXD(串行输出线)
P3.5
T1(定时器T1外部计数脉冲输入线)
P3.2
INT0(外部中断0输入线)
P3.6
WR(外部数据存贮器写脉冲输出线)
P3.3
INT1(外部中断1输入线)
P3.7
RD(外部数据存贮器读脉冲输出线)
P3口的每一位可以分别定义为第一功能输入/输出线或第二功能输入/输出线。
P3口的某一位作为每一功能输入/输出线时,第二功能输出线总是为高电平,该位引脚输出电平仅取决于口锁存器的状态,为“1”时输出高电平,为“0”时输出低电平。
同样,P3口的某一位作为输入线时,该位口锁存器应保持“1”,使输出场效应管T截止,引脚状态由外部输入电平所确定。
P3口的某一位作为第二功能输入/输出线时,该位的口锁存器也必须保持“1”,使输出场效应管的状态由第二功能输出确定。
一般情况下,P3口部分口线作为第一功能输入/输出线,另一部分线作为第二功能输入/输出线,对于输
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- 毕业论文 简易 电子钟 制作 硬件 设计