簡易電子鐘的設計與仿真一、 設計要求和電路原理1.1 設計要求1) 可以準確地顯示北京時間。2) 時間顯示選擇24小時模式。3) 選用AT89C52單片機，將編寫的程序下載到該單片機中，并能使數碼管顯示。 4) 采用Keil C51編譯，Proteus軟件進行仿真。1.2 設計原理與思路利用單片機的定時與中斷系統功能實現電子鐘的計數和調時。采用AT89C52定時中斷方式實現24小時制時鐘精確的計時。通過外部的12M（11.0529M）Hz晶振產生穩定的諧振，在AT89C52的內部定時器電路實現定時，當定時器溢出時產生中斷，累計定時器的定時時間達一秒時，數碼管的秒顯示加1，判斷數碼管的秒顯示達60時，秒顯示自動清零，分顯示加1，判斷分顯示達60時，分顯示自動清零，時顯示加1，判斷時顯示達24時，時顯示自動清零。從而實現 00：00：0023：59：59 之間的任意時刻顯示。 為了使時鐘能夠靈活的對時間進行調整、校對，通過增加外部的按鍵實現簡單的復位、時調整、分調整的功能。形成一個具有復位和校時功能的簡易電子時鐘。二、 電子時鐘設計方案2.1電子鐘設計的基本方法2.1.1電子鐘實現計時的方法利用MCS-51系列單片機的可編程定時/計數器、中斷系統來實現時鐘計時。(1) 計數初值計算:把定時器T0設為工作方式2，產生0.25ms定時中斷，計數溢出4000次即得時鐘計時最小單位秒，而4000次計數可用軟件方法實現。假設使用T/C0，方式2，0.25ms定時，fosc=12MHz。則初值a滿足（256-a）1/12MHz12s =250sa=6 (6H)TH0=#6H; TL0=#6H(2) 采用中斷方式進行溢出次數累計,計滿4000次為秒計時（1秒）；(3) 從秒到分和從分到時的計時是通過累加和數值比較實現。2.1.2 電子鐘的時間顯示電子鐘的時鐘時間在8位數碼管上進行顯示，時、分、秒的顯示值可以在單片機的內部RAM設置三個緩沖單元，30H、31H、32H分別存儲時、分、秒的值。顯示如下表：表2.1 電子鐘的時、分、秒顯示時十位時個位分十位分個位秒十位秒個位LED8LED7LED6LED5LED4LED3LED2LED132H空31H空30H2.1.3 電子鐘的時間調整電子鐘設置3個按鍵通過程序控制來完成電子鐘的時間調整。A鍵復位；按下A鍵，時鐘顯示初始值 12 00 00B鍵調整分；快速按下A鍵，分顯示加1，當分顯示為59，加1變成00C鍵調整時；快速按下B鍵，時顯示加1，當時顯示為23，加1變成002.2 芯片以及元件2.2.1 AT89C52簡介AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產的，是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線。 主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義。下面對相關的引腳作介紹： VCC：+5V電源。 VSS：接地。 P0口：P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口， 也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 在Flash 編程時，P0 口接收指令字節，而在程序校驗時，輸出指令字節，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口：P1口是一個帶內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯 門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉 電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。 P2 口：P2口是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯 門電路。對端口P2 寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。 Flash 編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。 P3 口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏 輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能。P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 XTAL1：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。AT89C52芯片的引腳圖和芯片圖如下：圖2.1 AT89C52引腳圖和芯片圖2.2.2 八位動態顯示數碼管1) 數碼管動態顯示接口圖圖2.2 數碼管的動態顯示接口圖圖2.3 數碼管實物圖2) 數碼管的動態顯示驅動數碼管動態顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O端口，而且功耗更低。2.3 電子鐘模塊化電路2.3.1電子鐘的硬件設備模塊電子鐘的總體硬件模塊電路有：晶振、手動復位、數碼管顯、和時間調整和單片機接口電路，如圖2.4所示。下面分別介紹個模塊的設計。圖2.4 電子鐘硬件模塊2.3.2 時鐘電路模塊圖2.5所示為時鐘電路原理圖，在AT89C52芯片內部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。而在芯片內部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調電容，從而構成一個穩定的自激振蕩器。時鐘電路產生的振蕩脈沖經過觸發器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈沖信號。圖2.5 時鐘電路2.3.3 復位電路模塊單片機復位的條件是：必須使RST/VPD 或RST引（9）加上持續兩個機器周期（即24個振蕩周期）的高電平。例如，若時鐘頻率為12 MHz，每機器周期為1s，則只需2s以上時間的高電平，在RST引腳出現高電平后的第二個機器周期執行復位。單片機常見的復位如圖所示，這是一個微分型電路。電路為上電復位電路，它是利用電容充電來實現的。在接電瞬間，RST端的電位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RST的電位逐漸下降。只要保證RST為高電平的時間大于兩個機器周期，便能正常復位（由電容的通電時間計算得到，復位電阻的阻值在1030pF）。該電路除具有上電復位功能外，若要復位，只需按圖中的RST鍵，此時電源VCC經電阻R1、R2分壓，在RST端產生一個復位高電平。圖2.6 復位電路2.3.4 數碼管顯示電路模塊系統采用動態顯示方式，單片機AT89C52的P0口控制LED數碼管的段選線，P2口控制數碼管的位選線。動態顯示通常都是采用動態掃描的方法進行顯示，即循環點亮每一個數碼管，這樣雖然在任何時刻都只有一位數碼管被點亮，但由于人眼存在視覺殘留效應，只要每位數碼管間隔時間足夠短，就可以給人以同時顯示的感覺。下圖為共陰極8位數碼管動態顯示。圖2.7 數碼管顯示電路2.3.5 按鍵電路模塊下圖為按鍵模塊電路原理圖，A為復位鍵，B為時鐘調控鍵，C為分鐘調控鍵。A、B、和C三個按鍵一路有上拉電阻連接高電平，另一路接入單片機的控制引腳P1.0,、P1.1、P1.2。按鈕斷開時，控制引腳P1.0,、P1.1、P1.2均為高電平，當按下某一個按鍵時，控制引腳變為低電平，由程序控制其相應的作用。圖2.8 按鍵電路2.3.6 電子時鐘系統的設計原理圖結合所有的模塊設計，綜合得出電子鐘系統的總體設計原理圖如圖2.9所示。圖2.9 電子鐘原理圖2.3.7 相關引腳和元件a) AT89C52單片機用到的引腳：P0口：用于控制數碼管的段選P2口：用于控制數碼管的位選P1口：P1口的P1.0,、P1.1、P1.2腳分別控制時鐘的復位、分調整、時調整。XTAL1、XTAL2：接晶振的脈沖輸入RST：復位電路b) 其他的元件和相關作用電阻R1R11：上拉電阻，保護電路，起限流的作用電阻R12：復位電路的充電電阻8個8段數碼管：1、2顯示時，4、5顯示分，7、8顯示秒，3、6不顯示。電容C1、C2：晶振的微電容，單片機的脈沖周期產生晶振：12M，與電容構成晶振電路材料清單見附錄1三、 電子時鐘的Protues仿真3.1 Protues軟件概述Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件，是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Protues軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： （1）原理布圖 （2）PCB自動或人工布線 （3）SPICE電路仿真 （4）互動的電路仿真，用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （5）仿真處理器及其外圍電路，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型 上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Protues建立了完備的電子設計開發環境。 具有4大功能模塊：智能原理圖設計（ISIS） ；完善的電路仿真功能（Prospice）；獨特的單片機協同仿真功能（VSM） 和實用的PCB設計平臺 。3.2 編寫實驗程序、畫出實驗原理圖簡易電子鐘匯編程序見附錄2。由理論設計的電子時鐘在protues軟件上進行仿真實驗，實驗原理圖如圖3.1，按照設計的實驗原理圖在仿真軟件protues上連線。圖3.1 電子鐘仿真實驗原理圖3.3 仿真流程圖圖3.2 電子鐘仿真流程圖3.4 仿真電路調試及結果分析第一、在Keil 環境下建立目標工程編譯程序無錯（若有錯，則需重新檢查程序知道無錯為止），則生成.hex文件雙擊單片機，導入文件。第二、單擊運行按鈕，電路仿真上電，觀察數碼管的顯示以及通過控制按鍵對時間的調整，檢查是否正確，若不正確，則需重新檢查程序，重復上述步驟，直到仿真能夠達到所需的要求。實驗的結果如圖3.2。圖3.3 仿真實驗結果四、 電子時鐘的硬件實現由于條件的允許，電子時鐘可在單片機的開發板平臺實現。實現的過程如下：接線與準備上電程序燒錄調試與檢查結果分析1) 檢查電子鐘所需的元件能在開發板上實施按照仿真設計的原理圖連好線，（開發板上只需連接部分的信號控制線路，其他模塊的線路可能已經連好）。2) 接上電源，按下power按鍵，用程序燒錄工具將生成的.hex下載到單片機內部。3) 調試電路，檢查電子鐘是否出錯，功能是否實現，如果有錯，則排除錯誤，再次調試，直至達到要求為止4) 實驗結束，對結果進行分析，如果調試有錯，找出出錯的原因，并借助相關的資料進行解釋。AT89C52的P0口和P2口外接由八個LED數碼管(共陰極)構成的顯示器，用P0口作LED的段碼輸出口，P2口作八個LED數碼管的位控輸出線，P1口外接三個按鍵A、B、C構成鍵盤電路。結果顯示如下：圖4.1 電子鐘的開發板實現圖附錄1 元器件清單序號元件名稱規格型號/參數數量（個）備注1單片機AT89C5212晶振12MHz13電容22pF2晶振電容4電容22F1復位電容5按鍵BUTTON3復位、校分，校時6電阻RESPACK-8/10K11數碼管上拉電阻、按鍵上拉電阻7電阻RESPACK-1K1復位電阻附錄2 電子鐘匯編程序ORG 0000HAJMP MAIN ；跳轉到主程序 ORG 000BH ；T0中斷入口AJMP PTF0 ；中斷處理首地址 ；主程序；MOV 30H,#0 ；緩沖單元設置初值12:00:00 MOV 31H,#0 MOV 32H,#0 MAIN:MOV SP,#0EFH MOV 36H,#0FH ； 設置4000次中斷計數 MOV 37H,#0A0HMOV TMOD,#2 ；定時器啟動 MOV TL0,#6 MOV TH0,#6 SETB TR0 MOV IE,#82H MOV IP,#2；數碼管動態顯示；LED6：MOV DPTR,#TAB ；表的首地址給16位數據指針寄存器DPTR MOV A,30H ；時為的十位顯示 SWAP A ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#7FH MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY MOV A,30H ；時位的個位顯示 ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#0BFH MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY MOV A,31H ；分位的十位顯示 SWAP A ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#0EFH MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY MOV A,31H ；分位的個位顯示 ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#0F7H MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY MOV A,32H ；秒位的十位顯示 SWAP A ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#0FDH MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY MOV A,32H ；秒位的個位顯示 ANL A,#0FH MOVC A,A+DPTR MOV 40H,#0FEH MOV P2,40H MOV P0,A LCALL DELAY JNB P1.0,CLEAR ；判斷鍵盤輸入 JNB P1.1,SET_MINUTE JNB P1.2,SET_HOUR AJMP LED6；中斷程序；PTF0:PUSH PSW ;中斷處理 PUSH ACC MOV PSW,#8 DJNZ 37H,PTF0R DJNZ 36H,PTF0R MOV 36H,#0FH MOV 37H,#0A0H MOV R0,#32H ；定時到一秒 MOV A,R0 ADD A,#1 DA A MOV R0,A CJNE A,#60H,PTF0R MOV R0,0 DEC R0 MOV A,R0 ADD A,#1 DA A MOV R0,A CJNE A,#60H,PTF0R MOV R0,#0 DEC R0 MOV A,R0 ADD A,#1 DA A MOV R0,A CJNE A,#24H,PTF0R MOV R0,#0PTF0R:POP ACC POP PSW RETIDELAY:MOV R6,#9H ；動態顯示延時L0: MOV R7,#19H DJNZ R7,$ DJNZ R6,L0 RETDELAY1:MOV R5,#1BH ；調整時、分顯示延時 L1:MOV R6,#9HL2:MOV R7,19H DJNZ R7,$ DJNZ R6,L2 DJNZ R5,L1 RETCLEAR:MOV 30H,#12H ；時鐘顯示復位 A鍵 MOV 31H,#0 MOV 32H,#0 RETSET_MINUTE:MOV A,31H ；調節分加1 B鍵 CJNE A,#59H,MIN MOV 31H,#0 RETSET_HOUR: MOV R1,#30H ；調節時加1 C鍵 MOV A,R1 CJNE A,#23H,HOUR MOV 30H,#0MIN: ADD A,#1 DA A MOV 31H,A LCALL DELAY1 AJMP LED6HOUR: ADD A,#1 DA A MOV 30H,A LCALL DELAY1 AJMP LED6 ；數碼顯示表；