电子时钟单片机课程设计报告(WIT)

电气信息学院 单单片片机机原原理理及及应应用用 课课程程设设计计报报告告 课题名称课题名称 电子时钟的设计电子时钟的设计 专业班级专业班级 电气自动化电气自动化 学学 号号 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 评评 分分 2014 年年 12 月月 22 日至日至 12 月月 28 日日 答辩记录答辩记录 1 例举设计过程中遇到的问题及其解决方法 至少两例 答 1 问题说明 解决方法 2 问题说明 解决方法 2 教师现场提的问题记录在此 不少于2个问题 摘摘 要要 数字时钟在日常生活中很常见 应用也很广泛 采用数字电路实现对 时 分 秒 数字显示的计时装置 数字钟的精度 稳定度远远超过老式机 械钟 在这次设计中 我们采用 LED 数码管显示时 分 秒 以 24 小时计 时方式 根据数码管动态扫描法进行显示 用 12MHz 的晶振产生振荡脉冲 定时器计数 在此次设计中 电路具有显示时间的其本功能 还可以实现对时 间的调整 本系统设计以 AT89C51 芯片为核心 辅以必要的外围电路 设计了一个 结构简单功能齐全的电子时钟 本系统由单片机的时钟信号实现计时功能 将 其时间数据经单片机输出 利用显示器显示出来 同时通过按键可以进行校时 定时等功能 利用单片机实现的数字时钟具有编程灵活 便于功能的扩充等优 点以满足人们不同的需要 系统利用汇编语言开发 并在软件设计中分别使用 了 keilC51 Proteus 开发平台 利用单片机实现的数字时钟具有编程灵活 便于功能的扩充等优点以满足人们不同的需要 关键词 单片机 电子时钟 LED 数码管显示 I 目 录 1 1 设计任务设计任务 1 1 2 2 设计方案设计方案 2 2 2 1 任务分析 2 2 2 方案设计 2 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 4 4 3 1 时钟电路设计 4 3 2 复位电路设计 4 3 3 按键控制电路设计 5 3 4 按键去抖动设计 5 3 5 LED 显示器电路设计 6 3 5 1 LED 显示器的选择 6 3 5 2 LED 段码驱动芯片的选择 6 3 6 掉电保护电路设计 7 3 7 闹钟蜂鸣电路设计 7 4 4 系统软件设计系统软件设计 8 8 4 1 主程序设计 8 4 2 数码管 LED 动态扫描子程序 9 4 3 时钟计时子程序 9 4 4 按键调整子程序 11 4 4 1 当前时间调整子程序 11 4 4 2 当前日期调整子程序 12 4 4 3 闹钟时间调整子程序 13 4 4 4 闹铃报警子程序 14 5 5 仿真与性能分析仿真与性能分析 1414 6 6 设计小结设计小结 1717 参考文献参考文献 1818 附录附录 1 1 系统原理图系统原理图 1919 附录附录 2 2 程序清单程序清单 2020 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 0 1 设计任务设计任务 利用单片机完成电子时钟的设计 用 8 个 7 段 LED 数码管作为显示设备 采用动态 扫 描法显示时钟功能 可以分别设定小时 分钟和秒 复位后时间为 00 00 00 即通过 单片机主控芯片定期读取时钟芯片中的时间并把年 月 日 小时和分显示在数码管中 而且用按键还可以实现时间的调整和闹铃的设定 创新部分 即对设置的闹铃时间与实 时时间进行比较 如果时间相同且闹铃允许 那么蜂鸣器就会以 1 秒的周期鸣响一分钟 提醒使用者 图 1 1 电子时钟成品效果图 1 1 基本要求基本要求 设计任务 1 用 6 个 7 段 LED 数码管作为显示设备 设计时钟功能 2 可以分别设定小时 分钟和秒 复位后时间为 00 00 00 3 秒钟复位功能 秒复位键按下后 秒回到 00 4 LED 采用动态扫描法显示 2 2 选做选做 1 日期 时间切换功能 2 使用 LCD 取代 LED 作为显示设备 3 如果需要制作电子万年历 可以考虑外部扩展专用时钟芯片 如 DS1302 4 实现闹钟功能 创新部分 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 1 2 设计方案设计方案 2 1 任务分析任务分析 电子时钟的主要功能为显示日期和时间 时间的调整以及闹铃的设定等 用 LED 显 示时间和日期 并且可以调整 即通过单片机主控芯片定期读取时钟芯片中的时间并把 年 月 日 小时和分显示在数码管中 而且用按键还可以实现时间的调整和闹铃的设 定 即对设置的闹铃时间与实时时间进行比较 如果时间相同且闹铃允许 那么蜂鸣器 就会以 1 秒的周期鸣响一分钟 提醒使用者 2 2 方案设计方案设计 1 硬件方案 根据设计的要求可知 系统的硬件原理框图如图 2 1 所示 图 2 1 系统的硬件原理框图 单片机可选用 AT89C51 它与 8051 系列单片机全兼容 但其内部带有 4KB 的 FLAS H ROM 设计时无需外接程序存储器 为设计和调试带来极大的方便 AT89C51 系列 单片机的优势有 第一 片内程序存储器采用闪速存储器 使程序的写入更加方便 第 二 提供了更小尺寸的芯片 使整个硬件电路的体积更小 第三 具有程序加密的功能 物美价廉 经济实用 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 2 电子时钟含显示模块和按键模块 显示模块采用 8 位数码管动态扫描显示 P0 口 控制段码 驱动芯片采用一块 74LS245N 芯片 P2 口控制位码 按键模块设置 SET A LM 1 NEXT REST DATE 六个功能键 分别由 P3 0 P3 5 控制 2 软件方案 图 2 2 软件设计程序框图 根据设计要求 程序框图如图 2 2 所示 软件可由汇编语言完成 也可由 C 语言完成 根据模块的划分原则 除主程序外 本设计还可分为以下 6 个子程序 包括 数码管动态扫描子程序 时钟计时子程序 蜂鸣器报警子程序 当前时间调整子程序 当前日期调整子程序和当前闹钟时间调整子程序 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 1 时钟电路设计时钟电路设计 图3 1 单片机时钟电路 如图3 1所示 采用内部时钟产生方式 在XTAL1 和XTAL2 两端跨接晶体或陶瓷振荡 器 与内部反相器构成稳定的自击震荡 其发出的时钟脉冲直接送入片内定时控制部件 3 2 复位电路设计复位电路设计 如图3 2所示 采用上电 按钮电平复位方式 当按下按钮时 RST 管脚高电平触发 为保证复位可靠 RC 时间常数应大于两个机器周期 电容取33uf 电阻取200 欧 图 3 2 单片机复位电路 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 4 3 3 按键控制电路设计按键控制电路设计 本设计采用了独立键盘方式 并进行按键去抖动设计 设置六个功能键进行时间调整 与定时时间的输入 通过接入键盘电路实现 如图3 3所示 6 个按键分别定义为 1 键 其功能是当该键按下时 被调整位加一 由 P3 0 控制 NEXT 键 其功能是当该键按下时 指向下一个要调整的位 由 P3 1 控制 SET 键 时间调整设置键 当该键按下时 进入时间调整输入功能 由 P3 2 控制 ALM 键 定时时间设置键 当该键按下时 进入闹钟时间输入功能 由 P3 3 控制 DATE 键 日期时间设置键 当该键按下时 进入日期时间输入功能 由 P3 4 控制 REST 键 复位键 当该键按下时 关闭闹铃 由 P3 5 控制 图3 3 按键电路 3 4 按键去抖动设计按键去抖动设计 当用手按下一个键时 往往按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到 闭合状态的情况 在释放一个键时 也回会出现类似的情况 这就是抖动 抖动 的持续时间随键盘材料和操作员而异 不过通常总是不大于 10ms 很容易想到 抖动问题不解决就会引起对闭合键的识别 用软件方法可以很容易地解决抖动问 题 这就是通过延迟 10ms 来等待抖动消失 这之后 再读入键盘码 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 5 3 5 LED 显示器电路设计显示器电路设计 LED 显示器的显示控制方式按驱动方式可分成静态显示方式和动态显示方式 两种 对于多位 LED 显示器 通常都是采用动态扫描的方法进行显示 本设计使 用动态扫描方式 其中段码接 p0 口 位码接 p2 口 3 5 1 LED 显示器的选择显示器的选择 图3 5 1 八位LED显示器 如图3 5 1所示 显示电路显示模块需要实时显示当前的时间 即时 分 秒 以及 年月日 因此需要 6 个数码管 另需两个数码管来显示横 74EG COM MAX8 系列显示 器能满足显示的需要 如图 2 6 所示 时 年 的十位和个位分别显示在第一个和第二 个数码管 分 月 的十位和个位分别显示在第四个和第五个数码管 秒 日 的十位 和个位分别显示在第七个和第八个数码管 其余数码管显示横线 3 5 2 LED 段码驱动芯片的选择段码驱动芯片的选择 LED 的段驱动链路有很多种 在本例中 我们选择 74LS245 作为段驱动芯片 如图 3 5 2 74LS245 是我们常用的芯片 可用来驱动 LED 或者其他的设备 它是8路 同相三态双向总线收发器 可双向传输数据 并具有锁存 译码 驱动的功能 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 6 图 3 5 2 74LS245引脚图 3 6 掉电保护电路设计掉电保护电路设计 通常 在数字钟 打铃仪 某些定时器和日历钟等类型的单片机系统中 当主电源 DC5V 失 去时 我们称之为掉电 掉电之后 单片机会停止工作 时钟会停止往前走 这种结果在许多场 合往往是不希望的 为了保证单片机在主电压失去时仍然能够保持运行 人们就利用干电池对单 片机系统继续进行供电 图 3 6 掉电保护电路 本设计采用如图 3 6 的设计电路 当主电源正常时 单片机由 VCC5V 电源供电 此时 VCC 5V 电源通过 D1 和 R1 对保护用电池进行充电 以保证电池电量的充足 适当选择 R1 的大小 可以保证充电电流和充电时间都比较合理 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 7 3 7 闹钟蜂鸣电路设计闹钟蜂鸣电路设计 本设计使用 P3 7 控制蜂鸣电路 蜂鸣电路如图 2 9 所示 当到定时时间时 P3 7 置 0 蜂鸣器鸣叫 此时 若手动按下 REST 键 蜂鸣器停止鸣叫 图 3 7 闹钟蜂鸣电路 4 系统软件设计系统软件设计 4 1 主程序设计主程序设计 主程序的内容包括 主程序的起始地址 终端服务程序的起始地址 有关内 存和相关部件的初始化和子程序的调用等等 1 程序的起始地址 单片机复位后 PC 0000H 2 主程序的初始化内容 包括一些存储单元的内容进行初始化及计时器的初值 设定 在本实验中 计时子程序采用了中断方式 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 8 图 4 1 主程序流程图 4 2 数码管数码管 LED 动态扫描子程序动态扫描子程序 在采用动态扫描方式时 要使 LED 现实的比较均匀 又有足够的亮度 需要设置 适当的扫描频率 1 在显示缓冲区分别取出 8 位 LED 显示器显示数据的位码及段码 送到P2 口 依次显示每一位 每一位显示时间是 1ms 显示 8 位时间是 8ms 2 LED 显示器的时间是 1ms 延时子程序是用的软件定时程序 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 9 图 4 2 LED动态扫描子程序框图 4 3 时钟计时子程序时钟计时子程序 1 时间的产生 选择定时器 T0 工作方式 1 定时 50ms T0 定时 50ms 中断一次 利用寄存器 加 1 当寄存器累加至 20 时间正好等于 1 秒 之后按照下面的流程图再逐级累加 便可产生时间 2 设置定时器初值 时钟晶振频率 6Mhz 计数值 定时时间 机器周期时间 TH0 65536 50000 256 TL0 176 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 10 图 4 3 时钟计时子程序框图 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 11 4 4 按键调整子程序按键调整子程序 按键调整子程序由当前时间调整子程序 当前日期调整子程序和当前闹钟时间调整 子程序组成 功能分别为实现对当前的时间调整 对当前日期的调整及输入定时闹钟时 间 4 4 1 当前时间调整子程序当前时间调整子程序 在程序中 当 SET 键按下时 即转入调时功能 利用 1 键和 NEXT 键配合使用 每次对 1 键按下进行累加 当 NEXT 键按下时 调整时间被确认 转向处理下一位 当前时间存储在 30H 31H 32H 单元中 并送入显示缓冲区显示 图 4 4 1 当前时间调整子程序框图 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 12 4 4 2 当前日期调整子程序当前日期调整子程序 当前日期调整子程序的设计思路与当前时间调整子程序基本相同 不同的是当 DATE 键按下时转入日期调整功能 输出的日期存储在 38H 39H 40H 中 图 4 4 2 当前日期调整子程序框图 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 13 4 4 3 闹钟时间调整子程序闹钟时间调整子程序 闹钟调整程序的设计思路与当前时间调整子程序也是基本相同的 不同的是当 ALM 键按下时转入闹钟调整功能 输出的闹钟时间存储在 35H 36H 37H 单元中 图 4 4 3 闹钟时间调整子程序框图 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 14 4 4 4 闹铃报警子程序闹铃报警子程序 当定时时间到达时 P3 7 输出低电平 促发闹铃提示功能 直至 REST 键被按下后 停止闹铃提示 其程序流程图如图 4 4 4 图 4 4 4 闹铃报警子程序框图 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 15 5 仿真与性能分析仿真与性能分析 1 1 系统仿真过程 系统仿真过程 仿真调试过程如下 1 PROTEUS 软件使用过程 1 选择元器件 2 放置元器件 3 连线 4 添加程序 5 运行仿真 2 在 KEIL 中编写程序 编译 连接形成 HEX 文件 如图 5 1 所示 3 在 PROTEUS 中把 HEX 文件加载到单片机芯片上 如图 5 2 所示 图 5 1 Keil 编译后工作界面 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 16 图 5 2 Proteus 仿真界面 2 2 仿真结果与分析仿真结果与分析 运行仿真结果如图 5 3 所示 按下 F12 仿真开始运行 时钟从 00 00 00 开始走时 走时调整 按 SET 键时钟走时暂停 并可先对时进行调整 按 1 键后时加 1 按 NEXT 后对分 进行调整 按 1 键后时分加 1 按 NEXT 后对秒进行调整 按 1 键后秒加 1 从而达到设定时间的 目的 仿真结果完全符合设计要求 日期调整 按 DATE 可以显示当前日期 并对日期进行调整 按 1 键后年加 1 按 NEXT 后对月 份进行调整 按 1 键后月份加 1 按 NEXT 后对天进行调整 按 1 键后天加 1 从而达到设定日 期的目的 仿真结果完全符合设计要求 闹钟定时 按 ALM 进入闹钟时间设定 按 1 键后时加 1 按 NEXT 后对分进行调整 按 1 键后 时分加 1 按 NEXT 后对秒进行调整 按 1 键后秒加 1 从而达到闹钟时间设定的目的 设定闹铃时 间为 00 02 00 当时间到达 00 02 00 时 定时时间到时 蜂鸣器鸣叫 按 REST 键后 停止鸣叫 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 17 图 5 3 系统仿真结果 6 设计小结设计小结 这次单片机课程设计由于电路设计合理 功能电路基本能实现设计要求 程序简单 明了 基本上达到了题目的各项要求 时钟的显示 日期的显示 复位功能 校时功能 调时功能 时钟显示功能 精确度完全可以满足日常生活显示时间的需要 调时功能 方便快捷 校时功能保证了时钟准确和可靠性 还有扩展成音乐闹钟的余地 硬件设施 合乎要求 软件设计可以配合硬件实现要求功能 但是由于时间比较短 出现部分不足 在日期计时的软件编程方面 并没有考虑闰年闰月的因素 在实际的万年历设计中 人 们常常用 DS1302 芯片自动实现时间的计算 经讨论只是软件部分还不完善 对于本研 究课题 应尽量考虑到人的因素 增强时钟的实用性和操作性 为使用者提供切实的方 便 营造一种舒适的生活氛围 所以 在设计的时候 应该从多方面 多角度去考虑问 题 而且应该进一步提高时钟的质量 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 18 参考文献参考文献 1 郭天祥 新概念 51 单片机 C 语言教程 M 北京 电子工业出版社 2009 2 徐爱钧 智能化测量控制仪表原理及设计 M 北京 北京航空航天大学出版社 2005 25 3 何立民 单片机中级教程 北京 北京航空航天大学出版 J 2007 169 170 4 白艳敏 51 单片机典型系统开发实例精讲 M 北京 电子工业出版社 2006 123 126 5 刘迎春 MCS 51 单片机原理及应用教程 M 北京 清华大学出版社 2004 40 43 6 王法杰 基于 Proteus 和 Keil 仿真实验平台在单片机教学中的应用 J 大众科技 2008 06 39 43 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 20 附录附录 1 系统原理图系统原理图 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 21 附录附录 2 程序清单程序清单 NUMADD BIT P3 0 NEXT BIT P3 1 WEI SET BIT P3 2 ALM BIT P3 3 DATE BIT P3 4 REST BIT P3 5 SECOND EQU 30H MINUTE EQU 31H HOUR EQU 32H TCNT EQU 34H ALM HOUR EQU 35H ALM MINUTE EQU 36H ALM SECOND EQU 37H DAY EQU 38H MONTH EQU 39H YEAR EQU 40H 标号赋值 ORG 00H 主程序 SJMP START ORG 0BH LJMP INT T0 START MOV DPTR TABLE MOV HOUR 00 MOV MINUTE 0 MOV SECOND 0 MOV TCNT 0 MOV ALM HOUR 0 MOV ALM MINUTE 0 MOV ALM SECOND 0 MOV DAY 00 MOV MONTH 00 MOV YEAR 11 初始化赋值 MOV 29H 0 MOV 27H 0 闹钟标志位 MOV 41H 0 显示缓冲区 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 22 MOV 42H 0 MOV 43H 0 MOV TMOD 01H 设置计时器工作方式 MOV TH0 60 定时 50 毫秒 MOV TL0 176 MOV IE 82H SETB TR0 判断是否有控制键按下 是哪一个键按下 A1 MOV 41H SECOND MOV 42H MINUTE MOV 43H HOUR LCALL DISPLAY 送显示 JNB REST S0 JNB WEI SET S1 JNB ALM S2 JNB DATE S3 MOV A 27H CJNE A 0 RING 若以设定闹钟 则转 RING LJMP A1 判断是否到所定时间 RING MOV A HOUR CJNE A ALM HOUR NEQ MOV A MINUTE CJNE A ALM MINUTE NEQ MOV A SECOND CJNE A ALM SECOND NEQ CLR P3 7 定时到 NEQ AJMP A1 关闭闹钟 S0 LCALL DELAY 去抖动 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 23 JB REST A1 CLR 27H SETB p3 7 AJMP A1 时间调整程序 S1 LCALL DELAY 去抖动 JB WEI SET A1 SJMP K1 S2 LCALL DELAY 去抖动 JB ALM A1 LJMP K2 S3 LCALL DELAY 去抖动 JB DATE A1 LJMP K3 K1 SETB NUMADD SETB NEXT CLR TR0 CLR ET0 MOV 28H 03H LP0 JB NUMADD NEXT0 LCALL DELAY JB NUMADD LP0 LP1 JNB NUMADD LP1 INC 29H SJMP LO1 NEXT0 JB NEXT L1 LCALL DELAY JNB NEXT NEXT0 LD1 MOV 29H 0 DJNZ 28H LO1 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 24 SJMP LL LO1 MOV A 28H CJNE A 03H LO2 MOV A 29H ADD A HOUR MOV HOUR A CJNE A 24 LA1 MOV HOUR 00H LA1 MOV 29H 0 SJMP L1 LO2 MOV A 28H CJNE A 02H LO3 MOV A 29H ADD A MINUTE MOV MINUTE A CJNE A 60 LA2 MOV MINUTE 0 LA2 MOV 29H 0 SJMP L1 LO3 MOV A 29H ADD A SECOND MOV SECOND A CJNE A 60 LA3 MOV SECOND 00H LA3 MOV 29H 0 L1 MOV 41H SECOND MOV 42H MINUTE MOV 43H HOUR LCALL DISPLAY MOV A 28H CJNE A 00H LP0 LL 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 25 MOV TH0 65536 50000 256 MOV TL0 176 SETB TR0 SETB ET0 LJMP A1 闹铃定时程序 K2 SETB NUMADD SETB NEXT MOV 28H 03H LP0B JB NUMADD NEXT0B LCALL DELAY JB NUMADD LP0B LP1B JNB NUMADD LP1B INC 29H SJMP LO1B NEXT0B JB NEXT L1B LCALL DELAY JNB NEXT NEXT0B LD1B MOV 29H 0 DJNZ 28H LO1B SJMP LLB LO1B MOV A 28H CJNE A 03H LO2B MOV A 29H ADD A ALM HOUR MOV ALM HOUR A CJNE A 24 LA1B MOV ALM HOUR 00H LA1B MOV 29H 0 SJMP L1B 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 26 LO2B MOV A 28H CJNE A 02H LO3B MOV A 29H ADD A ALM MINUTE MOV ALM MINUTE A CJNE A 60 LA2B MOV ALM MINUTE 0 LA2B MOV 29H 0 SJMP L1B LO3B MOV A 29H ADD A ALM SECOND MOV ALM SECOND A CJNE A 60 LA3B MOV ALM SECOND 00H LA3B MOV 29H 0 L1B MOV 41H ALM SECOND MOV 42H ALM MINUTE MOV 43H ALM HOUR LCALL DISPLAY MOV A 28H CJNE A 00H LP0B LLB MOV 27H 1H 闹钟标志位置 1 LJMP A1 日期调整程序 K3 SETB NUMADD SETB NEXT MOV 28H 03H LP0C JB NUMADD NEXT0C LCALL DELAY JB NUMADD LP0C LP1C 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 27 JNB NUMADD LP1C INC 29H SJMP LO1C NEXT0C JB NEXT L1C LCALL DELAY JNB NEXT NEXT0C LD1C MOV 29H 0 DJNZ 28H LO1C SJMP L1C LO1C MOV A 28H CJNE A 03H LO2C MOV A 29H ADD A YEAR MOV YEAR A CJNE A 100 LA1C MOV YEAR 00H LA1C MOV 29H 0 SJMP L1C LO2C MOV A 28H CJNE A 02H LO3C MOV A 29H ADD A MONTH MOV MONTH A CJNE A 30 LA2C MOV MONTH 0 LA2C MOV 29H 0 SJMP L1C LO3C MOV A 29H ADD A DAY MOV DAY A CJNE A 12 LA3C MOV DAY 00H 武汉工程大学 电气信息学院 单片机课程设计 论文 说明书 28 LA3C MOV 29H 0 L1C MOV 41H DAY MOV 42H MONTH MOV 43H YEAR LCALL DISPLAY MOV A 28H CJNE A 00H LP0C LJMP A1 定时器中断服务程