毕业设计（论文）-基于单片机的电子钟的设计.doc

重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文基于单片机的电子钟的设计考生姓名： 准考证号： 0 专业层次： 本 科 院（系）：机械与动力工程学院 指导教师： 职 称： 讲 师 重庆科技学院二O一二年三月二十六日重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文基于单片机的电子钟的设计考生姓名： 帅 准考证号： 专业层次： 本 科 指导教师： 院 （系）： 机械与动力工程学院 重庆科技学院二O一二年三月二十六日I重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 中文摘要摘 要现在市场上也出现了一些电子钟，它以六只LED数码管来显示时分秒，与传统的以指针显示秒的方式不同，违背了人们传统的习惯与理念，而且这类电子钟一般是采用大型显示器件，适用于银行、车站等公共场所，且外观设计欠美观，很少进入百姓家庭。此外，无论是机械钟、石英钟还是电子钟，都存在着共同的问题：时间误差。针对以上存在的问题，我们设计了一款采用LED显示器件显示的电子时钟，有效克服了时钟存在的误差问题，并能在夜间不必其它照明就能看到时间，且以60只发光管实现秒显示，接近于传统的秒针来显示秒的形式，用户容易接受，而且美观大方。另加七只装饰用的LED灯，使整个时钟显的相当美观新颖，故还可作为室内装饰用。关键词： 电子钟 单片机 AT89C2051 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 英文摘要Microcontroller-based electronic design of the clockABSTRACTNow in the market also appeared a few electric clock, it with six LED digital display, arc tube to when with the traditional with pointer display second in different ways, against the peoples traditional habits and concept, and this kind of electric clock is generally employ large display device, suitable for bank, station in public places, and designs to owe beautiful, very few people into the family. In addition, the mechanical clock, quartz clock or electric clock, there are common problem: time error. In view of the above problems, we design a new using LED display device display of electronic clock, effectively avoid the clock existing error problem, and at night without other lighting can see time, and with the 60 only luminescence tubes realize seconds, close to the traditional display second to display second form, users easy to accept, and beautiful and dignified. Plus seven decorative LED lamp, make whole clock show quite handsome new, it can also be used as a interior decoration use. Keywords: Electric clock SCM AT89C2051II重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1单片机的定义11.2电子时钟的特点及应用领域12 系统的总体设计方案22.1系统框图22.2 系统功能介绍22.3计时控制方案32.4 显示控制方案32.5 键盘控制方案32.6 软件总体设计方案43系统的硬件构成及功能53.1 AT89C2051单片机及其引脚说明53.2 60秒旋转译码驱动原理63.3 时分显示部件84系统的软件功能及设计114.1 系统主程序设计114.2 定时中断程序设计114.3 节电模式程序设计124.4 整点报时程序设计134.5 误差消除程序设计145 结论17致 谢18参考文献19论文原创性声明204重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1绪论 1 绪 论1.1单片机的定义单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一个小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术。它的应用已经渗透到各种嵌入式系统中。同时单片机技术又是一门实践性很强的学科。只有我们不断地通过实践研究才能学习好单片机课程。1.2电子时钟的特点及应用领域时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。在一个单片机的应用系统中，时钟有两方面的含义：一方面是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；另一方面是指系统的标准定时时钟，同时还具有体积小，功耗低等特点，便于携带，使用方便。同时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话带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能，数字钟就是采用数字电路实现对时、分、秒”数字显示的计时装置。使得电子时钟广泛应用于广大庭、车站、码头、办公室等场所的各个角落，已成为人们口常生话中不可缺少的必需品。重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2系统的总体设计方案 2 系统的总体设计方案2.1系统框图按照设计要求，本电子钟需要由单片机AT89C2051、显示驱动器（上拉电阻）、七段数码管、60秒旋转译码驱动电路（CD4017和CD4069组成）、电源等组成。 图1-1 系统框图2.2 系统功能介绍电子钟的周边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(如图1-2)，供装饰用。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。当突然发生停电事件时，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1-2 电子钟外表2.3计时控制方案利用MCS-51内部的定时器/计数器进行定时，配合软件延时实现到计时。该方案节省硬件成本，切能够使读者在定时器/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高，2.4 显示控制方案单片机显示系统显示分为静态显示和动态显示。静态显示由于占用较多的接口，在单片机设计中常采用串行扩展来完成。该方案占用接口资源多，显示亮度有保证，但硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，实用于并行接口资源较少以及对显示没有要求的场合。LED动态显示硬件连接简单，但动态扫描的显示方式需占用CPU较多的时间，该系统中由于单片机除了扫描AT89C2051芯片外没有太多的实时测控任务，故从两者比较中选用动态扫描方式。2.5 键盘控制方案键盘分为独立式键盘和行列式键盘，独立式键盘接口电路配置灵活，硬件结构简单，工作可靠但每个按键必须占用一跟I/O接口线，I/O接口线浪费较大，在单片机应用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息，可将按键直接接在一根I/O接口线上，故只在按键数量不多时采用。而行列式键盘每条行线与列线在交叉处不直接相通，而是通过一个按键加以连接，当按键较多时可采用行列式键盘以节省I/O接口。本设计采用三个按键，所以这里选用独立式键盘。如图1-3所示图1-3 独立式键盘2.6 软件总体设计方案1.设置闹钟时间,小时和分钟的缓冲区,把闹钟时间的缓冲区设置在72H73H中,小时的缓冲区设置在70H73H中,分钟的缓冲区设置在70H71H中。2. 要有键盘扫描子程序,当按下时间调整键后,送时间调整键处理程序到显示子程序,以便显示.当按下闹钟设置键后,送闹钟设置键处理程序到显示子程序,以便显示。3.要有停电检测子程序,如果停电,则调用停电检测子程序,将系统进入低功耗状态,由电池电压维持单片机计时工作,如果不停电,则调用时分显示子程序。4.要有定闹子程序，如果设置闹钟时，则显示定闹的时间。5.要有节能子程序，在白天不调用节能子程序，使数码管正常发光。到晚上调用节能子程序，使数码管变暗。重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3统的硬件构成及功能 3系统的硬件构成及功能电脑钟的原理框图，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，从而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，以保证停电时正常运行。正常情况下电池是不提供电能的，以保证电池的寿命。 3.1 AT89C2051单片机及其引脚说明AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，同时也是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、高性能COMS八位微处理器，在同Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因而，AT89C2051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，从而提高了系统的性价比。AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3所示。与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。AT89C2051芯片的20个引脚功能为： 图2-2 AT89C2051引脚配置 图2-3 CD4017引脚图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，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。表2-1 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）3.2 60秒旋转译码驱动原理按常规传统设计，需要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。于是，我们巧妙地采用了两片CD4017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2-4为时序图，图2-5为其CD4017功能引脚图。图2-4 CD4017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，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，只有输出端Q0为高电平，其余各输出端均为低电平“0”。为了实现对发光二极管的驱动，在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2-5（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2-5（左）电路进一步简化为如图2-5（右）所示，从而达到简化电路设计。图2-5 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，如果用上述的6片CD4017实现驱动，显然电路很复杂。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，巧妙地实现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2-6所示。图2-6 发光二极管“纵横双译码”循环点亮LED原理将周期为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，在初始状态下，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；以后由于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。如此往复进行，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。3.3 时分显示部件由于系统要显示的内容较简单，显示量不大，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2-7所示。二极管的阴极连接在一起，通常把公共阴极接地，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，起到保护作用。图2-7 LED数码管结构原理众所周知，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。本系统采用的软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，同时软件译码的另一优势是比硬件译码还有更大的灵活性。从LED数码管结构原理可知，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如表2-2。表2-2 各段码位的对应关系段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba这里需说明的是当用数据口连接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，如表2-2所示，表2-3为用于LED数码管显示的十六进制数和空白字符与P的显示段码。表2-3 LED显示段码字型共阳极段码共阴极段码字型共阳极段码共阴极段码0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3BOH4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H注：（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况（2）“空白”字符即没有任何显示。根据AT89C2051单片机灌电流能力强和拉电流能力弱的特点，因此我们选用共阳数码管。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1100 0000，数码管显示的字符为0。数码管显示器有二种工作方式，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解决多位LED数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的“段控”（即要显示的段码的控制）通过P0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，于是，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。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。值得一提的是，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，这就形成了两个很自然的闪烁点。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。16重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4系统的硬件构成及功能4系统的软件功能及设计本系统的软件系统主要可分为主程序和定时器中断程序两大模块，在程序过程中，加入了抗干扰措施。下面对各个模块作介绍。4.1 系统主程序设计主程序的功能是完成系统的初始化，在显示时间之前，对系统是否停电状态进行检测；若停电，将系统进入低功耗状态，用电池电压维持单片机计时工作，但此时不显示时间，用节省用电；若不停电，则将时分发送显示。程序流程如图3-1所示图3-1 系统主程序流程图4.2 定时中断程序设计中断程序(如图3-2所示)是完成时间计数，时间调整，误差消除等功能。中断采用AT89C2051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，到达1小时，则时计数缓冲器HOURBUFFER增加1，并将分、时的个位、十位放入显示缓冲器。当分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，以便从新计数。在中断设计中，就可以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。图3-2 定时中断程序4.3 节电模式程序设计首先判断现在时间是否为7点以前21点以后，如果是7点以前21点以后，那么就调用晚上子程序。如果不是，则调用白天子程序。流程图如图3-3所示START1: MOV A , HBUFF ; 显示时，7点以前及21点以后亮度调暗 SUBB A , #7H JC START2 MOV A , HBUFF SUBB A , #21H JNC START2 ACALL DISPLAY ACALL ZDBS AJMP START3START2: ACALL NIGHTDISPLAY图3-3 节电模式程序流程4.4 整点报时程序设计当响应定时中断时，先判断分是否为60，如果不是则返回子程序。如果是则继续判断秒是否为60，如果不是则返回子程序。如果是则小时加1并蜂鸣0.5s。流程图如图3-4所示MOV A , MBUFF ;在整点时，响半秒 JNZ ZDBSEND MOV A , SBUFF CJNE A , #3CH , ZDBSEND CLR P3.2 ACALL DL0FIVE SETB 图3-4 整点报时程序流程4.5 误差消除程序设计首先对定时器1进行初始化，然后来判断是否有按键按下。如果是P3.2的按键按下了，则keynum1中的数加1.相反则将keynum2中的数加1.最后判断keynum1或keynum2中的数是否为5，如果是5则将keynum1或keynum2清零时间加快0.5s.流程图如图3-5所示图3-5误差消除程序流程INTERT1:NOP MOV TH1 , #3CH ;T1置初值，进行100ms计时，用于调整时间 MOV TL1 , #0B0H PUSH ACC PUSH PSW CLR ET0 CLR ET1 ;关T1中断 MOV A , NUMT1 INC A MOV NUMT1 , A ;中断一次则相应的增加NUMT1 CJNE A , #5 , INTERT1NEXT ;每中断五次，即半秒，都增加KEYNUMT1 MOV A ,KEYNUMT1 INC A MOV KEYNUMT1 , A MOV NUMT1 , #00H ;NUMT1已经是5了，则处理过KEYNUMT1后，重置NUMT1INTERT1NEXT:NOP MOV A , NUMT2 ;中断一次则相应的增加NUMT1 INC A MOV NUMT2 , A CJNE A, #5,ENDINTERT1 ;每中断五次，即半秒，都增加KEYNUMT1 MOV A , KEYNUMT2 INC A MOV KEYNUMT2 , A MOV NUMT2 , #00H ;处理过KEYNUMT1后，重置NUMT1ENDINTERT1: SETB ET1 SETB ET0 POP ACC POP PSW RETI重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 5结束语5 结论通过这段时间的设计，终于完成了我的60秒旋转电子钟的设计，虽然在做的时候遇到一些困难，但经过一翻很大的努力也完全达到设计要求的，从心底里说，还是挺高兴的，毕竟这次设计所要求的东西都做了出来，然而高兴之余不得不深思呀！在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机的设计重点就在于软件程序的正确编程和设计，需要有很巧妙的编程方法，在编程时，由于粗心大意马虎，有些语句和过程看似没问题，可就是不出效果，经仔细揣摩修改验证后，程序才正常运行。学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高和加强。从这次的