单片机电子钟.docx
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单片机电子钟
《单片机技术》课程设计说明书
数字电子钟
院、部:
电气与信息工程学院
学生姓名:
xxxx
指导教师:
肖冬瑞职称助教
专业:
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
班级:
电气xxxx班
完成时间:
201x年x月
摘要
数字电子钟在生活中应用非常广泛,随着生活节奏越来越快,人们对时间也越来越重视,因此,一个简单、方便、准确的电子钟更加容易受到人们的青睐。
所以设计一个简易数字电子钟很有必要。
设计以AT89S52为核心,主要进行的是以AT89S52存储器低功耗的字符型数字钟的研究。
设计系统中带有两个四位一体数码管显示,另外设置按键来提供简单的使用方法,操作简单,该数字钟能长久、连续、准确、稳定的工作。
本设计中采用单片机软件编程来实现键盘、数码管显示等各模块的功能。
在此次设计中,电路具有显示时间的基本功能,还可以实现对时间的调整。
数字钟小巧,价格低廉,走时精度高,使用方便,功能多,便于集成化而受广大消费的喜好,因此得到了广泛应用,具有一定的实际使用价值
关键词:
数字电子钟;AT89S52;单片机最小系统;数码管;键盘
目录
1绪论3
1.1 设计背景及设计任务3
1.2 国内外研究现状3
1.3 课题研究方法3
2设计任务、功能要求说明及方案介绍3
2.1设计任务3
2.2功能要求说明3
2.3方案介绍3
2.4工作原理说明3
3硬件系统的设计3
3.1硬件系统各模块功能简要介绍3
3.1.1电源电路5
3.1.2单片机最小系统模块3
3.1.3LED数码管显示模块3
3.1.4按键电路模块3
3.1.5下载口电路模块3
3.2电路原理图、PCB图及元器件清单3
3.2.1电路原理图3
3.2.2PCB图及元器件清单3
4软件系统的设计3
4.1使用单片机资源的情况3
4.2软件系统各模块功能简要介绍3
4.3软件系统程序流程框图3
4.4设计课题软件系统程序清单3
5设计结论、仿真测试及误差分析3
5.1设计结论及使用说明3
5.2仿真测试3
5.3误差分析3
结束语3
参考文献3
致谢3
附录3
附录A:
程序清单3
附录B:
电路原理图3
附录C:
电路PCB图3
附录D:
元器件清单3
附录E:
实物图3
1绪论
1.1 设计背景及设计任务
电压表已有100多年的发展历史,虽然不断改进与完善,仍无法满足现代电子测量的需要。
近20年来,微电子技术、计算机技术、集成技术、网络技术等高新技术得到了迅猛发展。
这一背景和形势,不断地向仪器仪表提出了更高、更新、更多的要求,如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等,同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力,并成了仪器仪表进一步发展的物质、知识和技术基础。
数字电压表自1952年问世以来,显示出强大的生命力,现已成为在电子测量领域中应用最广泛的一种仪器。
数字电压表可以显示清晰,直观,读数准确,准确度高,分辨力高,测量范围广,扩展能力强.测量速度快,输入阻抗高,集成度高,微功耗和抗干扰能力强等有点独占电压表产品的鳌头。
1.2 国内外研究现状
1952年由美国NLS公司所研制的比较型DVM最旱出现于世界的DVM了.它是一种将被测电压变换为时间间隔,并以此时间间隔去驱动脉冲发生器,由计数器读取其脉冲数的类似现代计数式的变换装置。
它的特点是直接控制振荡器。
目前数字电压表正进入一个蓬勃发展的新时期。
一方面它开拓了电子测量领域的先河,另一方面它本身正朝着高准确度,智能化,低成本的方向发展。
数字电压表的新产品总是依托新技术而问世的。
近些年来,新技术的涌现,不断的被采用,迅速转化成生产力。
集成电路强大的生命力在于应用。
目前国内外都在积极开发供数字仪表使用的单片专用IC,为研制高性价比数字电压表以及智能仪器创造了条件。
采用多重显示仪表能同时显示同一被测信号的两种不同参数,例如交换电压值与频率值。
近年来,电子模块,电子模板,表面安装元件,超小型集成电路等新器件正越来越广泛的用于数字电压表中。
此外,数字电压表在安装工艺,外观设计,安全性,可靠性等方面也在不断改进,日趋完善。
1.3 课题研究方法
根据数字电路课程设计要求,在指定时间内系统的完成电路的设计、组装以及调试。
一、选题,根据数字电路技术基础课本大纲的要求,在网上搜集课题,筛选出能够体现和运用数字电路基本知识点的选题,确定设计方向。
二、根据选题进行思考,找出选题涉及的知识点,根据工作原理和相关专业知识,做到理解透彻,理清设计思路。
三、系统的对选题进行有层次的设计,画出初始电路图,再进一步的改进。
四、根据电路图连线、调试,使电路完成预期的设计要求和功能,并使电路达到最好的运行状态。
2设计任务、功能要求说明及方案介绍
2.1设计任务
设计一个具有特定功能的电子钟。
演示作品可以准确清晰的显示时钟(时分秒),并且可以设置时间。
元器件安装规范,焊接到位,外观优美。
2.2功能要求说明
设计课题功能要求:
电子钟上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入时钟准备状态;第一次按电子钟启动/调整键,电子钟从0时0分0秒开始运行,进入时钟运行状态;再次按电子钟启动/调整键,则电子钟进入时钟调整状态,此时可利用各调整键调整时间,调整结束后可按启动/调整键再次进入时钟运行状态。
2.3方案介绍
数字电子钟电路设计硬件框图参见图1。
数字电子钟系统由单片机系统、LED数码管、按键电路、复位电路、晶振电路、电源电路、时钟电路、下载口电路等部分构成,能实现时间的输出、定时、调整等功能。
在本设计课题中,AT89S52单片机的P0口和P2口外接由八个LED数码管(LED8~LED1)构成的显示器,用P0口作LED的段控码输出口,P2口作八个LED数码管的位控输出线,P1口外接四个按键S4、S5、S6、S7构成键盘电路。
系统的功能选择由按键S4、S5、S6、S7完成。
其中按奇数次S4为电子钟启动键,按偶数次S4为电子钟调整键。
当S4为调整工作时,按动S5进入时调整状态,按动S6进入分调整状态,按动S7进入秒调整状态。
图1数字电子钟的硬件组成框图
2.4工作原理说明
在本次课程设计中,可调整运行的电子钟具有三种工作状态:
“P.”状态、运行状态、调整状态。
(1)“P.”状态:
依靠上电或按复位键进入,在此状态下,按S5、S6、S7键均无效,按S4键有效,进入运行状态。
(2)运行状态:
按奇数次S4键进入,在此状态下,按S5、S6、S7键均无效,只有按S4键有效,按下S4键后,退出运行状态,进入调整状态。
(3)调整状态:
按偶数次S4键进入,在此状态下,按S4、S5、S6、S7键均有效。
如按下S4键,则退出调整状态,进入运行状态;按下S5、S6、S7键,则分别对时、分、秒加1,调整结束后必须按S4键,即可退出调整状态,进入运行状态。
3硬件系统的设计
3.1硬件系统各模块功能简要介绍
本课程设计中硬件电路主要由单片机最小系统、LED数码管显示、按键电路、下载口电路等五个模块构成,以下就是对各模块的具体介绍。
3.1.1电源电路
方案一:
采用+5V的直流稳压源供电。
通过整流、滤波、稳压,给系统提供稳定的直流电压+5V。
整流桥选择半波整流,承受电流的能力为2A,最大耐压能力为1000V。
根据模电知识可知,滤波电容得取值与耐压水平有关,+5V的输出其耐压值应大于1.4倍变压器副边电压值,通过计算,滤波电容取标称值470μF,减少纹波系数电容取0.1μF,稳压芯片选取LM7805,才能输出稳定的+5V电压。
电源电路如图2所示。
图2电源电路
因为民用工频交流电电压为220V,而LM7805的输入电压为12V左右,所以图中变压器T的变比选取为18:
1。
K为六角自锁开关,控制整个后续电路的电源。
单相整流桥的作用是将交流输入整合成不稳定的直流输出。
再由470uf的电容减弱它的不稳定性。
通过LM7805整合为稳定的+5V直流电。
最后经0.1uf的小电容减少它的纹波系数。
方案二:
通过下载口对系统供电,只需要一个+5V的移动电源,一根USB下载线即可。
移动电源直接提供+5V的电压,通过USB线接入下载口对系统各模块供电。
对比两方案,方案二具有供电电压稳定,电源质量好,获取途径广等优点。
综合考虑,选用方案二,即移动电源供电方式。
3.1.2单片机最小系统模块
(1)AT89S52单片机
AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机,片内含8KBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52单片机芯片引脚排列参见图3。
图3AT89S52单片机芯片引脚
(2)时钟电路
单片机的时钟电路由振荡电路和分频电路组成。
其中振荡电路由反相器以及并联外接的石英晶体和电容组成,在本设计中,采用两个33pf的电容和一个12MHZ的晶振构成;而对于分频电路,则用于把振荡脉冲分频,以得到所需要的时钟信号,是由单片机的设计者设计的。
时钟电路参见图4。
图4时钟电路图
(3)复位电路
复位电路用于产生复位信号,本设计采用的是1KΩ和200Ω的电阻各一个与一个按键和22uf的电容组成,通过单片机RST引脚送入,进行复位。
本设计采用上电复位和手动复位两种方式。
VCC=5V。
复位电路参见图5。
图5复位电路图
(4)电源电路
单片机正常工作时,需要外部电源提供正常的工作电源。
电源电路用一个发光二极管作为通电指示,还接一个六脚开关接通与断开电源,方便开启与关闭,还用一个1K的电阻来保护二极管。
VCC=5V。
电源电路参见图6。
图6电源电路图
3.1.3LED数码管显示模块
数码管有共阴极和共阳极之分,区别他们的方法是若公共端接地,其他端接电源,若各段测试能亮,说明是共阴的,反之共阳的;若公共端接电源,其他端分别接的,测得各端亮,则说明是共阳的,反之为共阴的。
本系统共用8个数码管,从右到左依次显示秒个位、秒十位、横线、分个位、分十位、横线、时个位和时十位。
数码管的8位位控引脚与单片机的P2口通过74HC573芯片相连,而数码管的段控位a,b,c,d,e,f,g,dp通过八个470Ω的电阻与单片机的P0口相连接。
本次设计采用两个四位一体数码管(共阳极)作为显示窗口。
图中74HC573为锁存器。
R=5V/10MA=500Ω(由于元器件只有470Ω,所以用470Ω代替500Ω)。
VCC=5V。
LED数码管电路参见图7。
图7LED数码管电路
3.1.4按键电路模块
键盘电路使用独立式键盘。
独立式键盘是各按键相互独立,每个按键各接一根输入线,一根输入线上的按键工作状态不会影响到其他输入线上的工作状态。
因此,通过检测输入线的电平状态可以很容易判断那个键被按下了。
独立式按键电路配置灵活,软件简单,但每个按键需要占用一根输入口线,在按键数量较多时,需要较多的输入口线且电路结构复杂,故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。
按键的闭合与否,反映在行线输出电压上就是呈现出高电平或低电平,如果高电平表示断开的话,那么低电平则表示键闭合,所以通过对行线电平的高低状态的检测,便可确认按键按下与否。
每个按键单独占用一根I/O口线,四个按键S4、S5、S6、S7分别接到单片机的P1.0-P1.3四根口线上。
当键按下时,在其相应的口线上产生低电平信号,键松开时为高电平信号。
按键电路参见图8。
图8按键电路图
3.1.5下载口电路模块
硬件电路中,下载口电路通过P1口及复位引脚直接与单片机相连,以实现将编写好的程序下载到芯片中,实现相应的功能。
它需要外接电源供电。
3.2电路原理图、PCB图及元器件清单
3.2.1电路原理图
电路原理图见附录B。
3.2.2PCB图及元器件清单
电路PCB图见附录C。
元器件清单见附录D。
4软件系统的设计
4.1使用单片机资源的情况
本次课程设计使用单片机资源的情况如下:
本设计需用到单片机的定时功能,所以在设计中采用的是定时器0。
此外还用到了单片机的定时中断0。
在时间数字显示时所采用的是查表的方法,表格存储分单元设置为78H-7FH。
因为电子钟需要进行调整,所以单片机的P1口低四位作键盘接口,P0口作数码管的段控口,P2口作数码管的位控口。
4.2软件系统各模块功能简要介绍
监控程序:
开机自检在电子钟仪器电源接通之后进行自检,如果没有发生启动键,就自动进入电子钟“P.”显示程序,启动键按下,电子钟运行。
主程序:
主程序是先开始,然后启动定时器,定时器启动后再进行按键检测,检测完后就可以显示时间。
中断服务程序:
定时器中断时是先检测1秒是否到,1秒如果到,秒单元就加1;如果没到,就检测1分钟是否到,1分钟如果到,分单元就加1;如果没到,就检测1小时是否到,1小时如果到,时单元就加1,如果没到,就显示时间。
按键检测程序:
按键处理是先检测秒按键是否按下,秒按键如果按下,秒就加1;如果没有按下,就检测分按键是否按下,分按键如果按下,分就加1;如果没有按下,就检测时按键是否按下,时按键如果按下,时就加1;如果没有按下,就把时间显示出来。
显示程序:
时间显示是先秒个位计算显示,然后是秒十位计算显示,再是分个位计算显示,再然后是分十位显示,再就是时个位计算显示,最后是时十位显示。
调时程序:
时间调整时,正在被调整的时间的间隔符以闪烁的形式表现。
调整时间的方法是:
按下S4键,进入调时状态,按下S5键,时单元加1,加至24时变为00(23过后即显示0,不显示24);按下S6键,分单元加1,在加至60时变为00(59过后即显示0,不显示60);按下S7键,秒单元加1,秒如分一样,加至60时变为00,在调节好时间后,按下S4键,保存操作者对时钟时间的修改并退出调时模式进入正常运行状态,时间正常显示。
4.3软件系统程序流程框图
(1)定时器中断流程框图
定时器中断流程框图如图8所示:
图8定时器中断流程框图
(2)按键处理流程框图
按键处理流程框图如图9所示:
图9按键处理流程框图
(3)显示程序流程框图
显示程序流程框图如图10所示:
图10显示程序流程框图
(4)调时程序流程框图
调时程序流程框图如图11所示:
图11调时程序流程框图
4.4设计课题软件系统程序清单
程序清单见附录A
5设计结论、仿真测试及误差分析
5.1设计结论及使用说明
本设计为基于单片机的电子钟的设计。
本设计采用2个四位一体的共阳数码管做为显示器,它用于显示时间值;电子钟上电后,八个数码管显示初始状态即最左边的一个数码管显示P.。
按下S4键后电子钟进入自动计时状态,电子钟显示00时00分00秒并开始运行。
在运行时,只有按下S4键有效,其他键无效。
若要进行时间调整,则需再次按下S4键,进入时间调整状态,然后分别按下S5键调时,按下S6键调分,按下S7键调秒。
注意,S5、S6、S7键每按一次只能进行加一。
调整好想要的时间后,按下S4键就可以回到以调整好的时间为基础的自动计时状态。
其中S5键显示范围为0-23,0为24点;S6键显示范围为0-59,0为60分;S7键显示范围为0-59,0为60秒。
5.2仿真测试
在仿真时用到了两个软件,第一个是Keil,第二个是Proteus,本次仿真是将两个软件结合起来进行的,在设计过程中用Proteus画出了所需要的原理图,在这个软件环境里面能快速的找到最想要的元器件,只要输入器件特征标号就可以找到,这样就为设计硬件电路提供了很大的方便,节省了很多的时间。
画完图后应经过电气规则检查直至没有错误。
同时用Keil编写了实现功能的程序,并且在Keil中进行调试和手动仿真,看是否达到预期的效果。
仿真结果如图12、图13、图14、图15所示:
图12复位状态下的仿真图
图13按下启动键S4后的仿真图
图14启动9秒时的仿真图
图15调整为11时11分11秒时的仿真图
5.3误差分析
通过观察设计的电子钟系统的时间的变化,和标准时间进行比较,观察时间是否和正常时间变化一致。
通过比较手机的时间与设计的产品的时间进行对比,发现经过2个小时后,两者的时间差为30秒。
由此发现时间存在较小的误差,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。
结束语
本次设计的数字电子钟,是以AT89S52单片机为核心,再结合其他相关元器件,如LED共阳数码管,独立键盘等。
最后通过编写程序,得以实现电子钟显示及调整的功能。
本次课程设计,收获良多,学到了更加丰富的知识,也认识到理论与实际的结合的重要性,以认知应用开发过程为先导,先动手实践、再理论学习、以一个完整的单片机应用电路来打开单片机的学习之门。
单片机技术本身就是一门技术性的学科,如果只是学些理论知识,而不去进行一些实质性的操作的话无疑是纸上谈兵,最终还是学不到什么东西。
在制作过程中遇到了许多小困难,通过不懈的努力都慢慢的改善,虽然还是有些不足的地方,但是看到自己完成的作品还是感到无比开心的。
在这学期学习了单片机课程,就对编程很感兴趣,但是在课程设计的制作过程中才发现自己对单片机理论知识的匮乏,对编程的无力感,但幸好没有放弃,希望以后的学习生活中更多的编写程序,提高自己的能力,从而完善自己。
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致谢
这次的课程设计最终圆满的完成了,本次课程设计的成功,与指导老师肖冬瑞老师、同学的关心、支持和鼓励是分不开的。
在完成这次课程设计的过程中,我得到了许多人的帮助,首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助,这是我能顺利完成这次报告的主要原因,更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题,让我能把系统做得更加完善。
在此期间,我不仅学到了许多新的知识,而且也开阔了视野,提高了自己的设计能力。
其次还要感谢给予过帮助的同学,他们也为我解决了不少不太明白的设计上的难题。
同时也感谢学院为我提供良好的做设计的环境!
附录
附录A:
程序清单
//******************************************************************//
//***********************功能:
数字电子表控制程序********************//
//***********************作者:
xx**********************************//
//***********************日期:
20xx年x月***************************//
//***********************指导老师:
xxxx***********************//
//******************************************************************//
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG000BH
LJMPINTT0
ORG0030H
MAIN:
MOVSP,#60H//确立堆栈区
MOVPSW,#00H
MOVR0,#20H//RAM区首地址
MOVR7,#5FH//RAM区单元个数
QL:
MOV@R0,#00H//RAM清零
INCR0
DJNZR7,QL
MOVIP,#02H//优先定时器0
MOVIE,#82H//IE初始化,
MOVTMOD,#01H//定时器0方式1工作
LCALLPP//调P.子程序
NEXT:
LCALLKEY//按键检测子程序
JBACC.0,RUNF//A键按下运行
LCALLDISP//调用显示子程序
SJMPNEXT
RUNF:
LCALLOUTT//调传送子程序
LCALLTIME//开电子钟
JK:
LCALLDISP//调用显示子程序
LCALLKEY//按键检测子程序
JZJK
LCALLANKEY
LCALLDISP//调用显示子程序
SJMPJK
//******************************************************************//
//********************************P点显示*************************//
//******************************************************************//
PP:
MOV7FH,#12//P点编码送寄存器
MOVR0,#78H//字型代码的初始地址
MOVR7,#07H
PPP:
MOV@R0,#0FFH
INCR0
DJNZR7,PPP
LCALLDISP
RET
//****************
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