单片机论文-数字电子钟电路系统设计

- 1 - 摘摘 要要 摘要摘要：本数字电子钟电路系统采用中小规模的74LS系列（双列直插式）组件 实现所选定的电路, 由秒信号发生器（采用555构成的多谐振荡器）“时分 秒”计数器（采用十进制74LS90）译码器（采用74LS47）及显示器（采用共 阳极八段数码管配合显示译码器74LS47来显示计数器输出的数字）校时电路 （采用74LS0074LS0274LS08）组成。最后用电路仿真软件Proteus绘制出数 字电子钟的完整电路图，并进行仿真验证它的工作状态是否正常,以实现要求 的功能电路。 关键词关键词：数字电子钟秒脉冲发生器计时器显示电路译码器 - 2 - 目录 一一设计任务与要求设计任务与要求.5 5 1.设计任务. 5 2.设计要求. 5 二二方案设计与论证方案设计与论证.5 5 1秒脉冲发生器的设计. 5 2. 电子钟整体电路设计. 8 三三单元电路设计与参数计算单元电路设计与参数计算.1010 四四安装与调试安装与调试.1313 五五性能测试与分析（软件设计与调试）性能测试与分析（软件设计与调试）.1313 六六论与心得论与心得.1515 附录：附录：. 1515 附 1：元器件清单：.15 附 2：总原理图.15 参考文献15 - 3 - 前前言言 单片机课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节， 是将理论知识和实践能力相统 一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。在生活中，数字电子表的优点受到人们的 欢迎，在很多场合得到了广泛的应用。 单片原理及应用是一门技术性、应用性很强的学科，实践教学是它的一个极为重要 的环节。不论是硬件扩展、接口应用还是编程方法、程序调试，都离不开实验教学。如果不 在切实认真地抓好学生的实践技能的锻炼上下功夫， 单凭课堂理论课学习， 势必出现理论与 实践脱节的局面。任随书本上把单片机技术介绍得多么重要、多么实用多么好用，同学们仍 然会感到那只是空中楼阁，离自己十分遥远，或者会感到对它失去兴趣，或者会感到它高深 莫测无从下手，这些情况都会令课堂教学的效果大打折扣。 本次仿真设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上，通过完成一个涉及 MCS52 单片机都种资源应用并具有综合功能的数字电子表的设计与编程应用， 使学生不但能够将课 堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件、印制电路板 等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、排版调试、相关仪器设备的使用技能等方 面得到较全面的锻炼和提高， 为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下 一定的基础。 该电子时钟不但具有定时作用还有温度采集作用。定时部分可以显示时、分、秒，月， - 4 - 日，而且用按键还可以实现时间和日期的调整。 在这次单片机课程设计中，同学们完成了单片机数据采集与定时系统的硬件电路设计。 本次综合实践是在此基础上，完成该系统的软件设计与调试。待仿真成功后，再将程序烧写 入单片机中。 一一. .设计任务与要求设计任务与要求 1 1设计任务设计任务 要求由所学的数字电路知识以及查阅有关资料设计并制作出一台数字电子 钟。而且要完成电路的装配和调试。 2 2设计要求设计要求 (1)采用八段数码管，显示范围 0 分 00 秒23 时 59 分 59 秒。 (2)提出至少两种设计实现方案，并优选方案进行设计。 (3)详细说明设计方案，并计算元件参数。包括选择的依据和原理，参数 确定的依据。 (4) 当电路发生走时误差时，要求电路具有校时功能。 (5) 自己独立完成设计，并能发现问题解决问题。 (6) 撰写设计报告： 写出设计过程， 附上有关资料和图纸， 写上心得体会。 二二 方案设计与论证方案设计与论证 设计要求我们运用所学的数字电路知识以及查阅有关资料设计并制作一台 数字电子钟，而且要完成电路的装配和调试。首先对于电子钟，第一个要解决的 问题就是秒脉冲发生电路，秒脉冲发生电路是数字钟的核心部分,它的精度和稳 定度直接决定了数字钟的质量， 因此我们既可以采用石英晶体振荡器和分频器的 组合电路来实现，也可以采用我们所学的运用 555 构成多谐振荡器来实现；其次 - 5 - 就是实现对秒脉冲的计数，对于计数我们可以用单片机来实现，也可以运用我们 所学的计数器的知识来解决。对于数字钟必须有一个显示时间的，我们可以采用 八段数码管来实现显示功能。 1.1.秒脉冲发生器的设计秒脉冲发生器的设计 方案一方案一：用石英晶体振荡器+分频电路构成秒信号电路 为了提高秒信号准确性和稳定性,利用石英晶体来构成振荡电路。由于石英 晶体的选频特性非常好,只有某一频率点的信号可以通过它,其它频率段的信号 均会被它所衰减,而且,振荡信号的频率与振荡电路中的R、C元件的数值无关。因 此, 这种振荡电路输出的是准确度极高的信号。然后再利用分频电路,将其输出 信号转变为秒信号, 其组成框图如图1： 图1电路构成框图 其中,晶体振荡电路采用图2所示电路。利用两个与非门自我反馈,使它们工 作在线性状态;然后利用石英晶体JU 来控制振荡频率,同时用C1 作电容间耦合, 两与非输入输出间电阻R1、R2 作为负反馈元件、电容C2 防止寄生振荡。在输 出端得到较稳定的4MHZ 脉冲信号。如图2： 图2用晶振构成的石英晶体振荡电路 由于石英晶体振荡产生频率很高为4MHz, 而电子钟需要秒脉冲, 可采用分 频电路实现, 具体电路如图3 所示。 先经过1 次四分颁, 再经过6 次十分频, 最 后得到秒脉冲信号。 - 6 - 图3分频电路 这里采用74LS161作为四分频、将74LS161QC连接于74LS192,增计数CPV端。 用74L S192作为十分频,将74LS161四分频信号加74LS1925脚CPV,将进位信号C0 连接下一片74LS192的CPV,完成十分频,最后输出1HZ的秒脉冲给计数电路。 方案二方案二：用555构成多谐振荡器 如图 4(a)所示，由 555 定时器和外接元件 R1、R2、C构成多谐振荡器，脚 2 与脚 6 直接相连。 电 路没有稳态， 仅存在两个暂稳态， 电路亦不需要外加触发信号， 利用电源通过 R1、R2向 C 充电，以及 C 通过 R2向放电端 Ct放电，使电路产生振 荡。 电容 C 在CCV 3 1 和CCV 3 2 之间充电和放电， 其波形如图 4(b)所示。输出信号的 时间参数是Ttw1tw2， tw10.7(R1R2)C， tw20.7R2C 555 电路要求 R1与R2均应大于或等于 1K ，但R1R2应小于或等于3.3M。 外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555 定时器配以少量的元件即可 获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。 - 7 - （a）（b） 图 4多谐振荡器 在此，我们将电路进行了进一步的改进，将上图中的 R1 和 R2 合并为一个 100K的电 位器， 通过调节电位器可以得到相对比较稳定并且精确地秒脉冲信号， 提供给秒计数器使用。 将图中电阻 R1R2 关系式，电容 C 元件的参数代入上式，要使脉冲周期为 T=1s，计算得： R157.14K。 两种方案的比较：方案一中的振荡电路输出的是准确度极高的信号，然后再 利用分频电路, 将其输出信号转变为秒信号, 石英晶体振荡器有频率精确、 振荡 稳定、温度系数小等特点，而且晶振频率越高，产生的秒脉冲越稳定，可以满足 电子钟走时的准确性的要求；方案二中的555多谐振荡器外部元件的稳定性决定 了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频 率和具有较强的功率输出能力，因此也可以满足电子钟走时的准确性的要求。但 是由于方案一的成本比较高，对石英晶振的要求较高，再加上引入了分频电路， 增加了电路的复杂性；而方案二的成本相对来说低得多，对元器件的要求也不是 很高，电路实现起来相当容易，也可以得到较高精度的振荡频率。因此，相比之 下，我们就采用了方案二：用555构成多谐振荡器，产生秒脉冲信号，供给计数 电路使用。 2.2.电子钟整体电路设计电子钟整体电路设计 方案一方案一：用AT89S51单片机控制的电子钟 系统由单片机AT89S51 为主控制器，单片机不断读取实时钟DS1643 提供的 时间，送LED 显示。当达到设定的报时时间时，则控制喇叭发声。当有按键按下 时，单片机转而处理按键。整个系统的电源由5V 电池提供，以便于携带。系统 总体结构如图1所示，所设计的电子钟目标为实现以下功能：24小时制时间显 示；可随时进行时间校对；整点报时；闹钟功能。 - 8 - 图5硬件原理框图 AT89S51单片机是一款低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KB在线可编 程（ISP)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用高密度、非易 失性存储技术制造，兼容标准MCS- 51指令系统及80C51引脚结构。AT89S51具有 如下特点：为适应不同的产品需求，采用PDIP、TQFP、PLCC 三种封装形式，本 系统采用双列直接PDIP封装形式，4KB Flash片内程序存储器，128B的随机存取 数据存储器，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。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设 置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断 系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直 至外中断激活或硬件复位。 DS1643是带有全功能实时时钟的8k8非易失性SRAM，能以字节为单位进行 存取，主要特点如下：集成了非易失性SRAM、实时时钟、晶振、电源掉电控制电 路和锂电池电源，时钟寄存器位于RAM最高8个字节。 方案二方案二：用计数器实现的数字电子钟 数字电子钟电路系统由秒脉冲发生器， “时分秒”计数器译码器及显 示器，校时电路组成。秒脉冲信号发生器是整个系统的时基信号，它直接决定计 时系统的精度， 一般采用石英晶体振荡器加分频器来实现。 将标准秒信号送入 “秒 计数器” ， “秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发一个“分脉冲”信号， 该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。 “分计数器”也采用60进制计数器，每 累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“是计数器” 。 “时计数 器”采用24进制计数器，可实现对一天24小时的累计。译码显示电路将“时” - 9 - “分” “秒”计数器的输出状态送入八段数码管，通过三个两位LED八段显示 器显示出来。校时电路用来对“时” “分” 显示数字进行校对调整。如图6 所示： 图6数字电子钟原理框图 两种方案的比较：方案一采用AT89S51单片机为主控芯片，配合实时钟集成 电路芯片DS1643，实现了时间、日期显示、修改及报时功能，且具备掉电情况下 时间信息继续保持的功能。DS1643 计时功能强大，与单片机的接口简单，使用 方便，能很好地满足各种计时定时的需求；但是在设计的过程中还要编写程序， 多少给设计带来了一些困难，同时对单片机的了解也不是很深。方案二中数字电 子钟由秒脉冲信号发生电路、“时分秒”计数器译码器及显示器，校时电 路组成，综合运用了我们所学的数字电子技术知识，设计和制作起来比较得心应 手，同样也能满足电子钟走时的准确性的要求。因此，相比之下，我们就采用了 方案二：用计数器构成数字电子钟。 三三. .单元电路设计与参数设计单元电路设计与参数设计 1.1.秒脉冲发生电路秒脉冲发生电路 如图 7(a)所示，由 555 定时器和外接元件 R1、R2、C构成多谐振荡器，脚 2 与脚 6 直接相连。 电 路没有稳态， 仅存在两个暂稳态， 电路亦不需要外加触发信号， 利用电源通过 R1、R2向 C 充电，以及 C 通过 R2向放电端 Ct放电，使电路产生振 荡。 电容 C 在CCV 3 1 和CCV 3 2 之间充电和放电， 其波形如图 4(b)所示。输出信号的 1HZ1HZ秒脉冲秒脉冲 - 10 - 时间参数是Ttw1tw2， tw10.7(R1R2)C， tw20.7R2C 555 电路要求 R1与R2均应大于或等于 1K ，但R1R2应小于或等于3.3M。 外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555 定时器配以少量的元件即可 获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。 （a）（b） 图 7多谐振荡器 在此，我们将电路进行了进一步的改进，将上图中的 R1 和 R2 合并为一个 100K的电 位器， 通过调节电位器可以得到相对比较稳定并且精确地秒脉冲信号， 提供给秒计数器使用。 将图中电阻 R1R2 关系式，电容 C 元件的参数代入上式，要使脉冲周期为 T=1s，计算得： R157.14K。 2.2.计数器计数器 (1)两片74LS90构成的60进制计数器电路, 电路如图8所示。 74LS90为十进制计数器, C0为进位端, 74LS90为十进制计数器和与门组成六进制计数, 当74LS90计数至 6(0110) 时, 与门发出清零信号使74LS90 （2） 清零。 同时74LS90 （1） 也清零, 完 成60进制计数。秒和分的计数器结构完全相同。当秒的十位在清零时也同时向分 的个位发一个脉冲, 使分加1。 - 11 - 图8两片74LS90构成的60进制计数器电路 (2)两片74LS90构成的24进制计数器电路,电路如图9所示。 由74LS90 （1） 和74LS90(2) 组成, 将74LS90(1)的Q1与74LS90(1)的Q2作为与门输入端,当74LS90(2)加至 2(0010)时, 74LS90（1）加至4 (0100) 时与门发出清零信号使74LS90(2)和 74LS90(1)同时清零, 实现二十四进制计数。电路如图9所示。 图9两片74LS90构成的24进制计数器电路 - 12 - 3.3.译码与显示电路译码与显示电路 译码器：译 码是把给定的代 码进行翻译, 将 时、分、秒计数器 输出的四位二进 制代码翻译为相 应的十进制数, 并通过LED 显示 器显示。这里我们 图10译码与显示电路 选用74LS47作为译码驱动器, 74LS47内有升压电阻, 因而无需外接电阻, 电路 十分简单。数码管：74LS47输出信号为低电平有效,因此我们选用七段译码驱动 器(74LS47) 和两位八段共阳型数码管(LED) 共阳接法。 4.4.校时电路校时电路 利用RS触发器构成的防抖型校时电路，如图10所示。当电子钟接通电源或者计时 发现误差时, 均需要校正时间。校时电路分别实现对时、分的校准, 由于2个机 械开关具有抖动现象, 因此用RS 触发器作为去抖动电路。 采用RS 基本触发器及 单刀双掷开关, 闸刀常闭于2 点, 每搬动一次产生一个计数脉冲, 实现校时功 能。 - 13 - 图11利用RS触发器构成的防抖型校时电路 四四.安装与调试安装与调试 我们按照电路原理图进行电路的焊接，焊接的时候辅以万用表的检测，焊接 完成后，通过接通电源进行调试，电路工作状态正常，能够实现要求的功能。 五五.性能测试与分析（软件设计与调试）性能测试与分析（软件设计与调试） 用电路仿真软件Proteus绘制出数字电子钟的完整电路图，并进行仿真验 证它的工作状态是否正常,以实现要求的功能电路。 附2：总原理图 - 14 - - 15 - 六六.结论与心得结