单片机课程设计（论文）-微机控制实现多功能数字时钟设计功能课设单片机单 片机多功能数字时钟单片机实现单片机控制论文设计

摘要单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广泛、发展很快。INTEL公司生产的MCS8051系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。本次设计以MCS8051芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个结构简单，功能齐全的数字时钟,它由5V直流电源供电。在硬件方面，单片机外接12MHZ晶振，使用八个七段数码管来进行显示。LED采用动态扫描显示，使用74LS245芯片进行位驱动。通过LED能够准确明亮地显示时、分、秒；四个简单的按键实现对时间的调整；蜂鸣器实现闹钟响铃功能；软件方面采用C语言编程。整个电子钟系统能完成时间的显示、调时和一组定时闹钟的功能。设计过程中使用KEIUVISION4单片机模拟调试软件编写调试程序，并用EDA工具软件PROTEUSISIS7进行仿真。硬件简明，程序正确，仿真结果满足设计要求。关键词51单片机，定时器，中断，闹钟，LED目录摘要1绪论3第一章系统设计3一、器件选型3二、硬件接线设计3三、系统综述3131上电界面3132调时界面3133闹钟设定界面3134正常走时界面3135闹钟响应3四、软件部分3141主函数流程图3142定时器T0中断服务程序流程图3143闹钟响应程序流程图3144键盘扫描程序流程图3第二章参数计算3一、定时器T03212定时器T0初值计算3二、数码管驱动码3221位选码3222段选码3第三章结论3参考文献3附录3绪论20世纪末，电子技术获得了飞速的发展。在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高。同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，随时提醒那些容易忘记时间的人，电子钟无疑最为直观。数字钟通过数字电路实现时、分、秒。数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭、车站、码头办公室等公共场所成为人们日常生活中不可少的必需品。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。多功能数字钟的应用非常普遍。由单片机作为数字钟的核心控制器，通过它的时钟信号进行实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来，通过键盘可以进行校时、定时闹钟等功能，输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管来显示技术。本次设计的数字时钟利用51单片机作为核心芯片，辅以按键、蜂鸣器和LED显示器，以实现具有计时、校时、闹钟设定等功能。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。本设计应解决的主要问题有两大方面，即硬件电路设计和软件设计两大方面。其中硬件电路部分又可分为四大模块键盘模块、显示模块、计时模块和响铃模块。硬件电路部分致力于低成本、低功耗和易实现性；软件部分则应做到代码的精简、准确、易读、可移植性强。最后通过软、硬件的结合实现数字钟的精确计时、校时、闹钟功能。第一章系统设计一、器件选型111单片机选型根据选题芯片采用MCS8051单片机，INTEL公司生产的51系列8位单片机，凭借其成熟的技术标准和很高的性价比得到了广泛的普及与应用，其功能强大，用来做电子表硬件易实现，编程规范。112按键模块方案一44行列式键盘如果选择此方案，那么在修改时钟或设置闹铃时间时就可以直接从键盘输入，方便、快捷。缺点也很明显，一是浪费按键，用全键盘来实现设定时间的小功能不免大材小用；二是从实用性考虑，全键盘体积大，明显不经济不方便。故放弃。方案二独立式按键如果设置过多按键，将会占用较多I/O口，而且会给布线带来不便，同时浪费按键，不高效，程序繁琐。本次设计适用于按键较少的情况。为了尽量实现按键的高效性，此次设计采用四个独立式按键，分别定义为KEY_MODE、KEY_ADD、KEY_MOVE，KEY_CONFIRM，依次是模式键、加数键、移位键、确认键。113显示模块方案一液晶显示器LCD如果选择此方案，将会降低系统的功耗，可以用电池供电，便于携带，但液晶显示器的驱动电路复杂，使用起来有一定的难度。方案二数码管LED数码管的驱动电路简单，使用方便，如果选择了此方案，那么在夜间看时间的时候就不需要有光源，非常方便。其缺点是功耗较大。按照此次任务书设计要求，选择共阳8位七段蓝色数码管用于显示。114计时参考模块方案一专用时钟芯片如果使用时钟芯片，系统就不怕掉电且时间精确，但这种芯片比较贵，浪费资源不经济。方案二单片机内部定时/计数器由于本次设计本主要是为了学习单片机程序的编写和调试，以及设计硬件电路的一些方法，因此采用软件的方法来计时。本次设计用MCS8051单片机内部定时/计数器T0作为电子表时钟参考。115闹钟响铃模块通过三极管放大后驱动蜂鸣器工作，单片机I/O接三极管基极。116显示器驱动模块由于通过数码管公共极的电流较大，单片机I/O口驱动能力是不够的，故LED驱动模块必不可少。为避免过多地使用分立元件，本次设计采用一片74LS245来驱动位码，用P2口进行位选扫描。图1174LS245元件封装图74LS245是常用来驱动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，74LS245还具有双向三态功能。片选端，接低电平时传输数据，接高电平时A、B均为高阻态。CE方向选择端AB/，接高电平时信号由A向B传输（发送），接低电平时信号由B向A传输（接收）。117电源模块本系统采用了数码管作为显示器，功耗较大，不便于使用电池供电。况且本系统的体积较大，即使使用电池供电也不便于随身携带，因此用5V外部稳压电源来供电。二、硬件接线设计121系统硬件框图122单片机晶振配置和复位电路设计12单片机晶振配置和复位电路晶振选择12MHZ,接到如图所示引脚。复位电路兼具上电复位功能以及按键复位功能,接到如图所示引脚。123按键电路设计晶振蜂鸣器MCS8051段码驱动位码驱动8位七段LED显示器按键复位电路图13按键电路采用4个独立按键配以4个上拉电阻实现对时钟和闹钟的设定及修改。四个独立式按键分别定义为KEY_MODE、KEY_ADD、KEY_MOVE、KEY_CONFIRM，依次是模式键、调时加键、调时移位键、确认键。124蜂鸣器驱动电路设计图14蜂鸣器驱动电路蜂鸣器采用NPN三极管放大电路驱动，接到如图所示引脚。125显示模块电路设计图15显示模块电路显示设备为共阳8位7段数码管（LED），用单片机P0口作为LED段选控制端，用单片机P2口作为LED位选控制端，并采用集成块74LS245作为位驱动模块。片选端CE接地，方向选择端AB/BA接电源。126硬件接线总览三、系统综述131上电界面图16电子钟上电界面电子表上电后自动初始化，接着从000000开始走时，显示正常走时界面，此时闹钟默认关掉。按下KEY_MODE键，可依次切换到调时界面、调闹钟界面、正常走时界面，如此循环往复。上电初始化后，调时初值为000000，闹钟初值为000000。132调时界面图17调时界面调时界面，从左至右依次显示时、分、秒，数字右下角小点代表调整位到达位置。在调时界面下，按下KEY_MOVE键可以移动调整位，数字下标小点用以指示当前操作的数位，按下KEY_ADD键可以对调整位进行加数操作。当且仅当在调时界面下，按下KEY_CONFIRM键可确认设定，电子表按设定时间更新并走时，同时自动清零设定时间。此时再按KEY_MODE键切换回正常走时界面即能看到时间已经更新。如果调时后没有按下KEY_CONFIRM键确认，而是直接按KEY_MODE键切换回正常走时界面，则设置时间被保存，当前时间并不更新。133闹钟设定界面图18闹钟设定界面闹钟设定界面，从左至右依次显示时、分、秒，数字右下角小点代表调整位到达位置。在闹钟设定界面下，按下KEY_MOVE键可以移动调整位，数字下标小点用以指示当前操作的数位，按下KEY_ADD键可以对调整位进行加数操作。闹钟设置好后直接按KEY_MODE键返回正常正常走时界面即可，无需按KEY_CONFIRM键确认，闹钟设定值会自动保存。134正常走时界面图19正常走时界面一图110正常走时界面二正常走时界面，从左至右依次显示时、分、秒，小点亮灭代表闹钟开闭。在正常走时界面下，按下KEY_ADD键和KEY_MOVE键不产生操作，LED显示无变化；按下KEY_CONFIRM键可循环开闭闹钟，LED显示对应变换提示闹钟的开闭；按下KEY_MODE键可依次切换到调时模式、闹钟设定模式、正常走时模式，循环往复。135闹钟响应当正常走时到达闹铃设定值后，闹铃响应，正常情况下持续蜂鸣一分钟后自动关闭蜂鸣器。闹铃响铃过程中，若按下KEY_CONFIRM键可立刻关闭蜂鸣器。闹铃响应后自动等待下次响应。四、软件部分141主函数流程图图111主函数程序流程图开始初始化主循环定时器T0循环中断计时键盘扫描闹钟判定显示响应闹钟响应结束142定时器T0中断服务程序流程图图112定时器T0中断服务程序流程图开始T0重装初值T1SEC60T0,SEC1T20MIN60HOUR24SEC0,MIN1MIN0,HOUR1HOUR0结束143闹钟响应程序流程图图113闹钟响应程序流程图开始闹钟判定响铃一分钟闹钟定时到闹钟打开KEY_CONFIRM按下关闭蜂鸣器结束144键盘扫描程序流程图图114键盘扫描程序流程图开始键盘扫描键盘抖动有键按下KEY_MODEKEY_ADDKEY_MOVEKEY_CONFIRMMOSHI1ADDMOV1CONFIRMMOSHI2MOSHI0MOV2MOV0结束第二章参数计算一、定时器T0211定时器T0背景知识数字电子钟设计中主要使用定时器T0，利用ET0中断进行计时时间的自增，从而实现计时功能。51单片机有两个通用定时/计数器T0和T1。两者均可配置为定时器或计数器，用作“定时器”功能时，每经过一个机器周期，寄存器值加1；用作“计数器”功能时，寄存器在对应的外部输入管脚T0/T1上每发生一次1到0的跳变时加1。1方式控制寄存器TMODT1T0D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0TMOD用以设定通用定时/计数器T0和T1工作方式。GATE位为门控位，GATE1时，T0、T1分别受INT0、INT1引脚输入电平控制，常用于测量对应正脉冲的宽度；C/用选选择定时、计数功能。本次设计选择T0做定时器用，工作在方式1，故TMOD0X012控制寄存器TCONT1T01INT0INTD7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TR0用于开/关定时器T0，TF0为T0溢出标志位。3中断允许控制寄存器IED7D6D5D4D3D2D1D0EA/ESET1EX1ET0EX0EA为总中断允许位，ET0为T0中断允许位。212定时器T0初值计算初值计算公式XTX定时器初值N定时器位数（方式013位，方式116位，方式28位）FOSC单片机主频（本次设计取12MHZ）T所需定时时间设定时时间为50MS，即T50MS，FOSC12MHZ，选工作方式1，带入公式求解得X3CB0H，所以TH00X3C，TL00XB0。213定时器T0初始化程序TMOD0X01/选定时器T0，工作方式1TH00X3CTL00XB0/50MS定时初值ET01/定时器TO使能位打开EA1/总中断允许位打开TR01/打开定时器T0开始计时二、数码管驱动码图21数码管驱动电路221位选码LED连接如图所示，为8位共阳数码管，从右至左，依次循环扫描，可得段码驱动数组如下UNSIGNEDCHARWEI0X01,0X02,0X04,0X08,0X10,0X20,0X40,0X80；222段选码图21七段数码管示意图七段共阳数码管，当位选端为高电平时，给段选端低电平即可点亮对应段，再由点亮的段组合成字符。定义如下段码驱动数组，即可依次显示字符0123456789灭UNSIGNEDCHARDUAN0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90,0XBF,0XFF,0X7F；第三章结论通过两个星期的持续努力，在老师的指导和同学的帮助下，经过反复调试修改我终于成功完成了此次设计任务。此次设计既是对51单片机核心功能学习的一次实际操作验收，也对微机控制理论学习的一次应用拓展。经过此次设计，我基本学会了用MCU辅助外围电路，通过编程实现常见的微机控制，为以后的工作学习打下了一定的基础。经PROTEUS软件仿真，此次设计的多功能电子钟功能完全达标正常走时、时间校正、闹钟设定都能完整简明地实现；同时该电子钟精确度完全可以满足日常生活显示时间的需要；时间校正和闹钟设定方便快捷，闹钟响铃还有扩展成音乐闹钟的余地。硬件总体实用性较强，操作清晰简单。通过这次设计我学会了很多东西，微机控制课程设计重点就在于软件的设计，需要有很巧妙的程序算法。虽然一直也有小程序的练习，但我还是第一次写好这么一个综合系统的大程序，发现并不是一件简单的事，一个看似简单的功能程序实现的时候往往也不简单，具体编程的时候才发现一些细微的知识或低级错误就会引起失败，所以只有学精弄懂并且要细心才行，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握，实践操作很重要，活学活用才能深刻掌握知识。最后，要感谢我的指导老师和替我答疑解惑的同学，没有你们的帮助我也无法完成此次课程设计。参考文献1张淑清,单片机原理及应用技术，北京国防工业出版社，201082王为青、程国钢，单片机KEILCX51应用开发技术M，北京人民邮电出版社，20073张靖武、周灵彬，单片机系统的PROTEUS设计与仿真，北京电子工业出版社，20074ATMEL8BITMICROCONTROLLERWITH4KBYTESFLASHAT89C512000附录完整程序代码如下/头文件及宏定义INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINT/软件延时程序VOIDDELAYUINTIIWHILEII/定义数码管驱动码UCHARDUAN0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90,0XBF,0XFF,0X7F/段选，0123456789灭UCHARWEI0X01,0X02,0X04,0X08,0X10,0X20,0X40,0X80/位选，共阳，从右至左/定义变量UCHART0,SEC0,MIN0,HOUR0/正常走时时间变量UCHARSEC10,MIN10,HOUR10/时间设定值变量UCHARSEC20,MIN20,HOUR20/闹钟设定值变量UCHARALARM_EN0/闹钟开关变量UCHARALARM_FLAG0/闹钟定时到达标志变量UCHARP30,MOSHI0,MOV0/P3口查询，模式值，调整位/显示缓冲区,依次为正常、调时、闹钟设定、调整位带点标记UCHARTEMP8,TEMP18,TEMP28,TEMP38/函数声明VOIDINITIALIZEVOID/初始化VOIDSHOWVOID/正常走时显示VOIDSHOW1VOID/时间设定显示VOIDSHOW2VOID/闹钟设定显示VOIDSHOW3VOID/调整位标记VOIDSHOW4VOID/闹钟开关标记VOIDKEYSCANVOID/键盘扫描VOIDADDVOID/调时调闹钟加数程序VOIDCONFIRMVOID/调时确认，闹钟开关VOIDALARM_JUDGEVOID/闹钟定时到达判定VOIDBEEPVOID/闹钟响铃程序/主函数VOIDMAININITIALIZEWHILE1KEYSCANALARM_JUDGESWITCHMOSHICASE0SHOWSHOW4BREAK/显示正常走时CASE1SHOW1SHOW3BREAK/显示设置时间CASE2SHOW2SHOW3BREAK/显示闹钟时间IFALARM_FLAG1/定时器初始化VOIDINITIALIZEVOIDTMOD0X01TH00X3CTL00XB0/50MSET01EA1TR01P10X7F/初始化时关掉蜂鸣器ALARM_FLAGALARM_EN0/定时器T0中断服务程序VOIDTIMER0VOIDINTERRUPT1TL00XB0TH00X3CTIFT20/50MS201ST0SECIFSEC60/秒为60，则清零，分加1SEC0MINIFMIN60/分为60，则清零，时加1MIN0HOURIFHOUR24/时为24，则清零HOUR0IFSEC160SEC10MIN1IFMIN160MIN10HOUR1IFHOUR124HOUR10IFSEC260SEC20MIN2IFMIN260MIN20HOUR2IFHOUR224HOUR20/正常时间显示程序VOIDSHOWVOIDUCHARI0TEMP0SEC10TEMP1SEC/10TEMP210TEMP3MIN10TEMP4MIN/10TEMP510TEMP6HOUR10TEMP7HOUR/10FORI0I3MOSHI0WHILEP30XFE/KEY_MODE键按下到弹起期间P3P3SWITCHMOSHICASE0SHOWBREAK