新颖60秒旋转电子钟的设计

目目 录录 第第 1 节节 引引 言言 2 1 1 电子钟概述 2 1 2 设计任务 2 1 3 系统主要功能 3 第第 2 节节 电子钟硬件设计电子钟硬件设计 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 4 2 3 60 秒旋转译码驱动原理 6 2 4 时分显示部件 8 第第 3 3 节节 系统软件设系统软件设 计计 10 3 1 系统主程序设计 10 3 2 定时计数中断程序设计及累计误差消除 11 3 3 定时计数中断程序设计 12 3 4 时间调整或定闹设置程序设计 13 第第 4 4 节节 系统调试与测试结果分析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 结束语结束语 15 参考文献参考文献 16 附录附录 17 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 1 新颖新颖 60 秒旋转电子钟秒旋转电子钟 第第 1 1 节节 引引 言言 目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照明的情况下都是不 可见的 现在市场上也出现了一些电子钟 它以六只数码管显示时分秒 与传 统的以指针显示秒的方式不同 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 且外观设计欠美观 很少进入百姓家庭 此外 无论是 机械钟 电子钟还是石英钟 都存在共同的问题 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 了时钟存在的误差问题 并能在夜间不必其它照明就能看到时间 并且以 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 电子钟概述电子钟概述 新颖 60 秒旋转电子钟是本次的设计内容 它采用 LED 显示器件显示电子时 钟 有效的克服了时钟存在的误差问题 它采用的数码管显示时间能在夜间不 需要其它照明就能看到时间 而且在 7 点以前和 21 点以后数码显示管的亮度会 变暗 整点报时也会消失 不仅实现节能 而且不会影响人们的休息 并具有 一天两次闹铃的功能 可通过手工更改二次闹铃的时间 停闹无须手工操作 它以 60 只发光二极管实现秒显示 接看近于传统的秒针来显示秒的形式 利用 蜂鸣器模拟秒针行走的嘀哒声 1 21 2 设计任务设计任务 1 任务 设计一款基于 AT89C2051 单片机的电子钟 2 设计基本要求 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 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 2 4 月计时误差小于 45 秒 3 设计发挥部分 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 滴哒 声 3 增加室温检测和显示功能 可与时间交替显示 4 增加停 掉 电保护功能 5 提高计市时精度 使年计时误差小于 30 秒 6 增加日自动校准功能 使得该电子钟 永无误差 7 增加红黄绿三色变色装饰 8 可通过按键设置一天两闹 比如早晨 中午各一次 1 31 3 系统主要功能系统主要功能 电子钟的外观是周边 60 只发光管顺时旋转来显示秒 中间四只 LED 数码管 用于显示时间 中下方的七只 LED 灯顺时旋转 供装饰用 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 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 装饰用的 LED 每隔一秒旋转一次 当发生停电 事件时 由后备电池供电 系统进入低功耗状态 所有显示部件停止显示 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 第第 2 2 节节 系统的硬件设计系统的硬件设计 2 12 1 系统的硬件构成及功能系统的硬件构成及功能 电脑钟的原理框图如图 1 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 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 3 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 60秒旋转译码驱动电路 电源 图 1 电子钟系统原理框图 2 22 2 AT89C2051AT89C2051 单片机及其引脚说明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 Intel 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 2 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 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 4 图 2 AT89C2051 引脚配置 图 3 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 P1 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 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 5 2 32 3 6060 秒旋转译码驱动原理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 4 为其时序图 表 1 P3 口特殊功能 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 图 4 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 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 6 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 5 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 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 6 所示 图 6 发光二极管 纵横双译码 循环点亮原理图 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 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 7 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 2 42 4 时分显示部件时分显示部件 由于系统要显示的内容较简单 显示量不多 所以选用数码管既要方便又要 经济 LED 有共阴极和共阳极两种 如图 7 所示 二极管的阴极连接在一起 通常此公共阴极接地 而且共阳极则将发光二极 管的阳极连接在一起 一位显示由 8 个发光二极管组成 其中 7 个发光二极管 构成字型 8 的各个笔画 段 a g 另一个小数点 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 该段笔画即亮 不加电压则暗 为了保护 各段 LED 不被损坏 需要外加限流电阻 图 7 LED 数码管结构原理图 众所周知 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 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 8 机软件完成从数字到显示码的转换 从 LED 数码管结构原理可知 为了显示字 符 要为 LED 显示数码管白日提供显示段码 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 2 表表 2 2 各段码位的对应关系各段码位的对应关系 段码位 D7D6D5D4D3D2D1D0 显示段 dpgfedcba 需要说明的是当用数据口连接 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 D7 位与 dp 段连接 如表 2 所示 表 3 为用于 LED 数码管显示的十六进制数和空白 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 0C0H3FH990H6FH 1F9H06HA88H77H 2A4H5BHB83H7CH 3B0H4FHCC6H39H 499H66HDA1H5EH 592H6DHE86H79H 682H7DHF84H71H 7F8H07H 空白 FFH00H 880H7FHP8CH73H 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 我们选用共阳 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 电平的位对应 LED 数码管的段码的段暗 低电平的位对应的 LED 数码管的段码 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 1100 0000 数码管显示的字符为 0 数码管显示器有二种工作方式 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 段控 即要显示的 段码的控制 通过 P0 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方式 即在某一瞬间 只让其中一位的字位线处 于选通状态 其它各位的字位线处于位在显示 其他几位则暗 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 开关 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 值得一提的是 在设计中需要实现时与分之间的两个闪 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 9 烁点 为此 将第三只 LED 数码管倒置摆放 这样就形成了两个很自然的闪烁 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 将两个点四 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 个点的闪烁周期为一秒 第第 3 3 节节 系统的软件设计系统的软件设计 本系统的软件系统主要分为主程序 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 13 1系统主程序设计系统主程序设计 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 程序 流程如图 8 所示 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 系统参数初始化 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 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 10 图 8 系统主程序流程图 3 23 2定时计数中断程序设计及累计误差消除定时计数中断程序设计及累计误差消除 中断程序 如图 9 所示 完成时间计数 时间调整 误差消除等功能 中 断采用 AT89C2051 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 到达 1 小时 则时计数 缓冲器 HOURBUFFER 增加 1 并将分 时的个位 十位放入显示缓冲器 当分计 数缓冲器和时计数缓冲器分别到达 60min 24h 时 则对它们清零 以便从新计 数 在中断技术中 还通过软件实现了累计误差消除功能 使整个系统时间的 精确度得到保证 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 11 定定时时器器中中断断 是是否否到到 秒秒 秒秒指指针针步步进进一一次次 是是否否整整分分 整整分分旋旋转转复复位位 调调整整当当前前时时分分 积积累累误误差差消消除除 整整定定报报时时否否 整整点点报报时时 中中断断返返回回 图 9 定时中断程序 3 33 3定时计数中断程序设计定时计数中断程序设计 在这个 T1 计数中断程序中 计数值设置为 100ms 中断 5 次就是 0 5s 此 程序主要是判断 P3 2 和 P3 3 按键按下了几次 P3 2 是调整时间的 而 P3 3 是调剌闹钟时间的按键 循循环环等等待待中中断断 判判断断 3 3 2 2按按下下否否 按按键键时时间间大大于于1 10 00 0m ms s 调调整整时时间间1 10 00 0m ms s定定时时中中断断 存存储储当当前前按按键键次次数数 判判断断P P3 3 3 3有有无无按按下下 1 10 00 0m ms s 比比较较当当前前按按键键次次数数与与前前一一次次 的的存存储储按按键键次次数数是是否否相相同同 分分增增加加 分分 调调用用显显示示子子程程序序中中断断返返回回 调调用用显显示示子子程程序序 时时增增加加 时时 判判断断p p3 3 2 2按按下下否否 比比较较当当前前按按键键次次数数与与前前一一次次 的的存存储储按按键键次次数数是是否否相相同同 增增加加时时 增增加加分分 图 10 为定时中断程序 3 43 4时间调整或定闹设置程序设计时间调整或定闹设置程序设计 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 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 13 否 是 否 是 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 第第 4 4 节节 系统调试与测试结果分析系统调试与测试结果分析 4 14 1 使用的仪器仪表使用的仪器仪表 单片机仿真器 WAVE6000 图 10 时间调整子程序 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 14 数字万用表 DT9203 双踪稳压稳流电源 DH1718E 5 数字示波器 TDS1002 烧写器 GF2100 焊接实验工具箱一套 4 24 2 系统调试系统调试 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 34 3 测试结果测试结果 测试结果应该从硬件和软件两方面来看 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 至 2 分钟才能看出功能是否实现 每隔一秒钟周边的 60 只 LED 发光管旋转一格 四只 LED 数码管显示时和分 可以通过按键调整时间 也可以通过按键定两次闹铃时间 闹铃时间为 1 分钟 在 7 点以后到 21 点会整点报时 在 7 点以前和 21 点以后数码管进入节能状态 并取消整点报时 4 44 4测试结果分析测试结果分析 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 节小时与分钟 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 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才行 4 54 5 系统误差处理系统误差处理 数理与信息工程学院课程设计 新颖 60 秒旋转电子钟 15 在电子钟初始的时间上将电子钟接上电源 再在第二天的相同时间去进行 比较 就可以算出一天之内的误差为多少 然后根据一天的时间积累误差进行 计算 计算出时间误差值 并用相应的程序进行改进 利用 T0 计数初值 125ms 每中断一次是 2us 的时间 所以采用 8 次中断 则 1 秒的产生的误差只有 16us 一天就是 24 60 60 0 000001 1 3824s 则月误 差为 1 3824s 34 42 8544s 45s 故所得误差满足设计任务要求 结结 束束 语语 通过 60 秒旋转电子钟的设计 使我对学过的单片机知识有了更深入的了解 本次实验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 影响到制作结果的输出 并且 这种错误在电路中也比较难排除 实验中有两处地方值得我们学习 是平时不太容易想到的 a 将一只 LED 数码管的倒置 使其与前一只形成秒的闪烁过程 b 先用两片 CD4017 和一片 6 反相器 采用 纵横双译码 技术 关闭闹铃功能 无须手动关闭闹铃 时间需要过一分钟才能结束 这样时 钟使用及其不便 希望能通过这一功能从而减小 噪声 还有 也可以设设置 一个分开调时调分功能 这样就不用为了调时而必需要将分增加到 59 从而进 位才能达到调时功能 及为不便 还可以将外围的 60 只发光二极管的亮灭模式 加以改进 改成旋转方式以增加