LED电子时钟课程设计.doc

LED电子时钟设计*学院课 程 设 计课程名称： 智能仪器 题目： LED电子时钟设计 专业班次： 姓 名： 学 号： 指导教师： *老师 学 期： 日 期： 目录前 言0第一章 任务设计及原理11.1课题内容11.2设计任务和要求11.3 LED动态显示的原理：11.4设计内容2第二章 设计总体方案论证32.1 LED显示电子时钟设计思路32.2 时钟系统方案论证32.2.1 单片机的选择32.2.2 显示系统方案比较32.2.3 键盘控制方案的选择32.3 元件清单，电子钟元件清单如表1所示：4第三章 系统硬件设计53.1 单片机控制系统53.2 各部分功能的实现53.2.1 控制部分（AT89C51）53.2.2 DS1302时钟芯片53.2.3 单片机最小系统53.2.4 键盘控制系统的设计73.2.5 LED显示电路7第四章 系统软件设计84.1 软件主要完成功能84.2 程序设计84.3 软件设计的主要流程84.3.1 系统总的流程图84.3.2 地址分配如下：104.3.3 I/O口:114.3.4 程序编写:114.3.5 误差分析20第五章 仿真演示21第六章 设计总结23参考文献2426前 言1957年,Ventura发明了世界上第一个电子表，从而奠定了电子时钟的基础，电子时钟开始迅速发展起来。现代的电子时钟是基于单片机的一种计时工具，采用延时程序产生一定的时间中断，用于一秒的定义，通过计数方式进行满六十秒分钟进一，满六十分小时进一，满二十四小时小时清零。从而达到计时的功能，是人民日常生活不可缺少的工具。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。 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。尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于数字钟电路的基本组成包含了数字电路的主要组成部分，因此进行数字钟的设计是必要的，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。单片机数字时钟就是其中的一款设计。它具有编程灵活，便于电子钟功能的扩充，即可用该电子钟发出各种控制信号，精确度高等特点，同时可以用该电子钟发出各种控制信号。单片机数字钟是单片机为核心。时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？这就要求人们不断设计出新型时钟。数字电子钟的设计方法有多种，其中，利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，便于电子钟功能的扩充，即可用该电子钟发出各种控制信号，精确度高等特点，同时可以用该电子钟发出各种控制信号。 本设计主要介绍单片机内部的定时计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机AT89C51芯片和LED数码管为核心，铺以必要的电路，构成一个单片机电子时钟。第一章 任务设计及原理1.1课题内容LED电子时钟设计1.2设计任务和要求(1)利用单片机AT89C51和7段LED数码管设计一个数字时钟；(2)在6位数码管上显示当前时间。显示格式“时时分分秒秒”。(3)在6位数码管上显示当前日期。显示格式“年年（后两位）月月日日”。用按键在时间显示和日期显示之间切换。(4)实现年月日，时分秒的调整。1.3 LED动态显示的原理数码管的动态显示利用视觉暂留作用，使得人眼看到的是静态的不变的显示，视觉暂留时间约为0.01秒，因而每次显示的时间间距要比较短。首先P0口向LED显示器数据端口发送第一个8位数据。此时只有一位低电平而其他口都为高电平，因此只有LED数码管显示该数码，让其显示1ms。再可以发送第二个数据，同时应使其对应的位码为低电平且保证其他位为高电平。依次类推，对各显示器进行扫描，显示器分时轮流工作。虽然买此只有一个显示器显示，但由于人的视觉暂留现象我们仍会感觉所有的显示器都在同时显示。它的优点是硬件电路简单，占用较少的I/O口，但其传送速度相对较慢。采用此方法，我们的板子除单片机以外，没用其他芯片。由数码管的显示原理，再考虑到数码管上显示的数字对应与一个八位的二进制数，09一共十个，把显示这些数对应的数码管段信息存到程序存储器的TABLE表中，将DPTR作为指针，用程序分配的地址单元分别存储实际的时分秒、年月日的数字，把存储的数字用DIV指令分出高低位，作为偏移量，这样，程序中通过查表，就把实际的数字和数码管中显示的数字对应起来了。1.4设计内容1、查阅相关资料，整体构思。2、进行调研和总体设计，并绘制系统方框图和主程序流程图等。3、详细设计：1）LED显示电路的设计及功能的实现。2）实现时钟电路的设计及其功能的实现。3）按键设置电路的设计及其功能的实现。第二章 设计总体方案论证2.1 LED显示电子时钟设计思路按照系统的设计功能要求，本时钟系统的设计必须采用单片机软件系统实现，用单片机的自动控制能力配合按键控制，来控制时钟的调整及显示。2.2 时钟系统方案论证2.2.1 单片机的选择对于单片机的选择，如果用8031系列，由于它没有内部RAM，系统又需要大量内存存储数据，因而不可用；51系列单片机的ROM为4K，对于我们设计的系统可能有点小；52系列单片机与51系列的结构一样，而ROM扩大为8K，对我们设计系统提供充足的空间进行功能的扩展。再有51系列单片机与52系列的单片机价格差不多。但此次51的内存足够我们使用了，因此，我们选择51系列的单片机。2.2.2 显示系统方案比较方案1：用液晶1602显示。方案2：用LED数码管显示。钟和温度的显示可以用数码管或LED，价格便宜。而且LED数码管能显示简单的设计的系统，与我们设计要求相符，因此我们选择方案2。2.2.3 键盘控制方案的选择方案1：购买集成键盘，采用矩阵形式连接。方案2：购买单个复位开关做成键盘。虽然集成键盘美观，与单片机的接口少，但是它的成本比较高。单片机的IO口对于我们的设计绰绰有余。通常我们选用价格便宜单个复位开关做成键盘。在本系统的电路设计方框图如图2.1所示，它由三部分组成:控制部分主芯片采用单片机AT89C51；显示部分采用LED数码管实现时钟显示；时钟调节部分使用按键来控制；微型控制器时钟电路按键调时数据显示图2.1 系统总原理图2.3 元件清单，电子钟元件清单如表1所示表1电子钟元器件清单元件名称规格型号数量（个）单片机AT89C511时钟芯片DS130216位一体的共阴LED显示器7SEG-MPX6-CC-BLUE1晶振12MHz2电容30pF2电容22F1按键BUTTON6电阻3001电阻1K1LED灯LED-RED1排阻RESPACK-81第三章 系统硬件设计3.1 单片机控制系统本次智能仪器设计时钟电路，使用了ATC89C51单片机芯片控制电路和单片机DS1302时钟芯片，单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路，使得电路简明易懂，使用键盘键上的按键来调整时钟的时、分、秒，年、月、日同时使用汇编语言程序来控制整个时钟显示，使得编程变得更容易，这样通过三个模块：键盘、芯片、显示屏即可满足设计要求。3.2 各部分功能的实现3.2.1 控制部分（AT89C51）单片机采用51系列单片机。由ATMEL公司生产的AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K 在系统可编程Flash 存储器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业MCS-51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89C51具有以下标准功能： 4k字节Flash，128字节RAM，8 位双向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。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。而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。AT89C51单片机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。3.2.2 DS1302时钟芯片DS1302为达拉斯公司的一种实时时钟芯片，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。3.2.3 单片机最小系统单片机最小系统主要由复位电路，晶振电路，电源等几部分组成。1. 复位电路复位电路有两种方式：上电复位和按钮复位，我们主要用按钮复位方式。如图3 .1所示。 图3.1 复位电路2. 晶振电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。选取原则：电容取30PF，晶振为12MHz 图3.2 晶振模块原理图3. 电源AT89C51单片机的供电电源是+5V的直流电4. EA非/Vpp 脚我们没有用外部扩展ROM,因此EA非/Vpp为高电平，即接+5V电源。如图3.3所示。图3.3 EA脚电路图3.2.4 键盘控制系统的设计按键需要5个，分别实现为时间、日期调整，时间、日期的加和时间、日期的更换等功能。用单片机的5个I/O口接收控制信号，其电路如图3.4所示：图3.4 按键调时电路通过控制键来控制所要调节的是时、分、还是秒。在控制键按下后LCD中会在相应的位置出现光标，这时在通过加数键或减数键来控制时分秒的加或减。3.2.5 LED显示电路图3.5 显示电路 第四章 系统软件设计4.1 软件主要完成功能（1）显示时间程序用软件调节时间，通过程序的调节，最后用LED数码管实现时钟（2）调节时间程序按键调节时间，能实现时、分、秒，年、月、日的调节4.2 程序设计首先分配地址空间，并对程序进行初始化。然后对按键动作进行判断，如果P2.3按下，显示日期，此时若有调整键按下，则对日期进行调整，此时定时器仍在工作，只是不显示当前时间；循环定时，秒加1，并判断秒是否到了60，若到了秒清零，分加1，若不到，返回继续循环。同理，处理分钟和小时，处理小时时，把60换成24。24小时到了之后，DATE（日）加1，此时，需要对MONTH（月份）判断，小月时，DATE到31就进位（即记到30），大月时，DATE到32再进位（显示到31），对于2月，还要判断年份，平年到29（28天），瑞年到30（29天）。然后是月进位，年加1。4.3 软件设计的主要流程4.3.1 系统总的流程图主要功能是负责时间的显示，通过写地址和写数据来实现时间的调节和控制，最后通过调用显示子程序显示出来 如图4.1所示。图4.1 总程序流程图 程序设计流程图在下页，如图4.2所示程序开始显示日期？显示日期Y调整时间？N调整时间+日期调整日期？调整日期显示当前时间YN定时器T0开1秒到？秒加11分到？分加1.1年到？年加1NNNNYYYY图4.2 程序设计流程图4.3.2 地址分配如下SEC EQU 30H ;当前秒MIN EQU 31HHOUR EQU 32HDAY EQU 33HMONTH EQU 34HWEEK2 EQU 35HYEAR EQU 36HA_BIT EQU 20HB_BIT EQU 21HC_BIT EQU 22HD_BIT EQU 23HE_BIT EQU 24HF_BIT EQU 25HAB_BIT EQU 26H ;秒/日CD_BIT EQU 27H ;分/月EF_BIT EQU 28H ;时/年DS1302_ADDR EQU 5EHDS1302_DATA EQU 5FH4.3.3 I/O口T_RST BIT P3.2 ;实时时钟复位线引脚T_CLK BIT P3.3 ;实时时钟时钟线引脚T_IO BIT P3.4 ;实时时钟数据线引脚H_ADJ BIT P2.0 ;时/年调整M_ADJ BIT P2.1 ;分/月调整S_ADJ BIT P2.2 ;秒/日调整DT_SET BIT P2.3 ;时间/日期选择STR BIT P2.4 ;启动走时4.3.4 程序编写SEC EQU 30H ;当前秒MIN EQU 31HHOUR EQU 32HDAY EQU 33HMONTH EQU 34HWEEK2 EQU 35HYEAR EQU 36HA_BIT EQU 20HB_BIT EQU 21HC_BIT EQU 22HD_BIT EQU 23HE_BIT EQU 24HF_BIT EQU 25HAB_BIT EQU 26H ;秒/日CD_BIT EQU 27H ;分/月EF_BIT EQU 28H ;时/年DS1302_ADDR EQU 5EHDS1302_DATA EQU 5FHORG 00HAJMP MAINORG 30HMAIN: MOV SP,#64HMOV YEAR,#11H ;上电预置日期、时间MOV MONTH,#12H ;2011 12 12 09:30:00 MOV DAY,#12HMOV HOUR,#09HMOV MIN,#30HMOV SEC,#00H MAIN1: LCALL KEYJB F0,MAIN10 ;F0=1,开始走时。走时前写，不读。走时后读，不写。LCALL WR1302 AJMP MAIN2MAIN10: LCALL RD1302 MAIN2: JB 7FH，YMDMOV EF_BIT，HOURMOV CD_BIT，MINMOV AB_BIT，SECAJMP MAIN20YMD: MOV EF_BIT，YEARMOV CD_BIT，MONTHMOV AB_BIT，DAY MAIN20: MOV A，EF_BIT MOV B，#10HDIV ABMOV E_BIT，BMOV F_BIT，AMOV A，CD_BITMOV B，#10HDIV ABMOV C_BIT，BMOV D_BIT，AMOV A，AB_BITMOV B，#10HDIV ABMOV A_BIT，BMOV B_BIT，ALCALL DISPAJMP MAIN1KEY: ;按键子程序ACALL DISPKEY_SET:JB DT_SET，KEY_HACALL DISPJNB DT_SET,$-2CPL 7FHCPL P2.5 ;点亮日期设定/显示LEDAJMP RTKEY_H:JB H_ADJ，KEY_MACALL DISPJNB H_ADJ，$-2AJMP H_ADDKEY_M:JB M_ADJ，KEY_SACALL DISPJNB M_ADJ，$-2AJMP M_ADDKEY_S:JB S_ADJ，KEY_STACALL DISPJNB S_ADJ，$-2AJMP S_ADDKEY_ST:JB STR，RTACALL DISPJNB STR，$-2AJMP K_STRRT: RET H_ADD: JB 7FH，Y_ADD ;7FH为日期/时间切换键标志。1为年月日。MOV A，HOURADD A，#01HDA ACJNE A，#24H，H_ADD1MOV A，#0H_ADD1:MOV HOUR，AAJMP RTY_ADD:MOV A，YEARADD A，#01HDA ACJNE A，#20H，Y_ADD1MOV A，#0Y_ADD1:MOV YEAR，AAJMP RTM_ADD：JB 7FH，MO_ADD MOV A，MINADD A，#01HDA ACJNE A，#60H，M_ADD1MOV A，#0M_ADD1：MOV MIN，AAJMP RTMO_ADD:MOV A，MONTHADD A，#01HDA ACJNE A，#13H，MO_ADD1MOV A，#1MO_ADD1:MOV MONTH，AAJMP RTS_ADD:JB 7FH，D_ADDMOV A，SECADD A，#01HDA ACJNE A，#60H，S_ADD1S_ADD1:MOV SEC，AAJMP RTD_ADD:MOV A，DAYADD A，#01HDA ACJNE A，#32H，D_ADD1MOV A，#01HD_ADD1:MOV DAY，AAJMP RTK_STR:MOV DS1302_ADDR，#80H ;开始振荡MOV DS1302_DATA，SEC，#00HLCALL WRITEMOV DS1302_ADDR，#8EH ;禁止写入1302MOV DS1302_DATA，#80HLCALL WRITESETB F0AJMP RTWR1302: MOV DS1302_ADDR，#8EH MOV DS1302_DATA,#00H ;允许写1302LCALL WRITEMOV DS1302_ADDR,#80HMOV DS1302_DATA,#80H ;1302停止振荡LCALL WRITEMOV DS1302_ADDR,#8CH ;年写入1302MOV DS1302_DATA,YEARLCALL WRITEMOV DS1302_ADDR,#88H ;月写入1302MOV DS1302_DATA,MONTHLCALL WRITEMOV DS1302_ADDR,#86H ;日写入1302MOV DS1302_DATA,DAYLCALL WRITEMOV DS1302_ADDR,#84H ;时写入1302MOV DS1302_DATA,HOURLCALL WRITEMOV DS1302_ADDR,#82H ;分写入1302MOV DS1302_DATA,MINLCALL WRITEMOV DS1302_ADDR,#82H ;秒写入1302MOV DS1302_DATA,MINLCALL WRITERETWRITE: CLR T_CLKNOPSETB T_RSTNOPMOV A,DS1302_ADDRMOV R4,#8WRITE1:RRC A NOPNOPCLR T_CLKNOPNOPNOPMOV T_IO,CNOPNOPNOPSETB T_CLKNOPNOPDJNZ R4,WRITE1CLR T_CLKNOPMOV A,DS1302_DATAMOV R4,#8WRITE2: RRC ANOP CLR T_CLKNOPNOPMOV T_IO,CNOPNOPNOPSETB T_CLKNOPNOPDJNZ R4,WRITE2CLR T_RSTRETRD1302:MOV DS1302_ADDR,#8DH LCALL READMOV YEAR,DS1302_DATAMOV DS1302_ADDR,#8BH LCALL READMOV WEEK2,DS1302_DATAMOV DS1302_ADDR,#89H LCALL READMOV MONTH,DS1302_DATAMOV DS1302_ADDR,#87H LCALL READMOV DAY,DS1302_DATAMOV DS1302_ADDR,#85H LCALL READMOV HOUR,DS1302_DATAMOV DS1302_ADDR,#83H LCALL READMOV MIN,DS1302_DATAMOV DS1302_ADDR,#81H LCALL READMOV SEC,DS1302_DATA RET READ: CLR T_CLKNOPNOPSETB T_RSTNOPMOV A,DS1302_ADDRMOV R4,#8 READ1: RRC AMOV T_IO,CNOPNOPNOPSETB T_CLKNOPNOPNOPCLR T_CLKNOPNOPDJNZ R4,READ1MOV R4,#8 READ2: CLR T_CLKNOPNOPNOPMOV C,T_IONOPNOPNOPNOPNOPRRC ANOPNOPNOPNOPSETB T_CLKNOPDJNZ R4,READ2MOV DS1302_DATA,ACLR T_RSTRETDISP: MOV A,A_BIT MOV DPTR,#TABMOVC A,A+DPTR MOV P0,A CLR P1.2 ACALL D1MS SETB P1.2MOV A,B_BIT MOVC A,A+DPTR MOV P0,A CLR P1.3 ACALL D1MS SETB P1.3MOV A,C_BIT MOVC A,A+DPTR MOV P0,ASETB P0.7 CLR P1.4 ACALL D1MS ;显示1msSETB P1.4MOV A,D_BIT MOVC A,A+DPTR ;MOV P0,A CLR P1.5 ACALL D1MS ;显示1msSETB P1.5 MOV A,E_BITMOVC A,A+DPTR ;MOV P0,ASETB P0.7 CLR P1.6 ACALL D1MS ;显示1msSETB P1.6MOV A,F_BIT MOVC A,A+DPTR ;MOV P0,A CLR P1.7 ACALL D1MS ;显示1msSETB P1.7RET ;1MS延时(按12MHZ算)D1MS: MOV R5,#2MOV R6,#250DJNZ R6,$DJNZ R5,$-4RETTAB: ;共阴DB 03FH ;0DB 006H ;1DB 05BH ;2DB 04FH ;3DB 066H ;4DB 06DH ;5DB 07DH ;6DB 007H ;7DB 07FH ;8DB 06FH ;9END4.3.5 误差分析在调试运行过程中，在所有参数正确的情况下，我的结果仍出现运行缓慢情况。产生误差的主要原因是我们用软件计时，计时1秒是采用定时器的中断服务程序。当电子钟运行1秒，执行中断程序需要一定时间，这个时间就是所产生的误差，这个误差是不可避免的。同时,单片机工作也会受到环境的影响，比如温度、湿度，以及其它电子设备的干扰。因此，应该让电子钟工作在适度温度、干燥和电子干扰较少的环境下，还有一种方法就是采用实时时钟芯片，这样可以使误差降低到最少。第五章 仿真演示经过硬件及软件的综合设计之后，LED显示的电子时钟功能即完成。并能够通过LED数码管显示数字。按照上文所说的思路，利用汇编语言进行编程，通过KEIL软件调试编译后，生成*.hex文件，即可用PROTEUS软件仿真。仿真原理电路如5.1所示，仿真后效果如图5.2所示。图5.1 实验Proteus仿真图 图5.2 实验PROTEUS仿真效果图第六章 设计总结经过两周的努力，本次课程设计的任务基于单片机控制LED数码管显示的电子时钟的设计已经完成。众所周知，单片机是自动化工程专业的一们重要的课程，也是当今电子行业的重要分支之一，应用范围之广，普遍程度之高大家有目共睹，所以学好单片机对于我们专业的学生来说至关重要，甚至直接关系到日后的就业。正因为这重要性才需要我们去实践，去锻炼