电子钟的设计.doc
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1、摘要当今信息科技高速发展,使用方便、低成本电子设备已逐步成为我们日常生活中电子产品的主力军。用软件代替硬件的电子设备能大大地节省成本,且有利于资源的节约,因此,以软代硬的设计必将成为我们现代设计的主流。本设计是利用MCS-51系列单片机内部的定时器/计数器进行定时,配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本,且能够使设计者在定时/计数器的使用中及程序设计方面得到锻炼和提高,因此本系统将采用软件方法实现计时。关键词: 单片机 计数器 软件目录第一章 设计要求及设计思路31.1 设计内容及要求31.2 设计的目的和意义31.3 设计的基本思路与主要内容4第二章 系统组成及工作原理52.1
2、系统组成52.2工作原理6第三章 硬件设计与分析8 3.1 硬件设计原理83.2 AT89C52单片机介绍83.3单片机最小应用系统83.4显示电路103.5 键盘及其接口11第四章 软件设计124.1 主程序设计124.2 定时中断程序134.3 显示子程序154.4 按键处理程序15第五章 调试与运行17第六章 结论与体会18参考文献19附录一 系统原理图20附录二 元件清单21附录三 程序清单22第一章 实验要求及设计思路1.1 设计内容及要求设计一个电子钟,要求如下:(1) 利用单片机最小系统设计一个电子钟(不能采用单片机开发系统)(2) 用8255扩展键盘及显示接口(3) 显示方式:
3、* 时* 分* 秒(4) 时间可以任意修改单片机显示器键盘1.2 设计的目的与意义人类的生活包括:工作、学习、休息以及参与社会的多种实践活动,环环有条理,更加丰富多彩。应该说时钟的计时功能与人类的各种行为和活动有着密切的联系,于是时钟的作用便体现出来,生活中有许多人,因为只顾工作而忘记时间,从而耽误了重要的安排或者计划,造成不可挽回的损失,使之后悔莫及。我们要养成良好的时间观念,就需要电子钟时刻提醒我们。因此,电子钟已成为人们日常生活中必不可少,它的应用非常广泛,应用于家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。现在投入生产的大多是智能时钟,它的功
4、能很全面,但价格有点昂贵,大多数学生或者经济条件较差的人,想要拥有它,都有点困难。因此,在这里设计一个较简单的电子钟,它能完成计时和校时的功能。这个时钟系统很简单,投入生产的成本很低,因此,它的价格比较便宜,对于学生很实用。1.3 设计的基本思路与主要内容设计一个电子产品,首先了解它能实现的功能,时钟系统最基本的功能就是实现计时,在这里设计的数字电子时钟,它能实现计时和校时的功能,给电子钟加上电自动计时,设计一个按键对时钟进行复位和一个按键对时间切换,六个按键对时间进行调整。 硬件设计很简单,主要包括:单片机、按键电路、驱动显示电路,以及LED显示器四个部分。单片机选用AT89C52芯片,它无
5、须外扩程序存储器,设计电路很简单。通过程序扩展,用了八个按键,所以采用独立式按键使设计更简单。显示时(年)、分(月)、秒(日)加两个分隔符,采用8位的数码管,利用8255扩展的数码管及键盘达到时间显示和修改的功能。 简易数字时钟可实现校时和整点报时功能,该软件采用C语言来实现,主要包括主程序、键输入程序、显示程序、定时程序和中断程序等软件模块。把原程序加入原理图,做出电子钟的仿真,以秒计数并显示时、分、秒。其中秒和分为60进制,小时为24进制计数。可通过按键实现时钟复位和分、秒、时的校正。第二章 系统组成及工作原理2.1 系统组成电子钟的电路图主要由单片机(AT89C52)、键盘电路、驱动显示
6、电路和LED显示器四部分组成,它主要实现时钟的显示,以及对时(年)、分(月)、秒(日)进行调整,即实现调时(日)的功能。其数字钟系统整体结构如图2-1所示。 七 段 数 码 管AT89C52驱动 LED显示器位选 按 键图2-1 电子钟系统整体结构1. 显示方案方案一:静态显示就是当CPU将要显示的字或字段码送到输出口,显示器就可以显示出所要显示的字符,如果CPU不去改写它,它将一直保持下去;静态显示硬件开销大,电路复杂,信息刷新速度慢。方案二:动态显示则是一位一位地轮流点亮显示器地各个位(扫描)。对于显示器的每一位而言,每隔一段时间点亮一次;动态显示耗能较小,但编写程序较复杂。动态显示硬件连
7、接简单,信息刷新速度快。由于本次设计是对时间进行显示,如采用静态显示,则所占用的I/O口较多,电路较复杂,所以在此选择的是方案二,采用动态显示。2. 键盘方案方案一:独立式键盘。独立式键盘的各个按键相互独立,每个按键独立地与一根数据输入线(单片机并行接口或其它芯片的并行接口)连接。独立式键盘配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根接口线,在按键数量不多时,接口线占用多。所以,独立式按键常用于按键数量不多的场合。方案二:矩阵式键盘。矩阵式键盘采用的是行列式结构,按键设置在行列的交点上.(当接口线数量为8时,可以将4根接口线定义为行线,另4根接口线定义为列线,形成4*4键盘,可以配置16个按
8、键。)由于本设计只用了八个按键,不需要采用矩阵式键盘,所以选用第一种方案,采用独立式键盘。3. 计时方案采用软件控制:利用单片机内部的定时/计数器进行定时,配合软件定时实现时(年)、分(月)、秒(日)的计时。该方案能够使设计者,在设计的过程中容易实现,且节省硬件成本,因此本系统将采用软件方法实现计时。2.2工作原理AT89C52内部有三个16位的定时器/计数器,利用它们可以获得精准的时间。设计中定义40H-47H8个单元为时间显示缓冲区,里面存放00H-0AH之间的数,其中0AH在查表时会查到的字形码。我们让定时器T1定时50ms。同时再定义一个单元来记录T1定时器记满50ms的次数,当该单元
9、中的次数达到了20次时,即时间走了1s钟,马上执行时间加1s的程序。即要对40H-47H中的秒缓冲单元加一,再将更新后的40H-47H依次查表后送8255去显示,这样便实现了电子钟走时的功能。8255的PC口接有按键开关,平时不按下,对应的PC口会获得一个高电平,可一旦有键按下,对应的PC口便会接地而获得一个低电平。设计中使用了八个PC口。这样,每个键都会有一个确定的键值对应着。如此,我们便可在程序中根据读取到的键值让单片机去执行相应的设置时(年)、分(月)、秒(日)加、减和确定等功能程序。数码管的动态显示是指一位一位地轮流点亮各个数码管。对于每一个数码管来说,每隔一段时间点亮一次。通常点亮时
10、间为1ms左右,相隔时间为20ms。图2.2中,PA口的输出为段数据口,接显示器的各个段极,PB口输出为位扫描口,将PB0和PB1分别接入两个74HC573锁存器的LE锁存使能输入引脚。显示时,首先使PB口的B0为低电平,B1-B7为高电平,则仅第一位数码管的公共阴极为低电平(被选通);同时PA口输出第一个显示数据的段码,这时第一位数码管将显示出第一个显示数据。持续1ms左右后,使B0为高电平,关闭第一个数码管,随后使B1为低电平,选通第二位数码管,并由PA口输出第二个显示数据,并持续1ms左右。用类似的方法依次选通第3,第4,第8位即完成一次循环显示。如果连续地循环便可在数码管上稳定地显示所
11、需显示的内容。图2.2 电子钟硬件电路图 第三章 硬件设计与分析3.1 硬件设计原理时钟电路的核心是AT89C52单片机,其有256 个字节的内部RAM,80H-FFH 高128 个字节与特殊功能寄存器(SFR)地址是重叠的。3.2 AT89C52单片机介绍AT89C52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应
12、用。AT89C52为8 位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有:XTAL1(19 脚)和XTAL2(18 脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz 晶振。RST/Vpd(9 脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40 脚)和VSS(20 脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚,其功能用途由软件定义,
13、在本设计中,P0 端口(3239 脚)被定义为N1 功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13 脚定义为IR输入端,10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU 的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。3.3单片机最小应用系统时钟电路和复位电路是单片机最小应用系统中必不可少的。单片机时钟电路图,如图3-1所示:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器
14、件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。复位是使单片机或系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作就是从复位开始的,当在单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时,单片机内部就执复位操作(若该引脚持续保持高电平,单片机就处于循环复位状态)。实际应用中,复位操作有两种基本的形式:一种是上电复位,另一种是上电与按键均有效的复位。由于本次设计采用的是上电复位,所以这里只介绍上电复位,如下图3-1所示:图3-1单片机最小应用系统电路图上电复位要求接通电源后,单片机自动实现复位操作。常用的
15、上电复位如上图所示。上电瞬间RST引脚获得高电平,随着电容C1的充电,RST引脚的高电平将逐渐下降。3.4显示电路一、七段LED显示器的原理显示器是单片机应用系统常用的设备,包括LED、LCD等。LED显示器由若干个发光二极管组成。七段LED通常构成字型“8”,还有一个发光二极管用来显示小数点。每段LED分别引出一个电极,电极的名为a、b、c、d、e、d、g、dp,其中dp是小数点段的引出电极。当发光二极管导通时,相应的一个笔画或一个点就发光。控制相应的二极管导通,就能显示出对应字符。说明:在该设计中,用单位的数码管来显示分隔符,其七段LED显示器如图3-4.1所示图3-4.1 七段LED显示
16、器二、动态显示本设计共享了八位LED显示器,因此采用动态显示方式。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮显示器的各个位。对于显示器的每一位而言,每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作,但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余晖,我们看到的却是多个字符“同时“显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关,也与点亮时间长短和时间间隔有关。显示器的位数不大于8位,则控制显示器公共极电位只需要一个I/O接口,称为扫描口或字位口,控制各位LED显示器所显示的字型也需要一个8位接口,称为段数据口或字型口。3.5键盘及其接口键盘是由若干个按键组成的,它是单片机最简单的输入设备。通过键盘输入数
17、据或命令,就可实现简单的人机对话。一、按键的抖动现象按键就是一个简单的开关。当按键按下时,相当于开关闭合;当按键松开时,相当于开关断开。按键在闭合和断开时,触点会存在抖动现象。按键抖动时间一般为5ms10ms,抖动可能造成一次按键的多次处理问题。应采取措施消除抖动的影响。消除的方法很多,本设计采用软件延时的方法来消除抖动。当单片机检测到有按键按下时先定时,然后再检测按键的状态,若仍是闭合状态则认为真的有键按下。当检测到按键释放时,亦需要做同样的处理。二、按键电路 独立式键盘的各个按键相互独立,每个按键独立地与一根数据输入线(单片机并行接口或其它芯片的并行接口)连接。独立式键盘配置灵活,软件结构
18、简单,但每个按键必须占用一根接口线,在按键数量不多时,接口线占用多。所以,独立式按键常用于按键数量不多的场合。该设计用了八个按键,来实现功能控制。在运行状态下,按下按键,执行相应的功能。因此采用独立式键盘方式,设计起来比较简单。各个按键的功能如图3-5所示图3-5 键盘电路第四章 软件设计在软件设计中,整个程序的主框架是以定时1s计算的方式来实现电子钟。定时1s的程序段,使用动态显示程序实现延时,既完成了延时,也完成了数字的显示。在计算程序中,使对应于时、分、秒的变化量按照60进制和24进制进行计算,动态显示程序直接引用这些变量,达到显示的数字也随之不断变化,即完成了电子钟的功能。其软件功能模
19、块主要有键输入程序、中断程序、显示程序,以及延时程序。需要说明的是,这里设计的是简易的电子钟,主要是用程序运行来计算时间,这样用程序来确定出1s的时间精度是很有限的,所以整个时钟的精度不太高。4.1 主程序的设计在主程序中,需要对8255初始化,定义定时器T0的工作模式及赋初值,判断时间是否计了1s钟,然后更新显示缓冲区里的内容,并送到8255去显示。最后还要读取8255 PC口的按键值,根据键值转入执行相应的程序。下面是主程序框图。图4-1 电子钟主程序框图4.2 定时中断程序定时器T0中断服务程序用来对定时器重新赋初值,对中断程序执行次数记录的单元进行加1操作。其程序框图如下所示:N24小
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