基于單片機數(shù)字時鐘課程設(shè)計

物理與電子信息學(xué)院數(shù)字電路課程設(shè)計報告書姓名：班級：電子信息工程09級學(xué)號時間：2011年6月13日論文題目 基于單片機數(shù)字時鐘課程設(shè)計設(shè)計一數(shù)字鐘，實現(xiàn)以下功能：課程論文 1．具有時、分、秒計數(shù)顯示功能，以24小時循環(huán)計時；要求 2．具有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標(biāo)準(zhǔn)時間，并能對計時清零；設(shè)計過程(包括：設(shè)計方案、電路分析、仿真結(jié)果、軟硬件結(jié)合測試步驟和結(jié)果、設(shè)計收獲和體會)3．LED燈花樣顯示。1、數(shù)字鐘系統(tǒng)方案選擇和論證①方案一：多功能數(shù)字鐘的系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為控制系統(tǒng)的核心模型采用單片機作為主控制器。數(shù)字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和拓展電路兩大部分組成。其中，主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，拓展電路完成電路的拓展功能。設(shè)計使用的是單片機作為核心的控制元件，使得電路的可靠性比較高，功能也比較強大，而且可以隨時的更新系統(tǒng)，進行不同狀態(tài)的組合。本系統(tǒng)采用單片機STC89C52作為本設(shè)計的核心元件，利用7段共陰LED作為顯示器件。接入共陰LED顯示器，可顯示時，分鐘，秒。電路由下列部分組成：時鐘電路、復(fù)位電路、控制電路、LED顯示，流水燈，芯片選用STC89C52單片機。②方案二：本設(shè)計的總體組成框圖如圖1所示：數(shù)字鐘電路系統(tǒng)由主體電路和拓展電路兩大部分組成。其中，主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能，拓展電路完成電路的拓展功能。該系統(tǒng)的工作原理是：震蕩器產(chǎn)生的穩(wěn)定高頻脈沖信號，完成數(shù)字鐘的時間基準(zhǔn)，再經(jīng)分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。秒計數(shù)器計滿60后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器計滿60后向小時計數(shù)進位，小時計數(shù)器按“12翻1”規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出經(jīng)譯碼器送顯示器。計時出現(xiàn)誤差時可以用校時電路進行校時、校分、校秒。拓展電路必須在主體電路正常運行的情況下才能進行功能拓展。采用譯碼器接到分計數(shù)器和秒計數(shù)器相應(yīng)的輸出端，使計數(shù)器運行到差十秒整點報時，利用分頻器輸出的500HZ和1000HZ的信號加到音響電路中，用于模仿電臺報時：每當(dāng)數(shù)字鐘計時快要正點時發(fā)出聲響，按照4低音一高音的順序發(fā)出間斷聲響，以最后一聲高音的時刻為正點時刻。LED燈也依次輪流顯示。在在EDA實驗室可以直接通過實驗箱上的頻率脈沖給該電路圖添加所需要的頻率，而不需要我們自己設(shè)計。下面通過硬件中數(shù)字鐘所需要的頻率來設(shè)計電路。實驗中需要的是1HZ的脈沖，通過該脈沖使數(shù)字鐘達到秒信號所需要的頻率③方案一與方案二的比較：方案一和方案二都是可編程的器件為主要部分，通過語言的編程達到控制其他器件工作。方案一：用C語言和匯編語言進行程序編寫。方案二：用VHDL語言進行編寫。兩種方法都非常好而且比用單個數(shù)字芯片制作簡單，但考慮到制作的成本，我選著方案一，單片機價格便宜，市場價5元。而CPLD器件的價格在幾十元以上。2、設(shè)計原理2.1單片機STC89C52簡介STC89C52是一個低電壓，高性能CMOS型8位單片機，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器（ROM）和128B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用STCMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-52指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微振蕩器分頻器校時電路時計數(shù)器分計數(shù)器秒計數(shù)器LED燈花樣顯示掃描選位信號譯碼驅(qū)動電路時鐘顯示整點報時型計算機的型計算機的STC89C52為用戶提供了許多高性價比應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。STC89C52是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，STC89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。主要特性：·與MCS-52兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路引腳使用說明（圖2-1）：圖（2-1）VCC：供電電壓（一般接5伏）。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。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)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)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4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)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(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)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(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)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(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)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(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)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(nèi)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。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為STC89C52的一些特殊功能口，如下所示：管腳??備選功能：P3.0??RXD（串行輸入口）P3.1??TXD（串行輸出口）P3.2??/INT0（外部中斷0）P3.3??/INT1（外部中斷1）P3.4??T0（記時器0外部輸入）P3.5??T1（記時器1外部輸入）P3.6??/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7??/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置MOVSECOND,#0MOVTCNT,#0RETUNE:POPPSWRETI2.3數(shù)碼管顯示電路原理單片機中通常使用7段LED，LED是發(fā)光二極管顯示器的縮寫。LED顯示器由于結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，體積小，亮度高，電壓低，可靠性高，壽命長，響應(yīng)速度快，顏色鮮艷，配置靈活，與單片機接口方便而得到廣泛應(yīng)用。LED顯示器是由若干個發(fā)光二極管組成顯示字段的顯示部件，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆劃發(fā)光，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。LED七段數(shù)碼顯示器由8個發(fā)光二極管組成顯示字符，根據(jù)內(nèi)部發(fā)光二極管的連接形式不同，LED有共陰極和共陽極兩種，本系統(tǒng)采用共陰極。LED的結(jié)構(gòu)及連接如圖1-2所示圖2-2LED顯示原理當(dāng)選用共陰極的LED時，所有發(fā)光二極管陰極連在一起接地，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極加入高電平時，對應(yīng)的二極管點亮。因此要顯示某字形就應(yīng)使此字形的相應(yīng)段的二極管點亮，實際上就是送一個用不同電平組合代表的數(shù)據(jù)字來控制LED的顯示，此數(shù)據(jù)為字符的段碼或稱為字型碼。字型碼與LED顯示器各段的關(guān)系為D7D6D5D4D3D2D1D0dpgfedcba表表1-1dp為小數(shù)點，字符0、1、2??F的段碼如表1-2所示字符段碼（共陰）段碼（共陽）字符段碼（共陰）段碼（共陽）03FHC0H8FH7H80106HF9H96FHH902FH4A4HAH77H883H66B0HBCH783H46DH99HC39HC6H5DH7H92DEH5A1H607H82HE79H86H7FH7F8HFH718EH表1-2下圖是本系統(tǒng)采用的共陰極LED七段數(shù)碼顯示器：圖2-33、電路設(shè)計3.1本設(shè)計輸入輸出電路該系統(tǒng)輸入電路采用的是P1口中的P1.0、P1.1、P1.2作為校正的輸入分別為秒校正、分校正、時校正。（如圖2-4）圖2-4系統(tǒng)的輸出電路采用的是P0口、P3和P2口分別是段碼輸出、循環(huán)彩燈輸出和位選輸出。段碼輸出P0口外界一個74ls373作為輸出鎖存保證數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定圖2-53.2系統(tǒng)軟件設(shè)計說明該系統(tǒng)軟件程序主要有主程序模塊，定時中斷服務(wù)程序，中斷等待服務(wù)程序，鍵盤服務(wù)程序，顯示子程序服務(wù)程序等六大模塊組成。圖2-4中按鍵從上往下設(shè)定為S1,S2,S3。S1與p1.0相連，S2與p1.1相連,S3與p1.2相連。當(dāng)需要設(shè)定當(dāng)前時間時，按一下S2鍵，時鐘加1；按一下S1，分鐘加1；按一下S1,秒鐘加1。3.3LED的編程思想本設(shè)計使用LED數(shù)碼管顯示，LED顯示器具有耗電少、成本低、配置簡單靈活、安裝方便、耐震動、使用壽命長等優(yōu)點，因而應(yīng)用廣泛。該方案控制最簡單，但是只能顯示有限的符號和數(shù)字，對于設(shè)計中復(fù)雜的顯示功能顯然不能勝任。雖然點陣液晶可以顯示多種字符和圖形，擁有友好的人機界面及強大的顯示功能。特別適用于智能控制的可編程人性化顯示。但是考慮到本設(shè)計的實際要求，使用數(shù)碼管顯示就足以達到要求了。七段LED由七個發(fā)光二極管按日字排開，所有發(fā)光二極管的陽極連在一起成共陽極，陰極連在一塊稱共陰極接法。當(dāng)采用芯片驅(qū)動時不需要加限流電阻，其他情況下一般應(yīng)外接限流電阻。動態(tài)顯示電路有顯示塊，字形碼封鎖驅(qū)動器，字位鎖存驅(qū)動器三部分組成。44、程序調(diào)試1）將程序輸入到KEIL的環(huán)境下；(如圖2-6所示)2）用單步運行和斷點運行方式調(diào)試程序；3）調(diào)試T0中斷服務(wù)程序，首先在記數(shù)單元39H、3AH、3BH、3CH單元中預(yù)置數(shù)，調(diào)試秒單元向分單元進位及分單元向時單元的進位，最后將T0中斷服務(wù)程序統(tǒng)調(diào)通過；4）在39H、3AH、3BH、3CH單元中預(yù)置數(shù)，調(diào)試顯示程序；5）調(diào)試主程序，使鬧鐘走時系統(tǒng)工作正常。圖2-65、Proteus軟件仿真①仿真步驟第一步：用KEIL軟件對程序進行編譯，編譯通過后，會自動生成HEX文件。第二步：在Proteus的元件庫中找到STC89C52以及相應(yīng)的元件，按照硬件設(shè)計中的說明把各部件連接起來組成一個時鐘的硬件系統(tǒng)。第三步：把在偉福環(huán)境調(diào)試下生成的.HEX文件裝入到STC89C52里，點擊運行符號就可以使軟硬件的配套設(shè)施在符號就可以使軟硬件的配套設(shè)施在Proteus的環(huán)境下仿真實現(xiàn)。第四步：驗證系統(tǒng)能否實現(xiàn)所要求的功能,并檢驗錯誤。②仿真過程中出現(xiàn)的錯誤及解決措施1）當(dāng)把程序生成的.HEX文件裝入到STC89C52后運行時，顯示模塊出現(xiàn)數(shù)字顯示錯誤，但是軟硬件都沒有錯誤，經(jīng)檢查是它們不配套，在修改掃描顯示控制字而且改變硬件布線順序后方顯示正常。2）P0口是漏極開路的并行I/O口和分時復(fù)用數(shù)據(jù)地址總線，在用作I/O口是必須接上拉電阻，否則造成電平不穩(wěn)地，從而顯示出亂碼。由于對硬件不了解產(chǎn)生錯誤。3）在設(shè)計的初期把主程序設(shè)計成順序結(jié)構(gòu)，但是在運行的時候沒有注意到這個問題，沒有按照軟件說明中的順序操作。③仿真結(jié)果開始仿真時，顯示如圖2-7所示：圖2-7按一下minute按鍵，分鐘加一。如下圖2-8圖2-8按一下hour按鍵，時鐘加一。如下圖2-9圖2-96、protel99制作6.1原理圖：6.2PCB圖：如果能制作到PCB板，那么焊接和連接都非常的簡單，而且制作出的作品性能穩(wěn)定，美觀。7、課程設(shè)計元器件清單元器件名稱類型數(shù)量價格（元）單片機STC89C5215底座DIP4010.3DIP1610.15數(shù)據(jù)鎖存器74LS37311.2瓷片電容22pf20.1晶振12MHZ10.24 按鍵開關(guān) 4 0.1LED燈紅色90.1排阻A09-471470歐10.14自鎖開關(guān)單刀雙擲10.18若干導(dǎo)線銅線若干數(shù)碼管4位5461AS共陰21.99單排座1*4010.258、課程設(shè)計體會單片機是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科，課程設(shè)計是培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對我們實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程，為自己今后從事與單片機控制系統(tǒng)有關(guān)的工作打下了基礎(chǔ)。雖然在做課程設(shè)計以前已經(jīng)系統(tǒng)的把單片機課本認真的學(xué)習(xí)了一下，但是在剛開始時還是有點一頭霧水，不知道該從哪里下手。令人欣慰的是經(jīng)過幾周的學(xué)習(xí)，雖然過程很艱辛，問了很多朋友，但是總算實現(xiàn)了定時鬧鐘的功能，所有的努力都很值得。這幾周的大部分時間都在研究程序怎么處理，在這個過程中加深了我對匯編語言命令的應(yīng)用，而且也更加了解到軟硬件配套的重要性。以下是我本次單片機課程設(shè)計的幾點心得與體會：在設(shè)計程序之前,務(wù)必要對所學(xué)單片機課程的內(nèi)容有一個系統(tǒng)的了解,知道單片機片內(nèi)片外的內(nèi)容及其功能。設(shè)計程序采用什么編程語言并不是非常重要,關(guān)鍵要有一個清晰的思路和一個完整的軟件流程圖。模塊化的設(shè)計思想在程序設(shè)計中的作用是十分大的，它可