设计一个具有特定功能的电子钟.doc

1、摘 要 围绕电子钟系统的设计与开发工作进行研究和实践,详细介绍了电子钟系统的整体结构、硬件设计、软件设计，系统方案以及其的开发和具体实现。介绍一种基于在系统可编程技术和C51编译器配有集成开发的新型电子钟的设计方法，阐述了其工作原理和软硬件设计。在硬件上，用KEIL公司的C51大规模集成芯片对其外围电路进行集成，用1片8051实现了几十片分离元件才能实现的功能，几乎将整个系统下载于同一芯片中，实现了所谓的片上系统，从而大大简化了系统结构，增强了系统的可靠性和性价比。该电子钟特别适用于家庭、办公大楼、公共场所等。关键词 电子钟；单片机；硬件设计；软件设计 ABSTRACT Around the

2、electronic clock system design and development of the study and practice, details the electronic clock system overall, hardware design, software design, system solutions as well as the development and implementation. Introduction of a new technology based on in-system programming and C51 compiler eq

3、uipped with an integrated development of new electronic clock design method, explains how it works and software and hardware design. In the hardware companies with KEIL C51 large-scale integrated circuit chip on its surrounding, to integrate 1 tablet 8051 implementation of scores of tablets separati

4、on components to implement functionality, almost the entire system for download on the same chip, implementation of the so-called SOC, thereby greatly simplifies system structure, enhances system reliability and high performance/price ratio. The electronic clock is particularly relevant for home, of

5、fice buildings and public place, etc. Key words electronic clock; single-chip; hardware; software design目 录1 系统总体设计方案 4 1.1 设计课题任务41.2 功能要求说明41.3 总体方案介绍及工作原理42 硬件系统的设计 62.1 系统各功能模块介绍62.2 系统电路图72.3 系统元器件清单73 软件系统的设计 83.1 设计使用单片机资源介绍83.2 软件系统各功能模块介绍83.3 软件系统程序流程框图93.4 软件系统的程序104 系统的仿真分析及结论 114.1 系统设计的

6、使用说明114.2 系统设计的仿真结果114.3 系统的误差分析 124.4 设计体会 124.5 教学建议13参考文献14致 谢15附录（1） 16附录（2） 171 系统总体设计方案1.1 设计课题任务设计一个具有特定功能的电子钟。1.2 功能要求说明 （1）、屏幕保护和检查（P.从右至左流动）； （2)、按下A键显示8个P.,然后开始运行；(3)、时分秒、年月日之间用“-”分割，并闪烁；(4)、运行时按下A键进入调整时钟状态；再按一次恢复运行；(5)、在运行状态下，按下BCD分别显示三种功能，可切换观看，按A键返回运行；(6)、在各调整状态下，按B调秒（日），C调分（月）,D调时(年），

7、短时间按下只加一次，长时间按下不停歇的加数，调整完毕后按A键返回运行状态；(7)、定时功能：在运行时按下B显示定时，再按B进入调整状态，设置完成按A返回；(8)、当“时”小于10时，高位不显示，即高位“清零”；(9)、秒表功能：在运行时按下C键，进入秒表功能，奇数次C开启秒表，偶数次C关闭，按A键返回。(10)、在运行时按下D键显示日期，再按D进入调整状态，按A键返回。1.3 总体方案介绍及工作原理电子钟的总体功能原理是以AT89S52单片机为主要的控制核心，通过外接4个独立式键盘作为控制信号源，八个七段数码管作为显示器件，蜂鸣器作为定时器件，单片机实时的去执行相应的功能。在数码管上显示出来，

8、此时通过不同的按键来观看和调节各种数据。CPU控制原理图如图1.1所示。2 硬件系统的设计2.1 系统各功能模块介绍2.1.1 AT89S52控制模块考虑到设计功能需要，控制器的功能用于外部键盘信号的接收和识别、数码管的显示控制，定时器应用等，我们选择了学习过的AT89S52系列单片机，具有反应速度极快，工作效率特高的特点。AT89S52主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器,1000次擦写周期,全静态操作：0Hz33Hz三级加密程序存储器32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、

9、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符 。 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.1.2 键盘功能模块根据系统的基本的要求，基于时间的观看和设定等功能，采用

10、由四个键构成的独立式键盘分别接在AT89S52单片机的P1.0-P1.3，非常的方便，同时相对于独立式键盘大大节省了空间，在软件的设计时带来了极大的方便，使程序简易明了，可读性强。本次设计中，四个键分别定义为A键、B键、C键和D键，对应着时间显示与控制，定时控制，秒表控制，日历显示与控制，各键功能单一，互不影响，操作起来十分的清晰与方便。2.1.3 数码管显示模块 显示模块要具有显示时分秒，年月日和间隔闪烁符（至于每两级单位之间）的功能，共需要八位数码管。数码管的八个位控口接在AT89S52单片机的P0口线上，从左到右顺序连接，段控制线接在AT89S52单片机的P2口线上，从低位到高位对应连接

11、.再由于数码管的本身显示亮度不够，所以一般都会在其位控和段控口前加上一定的驱动电路，本次设计中采用三极管作为驱动。 本次采用的数码管型号为CPS05641BR。2.1.4 定时提示模块电子钟的另外一个要求功能是在定时到达时候发出闹铃，本次设计利用蜂鸣器来实现。具有电路结构非常简单，控制极其方便等优点。2.2 系统电路图总原理图.总布局图.PCB图见附录（1） 2.3 系统的元器件清单 本系统中所用到的元件如表2.1所示。表2.1 系统元器件表器件型号数量器件型号数量单片机AT89S521个按键普通4个晶振12MHZ1 个开关6脚双路2个电容22F，33pF1个，2个 数码管 CPS05641B

12、8个电阻普通若干下载接口10针接口1个蜂鸣器脉冲式1个单排针普通若干303 软件系统的设计3.1 使用单片机资源介绍AT89S52的P0，P1,P2口作为输入输出口，且部分用到P1,P3口作为第二功能： P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK （在系统编程用） XTAL1、XTAL2:晶振输入 RST: 复位输入片内资源主要为：定时器/计数器T0,定时器/计数器T1,定时器中断0，通用寄存器前三组，专用寄存器A、PSW、IE、P1、P2、P3、TCON、SCON，位寻址单元F0H、F1H、F2H、 F3H、F4H、F5H。3.2 软件系统各功能模

13、块介绍3.3.1 独立式键盘模块独立式键盘软件设计通过在主程序中调用子程序KEY去执行键盘扫描和调用子程序ANKEY去执行相应的功能 ,单片机P1口在复位后保持高电平,当键按下相应口线为低电平，此时CPU做初期判断，之后延时12ms，确定为按键后等待键松，之后执行子程序。达到通过键功能程序的分支执行相应的程序段，完成对应的操作。3.2.2 数码管显示模块数码管显示是通过调用子程序DISP来实现的，由于数码管的显示要求有实时性，所以在执行其他的程序的时候依然要经常调用显示子程序DISP。数码管的段控由CPU改变P2口相应位电平来实现，为实现不同的显示功能，设置了不同的显示缓冲单元，通过控制标志位

14、控制。数码管的位控由CPU改变P0口相应位电平来实现，基于人的视觉延迟性，通过从右到左的循环保证所有数码管都被点亮。3.2.3 闹铃、秒表模块在软件的设计中闹铃提示模块是通过驱动蜂鸣器产生的声音来告诉定时时间是否已到，通过在主程序中不间断的调用DINGSHI子程序执行相应的功能，定时时间到通过改变P1.7为低电平使蜂鸣器响起，并用软件方式延时3分钟。秒表功能是通过判断按键C是否按下来实现，若C按下这会调用MIAOBIAO子程序，进入秒表计时，计时程序由软件延时程序构成。3.3 软件系统程序流程框图软件系统的总体流程框图如图3.1，键扫和显示程序流程框图分别如图3.2、图3.3所示。 图3.2键

15、扫流程图 图3.3显示程序流程图3.4 软件系统的程序 软件系统的程序如附录（2）。4 系统的仿真分析及结论4.1 系统设计的使用说明在Proteus上画好原理图，检查无误后再通电，主要在数码管上显示P. 循环左移，按按下A键以后进入时间运行状态。其后按下不同的键进入不同的功能，其具体的操作步骤是：按A键进入电子钟时分秒的调整模式，按B键进入定时时间的查看和调整模式，按C键进入秒表功能，按D键进入日期的查看和调整模式，若此时按下A键则会返回进入时钟运行状态。在按下上述键进入相应的功能以后，再按B键加时（年），按下C加分（月），按下D加秒（日）。设置完成以后按下A键返回时钟运行状态。4.2 系统

16、设计的仿真结果仿真主要争对是对独立式盘和数码管，在按键盘不同的键值的时，显示正确的显示信息，不同功能的仿真的结果如图4.1、4.2、4.3和4.4所示。 图4.1 时分秒显示结果 图4.2 年月日显示结果 图4.3 屏保显示图 图4.4秒表功能显示图4.3 系统的误差分析 系统准备工作结束后，在硬件调试中有时候按下键但却没反应者是最主要的误差，也许这是老化的现象以及硬件的焊接有些地方存在虚焊的原因，但是范围很小，还有在最初几次数码管显示有一定的问题，但最后发现是位控线和段控线的焊接存在问题。4.4 设计体会电子技术的快速发展，使一些新型电子器件和集成芯片应用越来越广泛，电子系统的功能越来越强大

17、，印刷电路板越来越复杂和精密。单片机的应用使得我们对各种电路变得模块化，集成化，电子设计自动化（Electronics Design Automates,即EDA）工具的集成设计环境，电子设计软件Protel 软件等的运用使得电子设计电路更加方便，而我做为电子信息工程专业的学生，应该熟练掌握各种电路编辑软件，在这次的设计中我深刻的体会到电子产品的快乐，当我们看到显示屏上正确的显示出现时，好开心，这意味着我们的设计成功了，几十天的努力方案设计，和实践工作我们从中熟练各种电子的技术和强大，并不断地总结经验。这次课设对我们来说非常重要，也是我们最满意的一次，好的开头是成功的第一步，只有经历过，才会懂

18、得过程的重要性。4.5 教学建议 号召同学们购买实验板，强化单片机实训，随着单片机学习的深入，渐渐的就涌入出一批对单片机兴趣很强的学生，单纯的仿真和一周才二次的试验课已不能满足学生对单片机强烈的兴趣，因此花点钱买试验版式个明智的选择！我还知道老师在实验课上很是注重学生的动手操作能力，要求很严格，但由于学校给我们的实验课时还不够。老师应该给我们学生多一些布置课外的实物制作课题，让学生从操作的过程中学到一些经验。这样，我们就会涉取很多课本以外的知识，这就是理论应该去实际化。参考文献1马忠梅.单片机C程序设计M,北京:北京航空航天大学出版社，2007 2李广弟.单片机基础M,北京:北京航空航天大学出

19、版社，2007 3张洪润，兰清华.单片机应用技术教程M，北京：清华大学出版社，19974闵锐，徐勇，孙峥等.电子线路基础西安M，西安电子科技大学出版社，20035 陆应华,王照平,王理.电子系统设计教程. 北京:国防工业出版社,2005.6 李燕民.电路和电子技术. 北京：北京理工大学出版社，1999. 7 赵负图.电源集成电路手册. 北京：化学工业出版社，2001.8 陈治明.电力电子器件. 北京：机械工业出版社，1997.9 邵丙衡.电力电子技术. 北京：中国铁道出版社，1997. 10 张占松.电路和系统的仿真实践. 北京：科学出版社，2000.11 邱关源.电路（第五版）.北京：高等教

20、育出版社，2006.12 陆秀令，韩清涛.模拟电子技术. 北京：北京大学出版社，2008.致 谢对于这次课程设计的顺利完成，我首先要感谢王韧副教授，是他细心的给我讲解了许多关于AT89S52、独立式键盘、数码管显示相关的知识，并在设计过程中所遇到的难题都给了非常重要的意见，本次设计能够有较好的主体框架也得益于王韧副教授的指导，导师渊博的知识、严谨的治学态度、崇高的敬业精神与为人师表的风范，使我受益匪浅，在此，谨向王教授表示我最衷心的感谢。同时，在我的实际作品的制作过程之中,得到的学校许多的同学的热情的指导和详细的说明，特别是电子科技协会的帮助。此外，在实际程序的编写的过程之中得到了别人的认可，

21、在遇到许多的不解困难的时候，自己班里的电子制作的爱好者也给我提供的最详细的解答，没有以上的每一个人的帮助，我的单片机课程设计很难顺利的完成，在此，我对于在我的设计和制作的过程中给予我帮助的每一个人一并表示感谢。 附 录（1） 图1 电路原理图 图2 元器件布局图 图3 PCB Bottom layer 图 图4 PCB Top layer 图 附 录（2）;=;功能介绍：1、屏幕保护和检查（P.从右至左流动）；; 2、按下A键显示8个P.,然后开始运行；;3、时分秒、年月日之间用-分割，并闪烁；;4、运行时按下A键进入调整时钟状态；再按一次恢复运行；;5、在运行状态下，按下BCD分别显示三种功

22、能，可切换观看，按A键 返回运行； ;6、在各调整状态下，按B调秒（日），C调分（月）; D调时(年），短时间按下只加一次，长时间按下不停歇的加数，; 调整完毕后按A键返回运行状态；;7、定时功能：在运行时按下B显示定时，再按B进入调整状态，设置完 成按A返回；;8、当“时”小于10时，高位不显示，即高位“清零”；;9、秒表功能：在运行时按下C键，进入秒表功能，奇数次C开启秒表，; 偶数次C关闭，按A键返回。; 10、在运行时按下D键显示日期，再按D进入调整状态，按A键返回。;=; 硬件电路：P0.0-P0.7接0-7位数码管的位控线，P2.0-P2.7接0-7位数码管a-dp 段。; 键A接

23、P1.0，键B接P1.1,键C接P1.2，键D接P1.3.; P1.5P1.7为下载电路接口。; 资源使用：定时器/计数器T0,定时器/计数器T1,定时器中断0，通用寄存器前三 组，; 专用寄存器A、PSW、IE、P1、P2、P3、TCON、SCON，位寻址单元F0H、; F1H、F2H、F3H、F4H、F5H,片内单元30H3FH、40H、50H5FH、60H67H.;= ORG 0000HSTART: AJMP MAIN ORG 000BH AJMP PIT0 ;=/主 程 序/=ORG 0030HMAIN: MOV SP, #60H ;设置堆栈起始地址 MOV R0, #30HMOV R

24、7, #08HWAIT: MOV R0, #0AH ;缓存全置P. INC R0DJNZ R7, WAIT;-屏保程序- MOV P2, #0CH ;显示P.MOV R4, #80HWAIT0: MOV A, R4 MOV P0, ARR AMOV R4, AMOV R7, #250 ;延时WAIT1: LCALL DELY LCALL KEYJB 20H.0, WAIT2 ;按下A键进入时钟运行DJNZ R7, WAIT1AJMP WAIT0;-WAIT2: CLR 20H.0 MOV 30H, #00H ;缓存清零 MOV 31H, #00H MOV 32H, #0BH MOV 33H,

25、#00H MOV 34H, #00H MOV 35H, #0BH MOV 36H, #00H MOV 37H, #00H;- MOV 50H, #06H ;初始日期MOV 51H, #00HMOV 52H, #0BHMOV 53H, #02H MOV 54H, #01HMOV 55H, #0BHMOV 56H, #09HMOV 57H, #00H;- MOV 38H, #00H ;初始定时 MOV 39H, #00H MOV 3AH, #0BHMOV 3BH, #00HMOV 3CH, #00HMOV 3DH, #0BHMOV 3EH, #07HMOV 3FH, #00H;- MOV 58H,

26、 #00H ;缓存清零 MOV 59H, #00H MOV 5AH, #0BHMOV 5BH, #00HMOV 5CH, #00HMOV 5DH, #0BHMOV 5EH, #00HMOV 5FH, #00H;-MOV TMOD, #01H ;设置定时中断MOV TL0, #0DCHMOV TH0, #3FH MOV IE, #82H SETB TR0 MOV 40H, #10H ; 用6MHz,循环次数为8，用12MHz循环16次。;=/闪烁程序/=WAIT3: MOV R7, #50WAIT4: LCALL DISP LCALL DINGSHI ;调用显示、键扫、定时子程序 LCALL K

27、EYJB 20H.0, TOA ;运行时闪烁，等待中断或功能键按下JB 20H.1, TOBJB 20H.2, TOCJB 20H.3, TODLCALL DELY DJNZ R7, WAIT4 MOV 32H, #0CH ;各级单位之间闪烁MOV 35H, #0CH MOV R7, #50WAIT5: LCALL DISP LCALL DINGSHI LCALL KEYJB 20H.0, TOA ;运行时闪烁，等待中断或功能键按下JB 20H.1, TOBJB 20H.2, TOCJB 20H.3, TODLCALL DELY DJNZ R7, WAIT5 MOV 32H, #0BHMOV

28、35H, #0BH SJMP WAIT3TOA: JBC 0F0H ,WAIT6 ;确保A键按下显示时间时分秒 JBC 0F1H,WAIT6JBC 0F2H,WAIT6 ;判断清零并转移LJMP ANKEY0WAIT6:CLR 0F4HCLR 0F3HCLR 0F5HLJMP WAIT3TOB: CLR 0F0H ;清除其他标志位 CLR 0F1HJB 0F2H, TOB1 SETB 0F2H ;作为标志位使用MOV 20H, #00HAJMP WAIT3TOB1: SETB 0F4H AJMP ANKEY ;跳到键功能子程序TOC: CLR 0F0H CLR 0F2HJB 0F1H, TOC

29、1 ;0F2,0F4-B键定时38H-3FH SETB 0F1H ;0F1,0F3-C键秒表58H-5FHMOV 20H, #00H AJMP WAIT3 ;0F0,0F5-D键日期50H-57HTOC1: SETB 0F3H LCALL MIAOBIAOCLR 0F1HCLR 0F3HLJMP WAIT3TOD: CLR 0F1HCLR 0F2HJB 0F0H, TOD1 SETB 0F0HMOV 20H, #00H AJMP WAIT3TOD1: SETB 0F5H LJMP ANKEY;=/中断服务程序/=ORG 0300HPIT0: PUSH PSW ;中断保护现场 PUSH ACC

30、SETB PSW.3MOV TL0, #0DCH ;重置定时器数MOV TH0, #0FHMOV A , 40HDEC A MOV 40H, AJNZ RET0MOV 40H, #10HMOV A, 37H ;中断高位清零程序XRL A, #0CHJNZ PIT1MOV 37H, #00H PIT1:MOV R0, #31H ;加1程序ACALL DAAD1MOV A, R2XRL A, #60HJNZ RET0 ;满60清零，不满返回。ACALL CLR0MOV R0, #34HACALL DAAD1 MOV A, R2XRL A, #60HJNZ RET0ACALL CLR0 MOV R0

31、, #37HACALL DAAD1 MOV A, R2XRL A, #24HJNZ RET0ACALL CLR0LCALL DATE ;满24小时则日加1RET0: MOV A, 37H ;中断高位清零程序 JNZ RET1 MOV 37H, #0CHRET1: POP ACC POP PSW RETIDAAD1: MOV A, R0 ;加1子程序。 DEC R0SWAP AORL A, R0ADD A, #01HDA AMOV R2, AANL A, #0FHMOV R0, AMOV A, R2INC R0ANL A, #0F0HSWAP AMOV R0, ARETCLR0: CLR A ;

32、高位清零 MOV R0, ADEC R0MOV R0, ARET;=/显示子程序/=ORG 0400HDISP: PUSH ACC PUSH PSWSETB RS1 MOV R0, #50H JB 0F0H, LD2 ;判断显示哪种状态MOV R0, #58HJB 0F1H, LD2MOV R0, #38HJB 0F2H, LD2MOV R0, #30HLD2: MOV R3, #80HMOV A, R3LD0: MOV 80H, A ;高128单元只能直接寻址 MOV A, R0MOV DPTR, #TABLEMOVC A, A+DPTRMOV 0A0H, A ;高128单元只能直接寻址ACALL DLINC R0MOV A, R3JB ACC.0, LD1 ;是否显示到最高位 RR A MOV R3, A