6.12基于Proteus的电子时钟设计与仿真.doc

宁 德 师 范 学 院毕 业 论 文 (设 计)专业 电子信息工程技术 指导教师 张 芳 学生 李 骁 学号 2009054111 题 目基于Proteus的电子时钟设计与仿真2011年6月5日目 录1 绪论11.1 背景11.2 研究目的与意义11.3 技术要求12 方案设计及单片机选型12.1 方案设计12.2 单片机选型23 硬件设计33.1 键盘电路33.2 七段码显示驱动33.3 蜂鸣器报警电路34 软件设计44.1 主程序部分的设计44.2 定时器中断设置44.3 闹钟功能函数54.4 计时功能函数64.5 键盘扫描功能函数75 基于Proteus的电子时钟仿真85.1 Proteus软件简介85.2 Proteus对电子时钟的仿真96 结论10参考文献：1010基于Proteus的电子时钟设计与仿真摘要：对于电子时钟的功能和使用人们已经十分了解，然而却很少有人真正了解它的内部结构和工作原理。本文以AT89C51为核心控制器，利用Proteus进行单片机系统的仿真，通过该软件设计出了一款由纯数字电路构成的电子时钟，并在计算机上进行仿真。整个时钟的功能主要包括四个方面：时间显示、时间调整、时间校对和定时闹钟。最后的仿真结果可应用于实际电路中，不仅降低了电子时钟的设计成本，又缩短了设计周期，提高了工作效率。关键词：单片机；定时器；闹钟；LED1 绪论1.1 背景随着社会的发展和科技的进步，人们对时钟的要求也越来越高，传统的时钟已经不能满足人们的需求。高精度、低功耗、小体积、多功能，成为了现代时钟发展的新趋势，它已不仅仅是用来显示时间的工具，更多时候还需要它实现其它的功能，从而促使现代时钟朝着数字化、多功能化的方向发展。目前市面上也出现了各种各样的多功能电子时钟，如：数字闹钟、电子闹钟等等。对于电子时钟的功能和使用人们已经十分了解，然而却很少有人真正了解它的内部结构和工作原理。1.2 研究目的与意义为了更好地了解电子时钟的内部结构和工作原理，本文采用单片机作为电子时钟的核心控制器。与模拟电路、数字电路相比，单片机的内容更为抽象，开发和调试更为复杂，在具体的设计过程中，如果因为方案有误而进行相应的开发，将浪费更多的时间和经费。因此，本论文主要利用Proteus进行单片机系统的仿真，通过该软件设计出了一款由纯数字电路构成的电子时钟，并在计算机上进行仿真。高FH钟已经不能满足人们的需求了最后，可将论文的仿真结果应用于实际电路中，不仅降低了电子时钟的设计成本，又缩短了设计周期，提高了工作效率。因此，利用Proteus软件对电子时钟进行设计和仿真具有十分重要的意义。1.3 技术要求本文所设计的电子时钟需要解决的问题主要有两个：硬件设计和软件设计。硬件设计中又分为四个模块：显示模块、键盘模块、发声模块和计时模块。硬件设计时应尽量做到低功耗、低成本和易于实现。软件设计部分应做到闹钟设置，计时准确，校时以及定时报警等功能。2 方案设计及单片机选型2.1 方案设计本设计的总体框图如图1所示，电子时钟采用AT89C51作为控制核心，通过程序的编写来实现对整个系统的控制。利用AT89C51单片机来实现对时间的计时，计时结果由8位的数码管显示出来。通过对键盘的识别，然后按照程序中的设定对系统进行相应的操作，如时间设定、闹钟设定等功能。在闹钟时间到了以后，通过蜂鸣器来报警通知使用者时间到了。另外在AT89C51单片机以外，还有晶振等单片机最小系统1。按键晶振AT89C51段码驱动位码驱动蜂鸣器8位数码管图1 电子时钟总体设计框图2.2 单片机选型本文选用美国ATMEL公司的AT89C51单片机。与传统的MCS-51系列单片机相比，AT89系列单片机对一般用户而言，有以下优点：内部含有Flash存储器，在系统开发过程中很容易修改程序，大大缩短了系统的开发时间；与MCS-51系列单片机的引脚和指令集都是相互兼容的，可进行代换；AT89系列单片机的功能进一步增强2。目前，AT89C单片机已为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，本文采用的AT89C51单片机是一种带有4K字节的只读存储器，高性能的CMOS八位微处理器。由于AT89C51将闪烁存储器和八位的多功能CPU组合在了一个芯片上，使得AT89C51成为一种高效的微控制器，具有1000次以上的擦写循环，数据可以保存十年以上，主要有以下部件： 8031CPU 、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内 Flash 存储器、并行 I/O 接口、定时器和串行 I/O 接口。AT89C51芯片引脚如图2所示。图2 AT89C51的引脚示意图3 硬件设计3.1 键盘电路本文设计的电子闹钟的键盘输入电路主要有四个按键，分别接到单片机的P1.0到P1.3四个I/0口，通过内部程序对这四个端口的检测来识别外部键盘的输入信号，在正确的识别出键盘后，将按照程序中的设计做出相应的操作。当按键未被按下的时候，四个I/O口都是高电平，当被按下的时候就是低电平了，因此当有端口跳到低电平的时候就表示有按键按下了，程序就会进行相应的处理。图3 键盘电路3.2 七段码显示驱动本文设计的电子时钟系统采用了8位的7段数码管，因此其公共极的电流就会相对较大，为了避免系统使用过多的元器件来实现对数码管的控制，本文采用一枚MAX7221来驱动这个8位的7段数码管，并用P3口来实现位码的驱动，用P0口来控制MAX7221。图4 8位7段码驱动3.3 蜂鸣器报警电路本文所设计的闹钟时间报警系统通过一个三极管放大电路来驱动蜂鸣器来实现的，此外本文还通过软件实现了利用P2.1端口的方波输出来实现蜂鸣器的均匀简短的滴滴声，避免了使用硬件振荡器的电路，从而精简系统的硬件电路和系统的总体成本。图5 蜂鸣器报警电路4 软件设计4.1 主程序部分的设计在本文设计的电子时钟的软件系统中，主程序采用了模块的设计，避免了程序上的冗余和代码的重复，不仅提高了软件的运行效率，也提高了程序运行的稳定性，同时也使本文设计的代码具有较高的可读性。在程序执行的时候，主程序的主要工作就是针对具体的情况调用相应的子函数，在子函数完成相应的操作以后再回到主程序的流程中来，主程序对键盘等进行扫描，以便做出相应的处理3。开始初始化设置闹铃判断显示时间键盘扫描蜂鸣器报警键盘处理图6 主程序流程图. 4.2 定时器中断设置在本文的定时器设置中采用的是定时器T0的中断ET0，利用ET0的中断来进行计时时间的自动增加和循环，从而实现系统的计时功能。采用计时器来进行系统的时间计时，可以获得很高的时间准确性，大大减小系统电子元器件以及程序执行所带来的计时误差。AT89C51单片机自带有两个通用的定时/计数器4。这两个定时/计数器都可以通过参数的设置来定义为定时器或者是计数器。另外系统还增加了定时器T0/T1在溢出的时候能够自动翻转的功能选项。被用作定时器功能时，系统每运行一个机器周期，计时器的寄存器就会自动加1；而被当成计数器来使用时，寄存器在对应的外部输入管脚上检测到有高电平向低电平跳变的时候，就会在计数器的寄存器上自动加一，直到计数值达到了预先设置的数值。使用计数器功能的时候，系统每运行一个机器周期的时候就会对相应的输入管脚进行检测，因此计数器功能对外部输入信号的频率是有要求的，至少不能超过系统机器周期的频率。图7 定时器工作原理本文采用中断方式1来对定时器的中断进行设置，系统的计数初值可以通过公式来计算得到：X=216-(t/Tcy)。在这个公式中X为目标计数初值，t为所需要的定时时间，Tcy是系统的机器周期。定时中断程序的流程图如下图所示：T0中断闹铃时间到?显示时间按键扫描重装计数值中断返回闹铃是否图8 定时器中断程序流程图4.3 闹钟功能函数本文设计的电子闹钟可以设置两个闹钟时间，在程序中主要通过不断对比设置的闹钟时间和系统的当前时间，如果时间相同，那么程序就调动相应的蜂鸣器报警模块，从而实现通过声音来告知使用者所定闹铃时间已经到了。当然根据需要我们也可以设置多个闹铃，本文认为一般情况下两个闹铃是够用了，如果有特殊需用要加闹铃的个数也是很容易的。因为本文采用的是模块化编程，只要调用相应的函数就可以了。闹铃函数的程序流程图如下图所示。T0中断闹铃1时间到?闹铃2时间到?显示时间闹铃1分钟到或S4按下是是否否否 图9 闹铃功能函数流程图4.4 计时功能函数计时功能是本文设计的电子时钟的最基本的功能，主要是通过AT89C51的定时中断来实现准确计时的。当定时器每产生一次中断的时候就将中断的标志位FLAG位加1，通过计算可知，当FLAG加到20次时，就表示系统计时刚好到达一秒，此时我们将FLAG清零，并对时、分、秒相对应的寄存器进行相应的操作，对系统的时间进行更新，同时判断闹铃是否到达。系统的计时功能函数的流程图如下图所示。计时开始FLAG=0ent！ =0=miao4ent =0=miao(miao/miao4)=60?(miao/miao4)=0;(fen/fen4)+FLAG=20?(fen/fen4)=60?(fen/fen4)=0,(shi/shi4)+(shi/shi4)=24?(shi/shi4)键盘扫描是是是是否否否否 图10 计时功能函数流程图4.5 键盘扫描功能函数本文设计的电子时钟系统的按键部分主要功能有：时间设置、闹铃设置等，而时间又包括了时、分、秒三个部分，因此通过四个按键是否按下来判断功能的话无法实现全部功能5。本文在不增加按键的情况下，同过判断使用者对键盘的具体操作来获取操作者想要进行的操作意图。键盘功能扫描函数的流程图如下图所示。按键扫描S1按下？cnt+cnt=1,2,3cnt=4,5,6cnt=7,8,9cnt=10S2按下？S3按下？S4按下？闹铃判断闹钟1设置闹钟2设置时间设置加1函数减1函数取消闹钟/停闹是是是是是是是否否否否否图11 键盘功能扫描函数5 基于Proteus的电子时钟仿真5.1 Proteus软件简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及SPICE电路仿真的功能，还能仿真单片机及外围器件。目前已在全球广泛使用，受到了单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus仿真软件从原理布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。：操旧业正实现了从概念到产品的完整设计。该软件主要有以下特点：(1)互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 (2)仿真主流单片机系统。可仿真51系列、AVR系列、PIC系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。(3)仿真处理器及其外围电路。可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。再配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器、信号发生器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。 总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一体的仿真软件，其功能极其强大。5.2 Proteus对电子时钟的仿真在Proteus软件上完成电路图的绘制，以及在KEIL编程软件上完成软件调试并输出得到HEX的可执行文件以后，我们就可以开始电子时钟系统在Proteus上的仿真了。 在电路图中，我们设计了四个按键，即图中的S1、S2、S3、S4，这个四个按键的组合就实现了系统的全部操作功能。首先当S1按下第一次以后，停止计时并且进入到了1号闹钟的秒设置，而第二和第三次按下以后就进入到了1号闹钟的分和时设置；当第4，5，6次按下S1之后就进入到了2号闹钟的秒、分、时设置，当第7，8，9次按下S1的时候则开始对系统时间的秒，分和时进行分别设置。在按下第10次以后系统的显示就回复到了时间显示上来了。如果闹铃的时间与系统的时间一致的时候蜂鸣器就会发出声音报警，如果没有操作，那么报警的时间在程序中的设置是1分钟。如果在蜂鸣器报警阶段，按下S4则停止报警。另外按下S4，闹铃的状态就会在开启和关闭之间进行切换。下图为在Proteus软件仿真状态图。图12 基于Proteus软件的电路仿真6 结论本文设计的电子时钟系统硬件结构简单，实现容易，软件采用模块化的编写方式，运行稳定，最终在Proteus软件上仿真效果很好，达到了设计的要求。但是本系统相对来说还有一定的缺点，如没有能够实现音乐闹铃等功能，另外采用7段数码管来显示时间，由于数量上不宜太多