安徽中医学院本科生毕业论文(设计)

0 安徽中医学院本科生毕业设计 基于单片机技术的数字时钟的实现 姓 名： 程晓楠 专 业： 计算机科学与技术 学 号： 07712005 指导老师： 金 力 实习单位 : 上海嘉技国际贸易有 限公司 安徽中医学院医药信息工程学院 2011 年 5 月 3 日 目 录 中文摘要 . 3 . 4 第一章 绪论 . 5 片机的发展历史 . 5 课题设计背景及意义 . 7 第二章 相关开发工具和软件介绍 . 8 成开发环境 51 . 8 真软件 . 11 第三章 系统概述 . 15 统框图 . 15 统硬件概述 . 15 第四章 系统的实现 . 17 统的硬件实现 . 17 本概念 . 17 1单片机概述 . 18 片 . 22 . 23 路的详细设计 . 26 统的软件实现 . 29 模软件 . 29 字显示的实现 . 30 片显示的实现 . 30 盘 功能的实现 . 30 于单片机的数字时钟的实现 . 30 第五章 调试与运行 . 35 境介绍 . 35 统运行 . 38 统调试 . 38 第六章 总结与展望 . 39 参考文献 . 40 致 谢 . 41 附录 . 42 中文 摘要 基于单片机的数字时钟在日常 的 生产生活中已得到 广泛 应用 ， 例如 交通灯对交通 的 控制、车站码头显示牌显示时间及车船次信息、 电冰箱洗衣机等家用电器 的应用 ， 有鉴于此 进行了本设计的选题 工作 。 本文介绍数字时钟的系统设计，该 系统具有数字时间的显示、文字动画效果的显示及简单图片的显示等功能。系统以 核心， 结合 要实现时间的数字形式显示。系统的液晶显示器为110,负责时间图片等的显示。 4*4 阵列式键盘实现该键对应数字在显示器上的显示。通过系统显示器，配合简单操作提供友好用户界面。系统软件设计包括单片机编程，用 C 语言实现。 通过 向 单片机 下载 软件， 最终 实现键盘 的输入显示， 显示器 对图片文字等信息的显示，动静态文字的实现，时间的显示 等功能。 关键字 ： 数字时钟；单片机；编程；字模 he in as of on of is to of of as to in of 110, is of * 4 is to of on it a a is to we a of on 基于单片机技术的数字时钟的实现 第一章 绪论 片机的发展历史 1946 年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近 20多 年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。 单片机诞生于 20世纪 70年代，如 8单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元 (即常称的 数据存储器 (程序存储器 (其他 I/O 通信口集成在一块芯片上，构成 一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及 A/D 转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。 单片机诞生于 20世纪 70年代末，经历了 段。 （ 1） 段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。创新模式获得成功，奠定了 开创嵌入式系统独立发展道路上， （ 2） 段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 子技术厂家。从这一角度来看， 渐淡出发展 面，最著名的厂家当数 司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将 单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 （ 3）单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 着微电子技术、 计、 具的发展，基于 单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 20世纪 70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般 均把 的还包括了一些简单的 I/司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有 80微处理器。 1976年 司推出了 个时期的单片机才是真正的 8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。 在 后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，如 8系 列。到了 80年代初，单片机已发展到了高性能 阶段，如 列， 司的 6801 和 6802 系列， 司的 6501及 6502系列等等 ,此外 ,日本的著名电气公司 80 年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列， 300 多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了 目繁多的 I/种中断系统，甚至还有一些带 A/能越来越强大， 容量也越来越大，寻址空间甚至可达 64以说，单片机发展到了一个新的平台 。 1,2 课题设计 背景 及 意义 自 20世纪以来，电子技术获得了飞速发展，各种电子产品进入到我们生活的方方面面，促进了社会信息化程度的提高。同时电子产品性能不断提高，产品更新换代不断加快。 而随着电子技术的迅猛发展，各种家用电器（包括消费类电子产品等）被大部分家庭需要和使用。为了满足人们的生活需要，提高家电的技术含量，实现家电的智能化、自动化势在必行。与此同时，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高 、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易，广泛应用于智能生产和工业自动化上，而且 现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品 如 手机、电话、 计算器 、家用电器、电子玩具、 掌上电脑 以及鼠标等电脑配件中都会集成有单片机 。单片机类家用电器开发应用潜力巨大。 在日常生活中，发条钟常会因为机械故障致使时钟停工，电池钟常会因为电池没电或漏液导致时钟停工，而基于单片机技术的数字时钟则能克服上述两种时钟的缺点。数字时钟是采用电路实现对时、分、秒显示的计时装置，广泛用于家庭、车站、码头、办公室等公共场所。成为人们日常生活中必不可少的用品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字时钟的精度，远远超过了老式钟表，钟表数字化给人们生产生活带来了极大地方便和质量的提高，并会在我们的生产生活中扮演越来越重要的角色。 本设计所实现的基于单片机技术的数字时钟系统具有 功耗小、成本低的特点，具有很强的实用性，且系统具有一定的可扩展性。设计数字时钟的最终目的是能把它应用到实际中去。如十字路口交通灯的控制，车站的日期时间显示，实时控制系统以及仪器仪表，家用电器等各个领域。由于它的应用领域广，技术要求各不相同，但总体设计方法和研制步骤相同。 相信随着科技的进步技术的发展与制作工艺的改进，单片机 应用的广度和深度都会更进一步，基于单片机技术的各类生产生活用品会 更加深刻地改变我们的生活。 第二章 相关开发工具和软件介绍 成开发环境 51 单片机的程序设计需要在特 定的编译器中进行。编译器完成对程序的编译、连接等工作，并最终生成可执行文件。对于单片机程序的开发，一般采用 持汇编语言以及 另一方面， C 语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。目前，使用 C 语言进行程序设计已经成为单片机软件开发的一个主流。 1系列兼容单片机软件开发系统， 司已经被 提供了丰富的库函数和各种编译工具。能够对 51系列单片机以及和 51系列兼容的绝大部分类型的单片机进行设计。 点如下：支持汇编语言， 视化的文件管理，界面友好；支持丰富的产品线，除了 51及其兼容内核的单片机外，还新增加了对 有完善的编译连接工具；具备丰富的仿真调试功能；支持在一个工作区间中进行多项目的程序设计；支持多级代码优化。 成开发环境是具有标准的 面的应用程序， 对于一个打开的项目工程，其界面效果图如下图 1所示。 图 1 首先启动 件，使用 在项目窗口的右侧打开一个新的文本编辑窗口，可在窗口中输入 C 语言源程序。但在项目开发中，并不是仅有一个源程序就行了，还要为这个项目选择 定编译、汇编、连接的参数，指定调试的方式，有一些项目还会有多个文件组成等，为管理和使用方便， 用工程（ 一概念，将这些参数设置和所需的所有文件都加在一个工程中，只能对工程而不能对单一的源程序进 行编译（汇编）和连接等操作。 点击 单，出现一个对话框，给将要建立的工程起一个名字，（设为 点击保存，出现第二个对话框，如图 2 所示，选择到主界面，此时在工程窗口的文件页中出现了 ,点击 +号展开，看到下一层的 这时 的工程还是一个空工程，需要手动将 编好的源程序加入，点击 鼠标右键，选中 0 ，见图 3，出现一个 对话框，要求寻找源文件，为以 c 为扩展名的文件。 图 2 选择 图 3 添加源程序到工程视图 工程建立以后，还要对工程进行进一步的设置。 点击 后使用菜单 即出现对工程设置的对话框。设置对话框中的 图 4所示， 为 24M。 图 4 面 设置对话框中的 面有多个选项，其中 ex 1 执 行代码文件（可以用编程器写入单片机芯片的 式文件，文件的扩展名为 ,因为本设计要写片做硬件实验，必须选中该项，见图 5。 图 5 设置生成 真软件 从 1989年出现到现在已经有 二十余 年的历史，在全球广泛使用。 ，主要由两个程序组成： 者主要用于 者主要采用原理布图的方法绘制电路并进行相应的仿真。除了上述基本应用之外， 对微处理器的应用，可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件代码级的调试，还可以直接实时动态地模拟按钮、键盘的输入， 晶显示的输出，同时配合虚拟工具如示波器、逻辑分析仪等进行相应的测量和观测。 值得注意的是该软件元件库具有超过 27000种元器件， 并且 可方便地创建新元件 ，极大地提高了 软件的全面性和可扩展性 。 3 及 片机仿真等，本文介绍利用 单片机时钟设计重要的环节 。 2 其主界面如下图 6所示。 图 6 下面介绍该软件的基本概念和基本操作： 0要是为了和 坐标原点位于工作区的中间，所以既有正坐标值，又有负坐标值。坐标位置指示器位于屏幕的右下角。一旦实时捕捉（ 能使能，当鼠标指针指向管脚末 端或者导线时， X、 亮显示说明鼠标指针位置已经被捕捉。例如，如果鼠标指针在一条横线附近，它将会被捕捉到 用鼠标左键点击预览窗口中想要显示的位置，这将使编辑窗口显示以鼠标点击处为中心的内容。 在编辑窗口内移动鼠标，按下 鼠标撞击边框，这会使显示平移。我们把这称为 用鼠标指向编辑窗口并按 缩放键（见下文），3 示。 按 续按会不断放大直到最大），按 似的连续按会不断缩小直到最小），这两种情况无论哪种都会使显示以当前鼠标位置为中心重新显示。按 的大小可以通过 制。无论何时你都可以使用功能键控制缩放，即便是在滚动和拖放对象 时。 当鼠标指针指向管脚末端或者导线时，鼠标指针将会被捕捉到这些物体，这种功能被称为实时捕捉，该功能可以使你方便的实现导线和管脚的连接。可以通过令或者是 切换该功能。 对象选择器（ 据由图标决定的当前状态显示不同的内容。显示对象的类型包括：设备，终端，管脚，图形符号，标注和图形。 在某些状态下，对象选择器有一个 击该按钮可以弹出库元件选取窗体。通过该窗体可以选择元件并置入对象选择器，在今后绘图时使用。 选中对象（ 鼠标指向对象并点击右键可以选中该对象。该操作选中对象并使其高亮显示，然后可以进行编辑。选中对象时该对象上的所有连线同时被选中。要选中一组对象，可以通过依次在每个对象右击选中每个对象的方式。也可以通过 右键拖出一个选择框的方式，但只有完全位于选择框内的对象才可以被选中。在空白处点击鼠标右键可以取消所有对象的选择。 拖动对象（ 鼠标指向选中的对象并用左键拖曳可以拖动该对象。该方式不仅对整个对象有效，而且对对象中单独的 调整对象大小（ 电路（ 图表、线、框和圆可以调整大小。当你选中这些对象时，对象周围会出现白色小方块叫做手柄，可以通过拖动这些手柄来调整对象的大小。 编辑对象（ 多对象具有图形或文本属性，这些属性可以通过一个对话框进行编辑，这是一中很常见的操作，有多种实现方式。 画线（ 击第一个对象连接点。如果你想让 需左击另一个连接点。另一方面，如果你想自己决定走线路径，只需在想要拐点处点击鼠标左键。一个连接点可以精确的连到一根线。4 的管脚末端都有连接点。一个圆点从中心出发有四个连接点，可以连四根线。由于一般都希望能连接到现有的线上， 外，一个连接点意味着 3根线汇于一点， 免由于错漏点而引起的混乱。 用该软件设计的电路原理图如下面图 7。 图 7 电路原理图 5 第三章 系统 概述 统框图 系统总体结构框图见下图 8。 图 8 系统框图 统 硬件 概述 系统 设计涉及的主要硬件包括 钟芯片 示屏和一个 4*4 矩阵键盘。 6 心的运算控制，时钟芯片 现时间的输出， 示屏 实现时间、文字等的输出显示， 4*4矩阵键盘实现各按键的不同输入实现。详细介绍见第四章第一节的系统硬件实现部分，在此不熬述。 系统软件部分主要涉及 钟芯片编程， 示屏编程及矩阵键盘编程。 钟芯片：设置初始时间， 从读寄存器中读出时间暂存于单片机内存中，进而送入显示缓冲区。 示屏：设置（ X,Y）坐标，设计时间文字等在显示屏上显示的位置，从单片机内存中读取并送入显示缓冲区。 矩阵键盘： 计算出各按键的特征编码，然后将 16 个按键的特征编码按图 15按键排列的 顺序排成一张特征编码与顺序编码的对应关系表，然后用当前读得的特征编码来查表，当表中有该特征编码时，它所在的位置就是对应的 顺序编码。 7 第四章 系统的 实现 统的硬件实现 本概念 单片机： 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 读存储器 种 I/时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统 。 单片机和嵌入式区别：单片机是使用 般程序都是面向控制的，像一些仪器。嵌入式一般都是带操作系统的，像 板电脑等。这是说一般会想到的领域。从定义上来说，单片机是一个微型控制芯片，把各个功能部件结合到一块芯片上中，构成一个完整的微型计算机。嵌入式就是嵌入到一些东西里面的计算机系统，它强调的是系统，像带操作系统什么的。 晶振（ 一般叫做 晶体 振荡 器 ，是一种机 电器 件，是用电损耗很小的石英 晶体 经精密切割磨削并镀上 电极 焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫 机电效应 。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体 化学性能 非 常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其 谐振 频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机 机 电感 和电容组成的谐振回路是电场 不断转换。在 电路 8 当作一个高 于石英晶体的损耗非常小，即 振荡 器 用时，可以产生非常稳定的振荡，作 滤波器 用，可以获得非常稳定和 陡削 的带通或带阻 曲线 。 4 总线（ ： 是 计算机 各 种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息 种类 ，计算机的总线可以划分为数据总线、 地址 总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是 内存 、输入、 输出设备 传递信息的公用通道， 主机的各个部件通过总线相连接， 外部设备 通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了 计算机硬件系统 。在 计算机系统 中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。 仿真、仿真机 ： 仿真是单片机开发过程中非常重要的一个环节，一般产品开发过程中都要进行仿真，仿真的主要目的是进行软件调试 。 当然借助仿真机，也能进行一些硬件排错。一块单片机应用电路板包括单片机部份及为达到使用目的而设计的应用电路，仿真就是利用仿真机来代替应用电路板（称目标机）的单片机部份，对应用电路部份进行测试、调试。 1 单片机 概述 51单片机是对目前所有兼容 031 指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是 8031单片机 ， 后来随着 8031单片机取得了长足的 进展，成为目前应用最广泛的 8位单片机之一，其代表型号是 列，它广泛应用于工业测控系统之中。 司的单片机主要是基于 8051内核 ,是新一代增强型单片机 ,指令代码完全兼容传统 8051,速度快 8双串口 ,有全球唯一 ,加密性好，抗干扰强 。 目前很多公司都有 51 系列的兼容机型推出。 51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。 下面图 9为 89 9 图 9 8951单片机 有 8位 4 256 32条I/111条指令，大部分为单字节指令 ； 21个专用寄存器 ； 2个可编程定时 /计数器 ； 5个中断源， 2个优先级 ； 一个全双工串行通信口 ； 外部数据存储器寻址空间为 64外部程序存储器寻址空间为 64逻辑操作位寻址功能 ； 双列直插40管脚 ； 单 一 +5V 电源供电 ； 运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器； 以存放可以读写的数据，如运算的中间结 果、最终结果以及欲显示的数据； 以存放程序、一些原始数据和表格； I/个 8位并行 I/O 口，既可用作输入，也可用作输出； T/C：两个定时 /记数器 ，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式 ； 五个中断源的中断控制系统；一个全双工 用异步接收发送器）的串行 I/0 单片机与微机之间的串行通信； 片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为 12M。 1， 2 片机内部结构框图如下面图 10，包含中央处理器（ 程序存储器（ 数据存储器（ 定时 /计数器、 I/ 图 10 片机工作电压（ V）为 32K， 280字节，有定时器 口，有独立波特率发生器， 断优先级为 2。 芯片见图 11。 0脚 )： 接地 40脚） ： 主电源 +5V 9 脚 ：是 位双向口线。 ，当使用片外存储器（ ，作地址和数据总线分时复用。在程序校验期间，输出指令字节。 1脚 ：是 位双向口线。 ，具有内部上拉电阻。 21脚 ：是 位双向口线。 ，具有内部上拉电阻。当使用片外存储器（ ，输出高 8位地址。 10 脚 ）：是 8 位双向口线。 P 口也是准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。 19脚） :接外 部晶体一端 ， 在片内它是振荡电路反相放大器的输入端 。 18 脚） :接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端 。 9脚） :单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入 24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位 。 30脚） :在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。 9脚 )：可作为 I/ 有 4种工作方式 。 1脚 )：可作为 I/ 有 4种工作方式 。 2 图 11 片 过去多用并行接口的时钟芯片，如 们已能完全满足单片机系统对实时时钟的要求，但是这些芯片与单片机接口复杂、占用地址 /数据总线接线多、芯片体积大占用空间多。近年来串行接口的各种芯片在单片机系统中应用愈来愈多，串行接口的实时时钟芯片也出现了不少， 2所示。 日历和 31字节的静态和单片机通信经由一个简单的串行接口。实时时钟 /日历提供秒、分、时、日、周、月、年信息，月末日期自动调整，包括闰年的修正。时钟可工作在 3 时格式或 12小时（ M）格式，单片机与 需三根线连接： (1)/位），（ 2） I/O（串行数据），（ 3） 行时钟）。数据传送从单片机到实时时钟 /以每次 1字节或每次 31字节。它可以工作在很低的耗电状态以保存时钟信息和数 据，功耗小于 1微瓦。 图 12 片和阵列式键盘 5个汉字， 30个字符，性价比高，接口简单，速度快。 图 13为该屏原理图。 4 图 13 4点阵 以显示 4 行汉字 ， 采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有 9条。支持多种串行通信协议 ，传输速率高达 4 1M/s） ，可全速写入显示数据，无等待时间 。 可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换 。 动器芯片已绑定到 块的体积很小 。 采用低电压供电，正常显示时的工作电流在 200 具有掉电模式 。 矩阵键盘又 称为行列式键盘， 4*4矩阵键盘使用 4条 I/4条 I/行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键 的个数是 4*4个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中 I/ 14为矩阵键盘电路图，行线接 线接 5 图 14 矩阵键盘电路图 按键排列 如图 15。 图 15 按键排列图 6 路的详细设计 设计，见图 16。 图 16 时钟单元的设计，见图 17。 图 17 时钟单元设计图 7 主控 单元的设计，见图 18。 图 18 主控单元设计图 矩阵键盘单元 的设计，见图 19。 图 19 矩阵键盘单元设计图 8 最终在 真的电路图见下面图 20。 5图 20 在 9 统的软件实现 模软件 设计采用 其主界面见图 21。 图 21 点击新建图像，提取字模应设为 16*16大小，在文字区输入要取字模的文字，按 ， 在新建区域显示该字，再点击取模方式中的 C 51，即生成该字的字模。若给图片取字模，点击打开图像图标，后续操作同取字模。 0 字 显示的实现 汉字的显示采用图形的方式，事先从微 机中提取要显示的汉字的点阵码（用字模提取软件），每个汉字占 32B,分上下两半， 根据在 立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加 1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到 32依此循环进行，直至所有 汉字全部显示在 片显示 的实现 图片显示的原理和汉字一样，只不过它的高和宽不再是个定值，而是一个变量，把高先分成 8的倍数，然后一行一行扫描，不足的补零。 盘功能的实现 先从 四位输出高电平，从 从 四位输出高电平，从 高四位读取键盘状态。将两次读取结果组合口起来就可以得到当前按键 的特征编码。使用上述方法我们得到 16个键的特征编码。 于单片机的数字时钟的实现 芯片内含一个实时时钟 /日历和 31字节静态 过简单的串行接口与单片机进行通信，实时时钟 /日历电路提供秒分时日年月的信息， 与单片机之间仅需用到三个口线： I/ 1 管脚接线： 2 振管脚 位脚 I/输出引脚 行时钟 源供电管脚 内部寄存器 ： 时钟停止位寄存器 2的第 7位 12/24小时标志 振荡器工作允许 ,12小时模式 振荡