课程设计（论文）-基于单片机的简易数字钟

课程设计说明书（2012/2013学年第二学期）课程名称单片机应用题目基于单片机的简易数字钟专业班级自动化10自动化（3）班学生姓名学号指导教师设计周数2周设计成绩2013年6月26日6基于单片机的数字钟课程设计报告摘要目录第1章绪论11课题背景112课题来源213本章小结2第2章相关器件的结构21MCS51的结构322CD45114237段数码管624三极管结构725本章小结8第3章总体设计方案31原始数据及主要任务832技术要求833器件清单834设计方案935总电路原理图9第4章电路的硬件设计41复位电路1042时钟电路1143按键电路1144整点报时电路1245数码管显示电路1346本章小结14第5章电路的软件设计1151软件程序内容1552软件流程图1553定时程序设计17531实时时钟实现的基本方法17532实时时钟程序设计步骤1754程序说明1855本章小结18第6章系统仿真61PROTUES软件介绍1862电子钟系统PROTUES仿真18第7章调试与功能说明72系统性能测试与功能说明2073系统时钟误差分析2071硬盘调试2074软件调试问题及解决20第8章结论与展望1581结束语2182单片机的发展趋势21参考文献23附录23致谢35摘要单片机自1976年由INTEL公司推出MCS48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。本论文基于单片机原理技术介绍了一款于MCS51芯片作为核心控制器的单片机简易数字钟的设计与制作，包括硬件电路原理的实现方案设计、软件程序编辑的实现、数字钟正常工作的流程、原理图仿真实现、硬件实物的安装制作与硬件实物的调试过程。该单片机数字电子钟采用LED数码管能够准确显示时间（显示格式为时时，分分），可随时进行时间调整，时间可采用24小时制显示。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域关键词单片机；数字电子钟；数码管第1章绪论11课题背景单片机自1976年由INTEL公司推出MCS48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构形式一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。20世纪80年代中期以后，INTEL公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS51系列的兼容产品，准确地说是与MCS51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS51系列单片机，因为MCS只是INTEL公司专用的单片机系列型号。MCS51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。12课题来源现代生活的人们越来越重视起了时间观念，可以说是时间和金钱划上了等号。对于那些对时间把握非常严格和准确的人或事来说，时间的不准确会带来非常大的麻烦，所以以数码管为显示器的时钟比指针式的时钟表现出了很大的优势。数码管显示的时间简单明了而且读数快、时间准确显示到秒。而机械式的依赖于晶体震荡器，可能会导致误差。数字钟往往是采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。在这次设计中，我们采用LED数码管显示时、分，以24小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，用12MHZ的晶振产生振荡脉冲，定时器计数。在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整。数字钟是其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱，因此得到了广泛的使用。13本章小结本文介绍的设计是针对教学所用的单片机，可以完成教学所需的功能，也可以达到实验要求。第2章相关器件的结构21MCS51的结构MCS51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。单片机的40个引脚大致可分为4类电源、时钟、控制和I/O引脚。电源VCC芯片电源，接5V；VSS接地端时钟XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。控制线控制线共有4根，ALE/PROG地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲ALE功能用来锁存P0口送出的低8位地址PROG功能片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。PSEN外ROM读选通信号。RST/VPD复位/备用电源。RST（RESET）功能复位信号输入端。VPD功能在VCC掉电情况下，接备用电源。EA/VPP内外ROM选择/片内EPROM编程电源。EA功能内外ROM选择端。VPP功能片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源VPP。I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。22CD4511CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码七段码译码器，特点具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511是一片CMOSBCD锁存/7段译码/驱动器。其中ABCD为BCD码输入，A为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数91001时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。AG是7段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，A段消隐；显示数“9”时，D段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观图3是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300的限流电阻。CD4511的工作原理1CD4511的工作真值表如下表表32CD4511的真值表2锁存功能译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。（3）译码CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。（4）消隐BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐控制电路。消隐输出J的电平为J（CB）DBI如不考虑消隐BI项，便得J（BC）D据上式，当输入BCD代码从10101111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。237段数码管LED数码管及引脚图资料7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示09等10个数字和小数点，使用非常广泛，它的外观如下这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点COM，而每个LED的阴极分别为A、B、C、D、E、F、G及DP（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点COM，而每个LED的阳极分别为A、B、C、D、E、F、G及DP（小数点），如下图所示。图中的8个LED分别与上面那个图中的ADP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。24三极管三极管的基本结构是两个反向连结的PN接面，如图1所示，可有PNP和NPN两种组合。三个接出来的端点依序称为射极（EMITTER,E）、基极（BASE,B）和集极（COLLECTOR,C），名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出NPN与PNP三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为N型半导体，和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个PN接面都会形成耗尽区，将中性的P型区和N型区隔开。晶体三极管的用途主要是交流信号放大，直流信号放大和电路开关。使用晶体管作放大用途时，必须在它的各电极上加上适当极性的电压，称为“偏置电压”简称“偏压”，又“偏置偏流”。电路组成上叫偏置电路。晶体管各电极加上适当的偏置电压之后，各电极上便有电流流动。通过发射极的电流称为“射极电流”，用IE表示；通过基极的电流称为“基极电流”，用IB表示；通过集电极的电流称为“集极电流”，用IC表示。25本章小结本章介绍了一些基本器件结构，MCS51，7段数码管，三极管。只有了解这些器件的结构、功能，才可以更好地更简洁地设计电路。第3章总体设计方案31原始数据及主要任务本次课程设计的任务是采用AT89S51作为控制单元，实现数字钟的设计。（1）设计键盘输入电路（2）设计显示电路（3）合理分配地址，编写系统程序（4）利用PROTEL设计硬件电路原理图和PCB图（5）软硬件联机调试32技术要求设计一台以MCS51为核心的简易数字钟。用P2口控制4只段码管，四位数码管显示小时和分钟，中间的那个点来区分小时和分钟；每秒用一个LED闪烁一下；用了四个按键，分别是选择键，确认键，加1键和减1键。时间要精准，整点报时，声音间隔一秒，并且可以调整时间、调整闪烁提示。33器件清单电阻200（1个）330（7个）47K1个470（1个）1K5个10K4个按键开关5个电容30PF（2个）电解电容22F（1个）晶振6MHZ（1个）CD45111个三极管NPN（4个）PNP1个共阴极数码管（4个）底座DIP40（2个）DIP16（1个）万能电路板1个AT89S51（1片）导线若干34设计方案数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。标准的频率时间信号必须做到准确稳定，通常使用石英晶体振荡电路构成数字钟。本次课程设计的内容是设计一个数字钟，由单片机通过编辑的程序控制电路，实现显示时、分的一个电子时钟。并且可以通过按键选择调整时钟时间，以及暂停的功能。P04图31电路方框图35电路原理图按键输入单元控制单元MCSC51P14P17显示单元P00P03按键单元P24P27译码单元报时单元第4章电路的硬件设计41复位电路MCS51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。当时钟频率选用6MHZ时，C取22F，RS约为200，RK约为1K。复位操作不会对内部RAM有所影响。常用的复位电路如下图所示图复位电路图42时钟电路时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式。电路图如下MCS51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。43按键电路按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在510MS之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。电路图如下输入信号主要是各种模式选择和调整信号，由按键开关提供。在本实验中主要用用P0口输入按键信号，对于P0口，由于其存在高阻状态，为了实现开关功能，给其添加上拉电阻。P00能选择键，按键选择要调整的时十位、时个位、分十位或分个位。P01字“键，按一下则对应的数字加1。P02字“”键，按一下则对应的数字减1。P03能确认键，。44整点报时电路电路图如下45数码管显示电路数码管显示器成本低，配置灵活，与单片机接口简单，在单片机应用系统中广泛应用。数码管的工作原理用CD4511实现LED与单片机的并行接口方法如图所示。数码管共阴极接单片机P0口输出的片选信号选择点亮的数码管，从而达到了显示输出动态显示的效果。由于CD4511的驱动电流，数码管共阴极不用外加三极管或者74LS245等装置驱动数码管。当P2口低4位某位置1时，与其相连的三极管导通，集电极为低电平，因为是共阴极数码管，所以与该三极管相连的数码管选通，显示P2口输出的数。46本章小结本章介绍的是本设计的硬件结构，单片机的相关I/O口输入输出就可以实现相应的控制功能。还介绍了单片机的复位电路和时钟电路。第5章电路的软件设计51软件程序内容本设计的软件程序包括主程序、中断子程序、整点报时子程序、时钟显示子程序和延时子程序等等。另外由于电路中有四个按键，还另外设计了防抖动程序来防止干扰。52软件流程图软件程序整个流程图如下开始初始化是否按时间确认键切换时间表选择键选择被调时间调整时间是否与时间表时间匹配调用扬声器程序是否是否T0中断服务子程序重置T0定时初值1S到Y秒加11MIN到Y分加1，秒清零1小时到Y分清零，秒清零NNN返回53定时程序设计单片机的定时功能也是通过计数器的计数来实现的，此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每经过1个机器周期的时间，计数器加1。如果MCS51采用的12MHZ晶体，则计数频率为1MHZ，即每过1US的时间计数器加1。这样可以根据计数值计算出定时时间，也可以根据定时时间的要求计算出计数器的初值。MCS51单片机的定时器/计数器具有4种工作方式，其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对特殊功能寄存器的编程，可以方便的选择定时器/计数器两种工作模式和4种工作方式。定时器/计数器工作在方式0时，为13位的计数器，由TLXX0、1的低5位和THX的高8位所构成。TLX低5位溢出则向THX进位，THX计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TFX当定时器/计数器工作于方式1，为16位的计数器。本设计单片机定时器，所以MCS51内部的定时器/计数器被选定为定时器工作模式，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1。531实时时钟实现的基本方法时钟的最小计时单位是秒，但使用定时器的方式1，最大的定时时间也只能达到131MS。我们可把定时器的定时时间定为50MS。这样，计数溢出20次即可得到时钟的最小计时单位秒。而计数20次可以用软件实现。秒计时是采用中断方式进行溢出次数的累积，计满20次，即得到秒计时。从秒到分，从分到时是通过软件累加并进行比较的方法来实现的。要求每满1秒，则“秒”单元中的内容加1；“秒”单元满60，则“分”单元中的内容加1；“分”单元满60，则“时”单元中的内容加1；“时”单元满24，则将时、分、秒的内容全部清零。532实时时钟程序设计步骤（1）选择工作方式，计算初值；（2）采用中断方式进行溢出次数累计；（3）从秒分时的计时是通过累加和数值比较实现的；（4）时钟显示缓冲区时钟时间在方位数码管上进行显示，为此在内部RAM中要设置显示缓冲区，共4个地址单元。显示缓冲区从左到右依次存放时、分数值；（5）主程序主要进行定时器/计数器的初始化编程，然后反复调用显示子程序的方法等待中断的到来。（6）中断服务程序进行计时操作（7）加1子程序用于完成对时、分的加操作，中断服务程序在分、时加1时共有三种条调用加1子程序，包括三项内容合字、加1并进行十进制调整、分字。54程序说明在整个系统中，在单片机的30H、31H中存储当前时间的小时、分钟。由于要用数码管显示当前的时间，必须用到分字和合字，因此在33H、34H、35H和36H中存储当前时间的时十位、时个位、分十位、分个位，方便显示。本设计有由四个轻触按键组成的小键盘，这些按键可以任意改变当前的状态。按功能移位键一次，表示当前要校对小时的十位；按第二次，表示当前校对的是小时的个位；按第三次，则表示校对的是分钟的十位；第四次，表示的校对的是分钟的个位。按下数字“”键和数字“”键可在当前校对的数字上相应加上1或者减去1。55本章小结这一章介绍了本设计的软件设计，所有的功能在流程图里清晰的表现了出来，体现了设计的合理性、可实现性。第6章系统仿真61PROTUES软件介绍PROTEUS软件是LABCENTERELECTRONICS公司的一款电路设计与仿真软件，它包括ISIS、ARES等软件模块，ARES模块主要用来完成PCB的设计，而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。PROTEUS的软件仿真基于VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如MCS51系列、PIC系列等等，以及单片机外围电路，比如键盘、LED、LCD等等。通过PROTEUS软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。62数字钟钟系统PROTUES仿真用PROTUES软件，根据数字钟的原理图，画出仿真图，得到的图如下所示。第7章调试与功能说明单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是他们并不能完全分开。一般的方法是排除明显的硬件故障，再进行综合调试，排除可能的软/硬件故障。71硬盘调试拿到电路板后，首先要检查加工质量，并确保没有任何方面的错误，如短路和断路，尤其要避免电源短路；元器件在安装前要逐一检查，用万用表测其数值，看是否与所用相同；完成焊接后，应先空载上电（芯片座上不插芯片），并检查各引脚的电位是否正确。若一切正常，方可在断电的情况下将芯片插入，再次检查各引脚的电位及其逻辑关系。将万用表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下，看是否符合要求。72系统性能测试与功能说明走时默认为走时状态，按24小时制分别显示“时时分分”，有2个“”动态显示，时间会按实际时间以秒为最少单位变化。走时调整按KMIN对分进行调整，按一下加一分；按KHOUR对时进行调整，按一下加一小时，从而达到快速设定时间的目的。73系统时钟误差分析时间是一个基本物理量，具有连续、自动流逝、不重复等特性。我国时间基准来自国家授时中心，人们日常使用的时钟就是以一定的精度与该基准保持同步的。结合时间概念和误差理论，可以定义电子钟的走时误差SS1S2,S1表示程序实际运行计算所得的秒；S2表示客观时间的标准秒。S0时表示电子钟秒单元数值刷新滞后，即走时误差为“慢”；反之，SDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUCHARCODETABLE0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90,0X88,0X83,0XC6,0XA1,0X86,0X8E,0XFF,0X0C,0XBF/0F、灭（16）、P/UCHART0,T1,MIN,HOUR,FUNCTION,A0,A1,A2,A3BITSHANVOIDDELAYUINTCOUNTUCHARKEYCHULIUCHARKEYVOIDDISPLAYUCHAR,UCHAR,UCHAR,UCHARVOIDSENDVOIDINIVOIDCHULI/主函数VOIDMAININIWHILE1DISPLAY16,16,16,17/没有键按下是侠士PIFKEY1/当K1按下后则定时器驱动时钟开始走TR01FUNCTION1SHAN0WHILE1SEND/送数DISPLAYA0,A1,A2,A3/显示CHULI/处理/初始化程序VOIDINITMOD0X01,TH00X3C,TL00XB0TH10X3C,TL10XB0/定时50MS中断一次EA1,ET01,TR00ET11TR10/键值处理程序VOIDCHULISWITCHKEYCASE0BREAKCASE1/当按键K1按下后FUNCTION/判断按下的次数SWITCHFUNCTIONCASE1TR01TR10SHAN0BREAK/一次条秒同时闪烁CASE2/两次调分同时闪烁CASE3/三次调分同时闪烁CASE4TR00TR11SHAN1BREAK/四次跳出调整状态时钟继续走时CASE5FUNCTION1TR01TR10SHAN0BREAK/轮流循环BREAKCASE2/K2键上调SWITCHFUNCTIONCASE1BREAK/CASE2SECIFSEC60SEC0BREAKCASE3MINIFMIN60MIN0BREAKCASE4HOURIFHOUR24HOUR0BREAKBREAKCASE4/K3键下调SWITCHFUNCTIONCASE1BREAK/CASE2SECIFSEC255SEC59BREAKCASE2MINIFMIN255MIN59BREAKCASE3HOURIFHOUR255HOUR23BREAKBREAK/定时器0的中断服务程序VOIDTIMER0INTERRUPT1U