《單片機應用技術》課程設計報告書2010-2011學年第二學期系別：專業：班級：組長：電子信息工程學院電氣自動化技術09自動化4周瑞雪其他組員：高威威鄧海洋于久海指導教師：***1二0一一年四月二十八日目錄一、課程設計的目的及意義……………31.1課程設計的目的…………………31.2課程設計的意義…………………3二、課程設計概況………3三、課程設計方案及內容………………43.1總體設計3.2硬件設計…………73.3軟件設計方案……………………4………123.4元器件清單……………………153.5數字鐘實物圖…………………16四、總結………………16參考書目………………18附錄一…………………19附錄二…………………20附錄三…………………212

設計題目數字電子鐘一、課程設計的目的及意義1、課程設計的目的進一進一進一進一步掌握各芯片的邏輯功能及使用方法；步掌握數字鐘的設計方法和和計數器相互級聯的方法；步掌握數字系統的設計和數字系統功能的測試方法；步掌握數字系統的制作和布線方法。2、課程設計的意義20世紀末，電子技術獲得了飛速發展，在其推動下，現代電子產品幾乎滲透了社會的各個領域，有力的推動了社會生產力的發展和社會信息化程度的提高，同時也使現代電子產品性能進一步提高，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性容易使人忘記時間，忘記了要做的事情，但是，一旦重要的事情，一時的耽誤可能釀成大禍。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發展，發展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發展。單片機模塊中最常見的是數字鐘，數字鐘是一種利用數字電路技術實現時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛使用。數字電子鐘是采用數字電路對時、分、秒數字顯示的計時裝置，廣泛用于個人家庭、車站、碼頭、辦公室等公共場所，成為人們日常生活中不可缺少的必需品。由于數字集成電路的發展和石英晶體振蕩器的廣泛應用，使得數字鐘的精度表的數字化給人們的生產生活帶來了極大的方便，而且大遠遠超過老式鐘表，鐘大的擴展了鐘表原來的報時功能，因此研究數字鐘及擴大其應用，有著日常現實的意義。二、課程設計概況3

數字鐘具有顯示時、分、秒的功能；有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間；計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時，報時聲音四低一高，并且要求走時準確。三、課程設計方案及內容3.1總體設計方案本次設計時鐘電路，使用了AT89S51單片機芯片控制電路，單片機控制電路簡單且省去了很多復雜的線路，使得電路簡明易懂，使用鍵盤上的按鍵來調整時鐘的時、分、秒，用一揚聲器來進行定時提醒，同時使用C語言程序來控制整個時鐘顯示，使得編程變得更容易，這樣通過四個模塊：鍵盤、單片機芯片、揚聲器、顯示屏即可滿足設計要求。單片機鍵盤芯片揚聲器顯示屏圖3-1數字鐘總體設計框圖數字鐘的工作原理1)晶體振蕩器電路晶體振蕩器是構成數字式時鐘的核心,它保證電路通過CMOS非門構成的輸出為方波的數字式晶體振蕩電路,這個電路中,CMOS非門U1與晶體,電容和電阻構成晶體振蕩器電路,U2實現整形功能,將振蕩器輸出的近似于正弦波的波形轉換為較理想的方波。輸出反饋電阻R1為非門了時鐘的走時準確及穩定。提供偏置,使電路工作于放大區域,即非門的功能近似于一個高增益的反相放大器.電容C1,C2與晶體構成一個諧振型網絡,完成對振蕩頻率的控制功能,同時提供了一個180度相移,從而和非門構成一個正反饋網絡,實現了振蕩器的功能。由于晶體具有較高的頻率穩定性及準確性,從而保證了輸出頻率的穩定和準確。晶體XTAL的頻率選為32768HZ.該元件專為數字鐘電路而設計,其頻率較低,有利于減少分頻器級數。從有關手冊中,可查得C1,C2均為30pF.當要求頻率準確度和穩定度更高時,還可接入校正電容并采取溫度補償措施。4由于CMOS電路的輸入阻抗極高,因此反饋電阻R1可選為10MΩ.較高的反饋電阻有利于提高振蕩頻率的穩定性。非門電路可選74HC00。2)分頻器電路通常,數字鐘的晶體振蕩器輸出頻率較高,為了得到1Hz的秒信號輸入,需要對振蕩器的輸出信號進行分頻。通常實現分頻器的電路是計數器電路,一般采用多級2進制計數器來實現。例如,將32768Hz的振蕩信號分頻為1HZ的分頻倍數為32768(215),即實現該分頻功能的計數器相當于15極2進制計數器。常用的2進制計數器有74HC393等。本實驗中采用CD4060來構成分頻電路。CD4060在數字集成電路中可實現的分頻次數最高,而且CD4060還包含振蕩電路所需的非門,使用更為方便。CD4060計數為14級2進制計數器,可以將32768HZ的信號分頻為2HZ,CD4060的時鐘輸入端兩個串接的非門,因此可以直接實現振蕩和分頻的功能。3)時間計數單元時間計數單元有時計數,分計數和秒計數等幾個部分。時計數單元一般為12進制計數器計數器,其輸出為兩位8421BCD碼形式;分計數和秒計數單元為60進制計數器,其輸出也為8421BCD碼。一般采用10進制計數器74HC390來實現時間計數單元的計數功能。為減少器件使用數量,可選74HC390,該器件為雙2—5-10異步計數器,并且每一計數器均提供一個異步清零端(高電平有效)。秒個位計數單元為10進制計數器,無需進制轉換,只需將QA與CPB(下降沿有效)相連即可。CPA(下降沒效)與1HZ秒輸入信號相連,Q3可作為向上的進位信號與十位計數單元的CPA相連。秒十位計數單元為6進制計數器,需要進制轉換.將10進制計數器轉換為6進制計數器，其中Q2可作為向上的進位信號與分個位的計數單元的CPA相連。分個位和分十位計數單元電路結構分別與秒個位和秒十位計數單元完全相同,只不過分個位計數單元的Q3作為向上的進位信號應與分十位計數單元的CPA相連,分十位計數單元的Q2作為向上的進位信號應與時個位計數單元的CPA相連。時個位計數單元電路結構仍與秒或個位計數單元相同,但是要求,整個時計5

數單元應為12進制計數器,不是10的整數倍,因此需將個位和十位計數單元合并為一個整體才能進行12進制轉換.利用1片74HC390實現12進制計數功能的電路，尚余-2進制計數單元,正好可作為分頻器2HZ輸出信號轉化為1HZ信號之用。4)譯碼驅動及顯示單元計數器實現了對時間的累計以8421BCD碼形式輸出,選用顯示譯碼電路將計數器的輸出數碼轉換為數碼顯示器件所需要的輸出邏輯和一定的電流,選用CD4511作為顯示譯碼電路,選用LED數碼管作為顯示單元電路。5)校時電源電路當重新接通電源或走時出現誤差時都需要對時間進行校正.通常,校正時間的方法是:首先截斷正常的計數通路,然后再進行人工出觸發計數或將頻率較高的方波信號加到需要校正的計數單元的輸入端,校正好后,再轉入正常計時狀態即可。根據要求,數字鐘應具有分校正和時校正功能,因此,應截斷分個位和時個位的直接計數通路,并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。圖3-7所示即為帶有基本RS觸發器的校時電路。點報時電路一般時鐘都應具備整點報時電路功能,即在時間出現整會自動報時,以示提醒。其作用方式是發出連續的或有節奏的音頻聲波,較復雜的點前數秒內,數字鐘根據要求,電路應在整點前10秒鐘內開始整點報時,即當時間在59分50秒到59分59秒期間時,報時電路報時控制信號。報時電路選74HC30,選蜂鳴器為電聲器件。6圖3-2數字鐘顯示原理圖一、數字鐘的原理圖二、數字鐘的PCB版圖7硬件接線：把單片機系統區域中的P1.0-P1.7端口用8芯排線連接到動態數碼顯示區域中的A-H端口上；把單片機系統區域中的P3.0-P3.7端口用8芯排線連接到動態數碼顯示區域中的S1-S8端口上；把單片機系統區域中的P0.0/AD0、P0.1/AD1、P0.2/AD2端口分別用導線連接到獨立式鍵盤區域中的SP3、SP2、SP1端口上。1、數字鐘的組成框圖振蕩器產生高穩定的高頻脈沖信號，作為數字鐘是時間基準（系統時鐘），再經分頻器輸出標準秒脈沖信號。秒計數器滿60后向分計數器進位，分計數器滿60后復位，數碼管顯示歸零。計時出現誤差時可以用校時電路進行校分、校秒。8圖3-3數字鐘組成框圖2、系統時鐘誤差分析時間是一個基本物理量，具有連續、自動流逝、不重復等特性。我國時間基準來自國家授時中心、人們日常使用的時鐘九就是以一定的精度與該基準保持同步的。結合時間概念和誤差理論可以定義時鐘的走時誤差S=S1-S2，S1表示程序實際運行計算的秒；S2表示客觀時間的標準秒。S>0時表示時鐘秒單元數值刷新滯后，即走時誤差為“慢”；反之，S<0表示秒單元數值胡刷新超前，即走時誤差為“快”。本次設計的單片機時鐘系統中，其誤差主要來源包括晶體頻率誤差，定時器溢出誤差，晶體頻率產生這震蕩，容易產生走時誤差；定時器溢出的時間誤差，本應這一秒溢出，但卻在這一秒溢出，造成走時誤差；延時時間過長或過短，都會造成與基準時間產生偏差，造成走時誤差。三、各部分功能介紹1、AT89S51單片機單片機的發展及應用9單片機誕生于20世紀70年代末，經歷了SCM、MCU、SoC三大階段。單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用器人、智能儀表、醫療器械以及各種智能機械了。因應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科此，單片機的學習、開發與單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用圖3-4單片機的引腳40個引腳按功能大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。（1）電源:V-芯片電源，接+5V；CCV-接地端；SS(2)時鐘:XTAL1、XTAL2-晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。(3)控制線:控制線共有4根，ALE/PROG:地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖①ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址②PROG功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。PSEN:外ROM讀選通信號。RST/VPD:復位/備用電源。①RST（Reset）功能：復位信號輸入端。②V功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。PDEA/Vpp:內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。①EA功能：內外ROM選擇端。②Vpp功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。(4)I/O線AT89S51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）P30RXD串行輸入口P31TXD串行輸出口P32INT0外部中斷0（低電平有效）P33INT1外部中斷1（低電平有效）P34T0定時計數器0P35T1定時計數器1P36WR外部數據存儲器寫選通（低電平有效）P37RD外部數據存儲器讀選通（低電平有效）11

顯示電路顯示模塊需要實時顯示當前的時間，即時、分、秒，因此需要六個數碼管，另需兩個數碼管來顯示橫。采用動態顯示方式顯示時間，硬件連接如下圖所示，時的十位和個位分別顯示在第一個和第二個數碼管，分的十位和個位分別顯示在第四個和第五個數碼管，秒的十位和個位分別顯示在第七個和第八個數碼管，其余數碼管顯示橫線。LED顯示器的顯示控制方式按驅動方式可分為靜態顯示方式和動態顯示方式兩種。3、按鍵按鍵的開關狀態通過一定的電路轉換為應的I/O端口形成一個負脈沖。閉合和釋放過程都要經過一定的過程才能達到穩定，這一過程是處于高、低電平之的間一種不穩定狀態，稱為抖動。抖動持續時高、低電平狀態。按鍵閉合過程在相的間長短與開關的機械特性有關，一般在5-10ms之。間為了避免CPU多次處理按鍵的一次閉合，應采用措施消除抖動。本次課程設計采用的是獨立式按鍵，直接用I/O口線構成單個按鍵電路，每個按鍵占用一條I/O口線，每個按鍵的工作狀態不會產生互相影響。電路圖如下：3.3軟件設計1、軟件程序內容本設計的軟件程序包括主程序、中斷子程序、打鈴子程序、時鐘顯示子程序、查詢時間表切換程序和延時子程序等等。另外，由于電路中有四個按鍵，還另外設計了防抖動程序來防止干擾。2、軟件設計流程圖這次的數字電子鐘設計用到很多子程序，它們的流程圖如下所示：主程序是先開始，然后啟動定時器，定時器啟動后再進行按鍵檢測，檢測完后，就可以顯示時間。按鍵處理是先檢測秒按鍵是否按下，按鍵如果按下，秒就加1，如果沒有按下就檢測分按鍵是否按下，分按鍵如果按下，分就加1，如果沒有按下，就檢測時按鍵是否按下，時按鍵如果按下，時就加1，如果沒有按下，就把時間顯示出來。時間顯示是先秒個位計算顯示，然后是秒十位計算顯示，再是分個位計算顯示，再然后是分十位計算顯示，再就是時個位計算顯示，最后是時十位計算顯示。數字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數的計數電路。由于計數的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數字鐘。圖3-5主程序框圖圖3-6中斷流程圖圖3-7時間顯示流程圖時鐘程序設計步驟（1）選擇工作方式，計算初值；（2）采用中斷方式進行溢出次數累計；（3）從秒—分—時的計時是通過累加和數值比較實現的；（4）時鐘顯示緩沖區：時鐘時間在方位數碼管上進行顯示，為此在內部RAM中要設置顯示緩沖區，共6個地址單元。顯示緩沖區從左到右依次存放時、分、秒數值。（5）主程序：主要進行定時器/計數器的初始化編程，然后反復調用顯示子程序的方法等待中斷的到來。（6）中斷服務程序：進行計時操作。（7）加一子程序：用于完成對時、分、秒的加操作，中斷服務程序在秒、分、時加1時共有三條調用加1子程序，包括三項內容：合字、加1并進行十進制調整、分字。3.4元件清單1.+5V電源。2.面包板1塊。3.示波器。4.萬用表。5.鑷子1把。6.剪刀1把。7.撥線銓1把。8.導線若干9.共陽八段數碼管6個。10.74LS90芯片7塊。11.74LS47芯片6塊。12.74LS51芯片1塊。13.74LS30芯片1塊。14.74LS08芯片1塊。15.74LS04芯片1塊。16.CD4060芯片1塊。17.CC4016芯片1塊。18.1KΩ電阻1個。15

四總結經過一周的努力，在指導老師和同學的幫助下，終于完成了該電子時鐘的課程設計，在此次的數字鐘設計過程中，更進一步地熟悉了芯片的結構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。此次的數字鐘設計重在于仿真和接線,雖然能把電路圖接出來,并能正常顯示,但對于電路本身的原理并不是十分熟悉.總的來說,通過這次的設計實驗更進一步地增強了實驗的動手能力。在連接六進制、十進制、六十進制的進位及十二進制的接法中，要求熟悉邏輯電路及其芯片各引腳的功能，那么在電路出錯時便能準確地找出錯誤所在并及時糾正了。在設計電路中，往往是先仿真后連接實物圖，但有時候仿真和電路連接并不是完全一致的，例如仿真的連接示意圖中，往往沒有接高電平的16腳或14腳以及接低電平的7腳或8腳，因此在實際的電路連接中往往容易遺漏。在設計電路的連接圖中出錯的主要原因都是接線和芯片的接觸不良以及接線的錯誤所引起的。設計過程中遇到的問題及其解決方法。在檢測面包板狀況的過程中，出現本該相通的地方被斷了的導線堵塞，用鑷子將其挑出。在檢測74LS47驅動電路的過程中發現有兩個數碼管顯示的數字是沒有規律的（不是從0到9的顯示），正是由于我們布線的整齊簡明，經過檢查發現是74LS47其中的兩跟碼線譯與顯示管腳連接出錯，晶振的過程中，晶振起振，但是輸出的脈沖明顯不是1HZ的，對照設計電路檢查，發現CD4060的輸出管腳接錯，接上3號管腳，一切OK！。在制作報時電路的過程中，發現蜂鳴器在57分59秒的時候就開始報時，后經檢測電路發現是由于把74HC30芯片當16引腳的芯片來接，以至接線都錯位，重新接線后能正常報時。在布置地線和5V電壓線時，不甚把兩線接到了一起，導致整個板沒法工作。經認真的檢查，排除了問題！這次的課程設計終于完成了，在此次課程設計中我們獲益非淺，其過程中遇到了很多編程問題和指導教師表示衷心的感謝！交換，就OK了！在連接操作問題，但最終還是在老師的指導下迎刃而解，在此，向我們的17

參考書目[1]數字電子技術基礎，陳明義主編，中南大學出版[2]Multism，軟件，InteractiveImageTechnologies，Ltd，出品[3]李軍，51單片機高級實例開發指南，北京航空航天大學出版社，2009.[4]王建校，楊建國，51系列單片機及C51程序設計，科學出版社，2002.[5]譚浩強，C程序設計，北京航空航天出版社，2003[6]崔剛，陳文楷，基于FPGA數字鐘設計[J][7]單片機原理及應用，李建忠西安電子科技大學出版，2002年2月[8]單片機中級教程，張俊謨北京航空航天大學出版，2000年1月[9]8051單片機課程設計實訓教材，陳明螢.清華大學出版社18

附錄一硬件原理圖19

附錄二軟件流程圖20附錄三源程序清單21

#include<AT89X52.h>unsignedcharcodedispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5c,0x79,0x71,0x00};unsignedchardispbitcode[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};unsignedchardispbuf[8]={0,0,16,0,0};unsignedchardispbitcnt;unsignedcharsecond;unsignedcharminite;unsignedcharhour;unsignedinttcnt;unsignedchar