实用单片机电子钟 毕业设计.doc

四川信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计题目: 实用单片机电子钟 专 业: 应用电子技术 班 级: 应电 07-2班 学 号: 0710205089 姓 名: 指导教师: 二 00九年十二月十一日 四川信息职业技术学院毕业设计(论文)任务书 学 生 姓 名 学号 0710205 089 班级 应电 07-2 班 专业 应用电子技术 设计（或论文）题目 实用单片机电子钟 指导教师姓名 职 称 工作单位及所从事专业 联系方式 备 注 弥锐 四川电子信息职业技术学院电子 工程系设计（论文）内容： 1确定整机电路结构，绘制电路原理图。 2确选择电路元件，给出元件明细表。 3撰写设计说明书，要求准确阐述电路选择依据，反映电路工作原理、元件选择等设计过程，字数 不少于 4000 字。 进度安排： 57 周：根据要求设计出方框图和原理电路图。根据电路分析其工作原理； 89 周：根据电路准备电子元件，进行实物制作； 1012 周：根据调试分析其优缺点和提出整改措施； 1315 周：根据设计撰写论文，并在老师指导下修改、完成论文； 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位) ： 1 代启化.基于 proteus 的电路设计与仿真j.现代电子技术,2006 2 曹洪奎.基于 proteus 单片机系统设计与仿真j.辽宁工学院学报,2007 3 侯玉宝.基于 proteus 的 51 系列单片机设计与仿真m.电子工业出版社,2008 4 蔡希彪 曹洪奎.单片机电子时钟系统设计与仿真j.中国科技信息,2007 5 方怡冰.单片机课程的教学与实验改革j.电气电子教学学报,2006 6 刘文秀.单片机应用系统仿真的研究j.现代电子技术,2005 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 i 目 录 摘 要 1 第 1 章 绪 论 2 第 2 章 电子钟系统组成及设计流程 3 第 3 章 单元电路设计 4 3.1 单片机介绍 4 3.2 晶振电路设计 5 3.3 控制电路 6 3.4 输出电路设计 7 3.5 总电路原理图设计 8 3.6 proteus 电路图设计 .9 第 4 章 软件设计 10 4.1 程序流程图设计 .10 4.2 源程序设计 11 4.3 keilc51 进行程序调试 .17 第 5 章 系统调试与仿真 18 5.1 proteus 中 hex 文件选择 .18 5.2 proteus 进行电子钟系统仿真 .18 总 结 20 参考文献 22 附 录 元器件明细表 23 第 1 页 摘 要 随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断地提高。时钟作为一种 显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。高精度、 多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。在这种趋势下，时钟的数字化、 多功能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。本文正是基于这种设计方向， 以单片机为控制核心，设计制作一个符合指标要求的多功能数字时钟。 本设计基于单片机技术原理，以单片机芯片 at89c51 作为核心控制器，通过硬 件电路的制作以及软件程序的编制，设计制作出一个多功能数字时钟系统。该时钟 系统主要由时钟模块、闹钟模块、数码管显示模块、键盘控制模块以及信号提示模 块组成。系统具有简单清晰的操作界面，能在+5v 直流电源下正常工作。能够准确 显示时间（显示格式为时时-分分-秒秒，24 小时制），可随时进行时间调整，具有 闹钟时间设置、闹钟开/关，并有止闹功能，设计以硬件软件化为指导思想，充分发 挥单片机功能，大部分功能通过软件编程来实现，电路简单明了，系统稳定性高。 同时，该时钟系统还具有功耗小、成本低的特点，具有很强的实用性。由于系统所 用元器件较少，单片机所被占用的 i/o 口不多，因此系统具有一定的可扩展性。 关键词 单片机 at89c51；proteus；功能模块 第 2 页 第 1章 绪 论 电子钟是生活中常见的实用工具之一，没有时钟，便没有时间的概念，那么人 们的生活便会变得杂乱无章，电子钟通常用于码头、车站、家庭、广场等地方，可 见其用途广泛。电子钟的制作由模电电子钟、数电电子钟和单片机电子钟三大类组 成，但随着人们需求的提高，前两大类逐渐由于其可靠性差、计时不准、电路复杂、 成本高等缺点而面临淘汰。而单片机电子钟也由于其可靠性高、计时精准、电路简 单、成本低等优点受到人们的喜爱。本电路利用单片机设计电子钟，实现的基本功 能有计时和校时功能，实用于各种需要计时的场合。在计时和校时的基础功能上， 更在此基础上拓展了闹钟功能，当计时时间到达闹钟时间时，蜂鸣器将鸣叫 1 分钟 （具有止闹功能）。本次设计的主要锻炼了我运用所学专业知识的情况，训练我如 何将运用所学专业知识与实践相结合。 随着半导体技术的飞速发展，以及移动通信、网络技术、多媒体技术在嵌入式 系统设计中的应用，单片机从 4 位、8 位、16 位到 32 位，其发展历程一直受到广大 电子爱好者的极大关注。单片机功能越来越强大，价格却不断下降的优势无疑成为 嵌入式系统方案设计的首选，同时单片机应用领域的扩大也使得更多人加入到基于 单片机系统的开发行列中，推动着单片机技术的创新进步。 proteus 软件由 labcenter 公司开发，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式 系统设计与仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合 电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和 pcb 设计等功能微控制器系统相 关的仿真需建立编译和调试环境，可选择 keil c51uvision2 软件。它的界面友好易 学，在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能。 其革命性的功能是：将电路仿真 和微处理器仿真进行协同，直接在基于原理图的虚拟原型上进行处理器编程调试， 并进行功能验证，通过动态器件如电机、led、lcd 、开关等，实时看到运行后的 输入、输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，通过软件 使用和硬件电路设计，不仅让我巩固了所学知识并应用于实践，同时也让我觉得所 学知识能贡献于社会，所读的这几年书是没有白念的。让我有了一个质地的飞跃。 第 3 页 第 2章 电子钟系统组成及设计流程 电子钟系统主要由 at89c51 单片机、单片机晶振电路、按键电路、输入电路组 成，电子钟系统电路组成框图如图 2-1 所示。 图 2-1 电路组成框图 本设计在设计电路的基础上，再编译程序，最后将程序导入电路中实现仿真。 具体步骤如图 2-2 所示。 图 2-4 基于 proteus 的单片机系统设计流程 单 片 机 晶振电路 按键电路 数码管显示电路 蜂鸣器 protues 电路设计 源程序设计 生成目标代码 基于 protues 仿真 第 4 页 第 3章 单元电路设计 电子钟系统主要由单片机晶振电路、按键电路、输出电路组成，下面对各个单 元电路进行设计。 3.1单片机介绍 本电路设计的核心器件是 at89c51 单片机，它是一种带 4k 字节闪烁可编程可 擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory） 的低电压，高性能 cmos8 位微处理器。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。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一种高效微控制器， at89c2051 是它的一种精简版本。at89c51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一 种灵活性高且价廉的设计方案。主要引脚如图 3-1 所示。 图 3-1 at89c51 单片机 第 5 页 3.2晶振电路设计 mcs-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 xtal1 和 xtal2 分别是此放大器的输出端和输入端。这个放大器与作为反馈元件的片外 晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。虽然有内部振荡电路，但要形成时钟， 必须外接元件。图 3-2 是单片机内部时钟方式的电路。 图 3-2 内部时钟方式 第 6 页 本设计中使用的晶体振荡器为 12mhz 的石英晶体，由此我们可以算出: ，因此该晶振可以为软件计数提供 1s的机器周期的s1foc2时 钟 频 率机 器 周 期 精确的时间。 3.3控制电路 电子钟的控制电路可以由独立式键盘和矩阵式键盘组成，独立式键盘相互独立， 每个按键占一个 i/o 口线，每根 i/o 口线上按键的工作状态不会影响到其他按键的 工作状态，主要特点是程序设计简单，占用 i/o 口较多。而矩阵式键盘分别由行线 和列线组成，行和列的交汇处可以形成键盘，与独立式键盘相比，可以提高 i/o 口 的利用率。由于本设计只需要由控制电路实现校时、计时、闹钟设置、闹钟开关功 能，因此只需要四个按键即可实现，因此选用独立式键盘。具体电路如图 3-3 所示。 第 7 页 图 3-3 控制电路图 电子钟初始工作时的模式为模式 0（正常计数），闹钟状态为关闭。具体工作方 式如下述：当按下模式按键时，给 p1.4 一个低电平信号输入，通过程序来记录电子 钟的工作模式；而按下加 1 键时，给 p1.5 一个低电平信号输入，再通过工作模式来 控制具体哪一位实行加 1 运算；减 1 按键和加 1 按键基本类似，只是实行的运算为 减 1；当按下闹钟开关按键时，可以给 p1.7 一个低电平输入信号， 通过程序的取反 来控制闹钟状态为打开，再按一次，则再取反，闹钟状态为关闭。由此可见，利用 单片机四个输入口可方便地实现 6 种工作模式的不同控制。 3.4输出电路设计 输出电路分为显示输出电路和闹钟输出电路；显示输出电路由八个数码管构成， 而数码管又由八个发光二极管构成，可以用来显示数字、字符等，他在家电及工业 控制中有着很广泛的应用，例如用来显示温度、数量、重量、日期、时间等，具有 显示醒目、直观的优点。鉴于本电子钟显示格式为 00-00-00,一共需要八位八段数码 管来提供显示，闹钟输出电路蜂鸣器则连在 p1.0 口进行输出。显示电路如图 3-4 所 示。 第 8 页 图 3-4 输出电路 电子钟通电后初始模式为模式 0（正常计数），闹钟状态为关闭。输入电路的具 体工作方式如下：当模式按键按下后，工作模式更改为模式 0（正常计数）、模式 1（计时调时）、模式 2（计时调分）、模式 3（计时调秒）时，数码管显示电路段 位口输出正常计时状态的数据，当模式更改为模式 4（闹钟调时）、模式 5（闹钟调 分）时，数码管显示电路的段位口输出闹钟状态的数据。当闹钟开关按键被按下时， 闹钟状态由关闭变为打开，随着计时的不断增加，当计时的时和分等于闹钟设置的 时和分时，闹钟输出 p1.0 口通过程序设置使该口为高电平，可使有源蜂鸣器发出声 音。 第 9 页 3.5总电路原理图设计 由晶振电路、控制电路，以及由数码管显示和蜂鸣器所组成的输出电路组成本 次设计的总电路图，如图 3-5 所示。 图 3-5 总电路图 其中晶振电路为单片机提供 1s的机器周期，为实现精确计时提供了先决条件； 而键盘控制电路则实现了本时钟六种模式的转换和闹钟的开或者关。 此次利用单片机设计的电子钟电路由晶振电路、控制电路和输出电路组成，性能 好、功能多、价格低，充分体现了利用单片机设计的优越性。在单片机的程序设计 中，采用了程序计数，硬件计时的方法，其中时间秒加 1 通过中断来实现，单片机 初始化设置之后，单片机就一直工作在死循环中，死循环则实现不断地对控制电路 的扫描，来改变工作模式或者调时调分等等。 3.6 proteus电路图设计 运行 proteus 的 isis 后出现程序主窗口界面，鼠标左键单击窗口左侧的元器件工 具栏的 component 按钮, 接着再点击窗口左侧的元器件选择区的 pick divices 按钮， 第 10 页 弹出 pick devices 窗口，再在 categ 栏里点击 microprocessorics 项后，在 results 栏 里会出现各种类型的 cpu 器件，找到 at89c51 后双击，at89c51 就被添加到当前 窗口左侧的元器件列表区了。用同样的方法依次把上拉电阻、数码管、晶振以及多 个电阻、电容、按键也添加到器件列表区里。然后再依次点击列表区里的器件，单 击左键把他们放到绘图区，右键选中元件，并编辑其属性，合理布局后，进行连线。 连线时当鼠标的指针靠近一个对象的引脚时，跟着鼠标的指针就会出现一个“” 提示符号，点击鼠标左键即可画线了，需要拐弯时点击一下即可，在终点再点击确 认一下就画出了一段导线，所有导线画完后，点击工具栏的 inter-sheeterminal 按钮， 添加上电源和接地符号，原理图的绘制就完成了。proteus 中设计的电子时钟系统原 理图按图 3-5 设计。 第 11 页 第 4章 软件设计 4.1 程序流程图设计 图 4-1 程序流程图 开始 数据初始化设置 定时器初始化 死循环 while(1) y 调用按键处理函数 数码管显示函数 n判断闹钟是否开 启，且时钟时分 是否等于闹钟时 分 蜂鸣器鸣叫 调用数码管显示函数 if(keyinput!=0xf0) /*判断是否有按键按下*/ ny 将值赋给 buf 第 12 页 4.2源程序设计 /* 名称：功能完备的数字钟 共有 6 种工作模式：正常计时、按键调时、按键调分、按键调秒、闹钟调时、 闹钟调秒，按设置键切换工作模式。 */ #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code segcode= 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf; /0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,- uchar code dispbit=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80; /数码管位选码 uchar buffer=0,0,0,0,0,0,0,0; uint hour,min,sec; uint ringhour,ringmin; uint status; sbit beep=p10; /闹钟 bit ringoff; void keyprocess(unsigned char); /*延时函数*/ void delayms(uint t) / 晶振频率 12m uint i; while(t-) for(i=0;i=1000) / 定时 1s 到，以下为时钟的正常走钟逻辑 count=0; sec+; if(sec= 60) sec=0; min+; if(min= 60) min=0; hour+; if(hour= 24) hour=0; /*按键处理函数*/ void keyprocess(unsigned char key) /键值处理，6 种状态，正常计时，设置时分秒,设置闹铃时分 switch (key) 第 17 页 case 0xe0:status+; /按下设置键 if (status=6) status = 0; break; case 0xd0:switch(status) /按下加 1 键，5 种模式下加 1 case 0x01:if(hour0) hour-; else hour=23; break; case 0x02:if(min0) min-; else min=59; break; case 0x03:if(sec0) sec-; else sec=59; break; case 0x04:if(ringhour0) ringhour-; else ringhour=23; break; case 0x05:if(ringmin0) ringmin-; else ringmin=59; break; break; case 0x70: ringoff=ringoff; /闹钟的开和关 第 18 页 break; default:break; 4.3 keilc51进行程序调试 图 4-2 调试结果图 调试结果为 0 error(s),0 warning(s)。表示程序生成 .hex 文件中没有遇到错误或 者警告，即生成成功。 第 19 页 第 5章 系统调试与仿真 5.1 proteus中 hex文件选择 系统仿真分析电路原理图在 isis 里设计完成，并将系统程序编译成.hex 文件， 再进行电子时钟的系统虚拟仿真 。 （1）在 isis 的原理图中，右键单击 at89c51 将其选中，然后单击左键打开 at89c51 的 edit component 对话框，如图 5-1 所示。 图 5-1 edit component 对话框 （2）选择相应的.hex 文件，再在 proteus isis 编辑窗口的 file 菜单中选择 save design 选项，保存设计，生成.dsn 文件。 5.2 proteus进行电子钟系统仿真 在 proteus isis 的调试菜单中选择开始调试，运行程序，实现功能：开始运行时 进入模式一实现正常计时，当按一次 k1，进入模式二时钟的时调节， k2 进行加运 算，k3 进行减运算。当再按下第二和第三次 k1，分别进入时钟的分调节和秒调节， 第 20 页 调节方式和时调节一样。当按下第四和第五次 k1，分别进去闹钟时调节和闹钟分调 节，调节方式和上述方法一样。当按下第六次 k1 时，再次进入正常计时。开始运 行时，时钟的闹钟功能是关闭的，当按下 k4，可以打开闹钟功能，当计时器和设置 闹钟的时间一致时，蜂鸣器就开始鸣叫一分钟。当再次按下 k4，可以关闭闹钟。时 间显示格式为：时-分- 秒；proteus 系统仿真结果如图 5-2 所示。 图 5-2 proteus 系统仿真结果 第 21 页 总 结 2009 年 10 月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初 的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来 表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段 日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的 回忆和收获。 10 月初，在与导师的交流讨论中我的题目定了下来，是：实用单片机电子钟的 设计。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中， 当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在 导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。 在搜集资料的过程中，我认真准备了一个笔记本。我在学校图书馆，大工图书 馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记在笔记本上， 尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资 料仔细整理分类，及时拿给导师进行沟通。 10 月初，资料已经查找完毕了，我开始着手论文的写作。在写作过程中遇到困 难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下， 困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。 10 月底，论文的文字叙述已经完成。11 月开始进行相关图形的绘制工作和电路 的设计工作。为了画出自己满意的电路图，图表等，我仔细学习了绘图技术。在设 计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应 该选哪个，经过导师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系 统方案。 当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着 电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次毕业论文 的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间 所学到的知识。 第 22 页 我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在我 徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的 激动和兴奋；亲手设计电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸 福的心情；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只 有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收 集中，掌握了很多单片机、软件编程的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提 高，并且让我对当今单片机的最新发展技术有所了解。在整个过程中，我学到了新 知识，增长