基于单片机的多功能数字钟--课程设计.doc

数理与信息工程学院单片机原理及应用期末课程设计基于单片机的多功能数字钟 数理与信息工程学院单片机原理及应用期末课程设计 题 目： 基于单片机的多功能数字钟 专 业： 电子与信息工程 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 成 绩： ( 2016.6 )目 录引 言3第一节 概述41.1 电子钟概述41.2 本次设计任务与要求41.3 系统主要功能4第二节 电子钟硬件设计52.1 系统的硬件构成及功能52.2 STC11F02单片机及其引脚说明62.3 60秒旋转译码驱动原理72.4 时分显示部件92.5 温度检测部件112.5.1 DS18B20 的主要特性112.5.2 DS18B20 引脚12第三节 系统的软件设计133.1 系统主程序设计133.2 定时计数中断程序设计133.3 时间调整或定闹设置程序设计14第四节 系统调试与测试结果分析154.1 使用的仪器仪表154.2 系统调试154.3 测试结果154.4 测试结果分析154.4.1 硬件测试154.4.2 软件测试164.4.1.1 跑秒功能测试164.4.1.2 闹钟定时功能测试164.4.1.3 开机欢迎测试174.5 系统误差处理17第五节 结束语18第六节 电路板焊接六原则19第七节 贴片迷你USB座焊接特别说明19附录211 参考文献212 实物图像电路图中的器件如下：223 电路原理图23基于单片机的多功能数字钟数理与信息工程学院 1401电子信息工程 张自立指导教师：张浩然 引 言 本系统采用单片机STC11F02控制，以MCS-51为核心，它完成对整个系统的信息处理及协调功能，本次设计我们选用晶宏公司的STC11F02芯片，其功能强大，兼容性好。本设计的软件，硬件都采用模块化的设计方法，提高了设计的效率。 本次设计实现了20S温度显示、秒表计时、时钟显示、蜂鸣器整点报时、夜间静音、闹钟定时等功能。其中结合了数据转换显示、数码管显示、动态扫描、单片机定时中断等技术。系统由STC11F02、LED数码管、按键、电阻、CD4017、CD4069等组成。能实现时钟时、分、秒的显示。也具有时间设置、闹铃开和关设置、制式切换、秒表跑秒。第一节 概述 1.1 电子钟概述 本实验设计的电子钟为新颖的60秒旋转电子钟，它采用LED显示器件显示电子时钟，有效地克服了时钟误差。它能在夜间不必其它照明就能看到时间，并能在7点以前和21点以后数码显示管的亮度变暗，实现节能功能。它以60只发光管实现秒显示，并且外观采用透明外壳，可以看见电子钟的内部构造，更具有美观性。它具有一天实现两次闹钟的功能，并可通过手工更改闹钟的时间，更具有实用性。1.2 本次设计任务与要求 任务：设计一款电子钟。要求：1、基本要求 （1） 用4只LED数码管输出显示时和分。 （2） 可通过按键设置闹钟功能，且停闹无须手工操作。 （3） 可通过按键设置分校时。 （4） 月计时误差小于45秒。 （5） 写出详细的设计报告。 （6） 给出全部电路和源程序。2、发挥部分 （1） 用60只LED发光管旋转显示，模拟“秒针”的行走。 （2） 增加停（掉）电保护功能。 （3） 增加室温检测和显示功能（可与时间交替显示）。 （4） 增加红黄绿三色变色装饰。 （5） 提高计时精度，使年计时误差小于30秒。 （6） 增加日自动校准功能，使得该电子钟“永无误差”。 （7） 可通过按键设置一天两闹（比如早晨、中午各一次）。1.3 系统主要功能 电子钟的外观如图1所示。周边60只发光管顺时旋转来显示秒，中间四只LED数码管用于显示时间，中下方的七只LED灯顺时旋转，供装饰用。其主要功能有：整点报时；四只LED数码管显示当前时分；每隔一秒钟周边的60只LED发光管旋转一格，装饰用的LED每隔一秒旋转一次。当发生停电事件时，由后备电池供电，系统进入低功耗状态，所有显示部件停止显示，这样即延长了电池的寿命，同时又保证了CPU继续计数，不至于因停电而时钟停止运行。当恢复供电后，系统自动恢复工作状态，不影响计时。图1 电子钟外观图第二节 电子钟硬件设计2.1 系统的硬件构成及功能电脑钟的原理框图如图2所示。它由以下几个部件组成：单片机89C2051、电源、时分显示部件、60秒旋转译码驱动电路。时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。时分显示模块、60秒旋转译码驱动电路以及显示驱动都通过89C2051的I/O口控制。电源部分：电源部分有二部分组成。一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作；另一部分是由3V的电池供电，以保证停电时正常走时。正常情况下电池是不提供电能的，以保证电池的寿命。具体电路参见“新颖的60秒旋转电子钟参考电路原理图”。 STC11F02 显示驱动时间显示（时、分） 60秒旋转译码驱动电路 电源图2 电子钟系统原理框图2.2 STC11F02单片机及其引脚说明STC11F02单片机与AT89C2051单片机指令完全兼容，都是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性COMS八位微处理器。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，STC11F02构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。STC11F02是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3所示。图3 STC11F02引脚配置STC11F02芯片的20个引脚功能为：VCC 电源电压。GND 接地。RST 复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 来自反向振荡放大器的输出。P1口 8位双向I/O口。引脚P1.2P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。P3口 引脚P3.0P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。2.3 60秒旋转译码驱动原理按常规传统设计，需60进制译码驱动电路才能实现60秒旋转译码驱动，若用六片十进制计数译码器构成六十进制计数译码电路，则电路连线多（需要120根连线），硬件电路庞大，开销大。为此，我们巧妙地采用了两片CD4017表1 P3口特殊功能P3口引脚特殊功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）进行六十进制计数译码，实现60秒旋转译码驱动。既减少了电路的复杂程度又可降低了成本。图4为CD4017功能引脚及时序图。图4 CD4017引脚、时序图CD4017集成电路是十进制计数/时序译码器，共有10个译码输出Q0Q9；每个译码输出通常处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平；每个高电平输出维持1个时钟周期；每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时，CD4017计数器中各计数单元输出低电平“0”，仅在译码器中只有对应“0”状态的输出端Q0为高电平。为实现对发光二极管的驱动，将每一个译码输出端口接一只发光二极管，并将二极管串联限流电阻后接地。当译码端口Q0Q9中任一端口为高电平，则对应的发光二极管点亮，如图5（左）所示。仔细考查CD4017的功能，可发现其10个输出的高电平是相互排斥的，即任一时刻只有一只发光二极管点亮，因此可将图5（左）电路进一步简化为如图5（右）所示，从而简化电路设计。图5 CD4017控制发光二极管原理图在本电子钟设计中，每秒点亮一个发光二极管，循环点亮一周共需60个发光二极管，若用上述的6片CD4017实现驱动，显然电路复杂。为此我们选用两片CD4017和一片6反相器，采用“纵横双译码”技术，实现60秒旋转译码驱动，其中一片接成10进制，一片接成6进制，实现610=60的功能，具体连接方法如图6所示。将周期为1秒的输入脉冲作为其中一片CD4017的时钟脉冲，而此片的级联进位输出端（QC）作为另一片的时钟输入，并将Q6与复位端相连。在两片译码输出端交叉点上接入发光二极管，构成610矩阵。根据CD4017时序特点，在初始状态，作为高位（纵）的CD4017译码器输出端口Q0处于高平，经反相器反相后为低电平。当作为低位（横）的CD4017译码器输出端口Q0Q9依次输出高电平后，则对应的二极管LD1LD10依次点亮；此后由于QC端的进位，高位CD4017译码输出端口Q1输出高电平，反相后输出低电平，当低位的CD4017译码输出端口Q0Q9依次输出高电平后，二极管LD11LD20依次点亮。如此往复，直至高位Q6向复位端输入高电平，CD4017复位，60秒循环点亮重新开始。图6 发光二极管“纵横双译码”循环点亮原理图2.4 时分显示部件由于系统要显示的内容比较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。LED有共阴极和共阳极两种。如图7所示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）ag，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。g f com a b图7 LED数码管结构原理图 LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的轮换。从LED数码管结构原理图可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。各段码位与显示段的对应关系如表：各段码位的对应关系段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba 当用数据口连接LED数码管adp引脚时，不同的连接方法，各段码位与显示段有不同的对应关系。通常数据口的D0位与a段连接，D1位与b段连接，D7位与dp段连接，如上表所示，LED数码管显示的十六制数和空白字符与P的显示段码。LED显示段码字型共阳极段共阴极段字型共阳极段共阴极段0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H在该系统中，根据由于硬件连线的不同，各段码的关系如下：段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpbafgcde因此在该系统中所出现的LED数码管显示的十六进制数和空白字符与P的显示段码也要根据此修改。 根据AT89C2051单片机灌电流能力强，拉电流能力弱的特点，选用共阳数码管。将AT89C2051的P1.0P1.7分别与共阳数码管的ag及dp相连，高电平的位对应的LED数码管的段暗，低电平的位对应的LED数码管的段亮，这样，当P0口输出不同的段码，就可以控制数码管显示不同的字符。例如：当P0口输出的段码为11000000，数码管显示的字符为0。 数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。动态扫描显示方式需要解决多位LED数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的通过P1口实现：而每一位的公共端，即LED数码管的“位控”，则由P3口控制。这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。在本系统中，字位线的选通与否是通过PNP三极管的导通与截止来控制，即三极管处于“开头”状态。系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成，前两只用于时的显示，后两只用于分的显示。在设计中需要实现时与分之间的两个闪烁点，为此，将第三只LED数码管倒置摆放，这样就形成了两个自然的闪烁点。与此同时，为了能使两点显示能够形象的表示时钟“秒”的变化，设计时，将两个点由P1.7单独控制，每隔一秒使P1.7发送一个正脉冲，从而实现了两个点的闪烁显示，闪烁周期为一秒。2.5 温度检测部件Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820 是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。2.5.1 DS18B20 的主要特性 适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。 独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 温度范围55125，在-10+85时精度为0.5。 可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。 在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在 750ms内把温度值转换为数字，速度更快。 测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2.5.2 DS18B20 引脚 DS18B20 引脚如图 8 所示，1 脚为地，2 脚为数据输出和命令输入端，3 脚为电源。图 8 DS18B20引脚图第三节 系统的软件设计本系统的软件系统主要可分为主程序、定时计数中断程序、时间调整或定闹设置程序三大模块。在程序设计过程中，加强了部分软件抗干扰措施，下面对部分模块作介绍。3.1 系统主程序设计时间显示、等待定时中断定闹时间到了吗？是是是否否否是否时间调整子程序初始化数据整点时间吗？设置定闹吗？调整时间吗？定闹设置子程序发“嘟”一声闹铃1分钟定时器中断初始化图9 系统主程序流程图3.2 定时计数中断程序设计中断程序（如图9所示）完成时间计数，时间调整，误差消除等功能。中断采用AT892051内部T0中断实现，定时时间为125ms，当时间到达125ms8，即1分钟时，分计数缓冲器MINBUFFER增加1小时，则时计数缓冲器和时计数缓冲器分别到达60min、24h时，则对它们清零，以便重新计数。秒指针步进一次是否整分？定时器中断是否到1秒？整分旋转复位 调整当前时分 积累误差消除整点报时否？整点报时中断返回否否是是否是图10 定时中断程序3.3 时间调整或定闹设置程序设计在中断设计中，还通过软件实现了累计误差消除功能，使整个系统时间的精确度得到保证。第四节 系统调试与测试结果分析4.1 使用的仪器仪表 数字万用表 DT9203烧写器 USB转TTL下载软件 STC-SP程序编写软件 Keil uVision44.2 系统调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：按键模块，数码管显示模块，锁相环CD4046输出调试，地址累加发生器的调试等，最后将各模块组合后进行整体测试。4.3 测试结果从硬件测试方面，看看焊接好这些电子器件是否正确。通过万用表对电路板上焊接完成的各个器件以及各条离线正进测量，看看这些器件的电压值是否正常，线路是否发生短路及断路。最后给电子钟供电，驱动单片机内部已经存储的初始程序，观察效果。硬件测试的结果为正常。从软件测试方面，在硬件测试成功的基础上进行软件测试，主要从电子钟的功能实现及时间误差调整这两个角度来看，在测试中出现功能不太全每次测试要花1 至2分钟才能看出功能是否实现。每隔一秒钟，60只LED发光管旋转一格，四只LED数码管显示时和分，可以通过按键调整当前时间，也可以通过按键定两次闹铃时间，闹铃时间为1分钟。在7点以后到22点会整点报时，在7点以前和22点以后数码管进入节能状态并取消整点报时。其次，增加了温度显示和取闹功能，每隔20秒显示一次时间，通过按键可以选择是否取消闹钟。4.4 测试结果分析4.4.1 硬件测试 每调一项都需调节小时与分钟，这样在理论上就需要更多的按钮，这个功能的实现的编写程序比较困难.而对于消除时间误差,要对运行的电子钟进行长时间的观察， 即釆取累积误差消除法才行。4.4.2 软件测试 4.4.1.1 跑秒功能测试 要实现跑秒的功能可以有两种方法实现：1、软件延时实现通过延时每10ms变量自加1，当变量满10进1，从而可以实现0.11m的精确的延时但是往往c语言延时有很大的不确定性。故不建议采用。2、定时器延时实现通过设置10ms定时器，当进入定时器中断时变量自加1，当变量满10进1，从而可以实现0.11m的精确的延时。本次实验中两个定时器均已经被占用，而定时器0为计时使用，不建议添加太多干扰因素。而定时器1是提供单片机每秒LED旋转，故通过软件来提高定时器1的资源利用率，此时跑秒时LED保持不动，完成后继续旋转。实验测试：长按校时按键，进入模式选择。此时第一种为跑秒模式，此时四位LED均为0，轻触定闹按键进行跑秒，再次按下，跑秒停止。动态显示当前跑秒时间，再次按下，进入下一种选择模式。符合实验设计，如图11所示：图11 2.19s跑秒图4.4.1.2 闹钟定时功能测试 通过模式选择进入闹钟设置。我们可以选择设置闹钟1的小时、分钟，闹钟2的小时、分钟。以及闹钟的开关选择。模式选择方式为：长按校时按键进入模式选择，短按选择模式。闹钟开关选择界面如图12所示：图12 闹钟开关选择界面4.4.1.3 开机欢迎测试 开机蜂鸣器叫三声，数码管显示学生年级、学生编号。通过开机数码管的动态扫描，我们添加蜂鸣器取反语句，从而达到蜂鸣器响三声的效果。4.5 系统误差处理在电子钟初始的时间上将电子钟接上电源再在第二天的相同时间去进行比较就可以算出一天之内的误差为多少。然后根据一天的时间积累误差进行计算，计算出时间误差值，并用相应的程序进行改进。第五节 结束语两天的短学期课程设计，我们学到了很多，但也明白了我们差距还有很大，还有很多需要学习。虽然可能有很多的想法，想去实现，但是做起来就会感觉并不是那么简单，这也说明了程序的编写是一个严谨的过程，需要有足够的耐心。这两天，我们对单片机有了更深层次的了解。这次的设计主要分为三个阶段焊接、编程和调试。在老师的基础上，我主要添加了一个秒表的功能。秒表的实现可能感觉简单，不就是一个定时器嘛。但是我做起来时发现有很多地方需要考虑，首先定时器不够用，如果用定时器1，则又需要改变以前的装载值，使之能够方便跑秒。后来选取的是10ms的定时，但是此时旋转的速度就会下降下来。后来采用标志位分情况装载但是情况又复杂起来。而且采用的单片机引脚很多有共用现象，改一处动全身。后期的问题主要是程序存储空间的不足，为了解决这些问题我通过将一些重复的语句整合为函数，直接调用函数即可，大大的节约了程序空间，最终使程序成功下载并运行成功。同时在老师所给的程序基础上，我也做了一些改进使功能能够完成的更完善。主要做了一下几点改进：1、所给程序温度采集的晶振是0.5MHz，而我们所用的晶振是6MHz，故需要把ds18b20_delay()里的时间都改为原来的12倍才能正常采集温度及读取。2、硬件上时和分之间的两点都是P17控制的，而程序上直接使该引脚置低，导致显示温度时本该熄灭的上面一点还是会显示，通过修改程序，把两个点分开来控制，就可以达到想要的效果。3、程序没有区分白天和黑夜，每走一秒蜂鸣器都会发声，通过在时间控制语句中对时间进行判断，限定蜂鸣器发声的时间即可实现。后来还在闹钟控制语句中加上整点的判断，实现闹钟转到整点时会发出声音提醒。4、在第一个按键的状态中加入一个取消闹钟状态，当第一个按键到达这个取消闹钟状态时，利用第二个按键判断取消闹钟的标志位的值，为0时，闹钟没有被取消，为1时，闹钟被取消。经过一点一点的修改和调试，完善后的程序能够顺利的完成我们需要完成的要求。通过这次的实验，是对51单片机更加熟悉了，要把电子钟的每一断程序都吃透，真的不是一件容易的事情，在本次实验中学会了显示时间，如何设置闹钟，如何校对时间等等的代码。在电子钟设计中，软件设计占了很重要的一部分，需要有很巧妙的程序算法，总之，这一次的设计让我受益非浅，通过了这次的课程设计，发现了自己很多的不足之处。对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固等等。我以后要好好的学习，努力的掌握理论知识，再将理论知识真正的应用到实际的操作当中。第六节 电路板焊接六原则 先低后高原则：即先焊接低矮（如电阻、二极管、稳压管等躺着）的器件，后焊接高长（如 LED 发光管等）的器件。 先小后大原则：即先焊接小器件（如电阻、二极管、稳压管等），后焊接大器件（如电容、蜂鸣器等），因此电源变压器是最后一个焊接器件。 先上后下原则：即先焊接电路板正面最上面的电阻和 CD4017、CD4069 等，后焊接电路板正面最下面的按钮。 先内后外原则：即先焊接电路板中间的器件，后焊接电路板外围的 LED 等。 先正后反原则：即先焊接电路板正面的器件，后焊接电路板反面的电阻、电解电容、蜂鸣器、电池盒、电源变压器等。特别提醒注意：变压器交流端的安全，电源线加热缩护套后，用塑胶固定。 先点后线原则：对 LED 发光管的焊接很有讲究，除了极性正确外，稍不注意就会高低不平，影响整体形象。根据本人的经验，60 只 LED 采用“3+9+48”的焊接步骤，即先确定 L60、L20 和 L40 三个点，确保此三个红色 LED 的高度相同，使整机成一个水平面，这点至关重要；其次焊接 L5、L25、L45 和 L10、L30、L50 以及 L15、L35、L55共9个红色 LED 发光管。在完成上述 12 个点后，最后补上剩下的 48 只绿色 LED 发光管。需提醒的是，在焊接 48 只绿色 LED 发光管时，每插一只 LED，均要把