毕业设计（论文）-带有秒表功能数字时钟的设计.doc

电子系统设计应用论文题 目: 带有秒表功能数字时钟的设计 专 业： 电子信息工程 班 级： 110406 学生姓名： 石头 17带有秒表功能数字时钟的设计专业: 电子信息工程 学号：20111xxx 姓名：石头 指导老师：xxx摘要 ：本次设计以AT89C52芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个简易的数字电子时钟，它由9V直流电源供电。在硬件方面，除了CPU外，使用六个七段LED数码管显示，LED采用的是动态扫描显示，通过调试LED能够比较准确显示时、分、秒。四个个简单的按键实现对时间的调整。软件方面采用。整个电子时钟系统能够完成时间的显示，调时，定时闹钟，复位等功能。软件方面采用汇编语言编程，使用keil软件进行在线的程序烧写，涉及了单片机的定时和中断的使用关键词：数字钟；秒表；AT89C52;The Design and Manufacture of Digital Electron ClockAbstract：The AT89C2051 chip design at the core，with the necessary peripheral circuits，designed a simple digital clock, it is powered by 9V DC power supply. In terms of hardware, in addition to CPU, the use of six LED Seven-Segment LED display, LED used is a dynamic scan showed that the use of 9014 to drive the chip. Through more accurate debug LED can display hours, minutes. Three simple keys to achieve the adjustment of time. Software using assembly language programming. The entire electronic time clock system to complete the display, transfer, the timing clock and reset functions.Software using assembly language programming, the use of online keil software programmer procedures, involving a single-chip timing and the use of interruptions.Key words： electron clock;51 series MCU;AT89C52; 目 录摘要IAbstractI第一章 绪论11.1选题的依据及意义11.2 国内外研究现状及发展趋势11.3 本课题研究内容2第二章 数字钟的系统分析与设计22.1 设计要求22.2 整体方案设计22.2.1 芯片的选择32.2.2 显示模块选择方案和论证32.2.3 时钟芯片的选择方案3第三章 系统的硬件设计与实现43.1 数字钟电路设计框图43.2 最小系统设计43.3 显示电路5 3.3.1 LED数码显示器有两种连接方法 63.4 按键电路及总设计图6第四章 软件设计84.1 主程序执行流程84.2时钟设置功能子程序9 4.3 T0中断服务程序框图 9第五章 系统调试与仿真115.1 系统仿真115.2 软件调试115.3 硬件调试125.4 测试结论12结 论13参考文献14附 录15附录一：硬件电路仿真图 15 附录二：硬件电路原理图 16 附录三：实物图 17第一章 绪论1.1 选题的依据及意义单片机模块中最常见的是数字钟，数字时钟路技术实现时、分、秒与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。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1。20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于数字钟电路的基本组成包含了数字电路的主要组成部分，因此进行数字钟的设计是必要的，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。数字电子钟具有走时准确，一钟多用等特点，在生活中已经得到了广泛的应用。虽然现在市场上已有现成的电子钟集成电路芯片出售，价格便宜，1.2 国内外研究现状及发展趋势数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式的时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，已得到广泛的使用。目前，数字钟得设计方法有很多种。例如，可用中小规模集成电路组成数字钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成数字钟；还可以利用单片机来实现数字钟等等。这些方法都各有其特点，其中利用单片机实现的数字钟具有编程灵活，并便于功能的扩展。数字钟一般由振荡器，分频器，译码器，显示器等部分组成，这些都是数字电路中最基本的，应用最广的电路。当前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格较便宜。由于数字集成电路技术的发展，使数字钟具有走时准确，性能稳定，携带方便等特点，是目前人们生活和工作补课或缺的报时用品。现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化。有电子闹钟，数字闹钟等。单片机在多功能数字钟的应用已是非常普遍的。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示模块将其显示出来。本论文采用AT89C52单片机时钟芯片，按键电路对时间秒、分、时进行设置，最后用数码管显示出来。更高干 aHE分、秒计时的装置，控电路、按键控制电路和蜂蜜1.3 本课题研究内容基于AT89C52单片机数字钟由电源电路、单片机主控电路、按键控制电路和蜂鸣器等组成。本次设计就是通过单片机为主控电路。 第二章 数字钟的系统分析与设计2.1 设计要求基于AT89C52单片机的数字时钟晶振采用12MHZ，设计功能如下： (1)24小时计时功能（精确到秒）（2）整点报时功能（3）闹钟功能（4）小时/分钟调整功能（5）秒表功能（6）省电模式功能2.2 整体方案设计 本时钟的设计具体有三种方法。方案一：基于数字电路的数字钟。传统的数字钟以最为基本的数字电路来实现的。设计复杂，体积大，运行稳定性不好。所以不考虑。方案二：利用硬件描述语言结合PLD器件可以极大地方便数字集成电路设计，利用VHDL硬件描述语言结合FPGA器件设计一个具有基本计时和调整时间功能的数字钟。方案三：通过单片机AT89C52芯片为主控电路，首先使用Professional 软件进行绘制硬件电路图，用keil软件进行编程与调试，最终生成hex文件，传入单片机内部，从而实现仿真效果。 此次设计的多功能数字时钟具有显示时、分、秒、及对各日期与时间的调整、校正功能。整个时钟通过按键来实现各个功能。显示部分用四位一体和两位一体的共阳数码管显示。三种方案比较：方案一设计复杂，体积大，运行稳定性不好，所以不考虑。方案二FPGA是作为专用集成电路（ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。方案三利用单片微型计算机编写软件程序来设计数字钟，体现了现代计算机工具的方便、简捷、准确性，便于单片微型计算机应用技术的推广。本次设计采用方案三2.2.1 芯片的选择方案一：AVR单片机是Atmel 公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗11。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用48MHz，故最短指令执行时间为250125ns。该系列的型号较多，但可用下面三种为代表：AT90S2313(简装型)、AT90S8515、AT90S8535(带A/D转换)6。 方案二：采用AT89C52芯片，它除了具备AT89C51的所有功能与部件外，其最大的优势就是AT89C52提供了8K字节可擦写Flash闪速存储器空间、8个中断源、及256*8字节内部存储器（RAM）,解决了我们对可反复擦写的Flash闪速存储器空间大小与中断源的不够问题的担心。2.2.2 显示模块选择方案和论证方案一：采用LED液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以也不用此种作为显示。方案三：采用LED数码管进行静态显示，LED数码管价格适中，对于显示数字最合适，而且采用静态显示法与单片机连接时，占用的单片机口线少（采用二十四小时制显示，以P0，P1.P2，P3口分别作为秒、分、小时位显示段码输出。 2.2.3 时钟芯片的选择方案方案一：采用DS1302时钟芯片实现时钟，DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，精度也比较高，工作电压2.5V-5.5V范围内，功耗也较低，但价格比较贵。方案二：直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现时、分、秒计数。采用此种方案实现虽然有一定的时间误差，但可减少少芯片的使用，节约成本，易于实现，符合初学者实验选用。所以选用方案二第三章 系统的硬件设计与实现3.1 数字钟电路设计框图基于AT89C52单片机数字钟由电源电路、单片机主控电路、按键控制电路和蜂鸣器等组成。本次设计就是通过单片机为主控电路，通过电路仿真而实现。3.2 最小系统设计单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件：（1）电源正常（2）时钟正常；（3）复位正常。AT89S51的引脚如图3-2所示。1. 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，有条不絮的一拍一拍地工作。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。 AT89S51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。2. 复位电路为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(1/0)端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。上电复位电路中的电阻R取为1K，C取为10PF。 图32 单片机最小系统3.3显示电路本次设计的显示模块是由一个四位一体的共阳数码管和一个两位一体的共阳数码管来显示时间。采用LED数码管进行静态显示。如图33所示图3-3 LED数码显示器 3.3.1 LED数码显示器有两种连接方法共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V,每个发光二级管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二级管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。本次设计采用的数码管共阳接法。如图33中b图所示。图34 LED显示结构及管脚图3.4 按键电路及总设计图 按键电路如图所示，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CPUD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。图35 按键电路P1.0口：表示功能移位键和数字“+”键，按键选择要调整的时、分、秒的切换。按键一下则对应的数字加1P1.1口：表示在数字“-“键和跑表键，在调整时、分、秒的状态下，按一下则对应的数字减1。在时间正常显示时，按一下则开始跑表。P1.4口：表示闹钟键。第四章 软件设计本设计的软件程序包括主程序、中断子程序、闹钟设定子程序、时钟显示子程序以及延时子程序等。4.1主程序流程图开始 显示单元清零T0、T1设为16位计数模式允许T0中断调用显示子程序按下键否？进入功能程序 图41 主程序流程图 4.2时钟设置功能子程序 图42 时钟设置功能子程序 4.3 T0中断服务程序框图定时器/计数器T0用于时间计时。选择方式1，重复定时，定时时间设为5ms,定时时间到则中断，在中断服务程序中用一个计数器对5ms计数，计200次则对秒单元加1，秒单元加到60则对分单元加1，同时秒单元清0；分单元加到60则对时单元加1，同时分单元清0,；时单元加到24则对时单元清0,标志一天时间计满。在对各单元计数的同时，把它们的值到存储单元的指定位置。定时器/计数器T0中断服务程序流程图如图43所示分计数单元清零 图43 T0中断服务程序框图第五章 系统调试与仿真5.1 系统仿真 在硬件和软件都能实现的条件下，利用Proteus进行仿真，通过不停的调试与改正，最后终于实现了数字电压表的功能，Proteus仿真结果如图5-1所示 图51 系统仿真Proteus仿真图5.2软件调试 打开程序调试软件Keil uVision2,在里面新建一个工程，命名为：数字时钟.Uv2.接着新建文件，编写相应程序。编写好的各个程序进行编译与连接。但若是在该过程中，看见我们编好的程序有错误，那么就根据他相应的提示来修改错误，直到该程序能够正确编译为止。 能够正常编译的程序说明没有什么问题了，此时我们在点击相关栏目，让它生成我们在硬件仿真时所需要的.HEX文件。到此步，我们的软件调试就完成了。数字钟得功能虽然比较较少，但是程序也较为复杂，特别对于初学者的我来说更是如此，所以在编写陈旭和调试时出现了相对较多的问题。最后经过多次的模块子程序的修改，一步一步的完成，最终解决了软件。在软件的调试过程中主要遇到的问题如下：烧入程序后，数码管能显示，也能走钟，但时间明显跳动很快，时间不正确解决：通过检查延时子程序以及循环累计秒、分、时子程序，发现将50ms延时子程序循环20次得到的秒钟数错误当作了分钟数计时，从而使时间出现错误。将程序进行修改，增加R0作为50ms的20次循环计数器得到秒，从而把R2的计数修改为60次（即得到了分钟数），从而解决了该问题。5.3硬件调试该数字钟得电路系统较大，对于焊接方面更是不可轻视，庞大的电路系统中只要出于一处的错误，则会对检测造成大的不便，而且电路的交线交多，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺破带有封皮的导线，使电路造成短路现象，另外，买来的元器件要先进行检测，如果有坏的器件要进行更换，还有就是要注意元器件的正确放置与安装以及布线的合理，便于成品电路的检测与维护。在本数字钟的设计调试中遇到了很多的问题，回想这些问题，其实只要认真思考很多功能都是可以避免的额，一下为主要的问题：(1)检测AT89C51运行否第一次硬件检测的时候，AT89C51不工作，经检查发现电源电路和晶体振荡器没接好。再次检测时89C51仍不工作，检测后发现复位开关已坏，RST复位引脚一直处于高电平，经去掉开关后89C51工作。（2）LED数码管显示不正常，还有亮度不够，首先使用试测仪对电路进行测试，观察是否存在漏焊，虚焊，或者元件损坏。（3）LED数码管显示不正常，还有亮度不够，首先使用试测仪对电路进行测试，观察电路是否存在短路现象。若硬件无误后再查看烧写的程序是否正确无误，对程序进行认真修改。5.4 测试结论经过多次的反复测试与分析，可以对电路的原理及功能更加熟悉，同时提高了设计同时提高了设计能力以及对电路的分析能力。同时在软件的编程方面得到更高的提高，对编程能力达到加强。同时对所学的知识得到很大的提高与巩固。对于初学者来说，更是大有益处，能把理论联系实际运用，学到更多的知识，真正将这门课程所包含的知识用于实际生活中的具体创造和设计中。结 论通过本次毕业设计的制作，我较为全面地回顾了，大学三年所学的硬件知识与软件知识。同时，单片机原理与应用及电子技术方面的相关知识，在这次毕业设计中得到了较好地实践。 在本次毕业设计中我也学到了很多东西，也从单片机的数字钟的设计过程中也找到了一些单片机开发的规律：先进行总体设计，其中包括需求分析，确定技术指标，方案论证，主要器件的选型等。然后软件部分，在Professional软件上进行硬件电路仿真，利用KILE软件对我设计的程序的检查与生成.H