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单片机数码管时钟论文智能电子产品开发课程设计论文 课 程 名 称: 智能电子产品开发 一、课程设计目的、任务和内容要求: 数子时钟是采用数字电路实现对时，分，秒，数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数子时钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数子时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 任务如下: 1(进行需求分析和概要设计，给出流程图。 2(写出详细设计，熟悉其中采用的关键技术。 3(给出具体的编码实现并调试。 4(写课程设计报告提交源程序。 。 2 摘要 . 4 1 概述 . 5 1.1设计要求 . 5 1.2设计目的 . 5 2.单片机的组成 . 6 2.1 单片机的组成 . 6 2.2 MCU的选择与设计 . 6 3.单片机的应用 . 9 3.1单片机的应用分类 . 9 4.数子时钟的构成及方案选择 . 10 4.1 数字时钟的构成 . 10 4.2 方案选择 . 11 4.3实现时钟计时的基本方法 . 11 4.4电子钟的时间显示 . 12 4.5电子钟的启、停及时间调整 . 12 5软件设计部分 . 13 5.1电子钟程序流程框图 . 13 5.1.1. 13 主程序流程框图5.1.2键扫子程序流程框图. 14 5.2显示子程序流程框图 . 15 5.2.1加一子程序流程框图. 16 设计总结 . 17 附录一:部分源代码 . 18 附录二:实物图 . 22 3 摘要 近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 数子时钟在日常生活中最常见，应用也最广泛。本次做的数子时钟是以单片机(AT89C51)为核心，结合相关的元器件(共阴极LED数码显示器、BCD 七段译码/驱动器74LS48等)，再配以相应的软件，达到制作简易数子时钟的目的，文章的核心主要从硬件设计和软件编程两个大的方面。硬件电路设计主要包括中央处理单元电路、数码显示电路、人机接口电路等几部分组成,软件用汇编语言来实现。其硬件部分难点在于元器件的选择、布局及焊接。 关键词:单片机;AT89C51;共阴极LED数码显示器;中断 4 1 概述 数子时钟是采用数字电路实现对时，分，秒，数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数子时钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数子时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 1.1设计要求 (1)掌握AT89C51实验开发系统中的实验模块原理; 综合运用实验模块，用AT89C51开发设计具有一定功能的单片机控制系统，(2)进行软、硬件设计及调试; (3)写出完整的设计任务书:课题的名称、系统的功能、硬件原理图、程序清单、参考资料; (4)为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。 1.2设计目的 (1)巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力; (2)培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力; (3)针对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机所用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤; (4)掌握数子时钟的工作原理。 5 2.单片机的组成 2.1 单片机的组成 单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。 单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口;/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据;控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。 2.2 MCU的选择与设计 本系统发送端的控制核心MCU并没有大量的数据量和运算量，所以决定采用ATMEL的AT89S51就足够了。如图4-2，40个引脚，4k bytes flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗(wdt)电路，片内时钟振荡器。 (a) AT89S51实物图 (b) AT89S51引脚图 6 图2-1 单片机引脚图 要想使单片机AT89S51正常工作的话，电源、复位和晶体振荡电路是必不可少的三大核心部分。如下图4-3所示为电源、复位和振荡电路组成的单片机最小系统。 图2-2 单片机最小系统 电源 AT89S51工作电压为+5伏，VCC接+5V，GND接地。 复位电路 在80S51单片机的RST引脚加上大于24个时钟周期以上的正脉冲就能使单片机系统到初始状态，初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0到P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其他专用寄存器被清零，RST由高电平降为低电平后，系统从0000H地址开始执行程序。 振荡电路 单片机执行指令的一系列动作都是在时序电路控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是单片机控制器中的时序电路发生的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各个部件的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地按时序进行工作。所以就需要一个振荡器来提供这样一个脉冲。80S51的时钟产生方式有一下两种:内部时钟方式和外部时钟方式。我选用的是内部时钟方式，本方式利用芯片内部的7 振荡器，然后在引脚XTAL1和XAL2两端跨接一个晶体振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，发生的脉冲直接送入内部时钟电路。 EA片选脚 片外存储器访问选择线，由于此系统没有用到片外存储器，所以该脚直接接VCC。 8 3.单片机的应用 3.1单片机的应用分类 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面: (1)单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 (2)单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。 (3)单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。 (4)单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。 (5)单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 9 4.数子时钟的构成及方案选择 4.1 数字时钟的构成 数字时钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路.由于计数的起始时间不可能与标准时间一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1MHZ时间信号必须做到准确稳定.通常使用石英晶体振荡器电路构成数字时钟，因此数字挂历也采用石英晶体振荡器电路构成时钟电路。 (1)晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字挂历提供一个频率稳定准确的12MHz的方波信号,可保证数字挂历的走时准确及稳定。 (2)时间计数器电路 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器，时个位和时十位计数器，日个位和日十位计数器、秒计数器、分计数器为60进制计数器，时计数器为24进制计数器。 (3)数码管 数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管,本设计所用的为LED数码管. 数字时钟的局部工作原理图如图1所示: 图4-1 时钟显示器原理图 10 4.2 方案选择 单片机模块方案: 方案一:基本门电路搭肩，用基本门电路来实现数字钟，电路结构复杂，故障系数大，不易调试。 方案二:单片机编程，用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式，所以电路结构简单，调试也相对方便。与第一种方案比较优点的是非常明显的。我们选择了第二种方案。 显示电路模块方案: 方案一:静态显示 静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的数据。只要当前显示的数据没有变化，就无须理睬数码显示管。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独具有琐存功能的I/O口，该接口用于笔画段字型代码。这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路，该字段就可以显示要发送的字型。要显示新的数据时，单片机再发送新的字型码。但这种电路连接复杂，所用器件比较多。 方案二:动态显示 动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画字段(ag和dp)同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM各自独立接受I/O线控制。CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接受相同的字型码，但究竟使那一位则由I/O线决定。动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示器的COM端，使每个显示器轮流点亮。在轮流点亮过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。这种电路连接简单，而且所用器件少，只需要相关的软件就能实现。与第一种方案比较优点的是非常明显的。我们选择了第二种方案。 4.3实现时钟计时的基本方法 利用MCS-51系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现时钟计数。 (1) 计数初值计算: 把定时器设为工作方式1，定时时间为50ms，则计数溢出20次即得时钟计时最小单位秒，而100次计数可用软件方法实现。 假设使用T/C0，方式1，50ms定时，fosc=12MHz。 16则初值X满足(2-X)1/12MHz12s =50000s 11 X=15536?0011110010110000?3CB0H (2) 采用中断方式进行溢出次数累计,计满20次为秒计时(1秒); (3) 从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比较实现。 4.4电子钟的时间显示 电子钟的时钟时间在六位数码管上进行显示，因此，在内部RAM中设置显示缓冲区共8个单元。 LED8 LED7 LED6 LED5 LED4 LED3 LED2 LED1 37H 36H 35H 34H 33H 32H 31H 30H 时十位 时个位 分隔 分十位 分个位 分隔 秒十位 秒个位 4.5电子钟的启、停及时间调整 电子钟设置4个按键通过程序控制来完成电子钟的启、停及时间调整。 A键控制电子钟的启、停; B键调整时; C键调整分; D键调整秒。 12 5软件设计部分 5.1电子钟程序流程框图 5.1.1主程序流程框图 开始系统初始化P.显示NYA键按下否N进入自动计时状态Y检测到A键按下进入时间设置状态N 图5-1主程序流程框图 Y13 检测到A键按下5.1.2键扫子程序流程框图 开始N有键闭合Y 调显示子程序延时去抖动N 有键闭合YN 键释放否调显示子程序 Y保存键值(A中)结束 图 5-2 键扫子程序流程框图程框图 14 5.2显示子程序流程框图 开始现场保护开辟第3组寄存器地址指针R0初始化、位控寄存器R2初始化查表取段码段控码送P0口段位控码送P2口延时1毫秒位控码左移显示缓冲区地址加1N8位LED显示完否Y恢复现场返 回图5-3 显示子程序流程框图 图4-5 显示子程序流程图15 5.2.1加一子程序流程框图 开始取十位数 使十位数占A高半字节取个位数占A低半字节 加一十进制调整 个位数送入缓冲单元把十位数交换到低半字节 十位数送缓冲单元图5-4 加一子程序 结束 本次设计中，关键程序采用模块化设计，这样的好处在与程序的修改和编写，还有程序运行的稳定性。主要模块部分有主程序模块，时钟调整子程序模块，显示子程序模块等。 16 设计总结 通过两个月的学习和调试过程，终于完成了基于单片机的数字时钟的工作。并且使字数子时钟的软件部分能够顺利运行，完成了预期的目标。从单片机模块数字时钟的设计过程中也找到了一些单片机开发的规律:先了解所有元件的具体内容，从而画出其电路图，使数字时钟从简易变成多功能的方式，虽没有做多功能数字时钟，却知晓了其方法。从而让我踏入了单片机应用领域的第一步。然而在调试过程中有也有许多的不足之处:例如编写调试程序有点不足。希望能够在以后的不断深入学习中能够弥补自己的不足之处。同时更是朝着单片机应用领域迈进。 17 附录一:部分源代码 C1: SETB RS0 MOV R0,#3FH ;数据拆分 MOV R1,#30H MOV R2,#3 MOV R3,#0FH CAIFEN: INC R0 MOV A,R1 ANL A,R3 MOV R0,A INC R0 MOV A,R1 SWAP A ANL A,R3 MOV R0,A INC R1 INC R0 DJNZ R2,CAIFEN CLR RS0 RET ; XIANSHI:SETB RS0 MOV 45H,#10 MOV 42H,#10 MOV DPTR,#TABD ;显示时间 MOV R0,#7FH MOV R1,#40H MOV R2,#08H X1: MOV A,R0 RL A MOV R0,A MOV P1,R0 MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DY10 MOV P2,#0FFH LCALL DY10 MOV A,R1 INC A MOV R1,A 18 DJNZ R2,X1 CLR RS0 RET ; C2: SETB RS0 MOV R0,#40H ;数据拆分 MOV R1,#33H MOV R2,#4 MOV R3,#0FH CAIFEN1:MOV A,R1 ANL A,R3 MOV R0,A INC R0 MOV A,R1 SWAP A ANL A,R3 MOV R0,A INC R1 INC R0 DJNZ R2,CAIFEN1 CLR RS0 RET ; XIANSHI1:SETB RS0 MOV DPTR,#TABD ;显示日期 MOV R0,#7FH MOV R1,#40H MOV R2,#08H X2: MOV P2,R0 MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DY10 MOV P0,#0FFH LCALL DY10 MOV A,R0 RR A MOV R0,A MOV A,R1 INC A MOV R1,A DJNZ R2,X2 CLR RS0 RET 19 TABD: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0BFH,0FFH ;调整时间 S1: LJMP PAN6 JMP S1 TIAO: CLR ET0 CLR TR0 CLR EA LCALL DY1S MIAO: MOV 53H,#50 MOV 54H,#50 MOV R0,#30H MOV R1,#40H Q1: LCALL C1 LCALL XIANSHI MOV P1,#0FFH LCALL C2 LCALL XIAN