基于单片机的电子闹钟系统.doc
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1、设计题目:基于单片机的电子闹钟系统设计要求:1、电子闹钟系统应具有自动计时功能,由6位LED显示器显示时、分、秒;2、具有准确走时、定时、闹钟定时、到时铃响、定点报时、驱动电铃等功能。3、设计出该系统相应的时钟硬件电路;4、设计该时钟相应的软件电路;5、上机连接试验箱调试出应有的效果。设计进度要求:第一周:领取题目,分析设计题目原理及设计思路第二周:去图书倌查阅资料,制定大纲第三周:编写程序,拟定论文第四周:上机调试,验证实验效果第五周:根据设计要求进行编排电子稿第六周:由指导老师审核,进行更改指正第七周:交正规电子稿,由指导老师评阅第八周:进行毕业论文答辩指导教师(签名): 摘 要电子闹钟不
2、仅能够计时还能按预定时间发出声响的时钟,尤其是单片机技术的应用产品在社会的各个领域都有应用,如电子万年历的出现给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。我所设计的是电子闹钟系统用到的单片机芯片是AT89C51芯片,除此之外还包括:DS1302芯片、晶振电路和复位电路构成单片机最小应用系统,还有独立式按键电路,动态显示电路等等。用单片机的汇编语言来进行软件程序编写,通过伟福系统调试,再经过proteus模拟仿真,它不仅能实现数字电子时钟的各种功能,还具有较时、调时、定时、闹钟等功能,而且还能实现定点报时的功能。关键词:AT89C51,电子闹钟,汇编语言 34目 录设计任务书I摘 要II1 总
3、体方案设计21.1 系统框图21.2设计方案介绍22 硬件设计42.1 单片机的选型42.2复位电路52.3晶振电路62.4 DS1302的简介62.5 按键设计102.6 七段LED显示113 软件设计153.1 设计思路153.2 系统工作流程153.3 主程序模块163.4 按键程序模块173.5 显示程序模块213.6 中断服务程序模块224 仿真调试254.1通过伟福仿真软件和Keil软件来验证程序254.2利用proteus仿真软件进行仿真274.3仿真效果29致 谢31参考文献32附录A331 总体方案设计1.1 系统框图本文设计的是一个电子闹钟系统,它不仅具有数字电子时钟的各种
4、功能,还具有较时、调时、定时、闹钟等功能,而且还具有驱动电铃,定点报时等功能。总体设计框图如图1.1所示:蜂鸣器LED动态显示按键电路晶振电路复位电路图1.1 系统框图1.2设计方案介绍1、硬件的设计方案(1)由于我设计的是一个电子闹钟系统,它需要准确的走时、较时、调时、定时、定点报时等,因此我选用的是AT89C51单片机芯片,再配以DS1302芯片,按键电路、晶振电路、复位电路以及LED动态显示器,就可以实现。采用AT89C51的P0接口外接8路反相三态缓冲器74LS240作LED动态扫描的段码控制驱动信号,用P2接口的P2.0-P2.5外接一片集电极开路反相门电路7406做为6位LED的位
5、选信号驱动口,6个数码管的8根段选线分别接74LS240的输出, LED共阴极端与74LS07的输出端相连;按键接口,由P1.7、P1.6、P1.5、P1.4来完成, DS1302实时时钟由P1.0、P1.1、P1.2来控制。DAS1302的X1、X2接口用来接蜂鸣器。(2) 电路原理图见附录A2、软件的设计方案由于我考虑到用单片机的汇编语言来做电子闹钟系统的设计比较简单。对于程序我的设计思路是:(1)主程序进行显示和中断的初始化。(2)设计显示子程序,当键入一个时间值时显示程序要把这个键入的时间值给显示出来。(3)设计中断服务程序,功能是对走时进行判断,看是否到定时时间等。(4)按键程序,进
6、入按键程序,判断是否有键按下,没有,则调用延时重新判断,如果到了,调用延时去抖程序,再次判断有键按下否,没有则返回延时程序,如果有按键,则判断键号,堆栈,判断键是否释放,没有,继续判断,释放了,则输入键号送往累加器。2 硬件设计2.1 单片机的选型我的设计里用到的单片机芯片是AT89C51芯片,除此之外还包括:DS1302芯片、晶振电路和复位电路构成单片机最小应用系统。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能、CMOS、8位单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。AT89C51的管脚图如图2.1
7、所示:图2.1 AT89C51管脚图AT89C51特性有:1、与MCS-51 兼容2、4K字节可编程闪烁存储器3、寿命:1000写/擦循环4、数据保留时间:10年5、全静态工作:0Hz-24Hz6、三级程序存储器锁定7、128*8位内部RAM8、32可编程I/O线9、两个16位定时器/计数器10、5个中断源11、可编程串行通道12、片内振荡器和时钟电路2.2复位电路单片机在开机时或在工作中会由于干扰而使程序失控,或工作中程序处于某种死循环状态,因此需要复位。本设计采用的是手动复位方式,AT89C51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要
8、保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位。 复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变。如图2.2所示,复位电路由C3,R1和S1组成。当系统加电时,由于C1两端的电压不能突变,因此引脚RST为高电平,单片机进入复位状态。随着C3充电,它两端的电压上升,使得引脚RST上电压下降,最终是单片机推出复位状态。或者按S1键,直接进行复位。C3和R1的取值分别为10uF,10k。图2.2 单片机复位电路2.3晶振电路石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间,等效为一个并联谐振回路,振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率。晶体旁边的两个电容接地,实际上就是电容三点式电路的分压电容
9、, 接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点,振荡引脚的输入和输出是反相的,但从并联谐振回路即石英晶体两端来看, 形成一个正反馈以保证电路持续振荡。晶振电路如图2.3所示图2.3 单片机晶振电路2.4 DS1302的简介DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片,附加31字节静态RAM,采用SPI三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年,一个月小与31天时可以自动调整,且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电(主电源和备用电源),可设置备用电源充电方式,
10、提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302用于数据记录,特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上,能实现数据与出现该数据的时间同时记录,因此广泛应用于测量系统中。DS1302串行时钟芯片主要是由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟、RAM以及电源组成,它的电路工作原理图如下图2.4所示:图2.4 DS1302的内部结构在本设计中,它的I/O引脚、串行时钟SCLK引脚、CE引脚分别与AT89C51的I/O 接口的P1.1口、P1.2口、P1.0口相接,X1、X2接口接蜂鸣器。1、DS1302时钟芯片包括:(1)实时时钟/日历:实时时钟/日历提供秒、分、时、日、星期、月、年等信息,每月
11、天数以及闰年能自动调整,时钟可以采用24h或AM/PM的12h格式。(2)31字节的静态RAM:用于存放数据。(3)带慢速充电控制备份电源的充电特性。(4)简单的三线串行接口:该芯片使用同步串行通信。与时钟/RAM通信共需3根线:RST(复位)、I/O(数据线)、SCLK(串行时钟)。数据可以以每次1个字节或多个字节的形式传送到时钟/RAM或从其读出。2、各管脚描述(1)X1 X2 32.768KHz 晶振管脚GND 地RST 复位脚I/O 数据输入/输出引脚SCLK 串行时钟Vcc1,Vcc2 电源供电管脚订单信息部分# 描述DS1302 串行时钟芯片8 脚DIPDS1302S 串行时钟芯片
12、8 脚SOIC 200milDS1302Z 串行时钟芯片8 脚SOIC 150mil(2)DS1302 内部寄存器CH: 时钟停止位寄存器2 的第7 位12/24 小时标志CH=0 振荡器工作允许bit7=1,12 小时模式CH=1 振荡器停止bit7=0,24 小时模式WP: 写保护位寄存器2 的第5 位:AM/PM 定义WP=0 寄存器数据能够写入AP=1 下午模式WP=1 寄存器数据不能写入AP=0 上午模式TCS: 涓流充电选择DS: 二极管选择位TCS=1010 使能涓流充电DS=01 选择一个二极管TCS=其它禁止涓流充电DS=10 选择两个二极管DS=00 或11, 即使TCS=
13、1010, 充电功能也被禁止RS 位电阻典型位00 没有没有01 R1 2K10 R2 4K11 R3 8K3、DS1302读写时序说明DS1302是SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字,还需要读取相应寄存器的数据。要想与DS1302通信,首先要先了解DS1302的控制字。DS1302的控制字如表2.1所示:表2.1 控制字(即地址及命令字节)控制字的最高有效位(位7)必须是逻辑1,如果它为0,则不能把数据写入到DS1302中。位6如果为0,则表示存取日历时钟数据,为1表示存取RAM数据;位5至位1(A4A0):指示操作单元的地址;位0(最低有效位):如为0,表示要进行写操作,为1表
14、示进行读操作。图2.5 数据读写时序控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时,数据被写入DS1302,数据输入从最低位(0位)开始。同样,在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿,读出DS1302的数据,读出的数据也是从最低位到最高位。数据读写时序如图2.5。2.5 按键设计1、键盘接口工作原理在单片机应用系统中,常用键盘作为输入设备,通过它将数据、内存地址、命令及指令等输入到系统中,来实现简单的人机通信。2、按键开关的去除抖动功能目前,AT89C51单片机应用系统上的按键常采用机械触点式按键,它在断开、闭合时输入电压波形如图2.6所示.可以看出
15、机械触点在闭合及断开瞬间均有抖动过程,时间长短与开关的机械特性有关,一般为510ms。由于抖动,会造成被查询的开关状态无法准确读出。例如,一次按键产生的正确开关状态,由于键的抖动,CPU多次采集到底电平信号,会被误认为按键被多次按下,就会多次进行键输入操作,这是不允许的。为了保证CPU对键的一次闭合仅在按键稳定时作一次键输入处理,必须消除产生的前沿(后沿)抖动影响。在本次设计中采用的是软件去抖。图2.6 按键过程 3.按键的应用本设计的电子闹钟系统是一个具有电子时钟、闹钟、定点报时功能的系统,系统工作时应具备随时对当前时间进行调整,因此它只需要独立式键盘的四个按键即可完成操作。独立式键盘的接口
16、电路:在单片机应用系统中,有时只需要几个简单的按键向系统输入信息。这时,可将每个按键直接接在一根I/O接口线上,这种连接方式的键盘称为独立式键盘。如图2.7所示,每个独立按键单独占有一根I/O接口线,每根I/O接口线的工作状态不会影响到其他I/O接口线。这种按键接口电路配置灵活,硬件结构简单,但每个按键必须占用一根I/O线,I/O接口线浪费较大。故只在按键数量不多时采用这种按键电路。在此电路中,按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时,I/O接口线有确定的高电平。当I/O接口内部有上拉电阻时,外电路可以不配置上拉电阻。本设计中个按键的功能为:一个为功能键K1;一个为数字调整键K2;一
17、个为取消设置键K3,用来设置时间;一个为K4键,用来设置定时时间。图2.7 独立式键盘电路2.6 七段LED显示1、数码管简介(1)数码管结构数码管由8个发光二极管(以下简称字段)构成,通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符A F及小数点“”。数码管的外形结构如图2.8(a)所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构,分别如图2.8(b)和图2.8(c)所示:(a)外型结构; (b)共阴极; (c)共阳极图2.8 数码管结构图(2)数码管工作原理由于我们采用的是共阴极数码管,所以介绍共阴极数码管的工作原理如下:共阴极数码管的8个发光二极管的阴极(二极管负端)连接在一起。通常,公共阴极接低电平(
18、一般接地),其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时,则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时,要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流,还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阳极数码管的工作原理与共阴极的正好相反。(3)数码管字形编码要使数码管显示出相应的数字或字符,必须使段数据口输出相应的字形编码。LED显示字型码表见表2.2:表2.2 LED显示字型码表显示字符共阴极共阳极显示字符共阴极共阳极03FHC0H96FH90H106HF9HA77H88H25BHA4HB7CH83H34FHB0HC39HC6H466H99
19、HD5EHA1H56DH92HE79H86H67DH82HF71H8EH707HF8H87FH80H2、显示的种类(1)静态显示概念静态显示是指数码管显示某一字符时,相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立,公共端恒定接地(共阴极)或接正电源(共阳极)。每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连,I/O口只要有段码输出,相应字符即显示出来,并保持不变,直到I/O口输出新的段码。采用静态显示方式的优点:较小的电流即可获得较高的亮度,且占用CPU时间少,编程简单,显示便于监测和控制,但其占用的接口线多,硬件电路复杂,成本高,只适合于显示位数较少的场合。(2)动态
20、显示概念动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管,这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常,各位数码管的段选线相应并联在一起,由一个8位的I/O口控制;各位的位选线(公共阴极或阳极)由另外的I/O口线控制。动态方式显示时,各数码管分时轮流选通,要使其稳定显示,必须采用扫描方式,即在某一时刻只选通一位数码管,并送出相应的段码,在另一时刻选通另一位数码管,并送出相应的段码。依此规律循环,即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示,但由于人眼存在视觉暂留效应,只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。采用动态显示方式比较节省I/O口,硬件电路也较静态显示方式简单,但
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