單片機電子時鐘論文.doc

i 前前 言言 摘要：由于傳統(tǒng)的機械式時鐘，使用壽命短，精度不高等特點，本課程設計基于 mcs- 51 單片機內部的定時計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、以及四個按鍵和 led 顯示器等部件，設計 出一個外圍電路簡單的單片機電子時鐘系統(tǒng)，且在 proteus isis 環(huán)境下做了模擬仿真。 它能通過數(shù)碼管顯示時間，并且能通過按鍵實現(xiàn)設置時間的調整。從而加深對單片機 內部模塊的理解，達到提高自身對硬件的使用以及軟件開發(fā)的能力。 關鍵字：中斷系統(tǒng)；mcs-51 單片機；計數(shù)器 ii 目目 錄錄 第 1 章 緒論1 1.1 課題的研究意義 1 1.2 課題的主要內容 1 第 2 章 方案論證2 2.1 系統(tǒng)框圖設計 2 2.2 系統(tǒng)電路原理設計 2 第 3 章 系統(tǒng)各單元電路分析4 3.1 at89c51 單片機 .4 3.2 按鍵電路 7 3.3 led 顯示電路 .7 第 4 章 仿真實現(xiàn)8 4.1 軟件調試 8 4.2 硬件仿真 9 4.3 仿真分析 9 第 5 章 結 論10 參考文獻11 附 錄12 iii 安徽工程大學機電學院 本科課程設計任務書 2009 屆 機電 學院 計算機科學與技術 專業(yè) 課程設計題目課程設計題目：電子鐘 課程設計任務內容課程設計任務內容 1.1. 課程設計的目的意義：課程設計的目的意義： 通過課程設計培養(yǎng)同學們的系統(tǒng)設計能力，使同學們達到以下能力訓練： 、調查研究、分析問題的能力； 、使用設計手冊、技術規(guī)范的能力； 、查閱中外文獻的能力； 、制定設計方案的能力； 、計算機應用的能力； 、設計計算和繪圖的能力； 、技術經(jīng)濟指標的分析能力； 、語言文字表達的能力。 2 2.本課題研究的主要內容：本課題研究的主要內容： 設計一個電子鐘，利用四個數(shù)碼管，在其上顯示分、秒；用四個小鍵盤分別進行 +1 分、-1 分、+1 秒、-1 秒改變時間值。 基本要求： 、設計實驗電路（要求利用實驗儀的硬件資源） 、分析實驗原理 、列出實驗接線表 、采用匯編語言編寫實驗程序 、通過實驗驗證功能的實現(xiàn) 、編寫課程設計說明書 iv 2.2. 提交的成果：一份符合畢業(yè)設計論文規(guī)范的課程設計說明書提交的成果：一份符合畢業(yè)設計論文規(guī)范的課程設計說明書 課程設計統(tǒng)一使用學校印制的課程設計封面及課程設計袋。課程設計袋按要求認 真填寫，字體要工整，卷面要整潔，手寫一律用碳素墨水書寫。 課程設計除課程設計袋的其它資料鼓勵用計算機打印。 課程設計按統(tǒng)一順序裝訂： （1） 封面 （2） 前言 （3） 目錄 （4） 課程設計任務書（須有指導教師簽名及日期） （5） 正文（分章、層次等，每一章從新的一頁開始） （6） 小結 （7） 參考文獻 （8） 課程設計圖紙 裝訂好后放入填寫好的資料袋內由各教學單位存檔。相關要求可酌情參照“安徽 工程科技學院本科畢業(yè)設計（論文）管理辦法”執(zhí)行。 指導教師（簽字） 接受任務書學生（簽字） 完成日期 2012 年 6 月 6 日 1 第第 1 1 章章 緒緒 論論 1.1 課題的研究意義 電子時鐘有著很長的歷史，在 1957 年，venbtura 發(fā)明了世界上的第一塊電子表后， 他就奠定了電子時鐘的基礎，電子時鐘開始迅速地發(fā)展起來。現(xiàn)代的電子時鐘是基于 單片機的一種計時工具，采用延時程序產(chǎn)生一定的時間中斷，用于一秒的定義，通過 計數(shù)方式進行滿六十秒為一分鐘進一。 滿六十分為小時進一，滿二十四小時清零。從 而達到計時的功能，是人民日常生活不可缺少的工具世界上很多的鐘表都是中國制造， 但是對于中國來說，國內的市場只是一個小行業(yè)。 這幾年，國內的市場正在急劇地膨脹。根據(jù)國外的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示出，發(fā)達國家的 每個人一生中平均擁有手表 23 塊，在發(fā)展國家中，每人一生平均擁有手表是 12 塊， 而目前在中國的城鎮(zhèn)每人一生擁有的手表還沒有超過 6 塊，因此在中國的發(fā)展的空間 是很大的。 現(xiàn)在社會中，大量地投入生產(chǎn)的時鐘大多為智能時鐘，其功能更加全面并不斷得 到發(fā)展，但是其價格相對比較昂貴。所以，采用一種控制方便，價格便宜的電子時鐘 是很有必要的?；?51 單片的電子時鐘，外圍電路簡單易于實現(xiàn)，性價比高，是實現(xiàn) 電子時鐘的不錯選擇。 1.2 課題的主要內容 本課程設計基于單片機內部資源設計出的一款性價比高的電子時鐘系統(tǒng)，主要涉及到以下幾個 研究方向： (1) 熟悉 mcs-51 單片機內部定時器的工作方式； (2) 掌握單片機內部中斷系統(tǒng)的工作模式； (3) 了解 mcs-51 單片機外部電路的一般設計方法； (4) 熟悉匯編語言的編寫規(guī)則； (5) 掌握單片機內部 ram 地址分配方法； (6) 掌握特殊功能寄存器的用法； (7) 熟悉 proteus isis 軟件的使用； (8) 掌握 c 的編譯方法。 2 第第 2 2 章章 方案論證方案論證 2.1 系統(tǒng)電路原理設計 在本次的設計中對 12mhz 的系統(tǒng)時鐘進行定時計數(shù)，初值設為 b03ch。形成定時時 間為 50ms。用片內 ram 對 50ms 計數(shù)，計 20 次 1 秒鐘到，然后對秒加 1，秒計數(shù)器加 到 60 后就向分進位，分計數(shù)器加到 60 后，分計數(shù)器清零；然后把秒、分計數(shù)器分成 十位和個位放到 4 個數(shù)碼管的顯示緩沖區(qū)，通過數(shù)碼管顯示出來。顯示格式為-分十 位、分個位-秒十位、秒個位。在處理過程中加上了按鍵判斷程序，能對按鍵處理。 根據(jù)電路原理框圖設計出電路原理圖如圖 2-1 所示，由 12mhz 的晶振給單片機提 供固定的時鐘頻率，通過 k0、k1、k2、k3 可以對顯示電路時間進行位設定。 圖 2-2 電子時鐘電路原理圖 在圖 2-2 中，復位電路、時鐘電路、控制電路加上單片機組成單片機最小應用系 統(tǒng)，能夠實現(xiàn)很多復雜的功能。系統(tǒng)由 at89c51、led 數(shù)碼管、按鍵等部分構成，能實 現(xiàn)時間的調整、輸出、調時間等功能。系統(tǒng)中按鈕 k 能對時間進行調整功能的按鈕， 3 采用單鍵控制調時功能。當按下 k0 時，秒鐘加 1, 當按下 k1 時，秒鐘減 1, 當按下 k2 時，分鐘加 1, 當按下 k3 時，分鐘減 1。 系統(tǒng)中的按鍵采用中斷技術來檢測，它在單片系統(tǒng)中有著十分重要的作用，它不 僅可以提高單片機 cpu 的效率，也可以對突發(fā)事件處理。所謂中斷就是當 cpu 正在執(zhí) 行程序 a 時，發(fā)生了另一個急需處理的事件 b，這是 cpu 暫停當前執(zhí)行的程序 a，立即 轉去執(zhí)行處理事件 b 的程序，處理完事件 b 后，再返回到程序 a 繼續(xù)執(zhí)行，這個過程 被叫做中斷。計數(shù)器采用軟件編程來實現(xiàn)時鐘，數(shù)碼管顯示采用動態(tài)顯示。 4 第第 3 3 章章 系統(tǒng)各單元電路系統(tǒng)各單元電路分析分析 3.1 at89c51 單片機 at89c51 是一種帶 4k 字節(jié) flash 存儲器的低電壓、高性能 cmos 的 8 位微處理器， 俗稱單片機。at89c51 是一種帶 2k 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片 機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次。該器件采用 atmel 高密度非易失存儲器 制造技術制造，與工業(yè)標準的 mcs-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 cpu 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel 的 at89c51 是一種高效微控制器。 at89c51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。引腳排列所 示圖 3-1 所示。 圖 3-1 單片機引腳圖 由于電路原理中只用到單片機的 p0、p1、p2 口，所示下面對這三個端口進行詳細 介紹。 p0 口：p00p07 統(tǒng)稱為 p0 口，在不接片外存儲器與不擴展 i/o 接口時，作為準 雙向輸入/輸出接口。在接有片外存儲器或擴展 i/o 接口時,p0 口分時復用為低 8 位地 址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。p0 口是一個三態(tài)雙向口，由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)緩沖 5 器、輸出驅動電路和輸出控制電路組成。在輸入數(shù)據(jù)時，應人為地先向 p0 口寫“1” ， 定義為高阻輸入。p0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八 位。在 fiash 編程時，p0 口作為原碼輸入口，當 fiash 進行校驗時，p0 輸出原碼，此 時 p0 外部必須被拉高。 p1 口：p10p17 統(tǒng)稱為 p1 口，可作為準雙向 i/o 接口使用。p1 口是一個內部提 供上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 口緩沖器能接收輸出 4lsttl 門電流。p1 口管腳寫 入“1”后，被內部上拉為高，可用作輸入，p1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流， 這是由于內部上拉的緣故。 p2 口：p20 p27 口統(tǒng)稱為 p2 口，一般可以作為準雙向 i/o 接口使用，在接有片 外存儲器或擴展 i/o 接口且尋址范圍超過 256 字節(jié)時，p2 口用作高 8 位地址總線。p2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 ttl 門電流， 當 p2 口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， p2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。p2 口當用于外部程 序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2 口輸出地址的高八位。在給出地 址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2 口輸 出其特殊功能寄存器的內容。p2 口在 flash 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制 信號。 3.2 按鍵電路 獨立式鍵盤是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根 i/o 接口線，每根 i/o 接口線 上的按鍵是不會影響其他的 i/o 接口線。在本次設計中，按鍵為 k0、k1、k2、k3，他 們分別與單片機 p10、p11、p12、p13 接口線相接。通過按鍵控制顯示器的顯示。其電 路圖如 3-5 所示。 圖 3-2 按鍵電路 6 3.3led 顯示電路 在本次的設計中，采用的 4 位的數(shù)碼管顯示器。數(shù)碼管如果按照段數(shù)分可為七段 數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元，也就是多 了一個小數(shù)點的顯示；如果按能夠顯示多少個 “8”分類的話，也可以可分為 1 位、 2 位、4 位等數(shù)碼管 。 如果按照發(fā)光二極管單元 的連接方式又可以分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。 共陽極的數(shù)碼管是將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起 后就形成公共陽極 （com） 的數(shù)碼管，共陽 極數(shù)碼管在應用時 要將公共極（com）接到+5v，當某一字段發(fā)光 二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應 字段就不亮。共陰 極數(shù)碼管是將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 （com）的數(shù)碼管，共陰 極數(shù)碼管在應用時應將公共極 （com）接到地線 gnd 上， 當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陽極為 低電平時，相應字段就不亮。 圖 3-3led 顯示電路 7 第第 4 4 章章 仿真實現(xiàn)仿真實現(xiàn) 4.1 軟件調試 本課題子 keil 軟件進行代碼調試。keil uvision2 是美國 keil software 公司出 品的 51 系列單片機 c 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng) c 語言的語法來開發(fā)。與匯 編相比，c 語言在結構行、功能上、可維護行、可讀性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用， 而且大大的提高了工作效率和項目開發(fā)周期。首先打開 keil 軟件，運行 keil uvision2 ide 軟件。在 keil 下建立項目保存在一個文件中，然后選擇所要用的單片機 類型這里選擇 atmel 公司的 at89c51。然后添加已經(jīng)寫好的匯編程序，給項目添加程序 文件。在編譯、連接前注意選擇 project 菜單下的 options for targettarget1命 令進行設置，選擇 output 選項卡，在 create executable 選項前打鉤，選擇生成可執(zhí) 行文件 hex 文件，便于以后硬件仿真。調試界面如圖 4-1 所示。 圖 4-1 keil 調試界面 4.2 硬件仿真 在課題中，在 proteus 軟件中對設計的硬件電路進行仿真。proteus 軟件是英國 labcenter electronics 公司出版的 eda 工具軟件。它不僅具有其它 eda 工具軟件的仿 8 真功能，還能仿真單片機及單片機的外圍器件。 其具體操作步驟如下： （1）打開 proteus 的 isis 軟件，新建電路圖文件，保存文件。在保存文件過程 中，其擴展名默認。 （2）在 component mode 模式下單擊選擇元件按鈕 p，打開元件選擇對話框。在元 件選擇對話框的 keywords 窗口中輸入元件關鍵字可以搜索元件，找到元件后，雙擊元 件則可選中元件，添加元件到 device 列表欄。 （3）選擇 devices 元件列表中的元件放到工作窗口，注意放置在工作窗口合適的 位置，在元件放置時可對元件進行移動、旋轉等操作。電源與地在工具按鈕的 terminals mode 中選取，并連接導線、存盤。 （4）在 proteus 電路圖中，雙擊單片機 at89c51 芯片，在屬性對話框中的 program file 框中選擇下載到 at89c51 芯片中的程序。這里是同一個文件夾下面的 dianzi.hex 文件。 （5）單擊仿真運行按鈕 play，運行程序?？赏ㄟ^ led 顯示屏看到相應的結果。顯 示結果如圖 4-2 所示。 圖 4-2 電子時鐘仿真圖 9 在系統(tǒng)中，可以通過按鍵 1，2，3，4 來校對時鐘. 4.3 仿真分析 通過對硬件電路的仿真實現(xiàn)電子時鐘的設計，能夠精確地計時和顯示分、秒。具 有校對時鐘，達到了設計的預期目的。經(jīng)過仿真分析，系統(tǒng)的外部時鐘為 12mhz，系統(tǒng) 內部計時 50ms，20 次計數(shù)為 1 s，使系統(tǒng)的誤差控制在了微妙級。 10 第第 5 5 章章 結結 論論 通過本次課程設計，實現(xiàn)了基于單片機的電子時鐘硬件設計與軟件仿真，在這過 程中，我學到了很多，加深了對單片內部模塊的理解，進一步學習了匯編語言的編寫 規(guī)則。 從設計開始到最終完成設計，一點一滴積累，在實踐中成長，在挫折中前進。在 設計的前期，我系統(tǒng)的學習了 51 單片機的相關資料，掌握了單片機外部電路的合理設 計以及各個引腳的功能。系統(tǒng)的進行電子時鐘的需求分析，合理的設計出了電路原理 框圖，根據(jù)原理框圖設計出電路原理圖，針對使用的單片機引腳，對單片機使用匯編 語言編程。這一步一步的不斷努力，讓我學到了很多在書本上學不到的東西，尤其是 在處理故障和電路兼容方面的考慮，都使我受益頗多。 在這里課程設計中，我深深感受到實踐的重要性，它是檢驗我們所學知識的有效 途徑。沒有付出，就沒有回報，通過為期兩周的準備與學習是我完成設計的前提。在 仿真的過程中也遇到過一些難題，經(jīng)過自身的努力以及向同學請教，我學到很多，也 解決了很多問題。 本次設計的題目為基于單片機的電子時鐘設計，通過兩周努力，可以順利實現(xiàn)的 功能有：在數(shù)碼管上顯示時間，并且能通過按鍵實現(xiàn)設置時間的暫停、啟動、調節(jié)等 控制。 最后，我深刻感受到要做好一個課程設計，就必須做到：在設計程序之前，對所 需資料的綜合整理，有效的挑選資料；要明確目標，整理思路；合理設計出系統(tǒng)所必 須的流程圖，做好充分的心里準備。這次設計是對我所學單片機一書的綜合考驗，使 我能查漏補缺，復習課本知識，加深理解記憶，所以每一步我都用心去做。 11 參考文獻參考文獻 1 張義，王敏男，許宏昌.例說 51 單片機m.北京：人民郵電出版社，2010 2 林立.單片機原理與應用m.北京：電子工業(yè)出版社，2009 3 李守中.51 單片機開發(fā)入門與經(jīng)典實例m.北京：人民郵電出版社，2007 4 李平.單片機入門與開發(fā)m.北京：機械工業(yè)出版社，2008 5 胡漢才.單片機原理與接口技術m.北京：清華大學出版社，1996 6 楊加國.單片機原理與應用及 c51 程序設計（第二版）m.北京：清華大學出 版社，2009 7 張元良.單片機原理與應用教程m.北京：清華大學出版社，2011 12 附附 錄錄 1 1、代碼：、代碼： #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int /*斯段共陰管顯示定義*/ uchar code dispcode =0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, 0xbf,0x86,0xcb,0xcf,0xef,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xdf; /*定義并初始化變量*/ uchar seconde=0; uchar minite=0; uchar mstcnt=0; sbit p1_0=p10; / second 調整定義 sbit p1_1=p11; sbit p1_2=p12; sbit p1_3=p13; /*函數(shù)聲明*/ void delay(uchar k ); /延時子程序 void time_pro( ); /時間處理子程序 void display( ); /顯示子程序 void keyscan( ); /鍵盤掃描子程序 /*/ /*延時子程序*/ /*/ void delay (uchar k) 13 uchar j; while(k-)!=0) for(j=0;j125;j+) ; /*/ /*時間處理子程序*/ /*/ void time_pro( void) if(seconde=60) /秒鐘設為 60 進制 seconde=0; minite+; if( minite=60) /分鐘設為 60 進制 minite=0; /*/ /* 顯示子程序*/ /*/ void display(void) p2=0xfb; p0=dispcodeminite/10; /顯示分的十位 delay(4); 14 p2=0xf7; p0=(dispcodeminite%10)|0x80; /顯示分的個位 delay(4); p2=0xef; p0=dispcod