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机械毕业设计
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电子钟课程设计,机械毕业设计
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1 第 1 章 电子钟总体方案的确定 1.1 电子钟的主要功能 本次设计的简易电子钟具备以下功能 : 键盘功能 :共有 5个按键 ,包括 : A键： 时间启动 /暂停 B键： 时加 1（显示范围 00 23） C键： 分加 1（显示范围 00 59） D键： 秒加 1（显示范围 00 59） RESET键： 复位键 时钟显示 :8位 LED 数码管从左到右依次显示时的十位、时的个位，分的十位、分的个位，秒的十位、秒的个位，毫秒的百位、毫秒的十位。采用24小时计时， 24小时后显示零时、零分、零秒、零毫秒。 1.2 芯片选择方案论证 表 1.1MCS-51 系列单片机分类表 子 系 列 片内 ROM 形式 片 内ROM 容 量 片 内 RAM 容 量 寻址 范围 I/O 特性 中 断 源 无 ROM EPROM 计数器 并行口 串行口 51 子 系 列 8031 8051 8751 4KB 128K 64 KB 2X 16 4X 8 1 5 80C51 80C51 80C71 4KB 128K 64 KB 2X 16 4X 8 1 5 52 子 8032 8052 8752 8KB 256B 2X 64KB 3X 16 4X 8 1 6 nts 2 系 列 80C32 80C52 87C52 8KB 256B 2X 64KB 3X 16 4X 8 1 6 由表中可以看出 MCS-51 有两个系列，其中 51 子系列为基本型， 52 为增强型。 这次我选用的是 52 系列的 89S52， 1.3 键盘显示方案论证 该多功能电子表的电路图大体由单片机、键盘显示接口电路、时钟电路和复位电路构成，在方案设计选择时多体现在键盘显示接口电路的不同，因此我们现在主要讨论键盘显示电路不同时的方案。 在单片机应用系统中，同时需要使用键盘与显示器接口时，为了节省 I/O口线， 常常把键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示电路。键盘显示接口电路的设计可采用多种方法，在此有以下几种方案可供选择。 1.3.1 8155 扩展 I/O 口的键盘、显示接口 单 片 机键 盘 电 路显 示 电 路8 1 5 5图 1.1 8155 扩展 I/O 口的键盘、显示接口 原理框图 8155 芯片内具有 256 个字节 RAM、 2 个 8 位、 1 个 6 位的可编程 I/O 口和1 个 14 位计数器，与 MCS-51 单片机接口简单，是单片机系统中广泛使用的芯片。在学习中，我们对这个芯片比较熟悉，但由于键盘与显示做成一个接口电路，因此 在软件设计中合并考虑键盘查询与动态显示、键盘消抖的延时子程序用显示程序代替，且有该芯片扩展的动态显示、软件译码，占用 CPU 时间过多，原理框图如图 1.1。 1.3.2 8279 键盘、显示器接口 8279 是 Intel 公司为 8 位处理器设计的通用键盘 /显示器接口芯片，其功能是：接收来自键盘的输入数据并作预处理，并可以完成数据显示的管理和数据显示器的控制。单片机采用 8279 管理键盘和显示器，软件编程极为简单，显示nts 3 稳定，且减少了主机的负担。原理框图如图 1.2： 单 单 单 8 2 7 9键 盘 电 路显 示 电 路图 1.2 8279 键盘、显示器接口 原理框图 8279 是专用键盘、显示控制芯片，能对显示器自动扫描；能识别键盘上按下键的键号，可充分提高 CPU 工作效率，且其与 MCS-51 接口方便，由它构成的标准键盘、显示接口在单片机应用系统中愈来愈广泛。 1.3.3 简单的键盘、显示器接口 MCS-51 单片机应用系统中，当不用作串行通讯时，可用来扩展并行 I/O 口。用于键盘接口时，使用并行输入、串行输出移位寄存器 74LS244；显示器接口时，使用串行输入、并行输出移位寄存器 74LS244，每接一片 74LS244 可扩展一个 8 位并行输出口，用以连接一个 LED 段先口作静态显示或键盘中的 8 根列线使用。原理框图如图 1.3： 单 片 机口0 口口位 控 口段 控 口键 盘 电 路LED数码管7 4 L S 2 4 47 4 L S 2 4 4图 1.3 方案三原理框图 本方案采用 74LS244 驱动 LED 数码管，相对前两个方案，不仅电路简单，而且编程也十分简单。因此我这次采用这个方案。 nts 4 第 2 章 简易电子钟工作原理 2.1 实现时钟计时的基本方法 该电子钟是使用单片机（本设计使用 AT89S52）通过软件编程来实现控制。软件编程实现定时及计数 ,这些 功能主要是因为它内部的定时器与工作过程中所能实现的中断服务。 2.1.1 计数初值计算 把定时器 0 设为工作方式 1，定时时间为 125mS，则计数溢出 8 次即得时钟计时最小单位秒，而 8次计数可用软件方法实现。 假设使用 T/C0，方式 1， 125mS定时， fosc=6MHz。 则初值 X满足（ 216-X） 2 s=125000 s X=6070 1011110110110 0BDCH 采用中断方式进行溢出次数累计 ,计满 8次为秒计时（ 1秒）； 从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比较实现。 2.2 简易电子钟的时间显 示 该 简易电子钟 采用独立式按键， 6 位 LED 显示，由按键根据各键的功能不同产生相应的中断，从而使 LED 数码管显示不同的内容，从而完成它的功能。电子钟的时间在六位数码管上进行显示，因此，在内部 RAM 中设置显示缓冲区共 6个单元。 LED5 LED4 LED3 LED2 LED1 LED0 35H 34H 33H 32H 31H 30H 显示缓冲区从左至右依次存校时，分、秒的数值。 2.3 TMOD 计时模式选择寄存器 表 2.1 指令各位的定义 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B1 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 定时器 1 定时器 0 nts 5 有关符号说明如下： GATE：定时器动作的饿开关控制位，当 GATE=0时，定时器在 TR0=1 或 TR1=1时会工作，而当 GATE=1 时，且 TR0=1 或 TR1=1，定时器在 INT0 或 INT1 引脚成为高电平时才执行计时工作。 C/T：计时功能或计数功能的选择位， C/T=0 执行计时工作，而 C/T=1 时才执行急数的功能。 M0、 M1：工作模式选择，其设置情况说明如下表所示 。 表 2.2 工作模式设置说明 2.4 中断启用寄存器 可按为寻址，地址 A8H，用来启用各种中断信号的产生，各个位列表如下： 表 2.3 中断信号位列表 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 EA ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 其中的有关符号说明如下： EA： EA=0时，所有中断禁用； EA=1时，各中断的产生由个别的启用为决定。 ET2：启用定时器 2溢位的中断 ES：启用串行端口 的中断 ET1：启用定时器 1的中断 EX1：启用外部中断 INT1的中断 ET0：启用定时器 0中断。 EX0：启用外部中断 INT1的中断 因此我们用指令 MOV IE， 82H来控制中断。 2.5 简易电子钟的启、停及时间调整 M1 M0 工作模式 0 0 模式 0 0 1 模式 1 1 0 模式 2 1 1 模式 3 nts 6 简易电子钟设置 4个按键通过程序控制来完成电子钟的启、停及时间调整。 A键控制电子钟的启、停； B键调整时； C键调整分； D键调整秒。 nts 7 第 3 章 单元电路的设 计 3.1 半导体直流稳压电源的设计 3.1.1 直流稳压电源组成 直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组 成，基本电路框图如图 3.1 所示。 交流电源 变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路 图 3.1 直流稳压电源基本电路框图 电源变压器 电源变压器的作是将电网 220V的交流电压 V1变换成整流滤波电路所需要的交流电压 V2。变压器副边与原边的功率比： P2/P1= 式中，为变压器的效率。 整流滤波电路 整流二极管 D1 D4 组成单相桥式整流电路，将交流电压 V2 变成脉动 的直流电压，再经滤波电容 C 滤除纹波，输出直流电压 Vi。 Vi 与交流电压 V2 的有效值 V2的关系为 Vi=(1.1 1.2)V2 每只整流二极管承受的最大反向电压 稳压电路 调整管 T1 与负载电阻 RL 相串联 ,组成串联式稳压电路 .T2 与稳压管 DZ 组成采样比较放大电路 ,当稳压器的输出负载变化时 ,输出电压 V0 应保持不变 ,稳压如下 :设输出负载电阻 RL变化 ,使 V0,则 VB2 VC2 IB1 VCE1 VO 3.1.2 集成直流稳压电源的设计 nts 8 集成稳压电源设计的主要内容是根据性能指标 ,选择合适的电源变压器、集成稳压器、整流二极管及滤波电容。 集成稳压器 常见集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。 可调式三端稳压器能输出连续可调的直流电压。其中 CW317系列稳压器输出连续可调的正电压，这是我这次选用的，其图见附录 (2).CW337 系列稳压器输出连续可调的负电压。稳压器内部含有过流、过热保护电路。 R1 与 RP1组成电压 输出调节电路，输出电压 V0 1.25（ 1+RP1/R1） R1的值为 120 240，流经 R1的泄放电流为 5mA 10mA。 RP1 为精密可调电位器。电容 C2 与 RP1并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管D的作用是防止输出端与地短路时，损坏稳压器。 集成稳压器的输出电压 VO与稳压电源的输出电压相同。 稳压器的最大允许电流 IcmIomax 整流二极管及滤波电路 整流二极管 D2 的反向击穿电压 VRM 应满足 VRM 1.414V2，其额定工作电流应满足 IFIomax。 nts 9 3.1.3 主要元件参数的计算 选集成稳压器，确定电路形式 根据设计任务书上的性能指标要求，我们选可调式三端稳压器 CW337，其特性参数 Vo=1.2V 37V,最大输入、输出压差（ Vi-Vo） max=40V。组成的稳压电源电路如图 1.2.2 所示。由 V0 1.25（ 1+RP1/R1）得 Vo=1.25(1+RP1/R1),取 R1=240，则 RP1min=336， RP1=1.49K ,故取 RP1 为 4.7K精密线绕可调电位器。 选电源变压器 由 Vomax+(Vi-Vo)min Vi Vomin+(Vi-Vo)max 式可得输入电压 Vi 的范围为 Vomax+(Vi-Vo)min Vi Vomin+(Vi-Vo)max 15V+3V Vi 1.5V+40V 18V Vi 41.5V 副边电压 V2 Vimin/1.1=18/1.1V,取 V2=18V，副边电流 I2Iomax=0.8A,取I2=1A，则变压器副边输出功率 P2 I2V2 =18W。 选整流二极管及滤波电容 整流二极管 D 选 IN4001，其极限参数为 VRM 50V， IF=1A，满足 VRMV2,IF=Iomaxr的条件。 滤波电容 C可由纹波电压 Vopp和稳压系数 Sv来确定。 已知， Vo=15V,Vi=12V, vopp=5mA,Sv=0.0003.则电容 C 的耐压应大于V2=15.4。故取 2只 2200F/25V的电容相并联， 3.2 时钟电路 作用：它是用于产生单片机工作所需要的时钟信号。 原理：在 AT89S52 内部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚 XTAL2。而在芯片的内部， 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。如图 3.2、 3.3所示。 nts 10 图 3.2 时钟振荡电路 时钟电路产生的振荡脉冲之间经过触发器的二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。 一般的电容取 30pF 左右，晶体振荡器取 1.2 至 12MHZ。晶体振荡器频率越高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也快。我们这次取 6MHZ。 机器周期： MCS-51 采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期，规定一个机器周期的宽度为 6 个状态，一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共为 12 个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的十 二分频。由于我们采用 6MHZ 的频率，所以机器周期为 2 S。 3.3 复位电路 单片机的复位电路都是靠外部的电路实现的，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现 10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位。 寄存器的复位状态 单片机在 RESET 引脚有效电平控制下，程序计数器和特殊功能寄存器的复位状态如表 3.1 所示，单片机的复位状态不影响片内 RAM 状态，只要 RESET 引脚端保持高电平，单片机将不断复位。在复位期间， ALE， /PSEN输出高电平 . 表 3.1 程序计数器和特殊功能寄存器的复位状态 nts 11 PC 0000H TMOD 00H ACC 00H TCON 00H B 00H TH0 00H PSW 00H TL0 00H SP 07H TH1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0P3 *00000B TL1 00H IP 0*00000B SCON 00H IE 0*00000B PCON 0*0000B 原理 :单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式 .最简单的复位电路如图 3.3所示 ,上电瞬间 ,RC电路充电 ,RESET 引脚端出现正脉冲 ,只要 RESET 端保持 10ms以上高电平 ,就能使单片机有效复位 .在实际的应用系统中 ,有些外围芯片也需要复位 .如果这些芯片的复位要求与单片机复位要求一样 ,则可以与之相连 . 在图 3.3 的上电复位电路中 ,干扰易串入复位端 ,在大多数情况下不会造成单片机的错误复位 ,但会引起内部某些寄存器错误复位 ,这时 ,可以在 RESET 引脚上接一去耦电容 . 在应用系统中 ,为了保证复位电路可靠地工作 ,常将 RC 电路在接史密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端 .这样 ,系统有多个复位端时 ,能保证可靠地同步复位 . 我们选 C为 22 F,R取 1K欧姆 ,Rs取 200左右 . 按键复位电路的原理：没有按键时，在接电瞬间， RESET 端的电位和 VCC相同，随着充电电流的减少， RESET的电位逐渐下降。 若要复位，我们只需按下键即可，此时电源 VCC经电阻 R1， R2分压，在 RESET端产生一个复位 nts 12 图 3.3 上电与复位电路 3.4 按键和显示电路 3.4.1 按键电路 按键的作用：我们为了控制单片机的运行，例如要让它突然停止、实行其他的功能，就必须要使程序停止或转到其它的功能程序，为了达到这个目的，我们就需要用到按键，再用键扫描程序 及判键指令判断。 按键的物理特性：我们用到的按键都是利用机械触点的合、断作用。一个电压信号通过机械触点的闭合、断开作用，在闭合及断开瞬间会有抖动过程，会出现一系列负脉冲。抖动时间的饿长短，与开关的机械特性有关，大约为 10ms左右，因此为了保证 CPU 对按键的判断，就需要去除抖动影响。 去抖动的措施：一般有硬件和软件两种，硬件是用 R-S 触发器或单稳态电路构成的硬件去抖动电路。软件则是在检测到有键按下时，执行一个 10ms 的延时程序后再确定是否仍为高电平，如保证闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响 。 按键的方式：有独立式和行列式两种。我们这次采用的是前种。 独立式按键的结构：其是指直接用 I/O 口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根 I/O 口线，每根 I/O 口线上的按键工作状态不会影响其他 I/O 口线上的工作状态。我们采用查询方式电路，通常按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时， I/O 口线有确定的高电平。 P0 口内部有nts 13 上拉电阻，不需要上拉电阻，而其他的三个要上拉电阻。 键盘的工作方式：有编程扫描方式、定时扫描方式、中断扫描方式。独立式按键有查询和中断方式两种。 3.4.2 显示电路 LED显示器的结构与原理 LED 显示器由七个发光二极管组成，因此也称之为七段 LED 显示器，其排列形状 如图 3.5所示，此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以 dp表示），用于显示小数点。通过七段发光二极管的不同组合，可以显示多种数字、字母或者其他符号。 LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法 共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5V。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则 不点亮。 共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。 七段发光二极管，再加上一个小数点，共计 8段。因此提供给 LED显示器的字型代码正好一个字节。采用 LED 显示器。 LED 显示器由七个发光二极管组成，本设计采用共阴极接法。显示方式采用动态显示方式。原因在于：静态显示方式要求口线多，占用资源多，成本就高，而动态显示方式，电路简单、节省口线、 abfcgdeD P Y76421910abcdefg5dpdp83G N DP 1. 0P 1. 1P 1. 2P 1. 3P 1. 4P 1. 5P 1. 6P 1. 7P 3. 3A T 89 C5 2510510510510510510510510+5S?S W -P B+5nts 14 图 3.5 LED 显示器 电路 静态显示 LED 静态显示：所谓静态显示，是指显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。这种显示方法每一位都需要有一个 8 位输出控口控制。静态显示时，较小的驱动电流就可以得到较高的显示亮度，所以可由接口芯片直接驱动。并行输出显示位数越多需要 I/O 口越多。该方案占用传输实现静态显示，显示亮度有保证，但硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，比较适合于并行口资源较少的场合。 动态显示 8155 口扩展， LED 动态显示：该方案硬件连接简 单，但动态扫描的显示方式需占用 CPU 较多的时间，在单片机没有太多的实时测控任务的情况下可以采用。 因为这次的设计不是很复杂，所以采用的是动态显示，但我在 LED 数码管前面加了驱动电路，使 I/O 口的负荷不会超载，这样即没有前面两者的缺点，却有其优点。 当显示器位数较多时，可以采用动态显示。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器的各个位（扫描）。对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉，我们看到的动是多个字符“同时 ”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。该设计中采用的是动态显示。 nts 15 第 4 章 主要芯片介绍 4.1 AT89S52 芯片 AT89S52 是一个低功耗 ,高性能 CMOS 8 位单片机 ,片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000次的 Flash只读程序存储器 ,器件采用 ATMEL 公司的高密度、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 ,芯片内集成了通用 8位中央处理器和 ISP Flash存储单元 ,功能强大的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S52具有如下特点： 40个引脚 ,8k Bytes Flash 片内程序存储器 ,256 bytes的随机存取数据存储器（ RAM） ,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。 AT89C52单片机为 40引脚芯片如图 7.1 所示： 引脚信号介绍： P00 P07 P0口 8位双向口线 P10 P17 P0口 8位双向口线 P20 P27 P0口 8位双向口线 P30 P37 P0口 8位双向口线 ALE 地址锁存控制信号：访问外部程序存储器时，锁存 低 8 位地址的输出脉冲。在一般情况下， ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。 /PSEN外部程序储器选通信号：当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时， /PSEN在每个及其周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时， /PSEN将不被激活。 /EA访问程序存储器控制信号：为了能从 0000H到 FFFFH的外部程序存储 器读取指令， /EA必须接 GND。为了执行内部程序指令， /EA也应该接 Vcc。 XTAL1和 XTAL2振荡器反相放大器的输入端和输出端。 图 4.1 AT89C52 芯片配置 nts 16 VSS：地线 VCC： +5V电源 此外 ,AT89S52 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。同时该芯片还具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC等三种封装形式 ,以适应不同产品的需求。 主要功能特性 如下： 表 4.1 AT89S52 芯片的主要功能和特性 兼容 MCS-51指令系统 8k可反复擦写 (1000次） ISP Flash ROM 32位 双向 I/O口 线 4.5-5.5V工作电压 3个 16位可编程定时 /计数器 时钟频率 0-33MHz 全双工 UART 串行中断口线 256x8bit内部 RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（ WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的 ISP 字节和分页编程 双数据寄存器指针 4.2 74LS244 芯片 常用的单向总线驱动器有 74LS240（带反向输出）、 74LS241 和 74LS244。如图 4.2 为它的外部管脚图。它由 8 个三态线驱动器分成两组，分别由 G1G2 控制。 该芯片内部有 2个 4位的三态缓冲器，一片 74LS244 可以扩展一个 8 位输入口，使用时以 /CE 作为数据选通信号。nts 17 第 5 章 软件设计 5.1 单片机硬件资源及地址的分配 5.1.1 硬件资源分配 采用了定时 /计数器 T0 中断 P1.0P1.3 为键盘输入端 P0 口用作七段数码管的段控口 P2 口用作七段数码管的位控口 5.1.2 按键设定 K1键 (启动 /设置 )接 P1.0 K2键 (时加 1)接 P1.1 K3键 (分加 1)接 P1.2 K4键 (秒
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