数字电子技术课程设计范例

基于51单片机的电子时钟设计黑体，二号，居中黑体，二号，居中摘要黑体，三号，居中黑体，三号，居中数字电子时钟电路设计系统，以AT89C51单片机为控制核心，由键盘显示、LED共阴极数码管和LED显示等功能模块组成。基于题目基本要求，本系统对时间显示进行了重点设计。本系统大部分功能由软件来实现，吸收了硬件软件化的思想，大部分功能通.过软件来实现，使电路简单明了，系统稳定性大大提高。本文首先对基础电路进行介绍，通过对按键输入电路、时钟电路、复位电路、蜂鸣器驱动电路、显示电路、LED段码驱动电路等知识的学习，加深了对电子时钟的认识。让后利用汇编语言进行编程，控制时钟的正常运行，最终完成了设计。本文讨论的单片机多功能时钟系统的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围结构，构成了一个可编程的及时定时系统，具有体积小，可靠性能高，功能多等特点，不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供扩展，有广泛的应用领域。正文宋体，小四，1.5倍行距正文宋体，小四，1.5倍行距关键词：黑体，四号，左侧顶格，关键词间逗号隔开，最后一个关键词后不加标点单片机，电子时钟，汇编语言黑体，四号，左侧顶格，关键词间逗号隔开，最后一个关键词后不加标点

TheDesignofdigitalelectronicclockbasedon51MicrocontrollerAbstractThe

powersystem

is

the

electrical

energy

production,

transformation,transmissin,distribution,

and

use

a

variety

of

electrical

equipment

in

accordance

with

certain

technical

and

economic

requirements

of

ajoint

system

of

integral.

With

the

development

of

automation

technology,

microcomputer

relay

protection

for

power

system

economics

and

power

quality,

automation

technology,

eliminate

when

faced

with

failure

can

be

quicklyandaccurately.Key-words

:Microcontroller,

electronicclock,AssemblyLanguage目录黑体，三号，居中黑体，三号，居中第1章绪论 11.1课题背景 11.2单片机简介 11.2.1单片机的分类 11.2.2单片机的发展状况 21.2.3应用前景 2第2章系统方案设计 42.1设计思路 42.2设计要求 4第3章系统硬件设计 53.1AT89S51最小系统设计 53.1.1时钟电路硬件设计 63.1.2复位电路硬件设计 63.2键盘电路硬件设计 73.3显示电路硬件设计 83.4蜂鸣器电路硬件设计 10第4章系统软件设计 114.1系统主程序设计 114.1.1系统主程序流程图 114.1.2系统软件设计内存分配及芯片地址介绍 114.2定时器设计 124.3其他主要子程序设计 13结论 14致谢 15参考文献 16附录 17附录A参考程序 17附录B硬件原理图 20一级标题用黑体小四，二三级标题用宋体小四一级标题用黑体小四，二三级标题用宋体小四第1章绪论1.1课题背景标题2，黑体，小四，沿版面左侧边线顶格，段前段后为0.5行标题2，黑体，小四，沿版面左侧边线顶格，段前段后为0.5行单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种结构：一种是在通用微型计算机中广泛采用的，程序存储器和数据存储器共用一个存储器空间的结构，称为“冯·诺依曼”结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为“哈佛”结构，目前的单片机采用此种结构较多。本文讨论的单片机多功能时钟系统的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围结构，构成了一个可编程的及时定时系统，具有体积小，可靠性能高，功能多等特点，不仅能满足所需要求并且还有功能可供扩展，有着广泛的应用领域。1.2单片机简介在单片机技术日趋成熟的今天，其灵活的硬件电路的设计和软件的设计，让单片机得到了广泛的应用，几乎是从小的电子产品，到大的工业控制，单片机都起到了举足轻重的作用。单片机小的系统结构几乎是所有具有可编程硬件的一个缩影，可谓是“麻雀虽小，肝胆俱全”，单片机的学习和研究是对微机系统学习和研究的简捷途径。1.2.1单片机的分类标题3，黑体，小四，沿版面左侧边线顶格，段前段后为0.5行标题3，黑体，小四，沿版面左侧边线顶格，段前段后为0.5行从市场上看到的AVR系列和PIC系列单片机是怎么回事？以便让大家对单片机的发展有一个较全面的认识。在没有学习单片机之前，这是一个令很多初学者非常困惑的问题，这么多的单片机我该先学哪一种呢？AVR系列单片机也是ATMEL公司生产的一种8位单片机，它采用的是一种叫RISC（精简指令集单片机）的结构，所以它的技术和51系列有所不同，开发设备也和51系列是不通用的，它的一条指令的运行速度可以达到纳秒级（即每秒1000000000次），是8位单片机中的高端产品。由于它的出色性能，目前应用范围越来越广，大有取代51系列的趋势，所以学完了51系列的，看来必须学会AVR的才行。说完了AVR的，再来说说另一种--PIC系列单片机，它是美国MICROCHIP公司，叫微芯公司的生产的另一种8位单片机，它采用的也是RISC的指令集，它的指令系统和开发工具与51系列更是不同，但由于它的低价格和出色性能，目前国内使用的人越来越多，国内也有很多的公司在推广它，不过它的影响力远没有51系列的大，所以作为初学者，51系列当然是首选。以上几种只是比较多见的系列，其实世界上还有许多的公司生产各种各样的单片机，比如：MOTOROLA的MC68H系列（老牌的单片机），TI的MSP430C系列（极低功耗的单片机），还有日本的TOSHIBA，日立的HITACH，德国的西门子SIEMENS等等，它们都有各自的结构体系，并不与51系列兼容[1]引用文献，上角标，小四。引用文献，上角标，小四1.2.2单片机的发展状况计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展，这三个方向就是：巨型化，单片化，网络化。单片机用以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。单片机在出现时，Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器（embeddedmicrocontroller）。单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。这一点是巨型机和网络不可能做到的。在本文，介绍单片机的最新技术进步，包括数字单片机的工艺及技术，模糊单片机的工艺及技术，单片机的可靠性技术，以及以单片机为核心的嵌入式系统。数字单片机的技术发展数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。1.2.3应用前景观察之前几年以来各家厂商的销售地区比重，可以发现中国大陆市场比重逐渐提升，台湾与北美市场则逐渐衰退，主要原因在于多项产品制造基地转移至大陆，MCU在大陆的需求也随之提升。销货至大陆的MCU产品，多应用于电话、CallerID、玩具与LCD等产品，预计在未来，销货至大陆的比重仍将持续增加。在中国产品应用领域可分为五大项目，包括电脑周边(高速Modem、DSC、NB中的电源管理等)、通讯产业、消费性产品(家电、冷气等)、车用市场(定速器、控制器、防盗器)及工业上的应用。有部分厂家将特别瞄准消费性产品市场，如Audio方式将朝多媒体MP3解决方案前进，另外在PC连结应用上，包括无线、网路及标准应用产品，都会有一系列产品推出。另外在电源系统应用方面，在UPS(不间断供电系统)、ServerPower(伺服器电源)、Charger(充电器)等应用上；以及在周边应用领域方面，针对GameDevice、记忆卡、读卡机、及PenDrive(随身碟)等应用上。逻辑IC包括微处理器(MPU)、微控制器(MCU)、特殊应用IC(ASIC)、可程式逻辑元件(PLD)以及一般的标准应用IC(ASSP)等，不同的逻辑IC有其发展方向，而MCU产品则朝向整合型产业发展。第2章系统方案设计新的一章（摘要、目录等同一级标题的）从新的一页开始新的一章（摘要、目录等同一级标题的）从新的一页开始2.1设计思路其中硬件由AT89S51单片机、六位LED驱动及显示电路、独立式键盘电路、蜂鸣器组成，其中显示采用动态显。时钟的定时用定时器T0以50MS中断20次，从而实现一秒准确记时。秒表的定时用定时器T1以10ms中断1次记时。精度达到0.01秒。键盘将采用查询的方式判别。最终成品是以可整电报时，调时，省电模式的时钟为主体，另外还可切换到秒表的电子钟系统。2.2设计要求设计并制作有如下功能的电子时钟：1）时钟功能利用单片机片内定时器（如T0）产生1s计时，自行设定时钟计数单元地址，包括秒单元、分单元、时单元，最大计数值为23时59分59秒。用6位LED数码管显示时、分、秒，以24<小>时计时方式运行；使用按键可实现时、分调整，可增加“熄灭符”用于时间调整时的闪烁功能2）整点报时功能可通过软件查询判断时钟是否到整点，如果到了，进一步判断几点，并驱动蜂鸣器想几下，能整点提醒（短蜂鸣，次数代表整点时间）。第3章系统硬件设计设计概要图如图3.1：按键输入电路按键输入电路时钟电路AT89C51单片机复位电路蜂鸣器驱动电路LED段码驱动电路六位LED位码驱动电路显示电路图3.1设计概要图图的编号及名称放在图片下方，宋体，五号，居中，图表按章节编号，例如第3章第一个图编号为图3.1图的编号及名称放在图片下方，宋体，五号，居中，图表按章节编号，例如第3章第一个图编号为图3.13.1AT89S51最小系统设计单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:MCS-51系列单片机、晶振电路、复位电路以及一个稳定的5V电源，正极接在40脚，20管脚接地，控制引脚EA接法。EA/VPP（31脚）为内外程序存储器选择控制引脚，当EA为低电位时，单片机从外部程序存储器取指令；当EA接高电平时，单片机从内部程序存储器取指令。。。AT89S51单片机内部有4KB可反复擦写1000次以上的程序存储器，因此我们把EA接到+5V高电平，让单片机运行内部的程序，我们就可以通过反复烧写来验证我们的程序了。图3.251最小系统3.1.1时钟电路硬件设计时钟电路即晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合，计算的初值为整数，可减小误差)/12MHz(产生精确的uS级时序,方便定时操作)，晶振两端各接一个30pF的微调电容然后接地，可使晶振工作在稳定状态。时钟电路图如下：图3.3时钟电路3.1.2复位电路硬件设计复位电路:由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C取10u，R取10K。当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。复位电路图如下：图3.4复位电路3.2键盘电路硬件设计键盘是人与单片机打交道的主要设备，按键的读取容易引起误动作。键盘的操作，无论是按键或键盘都是利用机械触点的合、断作用。一个电压信号通过机械触点的闭合、断开过程。由于机械触点的弹性作用，在闭合及断开瞬间均有抖动过程，会出现一系列负脉冲。抖动时间的长短，与开关的机械特性有关，一般为5—10ms。可采用软件去抖动的方法处理，软件的触点在闭合和断开的时候会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不采取妥善处理的话，将引起按键命令错误或重复执行，在这里采用软件延时的方法来避开抖动，延时时间为20ms。键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口。方案一：采用独立式键盘。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。但当所需按键数量多，会占用过多的I/O口线。方案二：采用矩阵键盘。因为单片机的I/O口有限,显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口线。但必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。基于以上分析，我们选用方案一，因为本次设计中仅用到4个按键。独立式按键键盘有利于PCB的作图，此外，独立式键盘直接与AT8S51单片机的I/O口线连接，通过I/O口判断I/O口线的电平状态，既可以识别按下的键。四位独立键盘直接在I/O口，并接地。可通过查询低电平看键盘是否按下。图3.5按键电路3.3显示电路硬件设计由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。LED有共阴极和共阳极两种。如图3.6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。图3.6LED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1。表3.1各段码位的对应关系表的编号及名称放在表格上方，黑体，五号，加粗，居中，表格编号按章节编号表的编号及名称放在表格上方，黑体，五号，加粗，居中，表格编号按章节编号段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba需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，D1位与b段连接，……D7位与dp段连接,如表1所示，表2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3.2LED显示段码字型共阳极段码共阴极段码字型共阳极段码共阴极段码0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3BOH4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H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。如有表注，宋体，小五，按此格式，只有一条注释的话，则省略序号。如有表注，宋体，小五，按此格式，只有一条注释的话，则省略序号。电路采用74HCC573驱动，结构采用总线扩展方式进行设计，其中使用的数码管为连8位的共阴型数码管。通过芯片U2（74HC573）锁存，为数码管提供段码数据。通过芯片U1（74HC573）进行位选。但由于全部数码管的段码线共用，在同一时刻只能点亮一个数码管，所以在实际应用中必须采用动态扫描的方式进行8个数码管的显示。具体实现方法是使用内部定时器每2ms产生一次定时中断，系统在每进入到一次定时中断后更新一次显示内容，对于每个数码管来说其显示的周期为10ms，由于显示频率足够高人眼感觉不到闪烁的存在。本设计通过延时程序产生10ms的效果。图3.7数码管电路图3.4蜂鸣器电路硬件设计蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的。因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO口输出的电流较小，其TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。程序中通过改变单片机对应IO口输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变其占空比，也可以控制蜂鸣器的声音大小。可以有两种驱动方式，即用PNP或NPN三极管电流放大电路驱动。本电路通过一个PNP三极管9012来放大驱动蜂鸣器，当输出高电平时，三极管Q1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制IO口输出的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭，从而实现各种可能音响的产生。图3.8蜂鸣器原理图第4章系统软件设计4.1系统主程序设计系统主程序主要完成所有存储单元的初始化，定时器T0，T1工作方式的设定，处置的设置，中断系统的开启以及在等待是调用显示程序，查询键盘状态。4.1.1系统主程序流程图设置各中断服务程序入口地址设置各中断服务程序入口地址相关寄存器零,初值化设置，定时器T0\T1初始化设置调用时间显示程序调用整点查询程序返回到显示程序是否为整点蜂鸣器响YN图4.1主程序流程图4.1.2系统软件设计内存分配及芯片地址介绍在设计程序指出对于其内存的分配是非常有必要的，合理的分配内存可避免内存的冲突，指导我们合理的去设计程序。30H,31H,32H,33H,34H,35H：这六个单元为时钟时，分，秒的十位和个位存储单元，同时为显存。52H,53H,54H,55H,56H：为秒表的四位存储单元，分别为10秒，1秒，0.1秒，0.01秒。R0～R7：用于直接间接的存储单元。P1.0～P1.3接四个独立式键盘，P1.7用来驱动蜂鸣器，P1口输出LED的段码，P2.0～P2.5为LED的位选。4.2定时器设计如下面流程图所示，时钟的定时程序由定时器T0定时产生。设置T0工作方式为方式1，送入初值为4C00H，此时T0产生一次中断为50ms，当进入中断服务程序后判别中断次数是否到20次50ms×20＝1s(4.1)公式新起一行，居中，按章编号，编号位于行末公式新起一行，居中，按章编号，编号位于行末中断20次后进入秒个位单元的加以几判断比较程序，否则直接出中断等待下。定时器程序流程图：图4.2定时器程序流程图4.3其他主要子程序设计省电模式子程序：省电模式使LED现实关闭即可做到。首先设置一个标志寄存器，在查到省电模式键盘按下进入子程序时给该单元加一并且给P0口送入00H让LED熄灭，出子程序，当查询到第二次有键按下时，给标记单元减一，出子程序。同时在每次调用显示是查询标志寄存器是一不调用现实，是0则不调用.整点报时子程序:在主程序里调用子程序，判断30H,31H,32H,33H是否为零，是，说明为整点，把小时时单元的十位乘十加个位为蜂鸣器鸣响的次数。图4.3蜂鸣器流程图结论通过这次设计使我认识到我对单片机方面的知识知道的太少了，对于书本上的很多知识还不能灵活运用，有很多我们需要掌握的知识在等着我去学习，我会在以后的学习生活中弥补我所缺少的知识。本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。此次最大的困难是如何利用软、硬件配合的方式产生中断，对中断的初始化、具体设置、中断返回还不是很清楚，程序设计一度陷入停滞状态，最后在同学的帮助下，我才完成了该实验，实现了数字电子时钟的基本功能。经过这次设计，也总结了很多问题：1.在设计程序之前,务必要对所用单片机的内部结构有一个系统的了解,知道该单片机片内有哪些资源。2.设计程序采用什么编程语言并不是非常重要,关键要有一个清晰的思路和一个完整的软件流程图。3.在设计程序时,不能妄想一次就将整个程序设计好,“反复修改,不断改进”是程序设计的必经之路。4.在设计程序过程中遇到问题是很正常的,但我们应该将每次遇到的问题记录下来,并分析清楚,以免下次再碰到同样的问题。毕业设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去，此次的电子时钟设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应于以后的竞争。

致谢感谢。

参考文献李全利.单片机原理及接口技术[M].2版:高等教育出版社，2009.01参考文献符合格式详见毕业论文撰写规范参考文献符合格式详见毕业论文撰写规范石从刚.单片机原理与应用实验实训教程[M].1版:北京航空航天大学出版社，2007.02于殿泓,王新年.单片机原理与程序设计实验教程[M].1版:西安电子科技大学出版社，2007.08李有才.《单片机课程设计纲要》[M]:电子科技大学出版社，2003年彭为.单片机典型系统设计实例精讲[M].1版:电子工业出版社，2006.12附录附录A参考程序论文的附录依序用大写正体A，B，C……编序号，如：附录A论文的附录依序用大写正体A，B，C……编序号，如：附录A ORG0000H SJMPMAIN ORG0003H LJMPINTT0 ORG0013H LJMPINTT1 ORG0040HMAIN: ;MOVTMOD,#01H ;MOVTH0,# ;MOVTL0,# ;SETBEA ;SETBET0 ;SETBTR0 SETBEX0 SETBEX1 SETBIT0 SETBIT1 SETBEA MOVSP,#5FH MOVDPTR,#CODE_P0 MOVR5,#2 MOVR4,#1 MOVR3,#5 MOVR2,#8 MOVR1,#0 LJMP