数字钟——课程设计报告书.doc

目录一、设计任务与要求31 设计目的32 设计要求32.1任务及要求.32.2系统功能说明.32.3软件研制方面.42.4硬件研制方面.4二、总体方案设计41 电路的总体原理框图42 实现时钟计时的基本方法53 总体方案介绍53.1 计时方案.53.2 控制方案.5三、数字钟的硬件设计61.1最小系统.61.2时钟电路.81.3单片机复位电路.92、数码显示模块设计.103、仿真实现（电路连接图）.114、实验板运行结果.12四、系统软件设计.131、源程序流程图.132.显示时间流程图.133、源程序清单.13五、设计总结191、设计过程中遇到的问题及解决方法192、设计体会19参考文献21一、设计任务与要求1、设计目的(1)通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。(2)培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；（3）提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力，培养动手能力和实际应用能力。2、设计内容2.1任务及要求通过单片机内定时器控制走时，准确持续走时。在六个LED七段数码管上显示时、分、秒。具有通过键盘调整时、分、秒的功能。2.2系统功能说明数字钟的格式为：HH:MM:SS ，由左向右分别为：时、分、秒。完成显示由秒01一直加1至59，再恢复为00；分加1，由00至01，一直加1至59，再恢复00；时加1，时由00加至23之后秒、分、时全部清清零。该数字钟使用T0作50ms的定时中断。走时调整：走时过程中，按下“暂停/继续”键可暂停、继续计时，按下“调时按键”键对“时”显示进行调整（每按一次加1）；按下“调分按键”键对“分”显示进行调整（每按一次加1）；按下“调秒按键”键“秒”显示进行调整（每按一次加1）。2.3软件研制方面1. 采用模块化程序结构设计软件，首先将整个软件分成若干功能模块；2. 根据流程图，编写源程序；3. 上机调试各模块程序；4. 与硬件一起联调，最后完成全部调试工作。 2.4硬件研制方面1. 将整个硬件系统划分为若干功能单元电路，绘出整个系统原理电路图，注明各交单元电路间接口信号 ；2. 搭建硬件电路，完成各单元电路设计，包括选择合适的各类元器件和电路板设计(元件布局和走线)。二、总体方案设计1. 电路的总体原理框图 根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块：单片机模块、数码显示模块与按键模块，模块之间的关系图如下面得方框电路 时钟电路 复位电路 单 片 数码管显示 机 调整键盘 2. 实现时钟计时的基本方法利用STC系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现时钟定时。(1) 计数初值计算:把定时器设为工作方式1，定时时间为50ms，则计数溢出20次即得时钟计时最小单位秒。假设使用T/C0，方式1，50ms定时，fosc=11.0592MHz。则初值N满足N1/11.0592MHz12s =50000s=50msN=46080。(2) 采用中断方式进行溢出次数累计,计满20次为秒计时（1秒）；(3) 从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比较实现。3、总体方案介绍3.1 计时方案利用STC89C52单片机内部的定时/计数器进行中断时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高，对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而对学好单片机技术这门课程起到一定的作用。3.2 控制方案STC89C52的P0口外接2个74HC573锁存器，其中一个锁存器接由六个LED数码管(LED6LED1)构成的显示器，作LED的段码输出线，另一个锁存器作六个LED数码管的位控输出线，P2.6接段选锁存器，P2.7接位选锁存器，P3.4P3.7口外接四个按键，构成键盘电路。STC89C52 是一种低功耗，高性能的CMOS 8位微型计算机。它带有8K Flash 可编程和擦除的只读存储器（EPROM），该器件采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的80C51和80C52的指令系统及引脚兼容，片内Flash 集成在一个芯片上，可用与解决复杂的问题，且成本较低。简易电子钟的功能不复杂，采用其现有的I/O便可完成，所以本设计中采用此的设计方案。3、 数字钟的硬件设计1.1最小系统STC89C52单片机引脚图如下：MCS-51单片机是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，其各引脚功能如下：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）：为振荡器输入输出端口。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。RST（9 脚）：为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和GND（20 脚）：为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0 口P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉 电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。 Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。P2 口P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的内容。 Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 P3 口P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻 辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。 P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。具体第二功能如表所示 P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入（RXD）P3.1串行通讯输出（TXD）P3.2外部中断0（ INT0）P3.3外部中断1（INT1）P3.4定时器0输入(T0)P3.5定时器1输入(T1)P3.6外部数据存储器写选通WRP3.7外部数据存储器写选通RDRST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。 PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数 据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接 地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。 1.2时钟电路 下图所示为时钟电路原理图，在AT89C52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。 1.3单片机复位电路 复位电路由两部分组成，电容和电阻。此复位电路称上电复位。上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。通常，我们还会在电容器两端并接一个按钮开关，如下图所示，此按钮开关就是一个手动的Reset开关。2、数码显示模块设计 显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料及产品工艺，单片机应用系统中常用的显示器有： 发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。LED显示器是现在最常用的显示器之一，如下图所示。 共阴极 共阳极 发光二极管（LED）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件（半导体显示器）。分段式显示器（LED数码管）由7条线段围成8字型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示各种字形或符号。LED数码管有共阳、共阴之分。系统采用动态显示方式，用P0口来控制LED数码管的段控线和位控线。动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。3、仿真实现（电路连接图）4、实验板运行结果暂停/继续按键调秒按键 调分按键 调时按键四、系统软件设计1、源程序流程图 初始化 清数码管显示 定时器赋初值 否 是否有键按下？ 是 键盘调整时间 显示时间并计时 2、 时间显示流程图3、 源程序清单 /=声明区=/#include#define uint unsigned int /宏定义#define uchar unsigned charuchar tt,ff,ee,dd,cc,bb,aa; /分别定义定时器变量和时、分、秒的六位变量sbit dula=P26; /定义段选位sbit wela=P27; /定义位选位sbit key1=P34; /定义调时按键sbit key2=P35; /定义调分按键sbit key3=P36; /定义调秒按键sbit key4=P37; /定义暂停/继续计时按键uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, /09的七段LED共阴极数码表0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;void key01();/声明调时按键子程序void key02();/声明调分按键子程序void key03();/声明调秒按键子程序void key04();/声明暂停/继续计时按键子程序void display(uchar ff,uchar ee,uchar dd,uchar cc,uchar bb,uchar aa); /声明显示子程序void delay(uint z); /声明延时子程序void init(); /声明初始化子程序/=主程序=/void main()init();/初始化子程序while(1)if(key1=0) /键盘扫描key01(); if(key2=0)key02(); if(key3=0)key03();if(key4=0)key04();if(tt=20) tt=0;aa+;if(aa=10) aa=0;bb+; if(bb=6)bb=0;cc+;if(cc=10)cc=0;dd+;if(dd=6)dd=0;ee+;if(ee=10)ee=0;ff+; if(ff=2&ee=4)ee=0; ff=0; display(ff,ee,dd,cc,bb,aa); /以24小时方式显示时间/=延时子程序=/void delay(uint z) /延时子程序（约zms）uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);/=初始化子程序=/void init() /ff=0; /数码管显示清零ee=0;dd=0;cc=0;bb=0;aa=0;tt=0; /定时变量清零wela=0; /位选清零dula=0; /段选清零TMOD=0x01; /定时器0工作于方式1TH0=(65536-46080)/256;/定时器赋初值TL0=(65536-46080)%256;EA=1;/开总中断ET0=1;/开定时器0中断TR0=1;/开定时器0/=定时器0=/void timer0() interrupt 1 /定时50msTH0=(65536-46080)/256; TL0=(65536-46080)%256;tt+;/=显示子程序=/void display(uchar ff,uchar ee,uchar dd,uchar cc,uchar bb,uchar aa) /显示子程序dula=1;P0=tablebb;dula=0;P0=0xff;wela=1;P0=0xef;wela=0;delay(1);dula=1;P0=tableaa;dula=0;P0=0xff;wela=1;P0=0xdf;wela=0;delay(1);dula=1;P0=tabledd;dula=0;P0=0xff;wela=1;P0=0xfb;wela=0;delay(1);dula=1;P0=tablecc;dula=0;P0=0xff;wela=1;P0=0xf7;wela=0;delay(1);dula=1;P0=tableff;dula=0;P0=0xff;wela=1;P0=0xfe;wela=0;delay(1);dula=1;P0=tableee;dula=0;P0=0xff;wela=1;P0=0xfd;wela=0;delay(1);/=调时按键=/void key01() /调时按键if(key1=0)delay(5); /消抖if(key1=0); while(!key1);delay(5); /松手检测while(!key1);TR0=0;ee+;if(ee=10)ee=0;ff+;if(ff=2&ee=4)ee=0;ff=0;display(ff,ee,dd,cc,bb,aa); /=调分按键=/void key02()/调分按键if(key2=0)delay(5);/消抖if(key2=0);while(!key2);delay(5);/松手检测while(!key2);TR0=0;cc+;if(cc=10)cc=0;dd+;if(dd=6)dd=0;display(ff,ee,dd,cc,bb,aa);/=调秒按键=/void key03()/调秒按键if(key3=0)delay(5);/消抖if(key3=0)while(!key3);delay(5);/松手检测while(!key3);TR0=0;aa+;if(aa=10)aa=0;bb+;if(bb=6)bb=0;display(ff,ee,dd,cc,bb,aa);/=暂停/继续计时按键=/void key04()/暂停/继续计时按键if(key4=0)delay(5); /消抖if(key4=0);while(!key4);delay(5);/松手检测while(!key4); TR0=TR0;五、设计总结1、设计过程中遇到的问题及解决方法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。2、设计体会单片机作为我们主要的专业课程之一，我觉得单片机课程设计很有必要，而且很有意义。但当拿到题目时，确实不知道怎么着手，有些迷茫，上网查资料，问老师，在老师的帮助下，历时两个星期