基于Proteus的单片机控制电子时钟电路设计与仿真

摘 要 基于 Proteus 的单片机控制电子时钟电路设计与仿真 摘 要 工程实践教学环节是为了学生能够更好地巩固和实践所学专业知识而设置的 在本 次工程实践中 我们以微机原理与接口技术课程中所学知识为基础 设计了电子时钟 单片机由 RAM ROM CPU 构成 由定时 计数和多种接口于一体的微控制器 它体 积小 成本低 广泛应用于智能产业和工业自动化上 本设计主要设计了一个基于 AT89C51 单片机为核心 使用 12MHz 晶振与 AT89C51 相连接 通过软件编程的方法实 现以 24 小时为一个周期 同时 8 位 7 段 LED 数码管显示小时 分钟和秒的要求 本系统的设计说明重点介绍了如下几方面的内容 1 电子时钟的基本功能 同时对计时的原理也进行了简要的阐述 2 介绍了系统的总体设计 给出了系统的整体结构框图 并对其进行了功能模块划 分及所采用的元器件进行了详细说明 3 对系统各功能模块的软 硬件实现进行了详细的设计说明 关键词 关键词 AT89C51 单片机 电子钟 硬件设计 软件设计 目 录 目 录 第一章 绪论 1 1 1 课题简介 1 1 2 设计目的与要求 1 1 3 题目描述 2 1 4 设计任务 2 1 5 章节安排说明 2 第二章 电子时钟系统简介 3 2 1 单片机简介 3 2 2 单片机的发展史 3 2 3 电子时钟基本特点 4 2 3 电子时钟基本特点 4 第三章 系统总体设计及硬件设计 5 3 1 单片机芯片选择方案 5 3 2 数码管显示选择方案 5 3 2 1 数码管显示工作原理 5 3 2 2 数码管方案及选择 6 3 3 硬件单元电路设计与参数设计 6 3 4 元件清单 8 第四章 电子时钟软件设计 10 4 1 软件系统模块功能简要介绍 10 4 2 软件系统流程图 10 4 3 程序代码 12 第五章 电子时钟调试与仿真 15 5 1 HEX 文件的生成 15 5 2 原理图的绘制 15 目 录 5 3 调试与仿真 16 第六章 结束语 18 参考文献参考文献 19 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 课题简介 数字钟是采用数字电路实现对时 分 秒数字显示的计时装置 由于数字集成电路 的发展和石英晶体振荡器的广泛应用 使得数字钟的精度 远远超过老式钟表 钟表的 数字化给人们生产生活带来了极大的方便 而且大大地扩展了钟表的报时功能 数字钟 已成为人们日常生活中的必需品 广泛用于家庭 车站 码头 剧院 办公室等场所 给人们的生活 学习 工作带来极大的方便 1 不仅如此 在现代化的进程中 也离不开 电子钟的相关功能和原理 比如机械手的控制 家务的自动化 定时自动报警 按时自 动打铃 时间程序自动控制 定时广播 自动启闭路灯等 这些都是以钟表数字化为基 础的 而且是控制的核心部分 因此 研究数字钟及扩大其应用 有着非常现实的意义 数字电子钟的设计方法有多种 例如 可用中小规模集成电路组成电子钟 也可以 利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟还可以利用单片 机来实现电子钟等等 这些方法都各有特点 其中 利用单片机实现的电子钟具有编程 灵活 便于功能扩充 精确度高等特点 2 基于以上分析 在此次设计中 我选择的是利用单片机制作电子钟 电子钟的设计 本身包括程序的设计和硬件电路的设计 3 我的思路是 先进行电路的整体设计 再根据 电路进行编程 在编程的过程中对电路进行微调 以更好的配合程序 调试成功后 再 根据电路图画出仿真图 将软件装入单片机芯片 利用 Proteus 软件进行仿真 仿真中的 错误通过改正程序的逻辑错误和电路中的设计不当进行排除 这个过程很艰难的但也是 很重要的 若仿真可以实现 则硬件电路的实现就可以有条不紊地进行 1 2 设计目的与要求 通过本次工程实践 运用微机原理与接口技术所学知识及查阅相关资料 完成对时 间的计时并显示的设计 达到理论知识与实践更好结合 提高综合运用所学知识和设计 能力的目的 通过本次设计训练 可以使我们在基本思路和基本方法上对基于 MCS 51 单片机的 嵌入式系统设计有一个比较感性的认识 并具备一定程度的设计能力 设计一个有 时 分 秒 23 59 59 显示的数字电子钟 设计要点具体如下 软件实践设计说明书 2 1 设计一个脉冲信号产生电路 2 设计 24 进制 60 进制计数器 3 设计译码显示电路 4 时间以 24 小时为一个周期 显示时 分 秒 1 3 题目描述 数字电子钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路 它的计时周期为 24 小时 显示满刻度为 23 时 59 分 59 秒 一个简单的数字钟电路主要由译码器显示器 译码器 计数电路 组合逻辑电路以及振荡器构成 信号由振荡器产生 通过计数器传到译码器 再由译码显示器显示 这样就可以看到时间变化了 1 4 设计任务 在本次工程实践中 主要完成如下方面的设计任务 1 简要综述单片机技术发展的国内外现状 2 掌握 MCS 51 系列某种产品 例如 8031 的最小电路及外围扩展电路的设计方法 3 了解单片电子时钟的功能及工作过程 4 完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定 5 用一种计算机绘图软件完成原理电路的绘制 6 完成系统设计说明书 页数不低于 10 页 1 5 章节安排说明 整个设计总共分为四个章节 第一章是前言部分 主要介绍了设计单片机电子时钟 的意义 目的及主要内容 第二章对单片机作了简要说明 介绍了单片机的发展史 并 对电子钟的特点以及原理作了简要说明 第三章是系统的总体设计阶段 这一部分主要 介绍了系统的整体功能 绘制出系统的整体结构框图 另外按照各部分实现的功能不同 将整个系统分成了三个功能块 并对每一个功能块所采用的元器件进行了详细介绍 第 四章是系统详细设计阶段 对每一个功能块的芯片图进行了详细的说明 对每一个引脚 的接线都进行了详细的设计 此外还编写了主要功能模块的基本程序 详尽阐述了各模 块的工作过程 第二章 电子时钟系统简介 3 第二章 电子时钟系统简介 2 1 单片机简介 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统 尽管它的大部分功能集成在 一块小芯片上 但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件 CPU 内存 内部和 外部总线系统 目前大部分还会具有外存 同时集成诸如通讯接口 定时器 实时时钟 等外围设备 而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音 图像 网络 复杂的输入系 统集成在一块芯片上 2 2 单片机的发展史 单片机诞生于 20 世纪七十年代末 经历了 SCM MCU SOC 三大阶段 起初模型起初模型 1 SCM 即单片机微型计算机阶段 Single Chip Microcomputer 主要是寻求最佳的 单片机形态嵌入式系统的最佳体系结构 创新模式 获得成功 奠定了 SCM 与通用计算 机完成不同的发展道路 在开创嵌入式系统独立发展道路上 Intel 公司功不可没 2 MCU 即微控制器 Micro Controller Unit 阶段 主要的技术发展方向是 不断扩 展满足嵌入式应用时 对象系统要求的各种外围电路与接口电路 突显其对象的智能化 控制能力 它所涉及的领域都与对象系统相关 因此 发展 MCU 的重任不可避免的落在 电气 电子技术厂家 从这一角度看 Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素 在发 展 MCU 方面 最著名的厂家当属 Philips 公司 Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势 将 MCS 51 从单片机微型计算机发 展到微控制器 因此 当我们回顾嵌入式系统发展道路时 不要忘记 Intel 和 Philips 的历 史功绩 嵌入式系统嵌入式系统 单片机是嵌入式系统的独立发展之路 向 MCU 阶段发展的重要因素 就是寻求应用 系统在芯片上的最大化解决 因此 专用单片机的发展自然形成了 SoC 化趋势 随着微 电子技术 IC 设计 EDA 工具的发展 基于 SoC 的单片机应用系统设计会有较大的发展 因此 对单片机的理解可以从单片机微型计算机 单片微控制器延伸到单片机应用系统 软件实践设计说明书 4 2 3 电子时钟基本特点 现在高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器 由于电子钟 石英钟 石 英表都采用了石英技术 因此走路精度高 稳定性好 使用方便 不需要经常调试 数 字式电子钟用集成电路计时时 译码代替机械式传动 用液晶显示器代替指针显示进而 显示时间 减小了计时误差 这种表具有时 分 秒显示时间的功能 2 3 电子时钟基本特点 一个基本的数字钟电路系统主要有秒信号发生器 时 分 秒 计数器 译码器及 显示器 电路组成 秒信号产生器是整个系统的时基信号 它直接决定计时系统的精度 一般用石英晶体振荡器加分频器来实现 在此我们用定时器 将定时器与电阻 电容按 照定时器构成多谐振荡器图接线 组成一个输出 1 秒的标准脉冲 将标准秒信号送入 秒 计数器 第三章 系统总体设计及硬件设计 5 第三章 系统总体设计及硬件设计 3 1 单片机芯片选择方案 方案一 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 俗称单片机 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机 单 片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储 器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪速存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 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 方案二 AT89S52 是一个低消耗 高性能 CMOS8 为单片机 片内含 4k Bytes ISP 的 可反复撰写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 主要性能有 与 MCS 51 单片机产品兼容 全静态操作 0Hz 33Hz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I O 口线 三个 16 位定时 器 计数器 八个中断源 全双工 UART 串行通道 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 易编程 由于只需要实现显示时间简单的功能 两个单片机就能很好的实现该功能 我们优 先考虑单片机的成本所以选择方案一 3 2 数码管显示选择方案 3 2 1 数码管显示工作原理 数码管是一种把多个 LED 显示段集成在一起的显示设备 有两种类型 一种是共 阳型 一种是共阴型 共阳型就是把多个 LED 显示段的阳极接在一起 又称为公共端 共阴型就是把多个 LED 显示段的阴极接在一起 即为公共商 阳极即为二极管的正极 又称为正极 阴极即为二极管的负极 又称为负极 通常的数码管又分为 8 段 即 8 个 LED 显示段 这是为工程应用方便如设计的 分别为 A B C D E F G DP 其 中 DP 是小数点位段 而多位数码管 除某一位的公共端会连接在一起 不同位的数码 软件实践设计说明书 6 管的相同端也会连接在一起 即 所有的 A 段都会连在一起 其它的段也是如此 这是 实际最常用的用法 数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种 静态显示就是数 码管的 8 段输入及其公共端电平一直有效 动态显示的原理是 各个数码管的相同段连 接在一起 共同占用 8 位段引管线 每位数码管的阳极连在一起组成公共端 利用人眼 的视觉暂留性 依次给出各个数码管公共端加有效信号 在此同时给出该数码管加有效 的数据信号 当全段扫 描速度大于视觉暂留速度时 显示就会清晰显示出来 3 2 2 数码管方案及选择 方案一 静态显示 静态显示 即当显示器显示器显示某一个字符时 相应的发光 二极管恒定导通或截止 该方式每一位都需要一个 8 位输出口控制 静态显示时较小电 流能获得较高的亮度 且字符不闪烁 但因当所需现实的位数较多时 静态显示所需的 I O 口数较大 造成资源的浪费 方案二 动态显示 动态显示 即各位数码管轮流点亮 对于显示器各位数码管 每隔一段延时时间循环点亮一次 利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示 但须保证 扫描速度足够快 人的视觉暂留功能才可察觉不到字符闪烁 显示器的亮度与导通电流 点亮时间及间隔时间的比例有关 调整参数可以实现较高稳定度的显示 动态显示节省 了 I 0 口 降低了能耗 从节省单片机芯片 I O 口和降低能耗的角度出发 本数字电子钟数码管显示选择采用 方案二 3 3 硬件单元电路设计与参数设计 1 电源电路电源电路 本数字电子钟设计所需电源电压为直流 电压值大小为 5V 的电压源 从硬件实物设 计简易程度与经费方面考虑 用两节电压值为 2 5V 干电池与电路电压源引脚相连接即可 达到硬件设计要求 即本数字电子钟设计用两节电压值大小 2 55V 干电池做硬件电路电 压源 2 时钟电路时钟电路 单片机芯片可使用内部时钟和外部时钟电路两种方式产生电路所需的时钟脉冲 内 部时钟电路实现可用石英晶体和微调电容外接即可达到 外部时钟电路实现需要一个外 部脉冲源引入脉冲信号以保证单片机之间时钟信号的同步 从赢家实现的难易程度考虑 第三章 系统总体设计及硬件设计 7 内部时钟电路的实现比外部时钟电路的实现更简单容易 即本数字电子钟设计所需要的 时钟源采用内部时钟电路实现 所用定时方式为工作方式 1 石英晶振为 12M 即最小定 时时间为 1us 最大定时时间约为 65 5ms 其电路图如下图 3 1 所示 图 3 1 时钟电路图 3 键盘电路设计键盘电路设计 该设计只用了一个键盘 但实现的功能却是比较完善 减少了硬件资源的损耗 该 键盘可以实现小时和分钟的调节以及控制是否进入省电模式 当按键按下又松开 可以 实现屏蔽数码管显示的功能 达到省电的目的 直接按下不松开 则可以通过按键实现 分钟的累加 每按一次分钟加一 而连续两次按下按键不放松 则可实现小时的调节 同样每按一次小时加一 达到时间调节的目的 如图 3 2 所示 软件实践设计说明书 8 图 3 2 多功能控制键 4 LED 显示电路显示电路 数字电子钟设计的显示模块用 8 个以为数码管实现 也可用两个四位一体数码管实 现 两种实现方式实现方式实现效果一样 从实物制作的难易程度出 本数字电子钟设 计采用一个 8 位数码管实现 5 单片机电路单片机电路 本数字电子钟设计采用 AT89C51 单片机芯片作为中央控制器 实现信号的输出 LED 的显示及相关的控制功能 3 4 元件清单 根据总体的设将所需要的元件列出如下 表 3 1 第三章 系统总体设计及硬件设计 9 表 3 1 器件清单 元件名称所属类所属子类 AT89C51Microprocessor ICs8051 Family CRYSTALMiscellaneous CAPCapcitorsGenerie CAP ELECCapcitorsGenerie Resistor7 Wait Wirewound RES Resistor10 Wait Wirewound 7SEG MPX8 BLUEOptoelectronics7 Segment Displays BUTTONSwitches uint second 0 minter 50 hour 11 uint sshi sge mge mshi hshi hge static char court 0 sbit P21 P2 1 sbit P22 P2 2 sbit P23 P2 3 sbit P24 P2 4 sbit P25 P2 5 sbit P26 P2 6 sbit P27 P2 7 sbit P20 P2 0 void delay 单个 LED 延时函数 uchar i for i 0 i 15 i void int1 interrupt 1 using 2 定时中断相应定 50ms TH0 0 x4c TL0 0 x00 court void main 主函数 TMOD 0 x01 软件实践设计说明书 13 TH0 0 x00 TL0 0 x00 EA 1 ET0 1 TR0 1 P1 0XFF for sshi second 10 求分秒的个位 sge second 10 mshi minter 10 mge minter 10 hshi hour 10 hge hour 10 P0 d sge 时分秒在 LED 的显示 P27 1 P0 口数据输出 P2 口选通信号 delay P27 0 P0 d sshi P26 1 delay P26 0 P0 0 xbf P25 1 delay P25 0 P0 d mge P24 1 delay P24 0 P0 d mshi P23 1 第四章 电子时钟软件设计 14 delay P23 0 P0 0 xbf P22 1 delay P22 0 P0 d hge P21 1 delay P21 0 P0 d hshi P20 1 delay P20 0 if court 20 定时 1s 的时间是否到 若到 则执行 IF 后面的程序 court 0 执行 LED 显示程序 second if second 60 second 0 minter if minter 60 minter 0 hour if hour 24 hour 0 第五章 电子时钟调试与仿真 15 第五章 电子时钟调试与仿真 5 1 HEX 文件的生成 1 打开单片机软件开发系统 Keil Vision 单击 Vision 菜单中的 Project 在 此下拉菜单中单击 New Project 选项后 弹出 Create New Project 对话框 键入新建项目 名称 2 键入新建项目名并单击 确定 按钮后 在弹出的 Slect Devic 对话框中选择合适 的单片机型 如 AT89C51 3 单击 Vision 菜单中的 File 在此下拉菜单下 选择 New 后 打开一个空的 文本编辑窗口 在此窗口中输入程序 创建新的源程序 dzz C 文件 4 在左边的 Project 窗口的 File 页中单击文件组 再单击鼠标右键后 在弹出的窗 口中选中 Add File to Group Source Group 1 选项 将 dzz C 程序导入到 Source Group 1 中 5 在 Project 下拉菜单中 选中 Options for Target 将会弹出 Option for Target 对话 框 在此对话框中选中 Output 选项卡中的 Creat HEX File 选项 6 在 Project 下拉菜单中 选择 Rebuild all Target files 项 若程序编译成功 将生 成 dzz HEX 文件 5 2 原理图的绘制 1 在 Proteus ISIS 编辑窗口中 单击元件列表之上的 P 按钮 添加所需要的元件 2 在 Proteus ISIS 编辑窗口中 绘制电路图 如图 5 1 所示 软件实践设计说明书 16 图 5 1 电子钟电路图 5 3 调试与仿真 1 在 Proteus ISIS 编辑窗口中 单击鼠标右键将 AT89C51 单片机选中并单击鼠标 左键 弹出 Edit Component 对话框 在此对话框的 Clock Frequency 栏中设置单片机晶 振频率为 12MHz 在 Program File 栏中单击文件 选择先前用 Keil Vision 2s 生成的 dzz HEX 文件 2 在 Proteus ISIS