電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)

1 概述 ： 加入世貿(mào)組織以后，中國(guó)會(huì)面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)。這種競(jìng)爭(zhēng)將是一場(chǎng)科技實(shí)力、管理水平和人才素質(zhì)的較量，風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)遇共存。 于是老師 在單片機(jī)理論課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，為我們安排了一個(gè)涉及 MCS 51 單片機(jī)多種資源應(yīng)用及具有綜合功能的電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵字 ： 顯示時(shí)間 定時(shí) 溫度采集 系統(tǒng)仿真 1 引 言 單片原理及應(yīng)用是一門(mén)技術(shù)性、應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)踐教學(xué)是它的一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)。不論是硬件擴(kuò)展、接口應(yīng)用還是編程方法、程序調(diào)試，都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如果不在切實(shí)認(rèn)真地抓好學(xué)生的實(shí)踐技能的鍛煉上下功夫，單憑課堂理論 課學(xué)習(xí)，勢(shì)必出現(xiàn)理論與實(shí)踐脫節(jié)的局面。任隨書(shū)本上把單片機(jī)技術(shù)介紹得多么重要、多么實(shí)用多么好用，同學(xué)們?nèi)匀粫?huì)感到那只是空中樓閣，離自己十分遙遠(yuǎn)，或者會(huì)感到對(duì)它失去興趣，或者會(huì)感到它高深莫測(cè)無(wú)從下手，這些情況都會(huì)令課堂教學(xué)的效果大打折扣。 本次仿真設(shè)計(jì)的目的就是讓同學(xué)們?cè)诶碚搶W(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)完成一個(gè)涉及 MCS 51 單片機(jī)都種資源應(yīng)用并具有綜合功能的小系統(tǒng)目標(biāo)板的設(shè)計(jì)與編程應(yīng)用，使學(xué)生不但能夠?qū)⒄n堂上學(xué)到的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，而且能夠?qū)﹄娮与娐?、電子元器件、印制電路板等方面的知識(shí)進(jìn)一步加深認(rèn)識(shí)，同時(shí)在軟 件編程、排版調(diào)試、焊接技術(shù)、相關(guān)儀器設(shè)備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高，為今后能夠獨(dú)立進(jìn)行某些單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作打下一定的基礎(chǔ)。 該電子時(shí)鐘不但具有定時(shí)作用還有溫度采集作用。定時(shí)部分可以顯示時(shí)、分、秒，而且用按鍵還可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間的調(diào)整和鬧鈴的設(shè)定。溫度采集部分實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的采集。 在上一學(xué)期進(jìn)行的 EDA 課程設(shè)計(jì)中，同學(xué)們完成了單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與定時(shí)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。本次綜合實(shí)踐是在此基礎(chǔ)上，焊接制作電路板，完成該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試。待仿真成功后，再將程序燒寫(xiě)入單片機(jī)中。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 整個(gè)電子時(shí)鐘系統(tǒng)電路可分為五大部分：中央處理單元（ CPU）、電源電路部分、顯示部分、鍵盤(pán)輸入部分、溫度采集部分。 2 1 中央處理單元 CPU 選用 AT89C 2051 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制： 1）它將定時(shí)數(shù)據(jù)輸出到 LED，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的顯示； 2）根據(jù)鍵盤(pán)輸入調(diào)用相應(yīng)鍵處理子程序，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的調(diào)整和鬧鈴的設(shè)定； 3）接收溫度傳感器輸入的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，然后輸出到 2 位的 LED 2 顯示器顯示出來(lái)。 2 2 電源電路部分 在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯一能量來(lái)源，它 的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)我們以前學(xué)過(guò)的模電電子技術(shù)，要想得到我們所要的+6V 輸出電壓，就需將交流 220V 的電壓經(jīng)過(guò)變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個(gè)部分。 2 3 顯示部分 顯示部分是整個(gè)電子時(shí)鐘最為重要的部分， 它分為時(shí)間的顯示和溫度的顯示兩部分，共需要 8 位 LED 顯示器。采用動(dòng)態(tài)顯示方式， 所謂動(dòng)態(tài)顯示方式是時(shí)間（或溫度）數(shù)字在 LED 上一個(gè)一個(gè)逐個(gè)顯示，它是通過(guò)位選端控制在哪個(gè) LED 上顯示數(shù)字，由于這些 LED 數(shù)字顯示之間的時(shí)間非常的短，使的人眼看來(lái)它們是一起顯示時(shí)間數(shù)字的，并且動(dòng)態(tài)顯示方式所用的接口少，節(jié)省了 CPU 的管腳。由于端口的問(wèn)題以及動(dòng)態(tài)顯示方式的優(yōu)越性，在此設(shè)計(jì)的連接方式上采用共陰級(jí)接法。顯示器 LED 有段選和位選兩個(gè)端口，首先說(shuō)段選端，它由 LED 八個(gè)端口構(gòu)成，通過(guò)對(duì)這八個(gè)端口輸入的不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)使得它的時(shí)間（或溫度）顯示也不同，從而可以得到我們所要的時(shí)間顯示和溫度。但對(duì)于二十個(gè)管腳的 AT89C2051 來(lái)說(shuō)， LED 八個(gè)段選管腳太多，于是我選用 74LS164 芯片來(lái)擴(kuò)展主芯片的管腳， 74LS164 是數(shù)據(jù)移位寄存器，還選用了 74LS244 作為數(shù)據(jù)緩存器。 2 4 鍵盤(pán)部分 它是整個(gè)系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的部分，根據(jù)功能要 求，本系統(tǒng)共需四個(gè)按鍵：功能移位鍵、功能加鍵、功能減鍵、定鬧鍵。并采用獨(dú)立式按鍵。 溫度采集部分 此部分選用 DS18B20 傳感器，主要由四部分組成： 64 位 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。有三個(gè)管腳： DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； GND 為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端。電源有兩種接法： 1）遠(yuǎn)端因入； 2）寄生電源方式。它是 支持“一線(xiàn)總線(xiàn)”接口的溫度傳感器，測(cè)量溫度范圍為-55C+125C，在 -10+85C 范圍內(nèi) ， 可編程為 9 位 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度，工作電壓在 3V 5V 之間 。 現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線(xiàn)總線(xiàn)”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 何為“一線(xiàn)總線(xiàn)”：獨(dú)特的電源和信號(hào)復(fù)合在一起；僅使用一條口線(xiàn)；每個(gè)芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址；簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)化的溫度感知；零功耗等待。 2電路制作 根據(jù)電路圖（如圖示 1）將元器件布置在電路板上： 3 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 7- S e p - 2 0 05 S he e t o f F i l e : F : 單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 溫度采集和時(shí)鐘電路付琳琳 時(shí)鐘和溫度計(jì) .d dbD r a w n B y:S3R 1 24 7KVGND dataU4 d s 1 8 b2 0abcdefgdpVD P YD S 1L E DabcdefgdpVD P YD S 2L E DabcdefgdpVD P YD S 3L E DabcdefgdpVD P YD S 8L E DabcdefgdpVD P YD S 4L E DabcdefgdpVD P YD S 7L E DabcdefgdpVD P YD S 5L E DabcdefgdpVD P YD S 6L E DE D A 課程設(shè)計(jì)X1X T A L 2C23 3pC33 0p FE N 11E N 2191 A 1 I N21 A 2 I N41 A 3 I N61 A 4 I N82 A 1 I N112 A 2 I N132 A 3 I N152 A 4 I N172 Y 4 O U T32 Y 3 O U T52 Y 2 O U T72 Y 1 O U T91 Y 4 O U T121 Y 3 O U T141 Y 2 O U T161 Y 1 O U T18U27 4L S 2 44 ( 2 0 )S1S W - P BC12 2u FR91 0KR S TP 3. 0 / R X DP 3. 1 / T X DX T A L 2X T A L 1P 3. 2 / I N T 0P 3. 3 / I N T 1P 3. 4 / T 0P 3. 5 / T 1GNDV c cP 1. 7P 1. 6P 1. 5P 1. 4P 1. 3P 1. 2P 1. 0P 3. 7P 1. 1S E R I N A1S E R I N B2Q03Q14Q25Q36C L K I N8C L R9Q410Q511Q612Q713U?7 4L S 1 64 ( 1 4 )R1 3 00 R2 3 00 R3 3 00 R4 3 00 R5 3 00 R6 3 00 R8 3 00 R7 3 00 +5+5GNDGND+5GNDGNDR?4 K 7R?4 K 7S2GND+5如圖（ 1） 根據(jù)元器件種類(lèi)和體積以及技術(shù)要求將其布局在電路板上的適當(dāng)位置?？梢韵葟捏w積較大的器件開(kāi)始，如單片機(jī)底座、電源穩(wěn)壓器、變壓線(xiàn)圈、鎖存器、溫度傳感器等。待體積較大的元器件布局好之后，小型的電子元器件就可以根據(jù)間 隙面積靈活布置。二極管、電感器、阻容元件的裝配方式一般有直立式、俯臥式和混合式三種。 直立式。電阻、電容、二極管等都是豎直安裝在印刷板上的。這種方式的特點(diǎn)是：在一定的單位面積內(nèi)可以容納較多的電子元件，同時(shí)元件的排列也比較緊湊。缺點(diǎn)是：元件的引線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，在一個(gè)平面上，欠美觀(guān)，元器件引腳彎曲，且密度較大，元器件之間容易引腳碰觸，可靠性欠佳，且不太適合頻率較高的電路采用。 俯臥式。電阻、電容、二極管等都是俯臥式安裝在印刷板上的。這樣可以明顯地降低元件的排列高度，可實(shí)現(xiàn)薄形化，同時(shí)元器件的引腳也最 短，適合于較高工作頻率的電路采用，也是目前采用最廣泛的一種安裝方式。 混合式。為了適應(yīng)各種不同條件的要求或某些位置受面積所限，在一塊印刷電路板上，有的元器件則采用俯臥式。這受到電路結(jié)構(gòu)各式以及機(jī)殼內(nèi)尺寸的限制，同時(shí)靈活處理。 元器件配置布局應(yīng)考慮的因素： 電路板是矩形，元件排列的長(zhǎng)度方向一般應(yīng)與電路板的長(zhǎng)邊平行，這樣不但可以提高元件的裝配好的印刷電路板更美觀(guān)。 應(yīng)盡可能地縮短元件及元件之間的引線(xiàn)。盡量避免電路板上的導(dǎo)線(xiàn)的交叉，設(shè)法減小它們的分布電容和互相之間的電磁干擾，以提高系統(tǒng)工作的可靠性。 應(yīng)以 功能電路的核心器件為中心，外圍元件圍繞它進(jìn)行布局。 4 要注意各種門(mén)電路多余的處理，或接電源端或接地端，并按照正確的 方法實(shí)現(xiàn)不同邏輯門(mén)的組合轉(zhuǎn)換。 元器件的配置和布局應(yīng)有利于設(shè)備的裝配、檢查、高度和維修。 元器件焊接注意事項(xiàng)： 焊接前務(wù)必認(rèn)準(zhǔn)元件數(shù)值，會(huì)認(rèn)元件上的標(biāo)識(shí)和會(huì)用數(shù)字多用表測(cè)試。焊接時(shí)速度要快，電烙鐵不可長(zhǎng)時(shí)間停留在電路板和元件的焊腳上。特別是晶振、發(fā)光二極管、電解電容、 9041 三極管等元件，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易導(dǎo)致元器件損壞。 3軟件仿真 3 1 仿真器介紹 仿真器采用偉福仿真器系統(tǒng)，該仿真器介紹如下 ： 系統(tǒng)的特點(diǎn)介紹 本仿真器系統(tǒng)由仿真主機(jī) +仿真頭、 MULTIA 用戶(hù)板、實(shí)驗(yàn)板、開(kāi)關(guān)電源等組成。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 1主機(jī) +仿真頭的組合，通過(guò)更換不同型號(hào)的仿真頭即可對(duì)各種不同類(lèi)型的單片機(jī)進(jìn)行仿真，是一種靈活的多 CPU 仿真系統(tǒng)。采用主機(jī) +POD 組合方式，更換 POD，可以對(duì)各種 CPU 進(jìn)行仿真。本仿真器主機(jī)型號(hào)為 E2000/S，仿真頭型號(hào)為 POD8X5X（可仿真系列 8X5X 單片機(jī)）。 2雙平臺(tái)，具有 DOS 版本和 WINDOWS 版本，后者功能強(qiáng)大，中 /英文界面任選，用戶(hù)源程序的大小不再有任何限制，支持 ASM， C,PLM 語(yǔ)言混合編程，具有項(xiàng)目管理功能，為用戶(hù)的資源共享、課題重組提供強(qiáng)有力的手段。支持點(diǎn)屏顯示，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)一下源程序中的某一變量，即可顯示該變量的數(shù)值。有豐富的窗口顯示方式，多方位，動(dòng)態(tài)地顯示仿真的各種過(guò)程，使用極為便利。本操作系統(tǒng)一經(jīng)推出，立即被廣大用戶(hù)所喜愛(ài)。 3雙工作模式 1）軟件模擬仿真（不要仿真器也能模擬仿真）。 2）硬件仿真。 4雙 CPU 結(jié)構(gòu)， 100%不占用戶(hù)資源。 全空間硬件斷點(diǎn)，不受任何條件限制，支持地址、數(shù)據(jù)、外部信號(hào)、事件斷點(diǎn)、支持實(shí)時(shí)斷點(diǎn)計(jì)數(shù)、軟件運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)。 5雙集成環(huán)境 編輯、編譯、下載、調(diào)試全部集中在一個(gè)環(huán)境下 多種仿真器，多類(lèi) CPU 仿真全部集成在一個(gè)環(huán)境下?？煞抡?51 系列， 196 系列，PIC 系列，飛利蒲公司的 552、 LPC764、 DALLAS320，華邦 438 等 51 增強(qiáng)型 CPU。為了跟上形勢(shì)，現(xiàn)在很多工程師需要面對(duì)和掌握不同的項(xiàng)目管理器、編輯器、編譯器。他們由不同的廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)，相互不兼容，使用不同的界面，學(xué)習(xí)使用都很吃力。偉福WINDOWS 調(diào)試軟件提供了一個(gè)全集成環(huán)境，統(tǒng)一的界面，包含一個(gè)項(xiàng)目管理器，一個(gè)功能強(qiáng)大的編輯器，匯編 Make,Build 和調(diào)試工具并提供千個(gè)與第 三方編譯器的接口。 5 由于風(fēng)格統(tǒng)一，大大節(jié)省了精力和時(shí)間。 6強(qiáng)大的邏輯分析儀綜合調(diào)試功能。 邏輯分析儀由交互式軟件菜單窗口對(duì)系統(tǒng)硬件的邏輯或時(shí)序進(jìn)行同步實(shí)時(shí)采樣，并實(shí)時(shí)在線(xiàn)調(diào)試分析，采集深度 32K（ E2000/L），最高時(shí)基采樣頻率達(dá) 20MHz， 40路波形，可精確實(shí)時(shí)反映用戶(hù)程序運(yùn)行時(shí)的歷史時(shí)間。系統(tǒng)在使用邏輯分析儀時(shí)，除普通的單步運(yùn)行、鍵盤(pán)斷點(diǎn)運(yùn)行、全速硬件斷點(diǎn)運(yùn)行外，還可實(shí)現(xiàn)各種條件組合斷點(diǎn)如：數(shù)據(jù)、地址、外部控制信號(hào)、 CPU 內(nèi)部控制信號(hào)、程序區(qū)間斷點(diǎn)等。由于邏輯儀可以直接對(duì)程序的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行分 析，因此極大地便利于程序的調(diào)試。 7強(qiáng)大的追蹤器功能 追蹤功能以總線(xiàn)周期為單位，實(shí)時(shí)記錄仿真過(guò)程中 CPU 發(fā)生的總線(xiàn)事件，其觸發(fā)條件方式同邏輯分析儀。追蹤窗口在仿真停止時(shí)可收集顯示追蹤的 CPU 指令記憶信息，可以以總線(xiàn)反匯編碼模式、源程序模式對(duì)應(yīng)顯示追蹤結(jié)果。屏幕窗口顯示波形圖最多追蹤記憶指令 32K 并通過(guò)仿真器的斷點(diǎn)、單步、全速運(yùn)行或各種條件組合斷點(diǎn)來(lái)完成追蹤功能。總線(xiàn)跟蹤可以跟蹤程序的運(yùn)行軌跡。可以統(tǒng)計(jì)軟件運(yùn)行時(shí)間。 偉福系統(tǒng)仿真如圖（ 2）所示 ： 如圖（ 2） 3 2 仿真器編程 雙擊桌 面上的 WAVE 圖標(biāo)或從開(kāi)始 /程序 /WAVE FOR WINDOWS/WAVE 進(jìn)入本開(kāi)發(fā)環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)要先根據(jù)需要設(shè)置好仿真器類(lèi)型、仿真頭類(lèi)型以及 CPU 類(lèi)型，并注 6 意是否“使用偉福軟件模擬器”，若使用硬件仿真，請(qǐng)注意去掉“使用偉福軟件模擬器”前的選擇。在文件窗口下可進(jìn)行包括新建、打開(kāi)、保存等文件操作。在編譯文件窗口下可將源文件編譯成目標(biāo)文件。在窗口窗口下可以觀(guān)察各種窗口信息，其中最常用到的是 CPU 窗口和數(shù)據(jù)窗口。在 CPU 窗口下可以通過(guò) CPU 窗口看到編譯正確的機(jī)器碼及反匯編程序，可以更清楚地了解程序執(zhí)行過(guò)程。 CPU 窗口中還有 SFR 窗口和位窗口，了解程序執(zhí)行過(guò)程中寄存器內(nèi)容的變化。在數(shù)據(jù)窗口下有 DATA 內(nèi)部數(shù)據(jù)窗口；CODE 程序數(shù)據(jù)窗口； XDATA 外部數(shù)據(jù)窗口； PDTA