毕业设计（论文）-基于单片机的简易电子钟设计.doc

安阳师范学院本科学生毕业论文基于单片机的简易电子钟设计 作 者 系（院） 物理与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 11级专升本 学 号 111154019 指导老师 日 期 2013年5月8日 学生诚信承诺书 本人郑重承诺：所呈交的设计报告是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，报告中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在报告中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名： 日期：导师签名： 日期：院长签名： 日期： 报告使用授权说明本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位报告的规定，即：学校有权保留送交报告的复印件，允许报告被查阅和借阅；学校可以公布报告的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存报告。签名：导师签名：日期： 基于单片机的简易电子钟的设计马金标（安阳师范学院 物理与电气工程学院 河南 安阳 455002）摘 要：简易电子钟是采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。简易电子钟的精度、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、秒，以24小时计时方式，用12MHz的晶振产生振荡脉冲，根据数码管动态显示原理来进行显示，定时器计数。在本次设计中，电路可以实现显示时间的其本功能，还具有对时间的时分秒进行校对。数字钟是其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受大多数消费者的喜爱，因此很快得到了推广。.关键词：单片机 简易电子钟 晶振 数码管1引言1.1数字电子钟的背景 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。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。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。单片机模块中最常见的是数字钟，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。1.2数字电子钟的应用 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。1.3数字电子钟的意义数字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,使得数字钟的精度,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，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 2设计要求、任务 1. 准确计时，以数字显示时，分，秒的时间；2. 能够校正小时，分钟和秒。3方案分析与论证3.1 数码管显示方案论证方案一：静态显示。所谓静态显示，就是当显示器某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个8位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，造成了资源的浪费。方案二: 动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通的电流有关，也与点亮时间与间隔的时间比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了I/O口，降低了能耗。从节省口和降低能耗出发，本设计采用了方案二。4单片机4.1 单片机的选择 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过上面几代的发展，正以生机勃勃的趋势发展开来。其发展趋势可大概划分为以下几个方面：1、CPU的改进 （1）增加CPU的数据总线宽度。例如，各种16位单片机和32位单片机，其数据处理能力要优于8位的单片机。（2）采用双CPU结构，来提高数据处理的能力。2、存储器的发展 （1）片内的程序存储器现在普遍采用闪速存储器。闪速存储器能在+5V下读/写，既有静态RAM的读/写操作方便，又有在掉电时数据不会丢失的优点。使用片内闪速存储器，单片机可不用片外扩展程序存储器，大大简化了其应用系统结构。 （2）加大存储的空间容量。目前已经有单片机内程序存储器容量可以达到128KB甚至更多。3、低电压和低功耗 单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。由于CMOS等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2V或0.9V），功耗已经降低到uA级。这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。4、低价格单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。5、外围电路内装化随着集成电路技术及工艺的不断发展，不所需要的众多外围电路全都装进单片机内，也就是系统的单片化是目前单片机发展的趋势之一。下面大致介绍一下单片机的主要应用领域和特点。（1）家电领域 用单片机控制系统取代传统的模拟和数字控制电路，使家用电器（如洗衣机、空调、冰箱、微波炉、和电视机等）功能更完善，更加智能化和易于使用。（2）办公自动化领域 单片机作为嵌入式系统广泛应用于现代办公设备，如计算机的键盘、磁盘驱动、打印机、复印机、电话机和传真机等。（3）商业应用领域 商业应用系统部分与家用和办公应用系统相似，但更加注重设备的稳定性、可靠性和安全性。与通用计算机相比，这些系统由于比较封闭，可以更有效地防止病毒和电磁干扰等，可靠性更高。（4）工业自动化领域 在工业控制和机电一体化控制系统中，除了采用工控计算机外，很多都是以单片机为核心的单片机和多机系统。（5）智能仪表 目前，对于仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。在智能仪器仪表中，单片机应用十分的普及了。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化内部结构，减小占用空间并且易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。（6）现代交通与航空航天领域通常应用于电子综合显示系统、动力监控系统、自动驾驶系统、通信系统以及运行监视系统等。这些领域对体积、功耗、稳定性和实时性的要求往往比商用系统还要高，因此采用单片机系统更加重要。（7）分布式多机系统在比较复杂的多节点测控系统里，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。在该系统中单片机往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行不间断的测量和控制。 目前，我国生产很多型号的单片机，在此，我们采用型号为AT89S52的单片机。因为：AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52单片机具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。5简易电子钟的硬件设计 5.1 最小系统设计图，如图1所示： 图1单片机最小系统设计1.电源引脚Vcc 40 电源端GND 20 接地端2.外接晶体引脚图2晶振连接的内部、外部方式图XTAL119XTAL218 如上图图2所示 XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89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入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。4.输入输出引脚(1) P0端口P0.0-P0.7 P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个TTL。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。(2) P1端口P1.0P1.7 P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。(3) P3端口P3.0P3.7 P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。5.2 数码管显示电路7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使用也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳二极管，阴极连在一起的称为共阴二极管，这里采用的是共阳极二极管。如下图3所示：图3 数码管结构图七段数码管有两种驱动方式，既直流驱动和动态显示驱动。一 直流驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的输入输出端口进行驱动。或者使用如BCD码二-十进制译码器进行驱动。优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用输入输出端口多。二 动态显示驱动是将所有数码管通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。5.3 晶振电路 图所示为时钟电路原理图，在AT89S52芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。如下图图4所示： 图4晶振电路图5.4 按键电路 如下图5所示为按键模块电路图，SB1为秒钟调控键，SB2为分钟调控键，SB3为时钟调控键。 图5按键电路图5.5 复位电路单片机复位的条件是：必须使RST/VPD 或RST引（9）加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为12 MHz，每机器周期为1s，则只需2s以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位如图所示。电路为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位 图6复位电路图6软件设计6.1 系统总流程图在编程上，首先进行了初始化，定义程序的入口地址以及中断的入口地址，在主程序开始定义了一组固定单元用来储存计数是时-分-秒，在显示初值之后，进入主循环。在主程序中，对不同的按键进行扫描，实现秒表，时间调整等功能，系统总流程图如下图： 图7系统总流程图6.2 时间显示程序 if(P0_0=0) /如果P0.0位等于0，继续进行 for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); /延时防抖动 if(P0_0=0) /再次判断P0.0是否等于0，如果是则设置秒 second+; if(second=60) second=0; /如果秒走到60的时候将转换为0，以便开始走时 dispbuf0=second%10;/取秒的个位放在显示缓冲 dispbuf1=second/10; /取秒的十位放在显示缓冲 while(P0_0=0); /等待按键放开 if(P0_1=0) /如果P0.1位等于0，向下进行 for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); /延时防抖动 if(P0_1=0) /再次判断P0.1是否等于0,如果是，则设置分钟值 minite+; if(minite=60) minite=0; /当分钟走到60的时候将显示位0 dispbuf3=minite%10; 取分钟的个位放在显示缓冲 dispbuf4=minite/10; 取分钟的十位放在显示缓冲 while(P0_1=0); /等待按键放开 6.3 定时器中断子程序void t0(void) interrupt 1 using 0 /该函数是一个定时器0中断函数，用工作寄存器组0寄存 mstcnt+; /用于刷新所显示的数据，第8次中段显示1位数码管 if(mstcnt=8) 如果中断8次则显示数据 mstcnt=0; P2=dispcodedispbufdispbitcnt; 段位码送P2口，驱动数码管显示 P3=dispbitcodedispbitcnt; 选中数码管显示位 dispbitcnt+; /显示索引，用于调哪一位数据 if(dispbitcnt=8) 如果调完了，从第一位重新开始 dispbitcnt=0; 6.4 数码管显示程序dispbuf0=second%10; /刷新显示缓冲寄存器dispbuf1=second/10; /用来显示秒的看代码dispbuf3=minite%10; dispbuf4=minite/10; /用来显示分的看代码dispbuf6=hour%10; dispbuf7=hour/10; /用来显示秒的看代码7系统调试与测试单片机应用系统的调试通常包括硬件和软件两部分，他们是连在一起不能分开的。一般的方法是首先进行排除明显的硬件故障，再进行综合调试来排除可能的软/硬件故障。7.1 硬盘调试拿到电路板后，首先要检查它的外观加工质量是否有瑕疵，并确保没有任何方面的错误，比如说短路和断路和要避免电源短路；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。7.2 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-秒秒”，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SB1对秒进行调整，按一下加一秒；按SB2对分进行调整，按一下加一分；按SB3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。7.3 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S=S1-S2,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，S0表示秒单元数值的刷新超前，即走时误差为“快”。本次设计的单片机电子钟系统中，其误差主要来源包括晶体频率误差，定时器溢出误差，延迟误差。晶体频率产生震荡，容易产生走时误差；定时器溢出的时间误差，本应这一秒溢出，但却在下一秒溢出，造成走时误差；延迟时间过长或过短，都会造成与基准时间产生偏差，造成走时误差。7.4 软件调试问题及解决 软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一环。软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式。前者不需要硬件仿真器，可借助于软件仿真器即可；后者一般需要仿真系统的支持。本次课题，Keil软件来调试程序，通过各个模块程序的单步或跟踪调试，使程序逐渐趋于正确，最后统调程序。结束语 通过对简易电子钟的设计，学到了很实用的知识技能。通过对自己在大学两年时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对毕业设计的思考及书面表达能力，完成了自己的毕业设计。这为自己今后的工作生活里，积累了非常宝贵的经验。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。回首大学时光，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师对我们孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。我们经历风风雨雨，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。 在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。 最后，本次毕业设计的顺利完成也要感谢李建法老师的巨大帮助。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。在此，谨向李建法老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。致 谢最后我特别的要感谢我的指导老师李建法老师，他在我完成论文的过程中，给予了我很大的帮助。在论文开始的初期，我对于论文的结构以及文献选取等方面都有很多问题，整体构思不是很明确，段落层次也不是很清晰，老师详细给我分析论文的写作过程，从论文的题目，论文的内容，论文的脉络，都给我详细的指导。在我论文的进展过程中，老师也及时给我解决疑惑，并且监督我论文的进展过程，非常感谢！但是惭愧的是，我没有及时完成任务，论文也时有偏差出现，经过了曲折的过程，老师也耐心的给我激励，非常感谢!我想，毕业论文的过程不仅仅是一个完成一篇论文的过程，而是一个端正态度的过程，是总结大学整个过程，是在踏入社会前的历练过程。这个过程将使我受益匪浅！参考文献1廖雷.C语言程序设计.北京：高等教育出版社，2003.12 2张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2010.53谢自美.电子线路综合设计.武汉:华中科技大学出版社，2006,64王兆安，刘进军.电力电子技术.北京:机械功出版社，2009,5 Electronic Clock MA Jinbiao(College Of Physics&Electrical Engineering, Anyang Normal University, Anyang, Henan 455002)Abstract: Hours, Minute, Second digital display timing device.Electronic clock accuracy, stability far more than the old-fashioned mechanical clock. In this design, we use LED digital display, minutes, seconds, 24-hour clock, with a 12MHz crystal oscillation pulse principle based on the digital dynamic display to display, the timer count. In this design, the circuit can be achieved display time of the function also proofread the time of the hour, minute, and second. The digital clock is its compact, low cost, travel time and high precision, easy to use, multi-function, easy integration and loved by most consumers, so soon got the promotion.Keywords: Microcontroller ，Simple Electronic Clock.，Crystal Oscillator, Nixie Light 附录 附 录1 原理图附 录2 程序#include / 包含AT89X52.H头文件unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00; /数码管显示unsigned char dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7, 0xef,0xdf,0xbf,0x7f; unsign