基于Proteus的單片機控制電子時鐘電路設計與仿真.doc

摘 要 基于 Proteus 的單片機控制電子時鐘電路設計與仿真 摘 要 工程實踐教學環(huán)節(jié)是為了學生能夠更好地鞏固和實踐所學專業(yè)知識而設 置的 在本次工程實踐中 我們以微機原理與接口技術課程中所學知識為基 礎 設計了電子時鐘 單片機由 RAM ROM CPU 構成 由定時 計數(shù)和 多種接口于一體的微控制器 它體積小 成本低 廣泛應用于智能產(chǎn)業(yè)和工 業(yè)自動化上 本設計主要設計了一個基于 AT89C51 單片機為核心 使用 12MHz 晶振與 AT89C51 相連接 通過軟件編程的方法實現(xiàn)以 24 小時為一個 周期 同時 8 位 7 段 LED 數(shù)碼管顯示小時 分鐘和秒的要求 本系統(tǒng)的設計說明重點介紹了如下幾方面的內(nèi)容 1 電子時鐘的基本功能 同時對計時的原理也進行了簡要的闡述 2 介紹了系統(tǒng)的總體設計 給出了系統(tǒng)的整體結構框圖 并對其進行 了功能模塊劃分及所采用的元器件進行了詳細說明 3 對系統(tǒng)各功能模塊的軟 硬件實現(xiàn)進行了詳細的設計說明 關鍵詞 關鍵詞 AT89C51 單片機 電子鐘 硬件設計 軟件設計 目 錄 目 錄 第一章 緒論 1 1 1 課題簡介 1 1 2 設計目的與要求 1 1 3 題目描述 2 1 4 設計任務 2 1 5 章節(jié)安排說明 2 第二章 電子時鐘系統(tǒng)簡介 3 2 1 單片機簡介 3 2 2 單片機的發(fā)展史 3 2 3 電子時鐘基本特點 4 2 3 電子時鐘基本特點 4 第三章 系統(tǒng)總體設計及硬件設計 5 3 1 單片機芯片選擇方案 5 3 2 數(shù)碼管顯示選擇方案 5 3 2 1 數(shù)碼管顯示工作原理 5 3 2 2 數(shù)碼管方案及選擇 6 3 3 硬件單元電路設計與參數(shù)設計 6 3 4 元件清單 8 第四章 電子時鐘軟件設計 10 4 1 軟件系統(tǒng)模塊功能簡要介紹 10 4 2 軟件系統(tǒng)流程圖 10 4 3 程序代碼 12 目 錄 第五章 電子時鐘調(diào)試與仿真 15 5 1 HEX 文件的生成 15 5 2 原理圖的繪制 15 5 3 調(diào)試與仿真 16 第六章 結束語 18 參考文獻參考文獻 19 目 錄 第一章 緒論 1 第一章 緒論 1 1 課題簡介 數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)對時 分 秒數(shù)字顯示的計時裝置 由于數(shù) 字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應用 使得數(shù)字鐘的精度 遠遠 超過老式鐘表 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便 而且大大 地擴展了鐘表的報時功能 數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?廣泛用 于家庭 車站 碼頭 劇院 辦公室等場所 給人們的生活 學習 工作帶 來極大的方便 1 不僅如此 在現(xiàn)代化的進程中 也離不開電子鐘的相關功 能和原理 比如機械手的控制 家務的自動化 定時自動報警 按時自動打 鈴 時間程序自動控制 定時廣播 自動啟閉路燈等 這些都是以鐘表數(shù)字 化為基礎的 而且是控制的核心部分 因此 研究數(shù)字鐘及擴大其應用 有 著非?，F(xiàn)實的意義 數(shù)字電子鐘的設計方法有多種 例如 可用中小規(guī)模集成電路組成電子 鐘 也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成 電子鐘還可以利用單片機來實現(xiàn)電子鐘等等 這些方法都各有特點 其中 利用單片機實現(xiàn)的電子鐘具有編程靈活 便于功能擴充 精確度高等特點 2 基于以上分析 在此次設計中 我選擇的是利用單片機制作電子鐘 電 子鐘的設計本身包括程序的設計和硬件電路的設計 3 我的思路是 先進行 電路的整體設計 再根據(jù)電路進行編程 在編程的過程中對電路進行微調(diào) 以更好的配合程序 調(diào)試成功后 再根據(jù)電路圖畫出仿真圖 將軟件裝入單 片機芯片 利用 Proteus 軟件進行仿真 仿真中的錯誤通過改正程序的邏輯 錯誤和電路中的設計不當進行排除 這個過程很艱難的但也是很重要的 若 仿真可以實現(xiàn) 則硬件電路的實現(xiàn)就可以有條不紊地進行 軟件實踐設計說明書 2 1 2 設計目的與要求 通過本次工程實踐 運用微機原理與接口技術所學知識及查閱相關資料 完成對時間的計時并顯示的設計 達到理論知識與實踐更好結合 提高綜合 運用所學知識和設計能力的目的 通過本次設計訓練 可以使我們在基本思路和基本方法上對基于 MCS 51 單片機的嵌入式系統(tǒng)設計有一個比較感性的認識 并具備一定程度的設計 能力 設計一個有 時 分 秒 23 59 59 顯示的數(shù)字電子鐘 設計要點具 體如下 1 設計一個脈沖信號產(chǎn)生電路 2 設計 24 進制 60 進制計數(shù)器 3 設計譯碼顯示電路 4 時間以 24 小時為一個周期 顯示時 分 秒 1 3 題目描述 數(shù)字電子鐘實際上是一個對標準頻率進行計數(shù)的計數(shù)電路 它的計時周 期為 24 小時 顯示滿刻度為 23 時 59 分 59 秒 一個簡單的數(shù)字鐘電路主要 由譯碼器顯示器 譯碼器 計數(shù)電路 組合邏輯電路以及振蕩器構成 信 號由振蕩器產(chǎn)生 通過計數(shù)器傳到譯碼器 再由譯碼顯示器顯示 這樣就可 以看到時間變化了 1 4 設計任務 在本次工程實踐中 主要完成如下方面的設計任務 1 簡要綜述單片機技術發(fā)展的國內(nèi)外現(xiàn)狀 2 掌握 MCS 51 系列某種產(chǎn)品 例如 8031 的最小電路及外圍擴展電 路的設計方法 3 了解單片電子時鐘的功能及工作過程 4 完成主要功能模塊的硬件電路設計及必要的參數(shù)確定 第一章 緒論 3 5 用一種計算機繪圖軟件完成原理電路的繪制 6 完成系統(tǒng)設計說明書 頁數(shù)不低于 10 頁 1 5 章節(jié)安排說明 整個設計總共分為四個章節(jié) 第一章是前言部分 主要介紹了設計單片 機電子時鐘的意義 目的及主要內(nèi)容 第二章對單片機作了簡要說明 介紹 了單片機的發(fā)展史 并對電子鐘的特點以及原理作了簡要說明 第三章是系 統(tǒng)的總體設計階段 這一部分主要介紹了系統(tǒng)的整體功能 繪制出系統(tǒng)的整 體結構框圖 另外按照各部分實現(xiàn)的功能不同 將整個系統(tǒng)分成了三個功能 塊 并對每一個功能塊所采用的元器件進行了詳細介紹 第四章是系統(tǒng)詳細 設計階段 對每一個功能塊的芯片圖進行了詳細的說明 對每一個引腳的接 線都進行了詳細的設計 此外還編寫了主要功能模塊的基本程序 詳盡闡述 了各模塊的工作過程 軟件實踐設計說明書 4 第二章 電子時鐘系統(tǒng)簡介 2 1 單片機簡介 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng) 盡管它的大部分 功能集成在一塊小芯片上 但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件 CPU 內(nèi)存 內(nèi)部和外部總線系統(tǒng) 目前大部分還會具有外存 同時集成諸 如通訊接口 定時器 實時時鐘等外圍設備 而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚 至可以將聲音 圖像 網(wǎng)絡 復雜的輸入系統(tǒng)集成在一塊芯片上 2 2 單片機的發(fā)展史 單片機誕生于 20 世紀七十年代末 經(jīng)歷了 SCM MCU SOC 三大階段 起初模型起初模型 1 SCM 即單片機微型計算機階段 Single Chip Microcomputer 主要是 尋求最佳的單片機形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結構 創(chuàng)新模式 獲得成功 奠定了 SCM 與通用計算機完成不同的發(fā)展道路 在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā) 展道路上 Intel 公司功不可沒 2 MCU 即微控制器 Micro Controller Unit 階段 主要的技術發(fā)展方向 是 不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時 對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路 突顯其對象的智能化控制能力 它所涉及的領域都與對象系統(tǒng)相關 因此 發(fā)展 MCU 的重任不可避免的落在電氣 電子技術廠家 從這一角度看 Intel 逐漸淡出 MCU 的發(fā)展也有其客觀因素 在發(fā)展 MCU 方面 最著名的 廠家當屬 Philips 公司 Philips 公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢 將 MCS 51 從單片機微 型計算機發(fā)展到微控制器 因此 當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時 不要 忘記 Intel 和 Philips 的歷史功績 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 第二章 電子時鐘系統(tǒng)簡介 5 單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路 向 MCU 階段發(fā)展的重要因素 就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決 因此 專用單片機的發(fā)展自然形 成了 SoC 化趨勢 隨著微電子技術 IC 設計 EDA 工具的發(fā)展 基于 SoC 的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展 因此 對單片機的理解可以從單片 機微型計算機 單片微控制器延伸到單片機應用系統(tǒng) 2 3 電子時鐘基本特點 現(xiàn)在高精度的計時工具大多數(shù)都使用了石英晶體振蕩器 由于電子鐘 石英鐘 石英表都采用了石英技術 因此走路精度高 穩(wěn)定性好 使用方便 不需要經(jīng)常調(diào)試 數(shù)字式電子鐘用集成電路計時時 譯碼代替機械式傳動 用液晶顯示器代替指針顯示進而顯示時間 減小了計時誤差 這種表具有時 分 秒顯示時間的功能 2 3 電子時鐘基本特點 一個基本的數(shù)字鐘電路系統(tǒng)主要有秒信號發(fā)生器 時 分 秒 計數(shù)器 譯碼器及顯示器 電路組成 秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號 它直接 決定計時系統(tǒng)的精度 一般用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn) 在此我們用 定時器 將定時器與電阻 電容按照定時器構成多諧振蕩器圖接線 組成一 個輸出 1 秒的標準脈沖 將標準秒信號送入 秒計數(shù)器 軟件實踐設計說明書 6 第三章 系統(tǒng)總體設計及硬件設計 3 1 單片機芯片選擇方案 方案一 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低電壓 高性能 CMOS 8 位微處理器 俗稱單片機 AT89C2051 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 和閃速存儲器組 合在單個芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 AT89C2051 是 它的一種精簡版本 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 方案二 AT89S52 是一個低消耗 高性能 CMOS8 為單片機 片內(nèi)含 4k Bytes ISP 的可反復撰寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器 主要性能有 與 MCS 51 單片機產(chǎn)品兼容 全靜態(tài)操作 0Hz 33Hz 三級加密程序存儲器 32 個可編程 I O 口線 三個 16 位定時器 計數(shù)器 八個中斷源 全雙工 UART 串行通道 掉電后中斷可喚醒 看門狗定時器 雙數(shù)據(jù)指針 掉電標 識符 易編程 由于只需要實現(xiàn)顯示時間簡單的功能 兩個單片機就能很好的實現(xiàn)該功 能 我們優(yōu)先考慮單片機的成本所以選擇方案一 3 2 數(shù)碼管顯示選擇方案 3 2 1 數(shù)碼管顯示工作原理 數(shù)碼管是一種把多個 LED 顯示段集成在一起的顯示設備 有兩種類型 第三章 系統(tǒng)總體設計及硬件設計 7 一種是共 陽型 一種是共陰型 共陽型就是把多個 LED 顯示段的陽極接在 一起 又稱為公共端 共陰型就是把多個 LED 顯示段的陰極接在一起 即為 公共商 陽極即為二極管的正極 又稱為正極 陰極即為二極管的負極 又 稱為負極 通常的數(shù)碼管又分為 8 段 即 8 個 LED 顯示段 這是為工程應用 方便如設計的 分別為 A B C D E F G DP 其中 DP 是小數(shù)點位 段 而多位數(shù)碼管 除某一位的公共端會連接在一起 不同位的數(shù)碼管的相 同端也會連接在一起 即 所有的 A 段都會連在一起 其它的段也是如此 這是實際最常用的用法 數(shù)碼管顯示方法可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種 靜態(tài)顯示就是數(shù)碼管的 8 段輸入及其公共端電平一直有效 動態(tài)顯示的原理 是 各個數(shù)碼管的相同段連接在一起 共同占用 8 位段引管線 每位數(shù)碼管 的陽極連在一起組成公共端 利用人眼的視覺暫留性 依次給出各個數(shù)碼管 公共端加有效信號 在此同時給出該數(shù)碼管加有效的數(shù)據(jù)信號 當全段掃 描速度大于視覺暫留速度時 顯示就會清晰顯示出來 3 2 2 數(shù)碼管方案及選擇 方案一 靜態(tài)顯示 靜態(tài)顯示 即當顯示器顯示器顯示某一個字符時 相應的發(fā)光二極管恒定導通或截止 該方式每一位都需要一個 8 位輸出口控 制 靜態(tài)顯示時較小電流能獲得較高的亮度 且字符不閃爍 但因當所需現(xiàn) 實的位數(shù)較多時 靜態(tài)顯示所需的 I O 口數(shù)較大 造成資源的浪費 方案二 動態(tài)顯示 動態(tài)顯示 即各位數(shù)碼管輪流點亮 對于顯示器各 位數(shù)碼管 每隔一段延時時間循環(huán)點亮一次 利用人的視覺暫留功能可以看 到整個顯示 但須保證掃描速度足夠快 人的視覺暫留功能才可察覺不到字 符閃爍 顯示器的亮度與導通電流 點亮時間及間隔時間的比例有關 調(diào)整 參數(shù)可以實現(xiàn)較高穩(wěn)定度的顯示 動態(tài)顯示節(jié)省了 I 0 口 降低了能耗 從節(jié)省單片機芯片 I O 口和降低能耗的角度出發(fā) 本數(shù)字電子鐘數(shù)碼管 顯示選擇采用方案二 軟件實踐設計說明書 8 3 3 硬件單元電路設計與參數(shù)設計 1 電源電路電源電路 本數(shù)字電子鐘設計所需電源電壓為直流 電壓值大小為 5V 的電壓源 從硬件實物設計簡易程度與經(jīng)費方面考慮 用兩節(jié)電壓值為 2 5V 干電池與電 路電壓源引腳相連接即可達到硬件設計要求 即本數(shù)字電子鐘設計用兩節(jié)電 壓值大小 2 55V 干電池做硬件電路電壓源 2 時鐘電路時鐘電路 單片機芯片可使用內(nèi)部時鐘和外部時鐘電路兩種方式產(chǎn)生電路所需的時 鐘脈沖 內(nèi)部時鐘電路實現(xiàn)可用石英晶體和微調(diào)電容外接即可達到 外部時 鐘電路實現(xiàn)需要一個外部脈沖源引入脈沖信號以保證單片機之間時鐘信號的 同步 從贏家實現(xiàn)的難易程度考慮 內(nèi)部時鐘電路的實現(xiàn)比外部時鐘電路的 實現(xiàn)更簡單容易 即本數(shù)字電子鐘設計所需要的時鐘源采用內(nèi)部時鐘電路實 現(xiàn) 所用定時方式為工作方式 1 石英晶振為 12M 即最小定時時間為 1us 最大定時時間約為 65 5ms 其電路圖如下圖 3 1 所示 圖 3 1 時鐘電路圖 第三章 系統(tǒng)總體設計及硬件設計 9 3 鍵盤電路設計鍵盤電路設計 該設計只用了一個鍵盤 但實現(xiàn)的功能卻是比較完善 減少了硬件資源 的損耗 該鍵盤可以實現(xiàn)小時和分鐘的調(diào)節(jié)以及控制是否進入省電模式 當按鍵按下又松開 可以實現(xiàn)屏蔽數(shù)碼管顯示的功能 達到省電的目的 直 接按下不松開 則可以通過按鍵實現(xiàn)分鐘的累加 每按一次分鐘加一 而連 續(xù)兩次按下按鍵不放松 則可實現(xiàn)小時的調(diào)節(jié) 同樣每按一次小時加一 達 到時間調(diào)節(jié)的目的 如圖 3 2 所示 圖 3 2 多功能控制鍵 4 LED 顯示電路顯示電路 數(shù)字電子鐘設計的顯示模塊用 8 個以為數(shù)碼管實現(xiàn) 也可用兩個四位一 體數(shù)碼管實現(xiàn) 兩種實現(xiàn)方式實現(xiàn)方式實現(xiàn)效果一樣 從實物制作的難易程 度出 本數(shù)字電子鐘設計采用一個 8 位數(shù)碼管實現(xiàn) 5 單片機電路單片機電路 本數(shù)字電子鐘設計采用 AT89C51 單片機芯片作為中央控制器 實現(xiàn)信 軟件實踐設計說明書 10 號的輸出 LED 的顯示及相關的控制功能 3 4 元件清單 根據(jù)總體的設將所需要的元件列出如下 表 3 1 表 3 1 器件清單 元件名稱所屬類所屬子類 AT89C51Microprocessor ICs8051 Family CRYSTALMiscellaneous CAPCapcitorsGenerie CAP ELECCapcitorsGenerie Resistor7 Wait Wirewound RES Resistor10 Wait Wirewound 7SEG MPX8 BLUEOptoelectronics7 Segment Displays BUTTONSwitches uint second 0 minter 50 hour 11 uint sshi sge mge mshi hshi hge static char court 0 sbit P21 P2 1 sbit P22 P2 2 sbit P23 P2 3 sbit P24 P2 4 sbit P25 P2 5 sbit P26 P2 6 sbit P27 P2 7 sbit P20 P2 0 void delay 單個 LED 延時函數(shù) uchar i 小時清零 第四章 電子時鐘軟件設計 14 for i 0 i 15 i void int1 interrupt 1 using 2 定時中斷相應定 50ms TH0 0 x4c TL0 0 x00 court void main 主函數(shù) TMOD 0 x01 TH0 0 x00 TL0 0 x00 EA 1 ET0 1 TR0 1 P1 0XFF for sshi second 10 求分秒的個位 sge second 10 mshi minter 10 mge minter 10 hshi hour 10 hge hour 10 P0 d sge 時分秒在 LED 的顯示 P27 1 P0 口數(shù)據(jù)輸出 P2 口選通信號 delay P27 0 P0 d sshi P26 1 軟件實踐設計說明書 15 delay P26 0 P0 0 xbf P25 1 delay P25 0 P0 d mge P24 1 delay P24 0 P0 d mshi P23 1 delay P23 0 P0 0 xbf P22 1 delay P22 0 P0 d hge P21 1 delay P21 0 P0 d hshi P20 1 delay P20 0 if court 20 定時 1s 的時間是否到 若到 則執(zhí)行 IF 后 面的程序 第四章 電子時鐘軟件設計 16 court 0 執(zhí)行 LED 顯示程序 second if second 60 second 0 minter if minter 60 minter 0 hour if hour 24 hour 0 第五章 電子時鐘調(diào)試與仿真 17 第五章 電子時鐘調(diào)試與仿真 5 1 HEX 文件的生成 1 打開單片機軟件開發(fā)系統(tǒng) Keil Vision 單擊 Vision 菜單中的 Project 在此下拉菜單中單擊 New Project 選項后 彈出 Create New Project 對話框 鍵入新建項目名稱 2 鍵入新建項目名并單擊 確定 按鈕后 在彈出的 Slect Devic 對話框 中選擇合適的單片機型 如 AT89C51 3 單擊 Vision 菜單中的 File 在此下拉菜單下 選擇 New 后 打 開一個空的文本編輯窗口 在此窗口中輸入程序 創(chuàng)建新的源程序 dzz C 文 件 4 在左邊的 Project 窗口的 File 頁中單擊文件組 再單擊鼠標右鍵后 在彈出的窗口中選中 Add File to Group Source Group 1 選項 將 dzz C 程 序導入到 Source Group 1 中 5 在 Project 下拉菜單中 選中 Options for Target 將會彈出 Option for Target 對話框 在此對話框中選中 Output 選項卡中的 Creat HEX File 選項 6 在 Project 下拉菜單中 選擇 Rebuild all Target files 項 若程序編譯 成功 將生成 dzz HEX 文件 5 2 原理圖的繪制 1 在 Proteus ISIS 編輯窗口中 單擊元件列表之上的 P 按鈕 添加所 需要的元件 2 在 Proteus ISIS 編輯窗口中 繪制電路圖 如圖 5 1 所示 軟件實踐設計說明書 18 圖 5 1 電子鐘電路圖 5 3 調(diào)試與仿真 1 在 Proteus ISIS 編輯窗口中 單擊鼠標右鍵將 AT89C51 單片機選中 并單擊鼠標左鍵 彈出 Edit Component 對話框 在此對話框的 Clock Frequency 欄中設置單片機晶振頻率為 12MHz 在 Program File 欄中單擊文 件 選擇先前用 Keil Vision 2s 生成的 dzz HEX 文件 2 在 Proteus ISIS 編輯窗口中 File 下拉菜單 Save Desi