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电气电子毕业设计论文
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毕业设计21大学论文60秒旋转电子钟设计,电气电子毕业设计论文
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目 录 第 1 节 引 言 1 1.1 电子钟概述 1 1.2 设计任务 1 1.3 系统主要功能 2 第 2 节 电子钟硬件设计 3 2.1 系统的硬件构成及功能 3 2.2 AT89C2051 单片机及其引脚说明 3 2.3 60 秒旋转译码驱动原理 5 2.4 时分显示部件 7 2.5 60秒旋转电子钟材料清单 10 第 3 节 系统软件设计 11 3.1 系统主程序设计 11 3.2 定时计数中断程序设计 12 3.3 时间调整或定闹设置程序设计 13 第 4 节 系统调试与测试结果分析 14 4.1 使用的仪器仪表 14 4.2 系统调试 14 4.3 测试结果 14 4.4 测试结果分析 14 4.5 系统误差处理 15 第 5 节 结束语 16 参考文献 17 附录 18 nts新颖 60 秒旋转电子钟 第 1 节 引 言 目前市场上的机械钟或石英钟在晚上无照明的情况下都是不可见的。要知道当前的时间，必须先打开灯，这样就比较不便。现在市场上也出现了以六只 LED数码管来显示时分秒的电子钟，它与传统的以指针来显示秒的方式不同，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，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，有效的克服了时钟存在误差问题，并能在夜间不必其它照明就能看到时间，且以 60 只发光二极管实现秒显示，并能发出嘀哒嘀哒声，用户容易接受，而且美观大方，更具实用性。 1.1 电子钟概述 本次实验设计的电子钟为新颖的 60秒旋转电子钟，它采用 LED 显示器件显示电子时钟，有效地克服了时钟误差；它采用数码管显示时间解决了夜间照明的困难， 在 7 点以前和 21 点以后数码显示管的亮度会变暗，进入节能状态，从而实现节能的功效；它以 60 只发光二极管实现秒显示，走动时能发出嘀哒声；它具有一天实现两次闹铃的功能，并可通过手工更改二次闹铃的时间， 停闹无须手工操作，该设计中 13 秒后就会自动返回 。 1.2 本设计任务 设计一款基于 AT89C2051 单片机的电子钟。 1、基本要求 （ 1） 用 4 只 LED 数码管输出显示时和分。 （ 2） 可通过按键设置闹钟功能，且停闹无须手工操作。 （ 3） 可通过按键设置分校时。 （ 4） 月计时误差小于 45 秒。 （ 5） 写出详细的设计报告。 （ 6） 给出全部电路和源程序。 nts2、发挥部分 （ 1） 用 60 只 LED 发光管旋转显示，模拟“秒针”的行走。 （ 2） 模拟“秒针”行走的“嘀哒”声。 （ 3） 增加停（掉）电保护功能。 （ 4） 增加室温检测和显示功能（可与时间交替显示）。 （ 5） 增加红黄绿三色变色装饰。 （ 6） 提高计时精度，使年计时误差小于 30 秒。 （ 7） 增加日自动校准功能，使得该电子钟“永无误差”。 （ 8） 可通过按键设置一天两闹（比如早晨、中午各一次）。 1.3 系统主要功 能 电子钟的外观 ,周边 60只发光二极管顺时旋转来显示秒，中间四只 LED数码管用于显示小时和分钟，三个按键分别控制电子钟的复位，定闹和调时。 其主要功能有：整点报时，根据时间的数字进行该数字次数的报时；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。，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。数码管下方两个按键分别用来设置闹铃 1和闹铃 2；还有一个按键是用来复位使用的，按一下可以回到，原来的初值时 间。 nts 2 节 电子钟硬件设计 2.1 系统的硬件构成及功能 电脑钟的原理框图如图 2所示。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，以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：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 停电时正常走时。正常情况下电池是不提供电能的，以保证电池的寿命。具体电路参见“ 新颖的 60秒旋转电子钟参考电路原理图”。 AT89C2051时 间 显 示 ( 时 , 分 )显 示 驱 动6 0 秒 旋 转 译 码 驱 动 电 路电 源图 2 电子钟系统原理框图 2 2 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，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，与ntsIntel 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，因此， 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，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。 图 3 AT89C2051 引脚配置 图 4 CD4017引脚图 AT89C2051芯 片的 20个引脚功能为： 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 P1.2 P1.7 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，并能直接驱动 LED 显示器；CD4017 ntsP1 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 P3.0 P3.5 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。 P3口引脚 特殊功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 （外部中断 0） P3.3 （外部中断 1） P3.4 T0（定时器 0外部输入） P3.5 T1（定时器 1外部输入） 表 1 P3口特殊功能 2 3 60 秒旋转译码驱动原理 按常规传统设计，需 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。为此，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 5为 CD4017 功能引脚及时序图。 nts 图 5 CD4017引脚、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 Q0 Q9；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，因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， CD4017 计数器中各计数单元输出低电平“ 0”，仅 在译码器中只有对应“ 0”状态的输出端 Q0为高电平。 为实现对发光二极管的驱动，将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 Q0 Q9 中任一端口为高电平，则对应的发光二极管点亮，如图 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 5（左）电路进一步简化为如图 5（右）所示，从而简化电路设计。 图 6 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nts光二极管，若用上述的 6 片 CD4017 实现驱动，显然电路复杂。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 6 10=60的功能，具体连接方法如图 7 所示。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 6 10矩阵。根据 CD4017时序特点，在初始状态，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 Q0 Q9依次输出高电平后，则对应的二极管 LD1 LD10 依次点亮；此后由于 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 Q0 Q9依次输出高电平后，二极管 LD11 LD20 依次点亮。如此往复，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。 图 7 发光二极管“ 纵横双译码” 循环点亮原理图 2 4 时分显示部件 由于系统 要显示的内容比较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。 LED 有共阴极和共阳极两种。如图所示。 二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，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） a g，另一个小数nts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。 LED数码管结构原理图： f e d c b a g e d com c dp 符号和引脚 g f com a b 高电平驱动 共阴极 低电平驱动 共阳极 nts 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。本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的轮换。从 LED 数码管结构原理图可知，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关系如表： 表 2 各段码位的对应关系 段码位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 显示段 dp g f e d c b a 需说明的当用数据口连接 LED 数码管 a dp 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，如上表所示， LED 数码管显示的十六制数和空白字符与 P的显示段码。 表 3 LED显示段码 字型 共阳极段 共阴极段 字型 共阳极段 共阴极段 0 C0H 3FH 9 90H 6FH 1 F9H 06H A 88H 77H 2 A4H 5BH B 83H 7CH 3 B0H 4FH C C6H 39H 4 99H 66H D A1H 5EH 5 92H 6DH E 86H 79H 6 82H 7DH F 84H 71H 7 F8H 07H 空白 FFH 00H 8 80H 7FH P 8CH 73H 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，拉电流能力弱的特 点，选用共阳数码管。将 AT89C2051 的 P1.0 P1.7 分别与共阳数码管的 a g 及 dp 相连，高电平nts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 11000000，数码管显示的字符为 0。 数码管显示器有两种工作方式，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要解决多位 LED 数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的通过 P1 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，因此，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。在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。在本系统中，字位线的选通与否是通过 PNP三极管的导通与截止来控制，即三极管处于“开头”状态。 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。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，这样就形成了两个自然的闪烁点。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。 2 5 60 秒旋转电子钟材料清单 表 4 系统中所用到的器件 名称 名称 数量 单片机 AT89C2051 1 数字集成芯片 CD4017 2 数字集成芯片 CD4096 1 超高亮数码管 共阳 尺寸 0.5inch 4 高亮发 光二极管 3 红、透明 13 高亮发光二极管 3 绿、透明 50 普通二极管 IN4001 4 普通二极管 IN4148 2 nts稳压二极管 C4V7(4.7V) 1 三极管 9012 5 三极管 9013 1 轻触按键 小（尺寸 6*6mm） 3 蜂鸣器 5V 1 晶振 6M 1 底座 14 脚 1 底座 16 脚 2 底座 20 脚 1 底座 40 脚 1 电阻 220 欧姆 8 电阻 4.7K 5 电阻 100 欧姆， 1/161/8 瓦 1 电阻 10K， 1/161/8 瓦 4 电阻 270 欧姆， 1/161/8 瓦 1 电容 100 微法 /25 伏 2 电容 220 微法 /25 伏 1 电容 30P 瓷片 3 电容 104（ 0.1 微法） 3 变压器 5V/100MA 1 电源线 红黑各一条 50CM 1 固定脚 铜 3 套 PCB 线路 直径 11.5 1 第 3 节 系统的软件设计 本系统的软件系统主要可分为主程序、定时计数中断程序、时间调整或定闹设置程序三大模块。在程序设计过程中，加强了部分软件抗干扰措施，下面对部分模块作介绍。 3 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。 nts 时间显示、等待定时中断 定闹时间到了吗？ 是 是 是 否 否 否 是 否 时间调整子程序 初始化数据 整点时间吗？ 设置定闹吗？ 调整时间吗？ 定闹设置子程序 发“嘟”一声 闹铃 1 分钟 定时器中断初始化 nts 3.2 定时计数中断程序设 nts中断程序（如图 10所示）完成时间计数，时间调整，误差消除等功能。中断采用 AT892051内部 T0中断实现，定时时间为 125ms，当时间到达 125ms 8，即 1 分钟时，分计数缓冲器 MINBUFFER 增加 1 小时，则时计数缓冲器和时 计数缓冲器分别到达 60min、 24h时，则对它们清零，以便重新计数。 3.3 时间调整设计 秒指针步进一次 否 是 否 定时器中断 是否整分？ 是否到 1 秒？ 整分旋转复位 调整当前时分 积累误差消除 整点报时否？ 整点报时 中断返回 是是 否 图 10 定时中断程序 nts时间调整设计，完成时间分的加 1 功能，根据 P3.2 变化“ 0”或“ 1”来判断是来进行时间的调整。采用定时器 1，进行 100ms计时，用于调整时间。 图 11 时间调整子程序 P3.2 为“ 0” 进入中断程序 设计定时计数器 0 100ms 计时 100ms 到了？ 存储当前次的 KEYNUMT1 的值 KEYNUMT1 是否与上次不同同 时间调整，调用子程序分加 1 P3.2 为 ”1” 退出循环 是 否 是 否 nts 第 4 节 系统调试与测试结果分析 4.1 使用的仪器仪表 数字万用表 DT9203 单片机仿真器 WAVE6000 烧写器 GF2100 双踪稳压稳流电源 DH1718E-5 数字示波器 TDS1002 4.2 系统调试 根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：键盘显示模块，锁相环 CD4046 输出调试，地址累加发生器的调试，等，最后将各模块组合后进行整体测试 。 4.3 测试结果 测试结果应该从两方面来看： 第一方面，就是硬件测试，看看焊接好这些电子器件是否正确。通过万用表对电路板上焊接 完成的各个器件正进测量，看看这些器件的电压值是否正常。硬件测试的结果为正常 第二方面，就是软件测试，在硬件测试成功的基础上进行软件测试，主要从电子钟的功能实现及时间误差调整这两个角度来看，在测试中出现功能不太全，每次测试要花好 1、 2 分钟才能看出功能是否实现。如要看电子钟的时间误差，则更要花上一天的时间，因这次时间紧迫，对时钟的时间误差的调整还不太完善。 4.4 测试结果分析 针对软件测试结果，具体的分析如下 : 硬件方面：用万用表测量 2 个 16 引脚的底座的正常电压为 4.27V， 14 引脚的底座的正常电压为 4.27V， 20引脚的底座的正常电压为 4.15V， 40引脚的底座的正常电压为 0V，变压器连接到电路板上的两端为 5.5V，两个普通二极管的正常电压为 6.02V。 nts软件方面：由于在电路板中只有二个按钮供调时间与调闹钟使用，而每调一项都需调小时与分钟，这样在理论上最好需要更多的按钮，实践中用两个按钮很难实现单键实既可调时又可调分，这个功能的实现的编写程序比较困难 .而对于消除时间误差 ,因为要对运行的电子钟进行长时间的观察 ,即采取累积误差消除法，所以最后也没做精确的调整。 4.5 系统误差处理 主要用 TO 中断服务程序对电 子钟进行误差处理 ,在电子钟默认的时间上将电子钟接上电源，再在第二天的相同时间去对照，可以算出一天之内的误差为多少。根据一天的时间积累误差进行计算 ,计算出时间误差值 ,并得用程序进行改进 nts . 结 束 语 通过这次单片机电子时钟的设计，使我对学过的单片机知识有了更深入的了解。这次的设计主要分为三个阶段焊接、编程和调试。焊接是整个设计的基础部分，如果焊接不好，将会导致整个硬件都出现接触不良，容易出现数码管显示为乱码现象，这样就难在软件调试的阶段调试成功，影响到制做结果的输出，并且这种错误在电路中也比较难排除，所以在焊接过程中我们一定要抱着细心与耐心的态度来完成，相信这对于我们这个专业的学生来说相对是比较好掌握。毕竟平时也有在焊接练习。 如果说硬件我能把握的话，那么软件就是我的弱项。课堂学习的单片机比较理论和单一，像这样系统的将硬件与软件充份结合对我来说还是较少见的，所以在这个制做过程中编程给我带来的困难着实不少。希望自己在以后的学习实验中重点加强提高这一块内容的能力。 本次实验中有许多巧妙的构思是值得我们去学习借鉴，比如 : 1、 将一只 LED数码管的倒置，使其与前一只形成秒的闪烁过程 2、 先用两片 CD4017 和一片 6反相器，采用“纵横双译码”技术 3、 使用夜间节能方式。 7点以前以及 21点以后进入该状态。 针对我的这个电子钟功能我也有几个地方最好改进一下，如设置
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