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电子技术课程设计
电子技术课程设计
题目名称:
多功能数字钟
班级:
自动化1302
学号:
201305165008
姓名:
汪帆
指导教师:
武达亮
日期:
2015.6.15-2015.6.22
多功能数字钟的设计
内容摘要:
数字电子钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置,与传统的机械钟相比,它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点,因而得到了广泛的应用。
小到人们日常生活中的电子手表,大到车站、码头、机场等公共场所的大型数显电子钟。
本设计实验以中规模数字集成电路为主,介绍一种数字电子钟的设计方法。
本实验用555定时器组成的多谐振荡器、计数器、显示器和校时电路组成。
本实验采用了74LS系列中小规模集成芯片。
总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。
其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩展电路完成数字钟的扩展功能。
通过本次设计实验与制作:
进一步加强数字电路综合运用能力,掌握数字电路的设计技巧,增进实践能力;熟悉数字电子钟的工作原理;了解并掌握数字电子钟系统设计、组装、调试及故障排除方法。
关键词:
数字电子钟、计数器、显示器、校时电路、调试
一.设计任务和要求
(一)设计内容
设计一个多功能的数字钟。
(二)设计要求及技术指标
1.以数字形式显示时、分、秒的时间。
2.小时的计时要求为24进制,分钟和秒的计时要求为60进制。
3.能手动快速校时、校分。
4.具有整点报时功能。
5.具有秒表计数功能。
6.具有闹钟功能。
7.电路中所需的直流电源需自行设计。
二.整体设计原理及框图
(1)设计原理
1、主电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成
2、秒信号产生器是整个系统的时基信号,它直接决定计时系统的精度,一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。
将标准秒信号送入“秒计数器”,“秒计数器”采用60进制计数器,每累计60秒发出一个“分脉冲”信号,该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。
“分计数器”也采用60进制计数器,每累计60分钟,发出一个“时脉冲”信号,该信号将被送到“时计数器”。
“时计数器”采用24进制计时器,可实现对一天24小时的累计
3、译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态菁七段显示译码器译码,通过六位LED七段显示器显示出来
4、整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号,然后去触发一音频发生器实现报时
5、校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整的
(2)电路的总体原理框图
根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块:
单片机模块、数码显示模块与按键模块,模块之间的关系图如下面得方框电路图1所示
图1硬件电路方框图
(3)实现时钟计时的基本方法
利用STC系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现时钟计数。
(1)计数初值计算:
把定时器设为工作方式1,定时时间为50ms,则计数溢出20次即得时钟计时最小单位秒,而100次计数可用软件方法实现。
假设使用T/C0,方式1,50ms定时,fosc=12MHz。
则初值X满足(216-X)×1/12MHz×12μs=50000μs
X=15536→0011110010110000→3CB0H
(2)采用中断方式进行溢出次数累计,计满20次为秒计时(1秒);
(3)从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比较实现。
(4)电子钟的时间显示
电子钟的时钟时间在六位数码管上进行显示,因此,在内部RAM中设置显示缓冲区共8个单元。
LED8 LED7 LED6 LED5 LED4 LED3 LED2 LED1
37H 36H 35H 34H 33H 32H 31H 30H
时十位 时个位 分隔 分十位 分个位 分隔 秒十位 秒个位
(5)电子钟的时间调整
电子钟设置3个按键通过程序控制来完成电子钟的时间调整。
A键按一次调整时,按第二次调整分钟,第三次推出时间调整;
B键对小时或分钟进行加一;
C键对小时或分钟进行减一;
(6)总体方案介绍
计时方案
利用ATC89C51单片机内部的定时/计数器进行中断时,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,对单片机的指令系统能有更深入的了解,从而对学好单片机技术这门课程起到一定的作用。
控制方案
ATC89C51的P0口和P1口外接由八个LED数码管(LED8~LED1)构成的显示器,用P0口作LED的段码输出口,P1口作八个LED数码管的位控输出线,P3口外接四个按键A、B、C构成键盘电路。
ATC89C51是一种低功耗,高性能的CMOS8位微型计算机。
它带有8KFlash可编程和擦除的只读存储器(EPROM),该器件采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术制造,与工业上标准的80C51和80C52的指令系统及引脚兼容,片内Flash集成在一个芯片上,可用与解决复杂的问题,且成本较低。
简易电子钟的功能不复杂,采用其现有的I/O便可完成,所以本设计中采用此的设计方案。
(7)软件设计分析
在编程上,首先进行了初始化,定义程序的的入口地址以及中断的入口地址,在主程序开始定义了一组固定单元用来储存计数的时.分.秒,在显示初值之后,进入主循环。
在主程序中,对不同的按键进行扫描,实现秒表,时间调整,复位清零等功能,系统总流程图如下图:
三.各模块设计原理
(1)最小系统
芯片分析
ATC89C51单片机引脚图如下:
图3-1ATC89C51引脚图
MCS-51单片机是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片,其各引脚功能如下:
VCC:
+5V电源。
VSS:
接地。
RST:
复位信号。
当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效,用完成单片机的复位初始化操作。
XTAL1和XTAL2:
外接晶体引线端。
当使用芯片内部时钟时,此二引线端用于外接石英晶体和微调电容;当使用外部时钟时,用于接外部时钟脉冲信号。
P0口:
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,当作输出口使用时,必须接上拉电阻才能有高电平输出;当作输入口使用时,必须先向电路中的锁存器写入“1”,使FET截止,以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,它不再需要多路转接电路MUX;因此它作为输出口使用时,无需再外接上拉电阻,当作为输入口使用时,同样也需先向其锁存器写“1”,使输出驱动电路的FET截止。
P2口:
P2口电路比P1口电路多了一个多路转接电路MUX,这又正好与P0口一样。
P2口可以作为通用的I/O口使用,这时多路转接电路开关倒向锁丰存器Q端。
P3口:
P3口特点在于,为适应引脚信号第二功能的需要,增加了第二功能控制逻辑。
当作为I/O口使用时,第二功能信号引线应保持高电平,与非门开通,以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。
当输出第二功能信号时,该位应应置“1”,使与非门对第二功能信号的输出是畅通的,从而实现第二功能信号的输出,具体第二功能如表3-1所示。
P3引脚
兼用功能
P3.0
串行通讯输入(RXD)
P3.1
串行通讯输出(TXD)
P3.2
外部中断0(INT0)
P3.3
外部中断1(INT1)
P3.4
定时器0输入(T0)
P3.5
定时器1输入(T1)
P3.6
外部数据存储器写选通WR
P3.7
外部数据存储器写选通RD
表3-1 P3端口引脚兼用功能表
晶振电路
右图所示为时钟电路原理图,在AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。
而在芯片内部,XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激振荡器。
时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后,才成为单片机的时钟脉冲信号。
图3-2晶振电路
复位电路
单片机复位的条件是:
必须使RST/VPD或RST引(9)加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。
例如,若时钟频率为12MHz,每机器周期为1μs,则只需2μs以上时间的高电平,在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。
单片机常见的复位如图所示。
电路为上电复位电路,它是利用电容充电来实现的。
在接电瞬间,RESET端的电位与VCC相同,随着充电电流的减少,RESET的电位逐渐下降。
只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期,便能正常复位。
该电路除具有上电复位功能外,若要复位,只需按图中的RESET键,此时电源VCC经电阻R1、R2分压,在RESET端产生一个复位高电平。
图3-3 单片机复位电路
(2)数码显示模块设计
显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据,按照材料及产品工艺,单片机应用系统中常用的显示器有:
发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。
LED显示器是现在最常用的显示器之一,如下图所示。
图3-4LED显示器的符号图
发光二极管(LED)由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成,可以单独使用,也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件(半导体显示器)。
分段式显示器(LED数码管)由7条线段围成8字型,每一段包含一个发光二极管。
外加正向电压时二极管导通,发出清晰的光。
只要按规律控制各发光段亮、灭,就可以显示各种字形或符号。
LED数码管有共阳、共阴之分。
图是共阳式、共阴式LED数码管的原理图和符号.
图3-5共阳式、共阴式LED数码管的原理图和数码管的符号图
系统采用动态显示方式,用P0口来控制LED数码管的段控线,而用P2口来控制其位控线。
动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示,即循环点亮每一个数码管,这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮,但由于人眼存在视觉残留效应,只要每位数码管间隔时间足够短,就可以给人以同时显示的感觉。
(3)按键模块
下图为按键模块电路原理图,A为复位键,B为时钟调控键,C为分钟调控键。
图3-6按键模块电路原理图
(4)整点报时模块
整点报时用蜂鸣器响声来代替,当显示整点时,蜂鸣器将响一秒钟,
图3-7蜂鸣器电路原理图
四.电路仿真
五.设计收获及体会
1、设计过程中遇到的问题及解决方法
本次设计的单片机电子钟系统中,其误差主要来源包括晶体频率误差,定时器溢出误差,延迟误差。
晶体频率产生震荡,容易产生走时误差;定时器溢出的时间误差,本应这一秒溢出,但却在下一秒溢出,造成走时误差;延迟时间过长或过短,都会造成与基准时间产生偏差,造成走时误差。
2、设计体会
在这次课程设计中,虽然在过程中有点磕磕绊绊。
首先,给的一些题目既可以用单片机又可以用数电的知识做,我觉得单片机做起来比数电更简单,操作性和控制性更强,我对此心生向往,但我还没有学过单片机,有关单片机的知识必须查阅相关的资料,我觉得这锻炼了我的自学能力和动手能力。
还有这个仿真软件proteus里面的操作很多都不会,包括如何查找相应的器件以及这些器件的名称,还有单片机识别的代码的后缀文件.hex如何借用keli生成,因为我用的都是英文版本,更显得举步维艰,但在操作过程中我也变得更熟悉这个设计了。
单片机的代码因为和c语言的语法差不多,加上查询的一些资料,代码也会写了。
另外,要做好一个课程设计,就必须做到:
在设计程序之前,对所用单片机的内部结构有一个系统的了解,知道该单片机内有哪些资源;要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图;在设计程序时,不能妄想一次就将整个程序设计好,反复修改、不断改进是程序设计的必经之路;要养成注释程序的好习惯,一个程序的完美与否不仅仅是实现功能,而应该让人一看就能明白你的思路,这样也为资料的保存和交流提供了方便;在设计课程过程中遇到问题是很正常德,但我们应该将每次遇到的问题记录下来,并分析清楚,以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束了,但是从中学到的知识会让我受益终身。
发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。
设计过程,好比是我们人类成长的历程,常有一些不如意,但毕竟这是第一次做,难免会遇到各种各样的问题。
在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,不能灵活运用。
参考文献
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电子工业出版社,2006.5-7
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[3]康华光.电子技术基础(数字部分)[M].高等教育出版社.2005
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西南交通大学出版社,2004
[5]龚云新,胡长盛.单片机实用技术教程[M].北京:
北京师大出版社,2007.6
[6]余发山,王福忠等.单片机原理及应用技术[M].徐州:
中国矿业大学出版社,2003
[7]黄继昌,乔苏文,张海贵.实用报警电路[M].北京:
人民邮电出版社,2005.2
[8]徐爱钧.8051单片机实践教程—asm51汇编语言与C51高级语言应用[M].北京:
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[9]徐曼.电子基础与技能[M].北京:
电子工业出版社,2006.6
[10]欧阳文.ATMEL89系列单片机的原理及开发实践[M].北京:
中国电力出版社,2007
附录
1.原器件清单表
电子钟元件清单如下表所示:
电子钟元器件清单
元件名称
规格型号
数量(个)
单片机
ATC89C51
1
8位一体的共阴LED显示器
sm420364
1
晶振
12MHz
1
电容
33pF
2
电容
22μF
1
按键
BUTTON
5
电阻
0.2K
1
电阻
1K
1
上拉电阻
10K
4
排阻
RESPACK-8/10K
1
2.整个系统的电路图
3.源程序清单
#include
unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40,0x00};
unsignedchartemp,t0,t1,counter,hou,min,sec;
sbitd1=P2^0;
voiddelay()
{
unsignedcharx,y;
for(x=2;x>0;x--)
for(y=100;y>0;y--);
}
voidinit()
{
t0=0;
d1=0;
counter=0;
hou=12;
min=0;
sec=0;
TMOD=0x01;
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
}
voiddisplay(hou,min,sec)
{
P1=0xfe;
P0=table[hou/10];
delay();
P1=0xfd;
P0=table[hou%10];
delay();
P1=0xfb;
P0=table[10];
delay();
P1=0xf7;
P0=table[min/10];
delay();
P1=0xef;
P0=table[min%10];
delay();
P1=0xdf;
P0=table[10];
delay();
P1=0xbf;
P0=table[sec/10];
delay();
P1=0x7f;
P0=table[sec%10];
delay();
P0=table[11];
}
voidmain()
{
init();
while
(1)
{
P3=0xff;
temp=P3;
while(temp==0xfb)
{
delay();
temp=P3;
while(temp==0xfb)
{
counter++;
if(counter==3)
counter=0;
while(temp==0xfb)
{
temp=P3;
display(hou,min,sec);
}
}
}
if(counter==0)
display(hou,min,sec);
else
{
P3=0xff;
temp=P3;
while(temp==0xf7||temp==0xef)
{
delay();
temp=P3;
while(temp==0xf7||temp==0xef)
{
temp=P3;
if(counter==1)
{
switch(temp)
{
case0xf7:
{
hou++;
if(hou==24)
hou=0;
}
break;
case0xef:
{
hou--;
if(hou==-1)
hou=23;
}
break;
}
}
if(counter==2)
{
switch(temp)
{
case0xf7:
{
min++;
if(min==60)
min=0;
}
break;
case0xef:
{
min--;
if(min==-1)
min=59;
}
}
}
while(temp==0xf7||temp==0xef)
{
temp=P3;
display(hou,min,sec);
}
}
}
P1=0xfb;
P0=table[10];
delay();
P1=0xdf;
P0=table[10];
delay();
P1=0xbf;
P0=table[sec/10];
delay();
P1=0x7f;
P0=table[sec%10];
delay();
switch(counter)
{
case1:
{
P1=0xf7;
P0=table[min/10];
delay();
P1=0xef;
P0=table[min%10];
delay();
if(t0<=10)
{
P1=0xfe;
P0=table[hou/10];
delay();
P1=0xfd;
P0=table[hou%10];
delay();
}
else
{
P1=0xfe;
P0=table[11];
delay();
P1=0xfd;
P0=table[11];
delay();
}
}
break;
case2:
{
P1=0xfe;
P0=table[hou/10];
delay();
P1=0xfd;
P0=table[hou%10];
delay();
if(t0<10)
{
P1=0xf7;
P0=table[min/10];
delay();
P1=0xef;
P0=table[min%10];
delay();
}
else
{
P1=0xf7;
P0=table[11];
delay();
P1=0xef;
P0=table[11];
delay();
}
}
break;
}
}
}
}
voidtimer0()interrupt1
{
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
t0++;
t1++;
if(t0==20)
{
t0=0;
sec++;
if(sec==60)
{
sec=0;
min++;
if(min==60)
{
min=0;
hou++;
d1=1;
t1=0;
if(hou==24)
{
hou=0;
}
}
}
}
if(t1==20)
{
d1=0;
t1=0;
}
}
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