簡易電子鐘的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).docx

簡易電子鐘的設(shè)計(jì)與仿真一、 設(shè)計(jì)要求和電路原理1.1 設(shè)計(jì)要求1) 可以準(zhǔn)確地顯示北京時(shí)間。2) 時(shí)間顯示選擇24小時(shí)模式。3) 選用AT89C52單片機(jī)，將編寫的程序下載到該單片機(jī)中，并能使數(shù)碼管顯示。 4) 采用Keil C51編譯，Proteus軟件進(jìn)行仿真。1.2 設(shè)計(jì)原理與思路利用單片機(jī)的定時(shí)與中斷系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)電子鐘的計(jì)數(shù)和調(diào)時(shí)。采用AT89C52定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)24小時(shí)制時(shí)鐘精確的計(jì)時(shí)。通過外部的12M（11.0529M）Hz晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的諧振，在AT89C52的內(nèi)部定時(shí)器電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)產(chǎn)生中斷，累計(jì)定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間達(dá)一秒時(shí)，數(shù)碼管的秒顯示加1，判斷數(shù)碼管的秒顯示達(dá)60時(shí)，秒顯示自動清零，分顯示加1，判斷分顯示達(dá)60時(shí)，分顯示自動清零，時(shí)顯示加1，判斷時(shí)顯示達(dá)24時(shí)，時(shí)顯示自動清零。從而實(shí)現(xiàn) 00：00：0023：59：59 之間的任意時(shí)刻顯示。 為了使時(shí)鐘能夠靈活的對時(shí)間進(jìn)行調(diào)整、校對，通過增加外部的按鍵實(shí)現(xiàn)簡單的復(fù)位、時(shí)調(diào)整、分調(diào)整的功能。形成一個(gè)具有復(fù)位和校時(shí)功能的簡易電子時(shí)鐘。二、 電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案2.1電子鐘設(shè)計(jì)的基本方法2.1.1電子鐘實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的方法利用MCS-51系列單片機(jī)的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘計(jì)時(shí)。(1) 計(jì)數(shù)初值計(jì)算:把定時(shí)器T0設(shè)為工作方式2，產(chǎn)生0.25ms定時(shí)中斷，計(jì)數(shù)溢出4000次即得時(shí)鐘計(jì)時(shí)最小單位秒，而4000次計(jì)數(shù)可用軟件方法實(shí)現(xiàn)。假設(shè)使用T/C0，方式2，0.25ms定時(shí)，fosc=12MHz。則初值a滿足（256-a）1/12MHz12s =250sa=6 (6H)TH0=#6H; TL0=#6H(2) 采用中斷方式進(jìn)行溢出次數(shù)累計(jì),計(jì)滿4000次為秒計(jì)時(shí)（1秒）；(3) 從秒到分和從分到時(shí)的計(jì)時(shí)是通過累加和數(shù)值比較實(shí)現(xiàn)。2.1.2 電子鐘的時(shí)間顯示電子鐘的時(shí)鐘時(shí)間在8位數(shù)碼管上進(jìn)行顯示，時(shí)、分、秒的顯示值可以在單片機(jī)的內(nèi)部RAM設(shè)置三個(gè)緩沖單元，30H、31H、32H分別存儲時(shí)、分、秒的值。顯示如下表：表2.1 電子鐘的時(shí)、分、秒顯示時(shí)十位時(shí)個(gè)位分十位分個(gè)位秒十位秒個(gè)位LED8LED7LED6LED5LED4LED3LED2LED132H空31H空30H2.1.3 電子鐘的時(shí)間調(diào)整電子鐘設(shè)置3個(gè)按鍵通過程序控制來完成電子鐘的時(shí)間調(diào)整。A鍵復(fù)位；按下A鍵，時(shí)鐘顯示初始值 12 00 00B鍵調(diào)整分；快速按下A鍵，分顯示加1，當(dāng)分顯示為59，加1變成00C鍵調(diào)整時(shí)；快速按下B鍵，時(shí)顯示加1，當(dāng)時(shí)顯示為23，加1變成002.2 芯片以及元件2.2.1 AT89C52簡介AT89C52是51系列單片機(jī)的一個(gè)型號，它是ATMEL公司生產(chǎn)的，是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線。 主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義。下面對相關(guān)的引腳作介紹： VCC：+5V電源。 VSS：接地。 P0口：P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口， 也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8 個(gè)TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在Flash 編程時(shí)，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1 口：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯 門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉 電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流(IIL)。 P2 口：P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯 門電路。對端口P2 寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流(IIL)。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號。 P3 口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏 輯門電路。對P3 口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能。P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。AT89C52芯片的引腳圖和芯片圖如下：圖2.1 AT89C52引腳圖和芯片圖2.2.2 八位動態(tài)顯示數(shù)碼管1) 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口圖圖2.2 數(shù)碼管的動態(tài)顯示接口圖圖2.3 數(shù)碼管實(shí)物圖2) 數(shù)碼管的動態(tài)顯示驅(qū)動數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。2.3 電子鐘模塊化電路2.3.1電子鐘的硬件設(shè)備模塊電子鐘的總體硬件模塊電路有：晶振、手動復(fù)位、數(shù)碼管顯、和時(shí)間調(diào)整和單片機(jī)接口電路，如圖2.4所示。下面分別介紹個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。圖2.4 電子鐘硬件模塊2.3.2 時(shí)鐘電路模塊圖2.5所示為時(shí)鐘電路原理圖，在AT89C52芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。而在芯片內(nèi)部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖信號。圖2.5 時(shí)鐘電路2.3.3 復(fù)位電路模塊單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使RST/VPD 或RST引（9）加上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)振蕩周期）的高電平。例如，若時(shí)鐘頻率為12 MHz，每機(jī)器周期為1s，則只需2s以上時(shí)間的高電平，在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行復(fù)位。單片機(jī)常見的復(fù)位如圖所示，這是一個(gè)微分型電路。電路為上電復(fù)位電路，它是利用電容充電來實(shí)現(xiàn)的。在接電瞬間，RST端的電位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RST的電位逐漸下降。只要保證RST為高電平的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，便能正常復(fù)位（由電容的通電時(shí)間計(jì)算得到，復(fù)位電阻的阻值在1030pF）。該電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只需按圖中的RST鍵，此時(shí)電源VCC經(jīng)電阻R1、R2分壓，在RST端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。圖2.6 復(fù)位電路2.3.4 數(shù)碼管顯示電路模塊系統(tǒng)采用動態(tài)顯示方式，單片機(jī)AT89C52的P0口控制LED數(shù)碼管的段選線，P2口控制數(shù)碼管的位選線。動態(tài)顯示通常都是采用動態(tài)掃描的方法進(jìn)行顯示，即循環(huán)點(diǎn)亮每一個(gè)數(shù)碼管，這樣雖然在任何時(shí)刻都只有一位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，但由于人眼存在視覺殘留效應(yīng)，只要每位數(shù)碼管間隔時(shí)間足夠短，就可以給人以同時(shí)顯示的感覺。下圖為共陰極8位數(shù)碼管動態(tài)顯示。圖2.7 數(shù)碼管顯示電路2.3.5 按鍵電路模塊下圖為按鍵模塊電路原理圖，A為復(fù)位鍵，B為時(shí)鐘調(diào)控鍵，C為分鐘調(diào)控鍵。A、B、和C三個(gè)按鍵一路有上拉電阻連接高電平，另一路接入單片機(jī)的控制引腳P1.0,、P1.1、P1.2。按鈕斷開時(shí)，控制引腳P1.0,、P1.1、P1.2均為高電平，當(dāng)按下某一個(gè)按鍵時(shí)，控制引腳變?yōu)榈碗娖?，由程序控制其相?yīng)的作用。圖2.8 按鍵電路2.3.6 電子時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖結(jié)合所有的模塊設(shè)計(jì)，綜合得出電子鐘系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原理圖如圖2.9所示。圖2.9 電子鐘原理圖2.3.7 相關(guān)引腳和元件a) AT89C52單片機(jī)用到的引腳：P0口：用于控制數(shù)碼管的段選P2口：用于控制數(shù)碼管的位選P1口：P1口的P1.0,、P1.1、P1.2腳分別控制時(shí)鐘的復(fù)位、分調(diào)整、時(shí)調(diào)整。XTAL1、XTAL2：接晶振的脈沖輸入RST：復(fù)位電路b) 其他的元件和相關(guān)作用電阻R1R11：上拉電阻，保護(hù)電路，起限流的作用電阻R12：復(fù)位電路的充電電阻8個(gè)8段數(shù)碼管：1、2顯示時(shí)，4、5顯示分，7、8顯示秒，3、6不顯示。電容C1、C2：晶振的微電容，單片機(jī)的脈沖周期產(chǎn)生晶振：12M，與電容構(gòu)成晶振電路材料清單見附錄1三、 電子時(shí)鐘的Protues仿真3.1 Protues軟件概述Protues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工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件，是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Protues軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： （1）原理布圖 （2）PCB自動或人工布線 （3）SPICE電路仿真 （4）互動的電路仿真，用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （5）仿真處理器及其外圍電路，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型 上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Protues建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。 具有4大功能模塊：智能原理圖設(shè)計(jì)（ISIS） ；完善的電路仿真功能（Prospice）；獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能（VSM） 和實(shí)用的PCB設(shè)計(jì)平臺 。3.2 編寫實(shí)驗(yàn)程序、畫出實(shí)驗(yàn)原理圖簡易電子鐘匯編程序見附錄2。由理論設(shè)計(jì)的電子時(shí)鐘在protues軟件上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖3.1，按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)原理圖在仿真軟件protues上連線。圖3.1 電子鐘仿真實(shí)驗(yàn)原理圖3.3 仿真流程圖圖3.2 電子鐘仿真流程圖3.4 仿真電路調(diào)試及結(jié)果分析第一、在Keil 環(huán)境下建立目標(biāo)工程編譯程序無錯(cuò)（若有錯(cuò)，則需重新檢查程序知道無錯(cuò)為止），則生成.hex文件雙擊單片機(jī)，導(dǎo)入文件。第二、單擊運(yùn)行按鈕，電路仿真上電，觀察數(shù)碼管的顯示以及通過控制按鍵對時(shí)間的調(diào)整，檢查是否正確，若不正確，則需重新檢查程序，重復(fù)上述步驟，直到仿真能夠達(dá)到所需的要求。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖3.2。圖3.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果四、 電子時(shí)鐘的硬件實(shí)現(xiàn)由于條件的允許，電子時(shí)鐘可在單片機(jī)的開發(fā)板平臺實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的過程如下：接線與準(zhǔn)備上電程序燒錄調(diào)試與檢查結(jié)果分析1) 檢查電子鐘所需的元件能在開發(fā)板上實(shí)施按照仿真設(shè)計(jì)的原理圖連好線，（開發(fā)板上只需連接部分的信號控制線路，其他模塊的線路可能已經(jīng)連好）。2) 接上電源，按下power按鍵，用程序燒錄工具將生成的.hex下載到單片機(jī)內(nèi)部。3) 調(diào)試電路，檢查電子鐘是否出錯(cuò)，功能是否實(shí)現(xiàn)，如果有錯(cuò)，則排除錯(cuò)誤，再次調(diào)試，直至達(dá)到要求為止4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，對結(jié)果進(jìn)行分析，如果調(diào)試有錯(cuò)，找出出錯(cuò)的原因，并借助相關(guān)的資料進(jìn)行解釋。AT89C52的P0口和P2口外接由八個(gè)LED數(shù)碼管(共陰極)構(gòu)成的顯示器，用P0口作LED的段碼輸出口，P2口作八個(gè)LED數(shù)碼管的位控輸出線，P1口外接三個(gè)按鍵A、B、C構(gòu)成鍵盤電路。結(jié)果顯示如下：圖4.1 電子鐘的開發(fā)板實(shí)現(xiàn)圖附錄1 元器件清單序號元件名稱規(guī)格型號/參數(shù)數(shù)量（個(gè)）備注1單片機(jī)AT89C5212晶振12MHz13電容22pF2晶振電容4電容22F1復(fù)位電容5按鍵BUTTON3復(fù)位、校分，校時(shí)6電阻RESPACK-8/10K11數(shù)碼管上拉電阻、按鍵上拉電阻7電阻RESPACK-1K1復(fù)位電阻附錄2 電子鐘匯編程序ORG 0000HAJMP MAIN ；跳轉(zhuǎn)到主程序 ORG 000BH ；T0中斷入口AJMP PTF0 ；中斷處理首地址 ；主程序；MOV 30H,#0 ；緩沖單元設(shè)置初值12:00:00 MOV 31H,#0 MOV 32H,#0 MAIN:MOV SP,#0EFH MOV 36H,#0FH ； 設(shè)置4000次中斷計(jì)數(shù) MOV 37H,#0A0HMOV TMOD,#2 ；定時(shí)器啟動 MOV TL0,#6 MOV TH0,#6 SETB TR0 MOV IE,#82H MOV IP,#2；數(shù)碼管動態(tài)顯示；LED6：MOV DPTR,#TAB ；表的首地址給16位數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR MOV A,30H ；時(shí)為的十位顯示 SWAP A ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#7FH MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY MOV A,30H ；時(shí)位的個(gè)位顯示 ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#0BFH MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY MOV A,31H ；分位的十位顯示 SWAP A ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#0EFH MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY MOV A,31H ；分位的個(gè)位顯示 ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#0F7H MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY MOV A,32H ；秒位的十位顯示 SWAP A ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#0FDH MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY MOV A,32H ；秒位的個(gè)位顯示 ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#0FEH MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY JNB P1.0,CLEAR ；判斷鍵盤輸入 JNB P1.1,SET_MINUTE JNB P1.2,SET_HOUR AJMP LED6；中斷程序；PTF0:PUSH PSW ;中斷處理 PUSH ACC MOV PSW,#8 DJNZ 37H,PTF0R DJNZ 36H,PTF0R MOV 36H,#0FH MOV 37H,#0A0H MOV R0,#32H ；定時(shí)到一秒 MOV A,R0 ADD A,#1 DA A MOV R0,A CJNE A,#60H,PTF0R MOV R0,0 DEC R0 MOV A,R0 ADD A,#1 DA A MOV R0,A CJNE A,#60H,PTF0R MOV R0,#0 DEC R0 MOV A,R0 ADD A,#1 DA A MOV R0,A CJNE A,#24H,PTF0R MOV R0,#0PTF0R:POP ACC POP PSW RETIDELAY:MOV R6,#9H ；動態(tài)顯示延時(shí)L0: MOV R7,#19H DJNZ R7,$ DJNZ R6,L0 RETDELAY1:MOV R5,#1BH ；調(diào)整時(shí)、分顯示延時(shí) L1:MOV R6,#9HL2:MOV R7,19H DJNZ R7,$ DJNZ R6,L2 DJNZ R5,L1 RETCLEAR:MOV 30H,#12H ；時(shí)鐘顯示復(fù)位 A鍵 MOV 31H,#0 MOV 32H,#0 RETSET_MINUTE:MOV A,31H ；調(diào)節(jié)分加1 B鍵 CJNE A,#59H,MIN MOV 31H,#0 RETSET_HOUR: MOV R1,#30H ；調(diào)節(jié)時(shí)加1 C鍵 MOV A,R1 CJNE A,#23H,HOUR MOV 30H,#0MIN: ADD A,#1 DA A MOV 31H,A LCALL DELAY1 AJMP LED6HOUR: ADD A,#1 DA A MOV 30H,A LCALL DELAY1 AJMP LED6 ；數(shù)碼顯示表；