1、本 科 課 程 設 計 題 目： 高仿真數碼管電子鐘 院 系： 管理科學與工程學院 專 業： 電子信息工程 學生姓名： * 學 號： * 指導教師： * 二一 年 十月高仿真數碼管電子鐘2摘要21 引言31.1 本系統研究的背景和意義31.2 本系統主要研究內容42 系統總體設計42.1 系統設計方案與論證42.11 FPGA設計方案52.12 NE555時基電路設計方案52.13單片機設計方案52.14最終設計方案62.2 系統總體結構圖63 系統硬件設計63.1 芯片介紹63.11 8051單片機簡單介紹63.12 74LS138 3-8譯碼器介紹93.2 系統硬件原理圖113.3復位模塊

2、113.4按鍵模塊123.5顯示驅動模塊134 系統軟件設計134.1 系統軟件總體設計134.2 中斷子程序134.3按鍵掃描子程序145 系統調試155.1 硬件調試155.2 軟件調試156 結論15參考文獻17附錄18致謝23高仿真數碼管電子鐘摘要電子時鐘主要是利用電子技術將時鐘電子化、數字化，擁有時鐘精確、體積小、界面友好、可拓展性能強等特點，被廣泛應用于生活和工作當中。 本文主要為實現一款可正常顯示時間、帶有制調整、帶有顯示以及時間校準功能的一款基于單片機仿真的多功能電子鐘。 本文對當前的電子鐘開發手段進行了比較與分析，最終確定了采用單片機技術實現高仿真電子鐘的設計。本設計采用芯片

3、作為核心，采用外部時鐘脈沖定時，用軟件自帶的電子鐘組件實現高度仿真的顯示效果。軟件部分主要采用簡單且流通性強的語言編寫實現。這種高度仿真的電子鐘具有電路簡單，讀取方便、顯示直觀、功能多樣、時間精度較高、操作簡單、編程容易成本低廉等諸多優點。 本次設計主要是用電路軟件實現了高仿真數碼管電子鐘的仿真。稍加改裝，增加部分功能所生產出的實際產品即可應用于一般的生活和工作中，從而給人們的生活和生產帶來便利，符合電子儀器儀表的發展趨勢，具有廣闊的市場前景。關鍵詞：電子鐘、單片機、1 引言 時間是人類生活必不可少的重要元素，如果沒有時間的概念，社會將不會有所發展和進步。從古代的銅壺滴漏、十二天干地支，到后來

4、的機械鐘表以及當今的石英鐘，都充分顯現了時間的重要，同時也代表著科技的進步。致力于計時器的研究和充分發揮時鐘的作用，將有著主要的意義。1.1 本系統研究的背景和意義20世紀末，電子技術獲得了飛速的發展。在其推動下，現代電子產品幾乎滲透到了社會的各個領域，有利的推動和提高了社會生產力的發展與信息化程度，同時也使現代電子產品性能進一步提升，產品更新換代的節奏也越來越快。時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜容易使人忘記當前的時間。然而遇到重大事情的時候，一旦忘記時間，就會給自己或他人造成很大麻煩。平時我們要求上班準時，約會或召開會議要提前時間；火車要準時到達，航班準時起飛；工業生產中，很多

5、環節都需要用時間來確定工序替換時刻。所以說能隨時準確知道時間并利用時間，是我們生活和工作中必不可少的。電子鐘是采用電子電路實現對時分秒進行數字顯示的及時裝置，廣泛應用于個人家庭，車站，碼頭辦公室等辦公場所。由于數字集成電路的發展，使得數字鐘的精度遠遠超過老式機械鐘表，鐘表的數字化給人們的生產生活帶來了極大的方便，而且大大的擴展了原先鐘表的功能。諸如定時自動報警、0按時自動打鈴、定時廣播、自動啟閉路燈、定時開關烘箱、通斷電力設備，設置各種定時電氣的自動啟用等，所有這些都已鐘表數字化為基礎的，因此，研究數字電子鐘及擴大其應用，有著非常現實的意義。1.2 本系統主要研究內容本設計采用芯片作為核心，采

6、用外部時鐘脈沖定時，用軟件自帶的電子鐘組件實現高度仿真的顯示效果。本次設計的電子鐘主要研究內容：（1）研究電子時鐘的原理與實現方法（2）51單片機的原理與應用（3）構思基于單片機的高仿真電子時鐘的實現方案（4）熟悉運用C51單片機語言編寫軟件系統（5）熟悉運用Keil C軟件與Proteus軟件仿真和調試系統2 系統總體設計2.1 系統設計方案與論證 電子時鐘既可以通過純硬件實現，也可以通過軟硬件結合實現，根據電子時鐘里的核心部件秒信號的產生原理，通常有以下三種形式：2.11 FPGA設計方案現場可編程門陣列（即FPGA）是20世紀70年代發展起來的一種可編程邏輯器件，是目前數字系統設計的主要

7、硬件基礎。FPGA在設計過程中方便、快捷，而且FPGA技術功能強大，能夠應用其制作諸如基代碼發生器、數字頻率計、電子琴、電梯控制器、自動售貨機控制系統、多功能波形發生器、步進電機定位控制系統、電子時鐘等。應用FPGA能夠將時鐘設計為四種類型：全局時鐘、門控時鐘、多級邏輯時鐘和波動式時鐘。多時鐘系統能夠包括上述四種時鐘類型的任意組合。2.12 NE555時基電路設計方案采用NE555時基電路或其他振蕩電路產生秒脈沖信號，作為秒加法電路的時鐘信號或為處理器的外部中斷輸入信號，可構成電子鐘。通過調整相關參數可使輸出的頻率為精確的1HZ。 圖2.12 基于 NE555的秒信號發生器采用NE555定時器

8、設計電子時鐘，成本低，容易實現。但是受芯片引腳數量和功能的限制，不容易實現電子時鐘的多功能性。2.13單片機設計方案 利用單片機的智能性，可方便的實現具有智能的電子鐘設計。單片機具有時鐘振蕩系統，利用系統時鐘借助微處理器的定時器/計數器可實現電子鐘功能。然而系統時鐘誤差較大，電子鐘的積累誤差也可能較大，所以通過誤差修改軟件加以修正，或者在設計高精度的時鐘日歷芯片，以精確時間，另外很多功能不同的單片機是兼容的，這就更便于實現產品的多功能性。2.14最終設計方案 在比較了三種方案之后，考慮單片機貨源充足、價格低廉，可軟硬件結合使用，能夠較方便的實現系統的多功能性，故采用單片機作為本次設計的硬件基礎

9、。 本次設計用Proteus軟件本身的50HZ激勵源作為時鐘脈沖，接入單片機的外部中端口來仿真是想基準時鐘信號輸入。2.2 系統原理及總體結構圖本系統采用51單片機中芯片控制整個系統，連接各部分模塊，下面為系統的設計原理組成框圖： 圖2.2 系統原理組成框圖本系統主要采用單片機作為主控芯片，外接復位模塊、調整校時模塊、驅動顯示模塊和外部時鐘脈沖。本設計采用50HZ激勵源仿真時鐘脈沖，驅動顯示模塊主要由單片機P2.0P2.2三個端口接74LS138譯碼器，8個輸出端口接8片74100的使能端，P2.3接74LS138的使能端，P2.4P2.7接到8片74100的輸入端，采取動態掃描原理來驅動顯示

10、。由于50HZ激勵源仿真時鐘脈沖接在AT89C51芯片的中斷端口，激勵源時鐘脈沖周期為0.02秒，在每一個時鐘脈沖上升沿觸發中斷，調用中斷子程序。中斷子程序主要為每0.5秒使顯示組件中的LED:點亮，每1秒LED:關閉且秒遞增，滿60秒加分，同時每秒刷新時分秒顯示。系統設置了顯示緩沖disp_Buffer,共有7位，前6位為時分秒顯示緩沖（各占兩位），第7位控制AM、PM、SET標志以及LED發光管閃光顯示。disp_Buffer6從低位到高位，第1位為0時AM顯示，為1時PM顯示；第2位為0時12h制，為1時24h制，僅當第2位為1時，第1位才有效；第3位為SET標志位，為1時處于設置狀態，

11、發光管亮，為0時處于顯示狀態，發光管滅；第4位為LED閃爍控制位，為0時亮，為1時滅。系統在顯示狀態時，中斷開，循環執行中斷子程序，秒遞增，刷新顯示，將當前時間current_Time中的相應位裝入disp_Buffer中相應位，再從單片機P2端口輸出驅動顯示。當系統處于設置狀態時，關閉中斷，顯示暫停，執行調整與設置時鐘程序。3 系統硬件設計3.1 芯片介紹3.11 8051單片機簡單介紹 AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內含4KB的可反復擦除的只讀程序存儲器（PEROM）和128B隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失

12、性存儲技術生產兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。主要性能參數：與MCS-51產品指令系統完全兼容4K字節可重擦寫FLASH閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態操作：0HZ-24MHZ三級加密程序存儲器1288字節內部RAM32個可編程I/O口線2個16位定時/計數器6個中斷源可編程串行UART通道 圖 3.111 AT89C51 引腳封裝圖芯片引腳介紹：（1）主電源引腳 VCC：+5 V電源 VSS：地線。（2）時鐘電路引腳 XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當使用芯片內部時鐘

13、時，此二引線端用于外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。（3）控制信號引腳 RST/VPD：復位信號。當輸入的復位信號延續兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作;當單片機掉電時，此引腳上可接備用電源，由VPD向片內RAM提供備用電源，一保持片內RAM中的數據不丟失。 ALE/PROG：地址鎖存控制信號。在系統擴展時，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實現低位地址和數據的隔離。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。 對于EPROM型單片機，在EPRAM編程期間，此引腳接

14、收編程脈沖。 PSEN:片外程序存儲器讀選通信號輸出端。 EA/VPP：訪問程序存儲控制信號。當EA信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當EA信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。對于EPROM型單片機，在EPRAM編程期間，此引腳接上加21V EPROM編程電源VPP。(4)I/O引腳P0.0 P0.7： P0口8位雙向口線。P1.0 P1.7 ：P1口8位雙向口線。P2.0 P2.7 ：P2口8位雙向口線。P3.0 P3.7 ：P3口8位雙向口線。 P3口線的第二功能。P3的8條口線都定義有第二功能，詳見表3-1。表3-11 P3

15、口各引腳與第二功能表引腳第二功能信號名稱P3.0RXD串行數據接收P3.1TXD串行數據發送P3.2INT0外部中斷0申請P3.3INT1外部中斷1申請P3.4T0定時/計數器0的外部輸入P3.5T1定時/計數器1的外部輸入P3.6WR外部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通以上把8051單片機的全部信號引腳分別以第一功能和第二功能的形式列出。對于各種型號的芯片，其引腳的第一功能信號是相同的，所不同的只在引腳的第二功能信號。對于9、30和31三個引腳，由于第一功能信號與第二功能信號是單片機在不同工作方式下的信號，因此不會發生使用上的矛盾。但是P3口的情況卻有所不同，它的第二功能信號都是單片

16、機的重要控制信號。因此，在實際使用時，都是先按需要選用第二功能信號，剩下的才以第一功能的身份作數據位的輸入/輸出使用。3.12 74LS138 3-8譯碼器介紹 74LS138為3線8線譯碼器，其管腳圖如下： 3.121 74LS138管腳圖引腳端符號： A、B、C 譯碼地址輸入端 G1 選通端 、 選通端（低電平有效） Y0Y7 譯碼輸出端（低電平有效）當一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（和）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。利用G1、和可級聯擴展成24線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯擴展成32線譯碼器。若將選通端中的一個作為數據輸入端

17、時，138還可作為數據分配器。功能表： 表312 74LS138功能表其中 ，H=高電平，L=低電平，X=任意。74LS138的邏輯圖為： 圖 3.122 74LS138邏輯結構圖3.2 系統硬件原理圖下面為系統的硬件原理圖 圖3.2 系統硬件電路圖3.3復位模塊關于單片機的復位主要有三種方法：上電復位、按鍵電平復位、按鍵脈沖復位，各自的電路搭建方法如下： 圖3.31 上電復位和按鍵復位電路本次設計主要采取上電復位接法，電路原理如下： 圖3.32復位模塊圖3.4按鍵模塊按鍵模塊為系統制調整，校時、校分部分，具體電路原理圖如下： 圖3.4按鍵模塊電路原理圖其中K1按鍵為制調整按鍵，當K1處于開啟

18、狀態時，為12h小時制，AM/PM顯示標志亮，當K1處于閉合狀態時，為24h小時制。K2按鍵為時間設置按鍵，只有K2處于閉合狀態時，K3、K4按鍵才有效。K3為加時按鍵，K4為加分按鍵。 3.5顯示驅動模塊本模塊主要利用AT89C51的P2端口連接74LS138 38譯碼器依次選通8個74100電子鐘顯示組件驅動芯片，來顯示驅動的。限于篇幅，具體電路圖請看附件。4 系統軟件設計4.1 系統軟件總體設計系統主源程序流程圖如下圖所示，源程序見附件。 圖4.1 系統主程序流程圖4.2 中斷子程序MCS-51系列單片機有五個中斷源，中斷分為2個中斷優先級，即高優先級和低優先級，每個中斷源的優先級都可以

19、由軟件來設定。中斷地址表如表4-2所示。表4-2中斷地址表本次設計主要通過將50HZ外部時鐘基準脈沖接在端口，以此來不斷產生中斷的，中斷子程序的流程圖如下圖所示。源程序見附件。 圖4-2 中斷子程序的流程圖4.3按鍵掃描子程序按鍵掃描子程序流程圖如下圖所示，該部分源程序見附件。圖4.3按鍵掃描程序流程圖5 系統調試5.1 硬件調試硬件調試是測試焊接完成后的成品的硬件電路的功能，發現及排除相關故障，主要包括主控芯片的調試以及各模塊電路的調試。由于本次設計僅僅處于軟件仿真階段，并沒有去設計焊接電路，故該部分略。在不久的畢業設計論文中一定會完善該部分。5.2 軟件調試本設計的軟件編譯是在Keil u

20、Vision3上進行的，此軟件可以生成HEX文件用于下載到單片機上工作。生成HEX文件后可以在PROTEUS上進行仿真調試。6 結論本人目前在準備考研，由于時間倉促，本次設計我只是較為粗糙地實現了一個電子鐘的一些基本功能，完全由軟件仿真實現的，系統中有關部分是用軟件中相似功能模塊替代的，主要有以下兩個部分：1）外部時鐘是由軟件中激勵源替代的，在真正的設計，時鐘部分是很重要的，可以由石英晶振或NE555芯片產生。2）電子鐘的顯示部分是由軟件中自帶的電子鐘組件替代的，實際設計中可以由多位數碼管顯示，應用LED顯示的動靜態原理驅動多位LED數碼管；或者用LCD液晶顯示模塊來顯示時間。通過做這次課程設

21、計，我學到了很多東西，首先是Proteus及Keil C軟件的運用，并對多功能數字電子鐘的相關原理有了更深入的理解，以前我只是對這些軟件有個大概的了解，但通過這次實踐，對這些軟件有了更深刻的了解，在以后的畢業設計中，我將更加接近實際地來完成畢業設計，完善相關功能，出色地完成我的畢業設計。參考文獻1 蔡美琴等.MCS-51系列單片機系統極其應用.北京：高等教育出版社，20042 林伸茂.8051單片機徹底研究實習篇.北京：人民郵電出版社，20043 胡學海.單片機原理極其應用系統設計.北京:電子工業出版社，2005 4 張毅剛.單片機原理極其應用.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004 5 韓志

22、軍等.單片機應用系統設計.北京:機械工業出版社，2005 6 舒懷林.單片機原理與接口技術.武漢:華中科技大學出版社，2001 附錄附件1 ：源程序如下/-/名稱：高度仿真數碼管電子鐘/-/說明本例在Proteus中選用了高仿真的電子鐘元器件，并添加了時分調整/功能，閃爍顯示，AM/PM切換，12h/24h制選擇等。#include <reg51.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar tCount=0;/時鐘設置開關及按鍵sbit K1=P00; /

23、12h/24hsbit K2=P01; /設置sbit K3=P02; /小時加sbit K4=P03; /時鐘加/當前時間：時分秒uchar current_Time =12,59,00;/時分秒顯示緩沖（各占兩位），最后的0x00控制AM，PM及發光管閃光等uchar disp_Buffer =0,0,0,0,0,0,0x00;/12h,24h,AM,PM及SET控制標志uchar f_24=0,f_AM=0,f_set=0;/-/延時/-void DelayMS(uint x)uchar i;while(-x) for (i=0;i<120;i+); /-/加時/-void Add

24、_Hour()/小時數累加+current_Time0;/24小時制時滿24歸零if (f_24 =1 && current_Time0 = 24 ) current_Time0 = 0;/12h制滿13歸1，且取反AM與PM標志if (f_24=0 && current_Time0=13) current_Time0=1;/將原來的AM與PM位取反disp_Buffer6=(disp_Buffer6&0xFE)|(disp_Buffer6&0x01)&0x01; /-/加分/-void Add_Miniute()/分鐘數累加+curre

25、nt_Time1;if (current_Time1=60)current_Time1=0;Add_Hour();/-/根據當前時間刷新時分秒顯示緩沖/-void Refresh_Disp_Buffer()uchar i;/刷新顯示緩沖for (i=0;i<3;i+)disp_Buffer2*i = current_Timei/10;disp_Buffer2*i+1 =current_Timei%10;/-/外部中斷/-void EX0_INT() interrupt 0+tCount;if (tCount=25) disp_Buffer6 &=0xF7;/每0.5秒 LED:點

26、亮if (tCount=50) /每秒刷新顯示緩沖等tCount=0;disp_Buffer6 |=0x08; /每1秒 LED:關閉if (+current_Time2 = 60) /秒遞增current_Time2=0;Add_Miniute();Refresh_Disp_Buffer(); /刷新時分秒的顯示緩沖 /-/顯示時間/-void Display_Time()uchar i;for (i=0;i<7;i+)P2=(disp_Bufferi<<4)|i|0x08; DelayMS(5); P2=P2&0xF7; DelayMS(5);/-/時鐘調整與設置/-void adjust_and_set_clock()/設置狀態下，調整時與分，12h/24h制等while (K2=0)/設置12h/24h制if (K1=0) /切換12h/24h制 f_24=1;disp_Buffer6|=0x0