完整方案多功能電子鐘

1、物理與信息工程系課 程 設 計 報 告 課程名稱專 業(yè) 綜 合 課題名稱多功能電子數(shù)字鐘專 業(yè)電子信息科學與技術年 班 級08 級電科三班學 號08417321姓 名臧 遠 指導教師王夢蛟2011年5月21日目 錄摘要1關鍵詞10 前言11 總體方案設計22 硬件電路設計32.1 單片機最小系統(tǒng)32.2 時鐘電路設計52.3 LCD顯示電路設計62.4 按鍵選擇電路設計72.5 蜂鳴器電路設計83 軟件仿真94 系統(tǒng)軟件設計104.1 主程序設計104.2 時鐘模塊設計115 調試及性能分析12調試步驟125.2 性能分析136 總結137 元件清單.14參考文獻15多功能數(shù)字鐘的設計摘要：本

2、文設計了一種基于單片機控制的多功能數(shù)字鐘系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要以單片機芯片AT89C52為核心控制器，通過硬件電路的制作以及軟件程序的編制，主要由單片機最小系統(tǒng)、LCD液晶顯示模塊、按鍵選擇模塊、蜂鳴器模塊組成。可以實現(xiàn)準確顯示時間且能顯示到秒，可隨時進行時間及鬧鈴調整。設計以硬件軟件化為指導思想，充分發(fā)揮單片機功能，大部分能通過軟件編程來實現(xiàn)，電路簡單明了，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。同時，該數(shù)字鐘系統(tǒng)還具有功耗小、成本低的特點，具有很強的實用性。由于系統(tǒng)所用的元器件較少，單片機被占用的I/O口不多，因此具有一定的可擴展性。關鍵詞：AT89C52單片機；LCD液晶顯示；0 前言近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的

3、應用正在不斷的走向深入，同時帶動著傳統(tǒng)控制檢測日新月異更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面的知識是不夠的，還要根據(jù)具體的硬件結構，以及針對具體的應用對象的軟件結合，加以完善。單片機的應用的重要意義在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)意義設計理念和設計方法。曾經必須要通過模擬電路或者是數(shù)字電路實現(xiàn)的功能，單片機應用軟件技術就可以實現(xiàn)，這種微控技術不僅簡化了電路，而且還可以改變軟件程序或者參數(shù)實現(xiàn)不同的設計。數(shù)字鐘已經成為人們日常生活中不可缺少的必需品，廣泛的應用于家庭以及辦公室等公共場所。給我們生活、學習、工作、娛樂帶來了極大的方便。由于數(shù)字集成電

4、路技術的發(fā)展和采用了先進的石英技術，使數(shù)字鐘具有走時準確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點，它還用于計時、自動報時及自動控制等各個領域。盡管目前市場上已有現(xiàn)成的數(shù)字中集成電路芯片出售，價格便宜、使用也方便，但鑒于單片機的定時功能也可以完成數(shù)字鐘的電路設計，因此進行數(shù)字鐘的設計是必要的。本次設計的多功能數(shù)字鐘就是應用單片機的計時功能為設計核心，當計時器滿則實行中斷程序，當設定的鬧鈴時間與當前顯示的時間相同時，則蜂鳴器和鬧鈴燈開始工作，達到提醒時間的作用。1 總體方案設計針對本課題的設計任務，進行分析得到：本次設計用單片機做為總控制系統(tǒng)，由LCD進行數(shù)字顯示，由5個開關鍵作為鍵盤進行對時間的調整和鬧鈴設定

5、。根據(jù)設計要求采用AT89S52單片機做為控制器，時鐘電路方案設計有兩種：方案一：直接采用單片機定時計數(shù)器提供的秒信號，使用軟件編程實現(xiàn)時、分、秒計數(shù)。采用此種方案可以減少芯片的使用，節(jié)約成本，實現(xiàn)的時間誤差較小，但軟件編程比較麻煩。方案二：采用時間專用芯片實現(xiàn)時鐘，時鐘芯片是一種高性能的針對時鐘的芯片，可自動對秒、分、時、日、周、月、年進行計數(shù)，而且精度比較高，芯片用的多，成本高，但軟件程序設計較易實現(xiàn)。綜合各方面因素，針對此次多功能數(shù)字鐘的設計，我采用方案一來實現(xiàn)本次設計的要求。該多功能數(shù)字鐘的設計，總體上大致可分為以下幾個部分組成： 時鐘電路部分；LCD顯示電路部分；按鍵選擇電路部分；

6、蜂鳴器電路部分。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。LCD顯示電路AT89S52時鐘電路鍵盤掃描部分鬧鐘定時圖1 系統(tǒng)原理框圖整個電路的工作原理是由晶振芯片提供準確的時鐘電路，由鍵盤調整數(shù)字鐘的功能，并通過軟件編程把時間數(shù)字通過LCD顯示出來。2硬件電路設計2.1 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)電路主要包括復位電路和時鐘電路，是單片機工作的基礎，但本設計電路開機自動復位，。所謂最小系統(tǒng)，是指一個真正可用的單片機的最小配置系統(tǒng)。對于單片機內部資源已能夠滿足系統(tǒng)的需要的，可直接采用最小系統(tǒng)。由于MCS51系列單片機片內不能集成時鐘電路所需要的晶體振蕩器，因此在構成最小系統(tǒng)時，必須外接這些部件。根據(jù)片內有無程序存

7、儲器，MCS51的單片機最小系統(tǒng)分為兩種情況。第一種情況：8051/8751片內有4KB的ROM/EPROM,因此，只需要外接晶體振蕩器和復位電路就可以構成最小系統(tǒng)。第二種情況：8031片內無程序存儲器，因此，在構成最小系統(tǒng)時，不僅要外接晶體振蕩器，還應在外擴展程序存儲器。本設計采用的89S52單片機，故無需外擴程序存儲器。所需的電路如圖2所示。圖2單片機最小系統(tǒng)主控器（AT89S52）的主要性能特點是：（1）與MCS-51單片單片機產品兼容；（2）8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器；（3）1000次擦寫周期； （4）全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz； （5）三級加密程序存儲器； （6）32個

8、可編程I/O口線； （7）三個16位定時器/計數(shù)器；（8）六個中斷源； （9）全雙工UART串行通道； （10）低功耗空閑和掉電模式； （11）掉電后中斷可喚醒； （12）看門狗定時器； （13）雙數(shù)據(jù)指針； （14）掉電標識符 。2.2時鐘電路設計MCS-51單片機內部的振蕩電路是一個到增益反相放大器，引線 XTAL1和XTAL2分別為反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入和來自反向振蕩器的輸出，該反向放大器可以配置為片內振蕩器。單片機內部雖然有震蕩電路，但要形成時鐘，外部還需要附加電路。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用.有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬

9、無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。51單片機的時鐘產生方式有兩種，分別為：內部時鐘方式和外部時鐘方式。利用其內部的震蕩電路XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件，內部震蕩電路便產生自激震蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的時鐘信號。在MCS-51單片機一般常用內部時鐘方式，也就是在XTAL1和XTAL2之間連接晶體震蕩器與電容構成穩(wěn)定的自激震蕩器，電路如下圖3所示：圖3時鐘電路電路中，電容器C1和C2對振蕩器有微調作用，通常的取值范圍是30+/-10PF;石英晶體選擇6MHZ或12MHZ都可以。其結果只是機器周期時間不同，影響計數(shù)器的計數(shù)初值。2.3 LCD顯示電路設計單片機

10、應用系統(tǒng)中，通常都需要進行人-機對話。這包括人對應用系統(tǒng)的狀態(tài)干預與數(shù)據(jù)輸入，以及應用系統(tǒng)向人們顯示運行狀態(tài)與運行結果。顯示器和鍵盤電路就是用來完成人-機對話活動的人-機通道。由于單片機的并行口不能直接驅動LED顯示器，必須采用專用的驅動電路芯片，使之產生足夠大的電流，顯示器才能夠正常工作，所以采用LED顯示裝置較為麻煩。本設計采用LCD顯示裝置。液晶顯示器簡稱LCD顯示器，它是利用液晶經過處理后能改變光線的傳輸方向的特性實現(xiàn)顯示信息的。液晶顯示器具有體積小、重量輕、功耗極低、顯示內容豐富等特點。液晶顯示器按其功能可分為三類：筆段式液晶顯示器、字符點陣式液晶顯示器和圖形點陣式液晶顯示器。本設計

11、采用的是字符點陣式液晶顯示器，它是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣式液晶顯示模塊。它是由若干個5x7或5x11等點陣符位組成的，每一個點陣字符位都可以顯示一個字符。點陣字符位之間有一定點距的間隔，這樣就起到了字符間距和行距的作用。此顯示器接法簡單，即把時鐘信號顯示在液晶顯示器上，不僅結構簡單清晰可見，而且又容易控制。LCD液晶顯示電路如下圖4所示。圖4 LCD液晶顯示電路其中，數(shù)據(jù)的傳輸采用P0口進行控制，其引腳VSS/VEE接地， VDD接+5V電壓， E和RS端由P和P口進行控制。2.4 按鍵選擇電路設計數(shù)字鐘的應用系統(tǒng)工作應具備兩個基本功能，一是隨時輸入定時（鬧鐘）時間，二是隨時

12、對當前時間進行調整。要實現(xiàn)這兩項功能，可以接入鍵盤輸入電路。鍵盤結構可以分為獨立式鍵盤和行列式鍵盤（矩陣式）兩類，本設計中需要五個按鍵，因此選擇獨立式鍵盤，按鍵分別命名為：調整時間按鍵，調整鬧鐘時間按鍵，調整時針按鍵，調整分針按鍵，開鬧鐘按鍵、關鬧鐘按鍵，按鍵可以采用輕觸開關。按鍵選擇電路如下圖5所示。圖5 按鍵選擇電路其中，調整時間按鍵的功能是設置當前時間，即當數(shù)字鐘的時間有誤差時，隨時對它進行調整；調整鬧鐘時間按鍵的功能是設置定時（鬧鐘）時間；調整時針按鍵的功能是對時間值的小時位進行調整，每按一次+1；調整分針按鍵的功能是對時間值的分位進行調整每按一次+1；開鬧鐘按鍵的功能是開鬧鐘；關鬧鐘

13、按鍵的功能是關鬧鐘。2.5 蜂鳴器電路設計設計要求定時（鬧鐘）時間到時要有聲音提醒信號產生，可選擇一只蜂鳴器來實現(xiàn)這個功能。蜂鳴器有長聲和短聲兩種，本設計中選擇短聲蜂鳴器-壓電式蜂鳴器（HA）即可。工作時約需10MA的驅動電流，具體驅動電路如下圖6所示。圖6 蜂鳴器電路蜂鳴器（HA）一端接單片機的P3.3引腳，另一端接+5V的高電平，所以只要P引腳上為低電平時，蜂鳴器就會發(fā)出鳴叫聲音，否則，蜂鳴器不發(fā)聲。3軟件仿真根據(jù)設計方案要求，應用Keil軟件和Proteus軟件對電路進行仿真，實現(xiàn)了設計的要求，具備了對時間即時的顯示，對時間和鬧鈴的設定。 該課題的軟件設計采用了模塊化設計的思想即將程序劃

14、分為若干個相對獨立的功能模塊，接著畫出每一個功能模塊的詳細流程圖，并根據(jù)流程圖編寫程序，最后按照軟件設計的總體結構框圖，將各模塊連接成一個完整的主程序。軟件的設計主要采用模塊化的程序設計方法。采用自頂向下的設計方法。從總體到局部，再到細節(jié)，按要求將各功能以子模塊的形式實現(xiàn)。采用模塊化設計可使程序的可讀性好，修改與完善比較方便。本設計中數(shù)字鐘的系統(tǒng)軟件程序由主程序和子程序組成，主程序包含初始化參數(shù)設置、按鍵處理、數(shù)碼管顯示模塊等，在設計時各個模塊都采用子程序結構設計，在主程序中調用。由于定時器/計數(shù)器采用中斷方式處理，因此還要編寫定時器/計數(shù)器中斷服務子程序，在定時器/計數(shù)器中斷虎屋子程序中對時

15、鐘進行調整。軟件仿真圖7如下：圖7 軟件仿真圖4系統(tǒng)軟件設計軟件設計主要由時鐘模塊，按鍵控制模塊，顯示模塊等組成主程序設計（圖8）圖8 主程序框圖時鐘模塊設計時鐘模塊采用單片機自身的定時中斷進行設計。定時器T0用于時間計時。定時溢出中斷周期設為50ms，中斷進入后先進行定時中斷初值校正，當中斷累計20次（即50ms*20=1s）時，對秒計數(shù)單元進行加以操作。最大計數(shù)值為23時59分59秒。在計數(shù)單元中，采用十進制BCD碼計數(shù)，滿10進位。T0中斷計時程序流程圖如圖9所示。圖9T0中斷計時程序流程圖5調試及性能分析系統(tǒng)的調試分為硬件調試和軟件調試。其中硬件調試主要是檢測硬件電路是否有短路、斷路、

16、虛焊現(xiàn)象。時鐘等其他部分的硬件電路很簡單，主要是檢測引腳晶振和電源是否接好。另外可以通過軟件來調試硬件，如編寫一個簡單的顯示程序來測試顯示電路連接是否正確。接下來可進行軟件調試，。最后調試日歷、時間、鬧鐘、報警程序。主要步驟如下：（1）開鬧鈴時顯示鬧鈴符號，關時不顯示；（2）設置選擇調節(jié)項進入設置狀態(tài)，定時器停止計時；按第一次時進行年的調節(jié)，按第二次時進行月的調節(jié)，按第三次時進行日的調節(jié)，按第四次時進行星期調節(jié)，按五次時進行小時調節(jié)，按第六次時進行分鐘調節(jié)，按第七次時進行秒的調節(jié)，按第八次時進行鬧鐘的小時調節(jié)，按第九次時進行鬧鐘的分鐘調節(jié)，按第十次時退出設置，定時器開始計時；（3）當設置鬧鈴、

17、時間沒按下時，調時、調分不起作用；（4）不可以在設置時間的過程中設置鬧鈴，不可以在設置鬧鈴的過程中設置時間；（5）設置鬧鈴后，鬧鈴時間在第二行顯示；（6）每當設置鬧鈴時，鬧鈴都顯示上次定時的時間,設置完后，鬧鈴消失；5.2性能分析計時器最關鍵的是計時的精度，由于數(shù)字鐘中用自身的中斷計時，經測試制作的數(shù)字鐘，誤差較大，設計可以通過換用標準晶振或用軟件進行修正。6經驗總結本次的電子鐘實驗中，我學會了很多，首先我學會了使用proteus仿真軟件，同時更加熟練的掌握了單片機Keil開發(fā)系統(tǒng)軟件，proteus不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件；keil兼容單片機匯編語言和C

18、語言等多種語言，keil軟件與proteus仿真軟件相配合使用使得電子設計仿真非常方便。以前沒有正式接觸過proteus，這次自己慢慢嘗試著使用該軟件里面的元件庫進行焊接元件前的仿真測試，通過使用仿真軟件畫仿真圖，我了解了一些常用元件的性能和在軟件中的名稱和所屬元件庫。在使用keil軟件編譯程序和調試程序過程中出現(xiàn)了一些問題，比如c語言出現(xiàn)基礎性錯誤，子程序調用不適當，尤其是對于中斷程序的問題，出現(xiàn)過多次錯誤等等，一開始感覺有點缺乏耐心，就試著向老師和同學請教，之后慢慢感覺有點眉目，自己也認識和明了的一些問題，同時也感覺有了一絲信心，最后在自己一次又一次的反復調試和向老師同學的請教下完成了程序

19、調試。雖然設計過程中出現(xiàn)了很多問題，但在老師和同學的幫助下，我學會了很多知識，平時的學習只是理論的學習，課程設計使得我對理論知識有了更加深刻的認識。比如對中斷的認識，平時學習中，總是避開中斷，經常用查詢的方式實現(xiàn)電路的功能，即便是使用中斷，也只是簡單的初始化，但通過這次的實驗，我更加明白了中斷的概念，還學會了它的使用，包括了中斷的管理，中斷的方式，響應時間，中斷請求的撤除等等，同時在進行程序編譯和調試過程中也學會了延時子程序、按鍵掃描程序等子程序的調用。通過實驗程序的設計，我鞏固了c語言編程的一般步驟及一些重要方法還有一些容易忽略的細節(jié)問題，通過實驗的調試，我也基本上學會了如何排解錯誤，解決問題。 通過本次單片機課程設計，我充分認認到了課程設計的重要性和必要性，實際操作中我遇到了很多問題，通過王夢蛟老師的耐心指導，還有來自同學們的幫助，我和劉康獨立自主的完成了本次課程設計。本次設計使我對已學過的基礎知識有了更深入的理解，獨立思考、獨立工作以及應用所學基本理化分析和解決實際問題的能力有了很大的提高。另外，本