..-..-可修遍-單片機原理及其應用課程設計說明書課題名稱：用數碼管設計的可調式電子鐘班級：B電氣102學生：佳琨學號：1010601223指導教師：陸廣平完成日期：2013.6.16目錄1、引言：21.1課題研究意義與目的21.2背景21.3定義22、課題方案論證22.1開發與運行環境22.2系統總體設計要求22.3硬件功能描述23、硬件模塊設計23.1總體設計23.2最小系統電路如下圖23.3按鍵局部電路如下圖23.4數碼管及其譯碼局部電路如下圖23.5單片機89C52模塊24、嵌入式軟件設計24.1主程序24.2顯示子程序24.3定時器/計數器中斷效勞程序25、軟硬件聯調及調試結果25.1調試步驟25.2實際出現的問題及解決方法25.3仿真圖如下圖25.4實物圖及運行如下圖26、設計經歷總結27、參考文獻2附錄2附錄1.Proteus仿真圖2附錄2.altiumdesigner原理圖2附錄3.PCB圖2附錄4.C語言程序清單2附錄5.元器件清單21、引言：1.1課題研究意義與目的此次設計是單片機部的定時/計數器來實現電子時鐘的方法以及借助鍵盤直接控制整時的調整，本設計根據STC89C52單片機系統擴展的根本原理和方法，由單片機STC89S52芯片，數碼管和鍵盤為核心，輔以必要的電路，構成了一個單片機電子時鐘。一塊單片機芯片就是一臺計算機，由于單片機以其集成度高、體積小、可靠性高、控制功能強、低電壓、低功耗等特點使它應用于智能儀器儀表、機電一體化、實時程控、人類生活中。除此之外還廣泛應用辦公自動化領域、商業營銷領域、汽車及通信系統、計算機外部設備等各領域中，并且單片機已成為計算機開展和應用的一個重要方面。由此可見掌握單片機的使用方法和利用單片機解決實際問題具有重要的意義。而此次的設計剛好用到單片機相關的知識可以說這是這次設計的重要意義和目的所在。再者，此設計的數碼管電子時鐘主要是顯時間的，是時鐘用途。在此設計的根底上人們還可根據不同的需求和不同的設計水平做出不同的設計工程。也可以加上日期，溫度的顯示和鬧鐘的功能。如果設計水平還更高的話還可以設計LED電子顯示屏。因此說，數碼管電子時鐘設計是最簡單和根底的。而且電子時鐘很實用，準確性也很好，也容易調節，假設有毀壞更換元器件也簡單，制作原理和過程也很易懂易做，本錢也不高。在此設計間也包含了很多的知識，跟我所學專業又對口，所以，做這個LED電子時鐘是個很用很好很值得做的設計。1.2背景20世紀末，電子技術獲得了飛速的開展，在其推動下，現代電子產品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產力的開展和社會信息化程度的提高。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向開展，開展趨勢將進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路裝化等幾個方面開展。單片機應用的重要意義在于，它從根本上改變了傳統的控制系統設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數字電路實現的大局部功能，現在已能用單片機通過軟件方法來實現了。單片機模塊中最常見的是數字鐘，數字鐘是一種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，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。1.3定義〔1〕單片機：單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，部包含有計算機的根本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當的軟件及外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統。〔2〕STC89C52單片機：本設計中采用型號為STC89C52的單片機，STC89C52是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出〔I/O〕端口，同時含6個中斷源，3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，片含8KB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器〔ROM〕和256B的隨機存取數據存儲器〔RAM〕，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-52指令系統。〔3〕中斷：就是當CPU正在執行程序A時，發生了另一個急需處理的事件B，這時CPU暫停當前執行的程序A，立即轉去執行處理事件B的程序，處理完事件B后，再返回到程序A繼續執行，這個過程被叫做中斷。〔4〕數碼管：分段式顯示器〔LED數碼管〕由7條線段圍成8字型，每一段包含一個發光二極管。外加正向電壓時二極管導通，發出清晰的光。只要按規律控制各發光段亮、滅，就可以顯示各種字形或符號。LED數碼管有共陽、共陰之分。〔5〕KEILuVISION：是眾多單片機應用開發軟件中優秀的軟件之一，它支持眾多不同公司的MCS51架構的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時還支持，PLM，匯編和C語言的程序設計，它的界面和常用的微軟VC++的界面相似，界面友好，易學易用，在調試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。〔6〕Proteus：Proteus軟件是LabcenterElectronics公司的一款電路設計與仿真軟件，它包括ISIS、ARES等軟件模塊，ARES模塊主要用來完成PCB的設計，而ISIS模塊用來完成電路原理圖的布圖與仿真。Proteus的軟件仿真基于VSM技術，它與其他軟件最大的不同也是最大的優勢就在于它能仿真大量的單片機芯片，比方MCS-51系列、PIC系列等等，以及單片機外圍電路，比方鍵盤、LED、LCD等等。通過Proteus軟件的使用我們能夠輕易地獲得一個功能齊全、實用方便的單片機實驗室。2、課題方案論證2.1開發與運行環境本設計以C語言為開發語言，在KeiluVISION4軟件平臺上進展C程序的編輯，連接和調試，最終與Proteus仿真軟件相結合，進展相關的電路仿真及修改，最后利用Altiumdesigner10/軟件進展產品的PCB繪制和設計，最終完成電路的焊接和調試，制作出成品。2.2系統總體設計要求本次設計中的LED數碼管電子時鐘電路采用24小時制記時方式。本次設計采用STC89C52單片機的擴展芯片和1個74LS245做驅動。本數字鐘顯示時間需8位，格式為12-00–00,因此需采用8個數碼管，假設采用單獨數碼管連線時比擬麻煩，而市場上無8位一體的數碼管，故本數字鐘采用4位一體的共陰極數碼管，其引腳圖如下：假設使8個數碼管正常顯示時間，必須采用數碼管的動態掃描方式，即每一時刻只有一個數碼管點亮，采用軟件延時和人眼的視覺停留效果，使人眼看到的數碼管是同時點亮的。因此需要用8個端口控制數碼管的段選，即決定數碼管顯示什么字符，8個端口控制數碼管的位選，即決定該時刻讓哪個數碼管點亮。考慮到數碼管采用動態掃描方式，即循環掃描數碼管的8位，并將顯示字符送入段選段，為了節省單片機的輸入/輸出端口和易于程序的編寫，采取直接用P0口控制數碼管的8個段選位，其中數碼管的小數點控制位DP不用可直接懸空。8位8段LED數碼管作正常、調時顯示，時間按時分秒排列，時鐘誤差：24小時誤差3~5秒，并且在按鍵的作用下可以進展調時，調分功能。本電路采用直流5V電源供電。同時為了限流保護電路也用了假設干個阻值不等的電阻。在本文一開場做了一些概述主要說明此設計的目的和意義，并會對這類設計工程開展情況做個簡介。這是對這次設計很重要的一個認識是前提和設計者必須明確和了解的。然后本文對此設計做了一些簡要分析，這對理清設計思想很重要。然后還對設計中用到的元器件進展比擬全面的介紹。只有真正了解了元器件的特性和功能才能讓這些元器件在設計中起到作用。電子整個設計第一步是電路原理圖，它直接關系著后續的工作。接著當原理圖完成好后就要為后面的刻板做準備了，這就是PCB印制電路板的制作。它影響了整個設計的布局是能不能成功的條件。緊接著就是程序了，如果只有硬件電路而沒有程序，那么這個設計將一文不值，也就是說是一堆破銅爛鐵。所以這局部也是非常重要的。最后結合整個設計總結了一些心得體會為這次的設計畫上完滿的句號。也為以后更好的設計提供經歷。2.3硬件功能描述此數字鐘可實現根本的走時和顯示時間時、分、秒；時間的調整，具體如下：〔1〕實現根本的走時和顯示時間的時、分、秒，上電自動顯示初始時間12-00-00。〔2〕當第一次按下第一個輕觸按鍵時進入時間的調節狀態，此時實現對顯示時間的分鐘調節，按下第二個按鍵時實現分鐘的加1調節，按下第三個按鍵時實現分鐘的減1調節。〔3〕當第二次按下第一個輕觸按鍵時進入顯示時間的小時調節狀態，按下第二個按鍵時實現小時的加1調節，按下第三個按鍵時實現小時的減1調節。〔4〕當第三次按下第一個輕觸按鍵時數字鐘恢復正常時間顯示3、硬件模塊設計3.1總體設計電子鐘的原理框圖如下圖。它由以下幾個部件組成：單片機STC89C52、電源、時分秒顯示部件。時分秒顯示采用動態掃描，以降低對單片機端口數的要求，同時也降低系統的功耗。時分顯示模塊以及顯示驅動都通過STC89C52的I/O口控制。電源局部：整流穩壓來得到+5V電壓，維持系統的正常工作。3.2最小系統電路如下圖單片機最小系統就是能使單片機工作的最少的器件構成的系統，是大多數單片機控制系統中不可缺少的關鍵局部。A．片帶程序存儲器的單片機的最小應用系統：8051,8751,8052本身時鐘電路復位電路即可構成最小應用系統EA接低電平，系統就可以工作。特點：系統有大量的輸入輸出線可供用戶使用，P0，P1，P2，P3四個口都可以作為輸入輸出口使用；部存儲器的容量有限，只有128B的RAM和4KB的程序存儲器。B．片無程序存儲器的單片機的最小系統：8031,8032本身時鐘電路復位電路片外存儲器芯片地址鎖存器即可構成最小應用系統EA接高電平，ALE接地址鎖存器，PSEN接存儲器的輸出允許端。3.3按鍵局部電路如下圖開關采用一種常開型按鍵開關，在常態時開關觸點處于斷開狀態，只有按下按鍵時開關觸點才閉合短路，所以可以用萬用表檢測開關的管腳排列、好壞和質量。按鍵是利用機械觸點的合、斷來實現鍵的閉合與釋放，由于彈性作用，機械觸點在閉合及斷開瞬間會有抖動的過程，從而使鍵輸入電壓的信號也存在抖動現象。抖動時間的長短與開關的機械特性有關，一般為5～10ms，穩定閉合期時間的長短由按鍵的動作決定，一般為幾百毫秒到幾秒。為了保證按鍵按動一次，CPU對鍵閉合僅作一次按鍵處理，必須去除抖動的影響。去除抖動的方法一般有硬件和軟件兩種：硬件方法就是在按鍵輸出通道上添加去抖動電路，從根本上防止電壓抖動的產生，去抖動電路可以是雙穩態電路或者濾波電路。軟件方法通常是在檢測到有鍵按下時延遲10～20ms的時間，待抖動期過去后，再次檢測按鍵的狀態，如果仍然為閉合狀態，才認為是有鍵按下，否那么認為是一個擾動信號。按鍵釋放的過程與此一樣，都要利用延時進展消抖處理。由于人的按鍵速度與單片機的運行速度相比要慢很多，所以，軟件延時的方法簡單可行，而且不需要增加硬件電路，本錢低，因而被廣泛采用。其中第一個按鍵控制選擇需要的鐘位，第二個按鍵控制加一調節，第三個按鍵控制減一調節。3.4數碼管及其譯碼局部電路如下圖3.5單片機89C52模塊STC89C52兼容MCS51指令系統，提供以下標準功能8K字節Flash閃速存儲器，256字節部RAM，32個I|O口線，3個16位定時器計數器，一個6向量兩級中斷構造，一個全雙工串行通信口，片振蕩器及時鐘電路。同時STC89C52可以降至0HZ的靜態邏輯系操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停頓CPU的工作，但允許RAM，定時器計數器，串行通信接口，以及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的容，但振蕩器停頓工作并制止其他所有部件工作，直到下一個硬件復位。具體管腳作用說明：A．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。B．P1口：一個帶部上拉電阻的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〕。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時計數器2的外部計數輸入〔P1.0|T2〕和輸入〔P1.1|T2EX〕，Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。C．P2口：是一個帶有部上拉電阻的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〕。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。D．P3口：是一組帶有部上拉電阻的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Flash閃速存儲器編程和校驗的控制信號。E．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。F．ALE|PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE〔地址鎖存允許〕輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1|6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。G．PSEN：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當STC89C52由外部程序存儲器取指令〔或數據〕時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。H．EA|VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器〔地址為0000H-FFFFH〕，EA端必須保持低電平〔接地〕。I．XTAL1：振蕩器反相放大器的部時鐘發生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。4、嵌入式軟件設計4.1主程序主程序執行流程如下圖，主程序先對顯示單元和定時器/計數器初始化，然后重復調用數碼管顯示模塊和按鍵處理模塊，當有鍵按下，那么轉入相應的功能程序。4.2顯示子程序本系統共用8個數碼管，從右到左依次顯示秒個位、秒十位、橫線、分個位、分十位、橫線、時個位和時十位。采用軟件譯碼動態顯示。由于采用8位共陰LED數碼管動態掃描實現數據顯示，所以顯示用十進制BCD碼數據的對應段碼存放在ROM中。4.3定時器/計數器中斷效勞程序定時器/計數器T0用于時間計時。選擇方式1，重復定時，定時時間設為50ms，定時時間到那么中斷，在中斷效勞程序中用一個計數器對50ms計數，計20次那么對秒單元加1，秒單元加到60那么對分單元加1，同時秒單元清0；分單元加到60那么對時單元加1，同時分單元清0；時單元加到24那么對時單元清0，標志一天時間計滿。在對各單元計數的同時，把它們的值放到存儲單元的指定位置。定時器/計數器T0中斷效勞程序流程圖如下圖。5、軟硬件聯調及調試結果5.1調試步驟〔1KEIL軟件中編寫程序，完成后，單擊"工程〞下的"編譯〞，產生".hex〞文件。〔2〕翻開proteus軟件，畫上硬件電路圖，保存。〔3〕雙擊AT89C52芯片，在中參加".hex〞文件，按確定。〔4〕調試運行。5.2實際出現的問題及解決方法在proteus仿真軟件調試成功后，實際卻出現了一些問題。首先是市場上沒有賣八位共陰數碼管的商家，最后只好用兩個四位共陰數碼管，這使得在狹小的電路板上的焊接難度又加大了一番。另外市場上沒有買到排阻，所以用8個10K的電阻代替。但數碼管亮度明顯缺乏，于是最終選擇直接將電阻短接，最終取得效果非常棒。5.3仿真圖如下圖5.4實物圖及運行如下圖實物圖正面實物圖反面初始通電顯示12-00-00通過按鍵設置時間，此時為21-44-416、設計經歷總結由于電路設計合理，功能電路根本能實現設計要求。從硬件焊接反方面來說，覺得比擬棘手的就是在焊數碼管時，和整體器件的布局。因為采用了兩個四位數碼管，版面線路較多，布局不好會影響后面工序的焊接，在這點上我自己覺得做的很不錯，布線焊接模塊功能區清楚確。其中最小系統以及按鍵局部均采用拉錫的工藝完成。在編程中遇到的最大困難就是延時的計算和數碼管的顯示程序段，在整體程序來看，我采用程序的構造化，使程序明朗，各功能程序段都以子程序的方式調用，所以在主程序中是相當的簡單明朗的。在硬件和軟件的結合過程中也遇到比擬大的問題，就是一開場數碼管不是顯示8，就是亂碼之類的，進過調試，現在沒有出現這樣的現象了。這也是我的一大攻關吧。但是，對于程序我還是很不好以后在這方面要多多加強。而在硬件的調試中，由于選用電阻過大，數碼管的亮度非常的低，我觀察周圍的同學有做相似課題的也多少會有這個問題。關于這個問題我本來的解決方案是采用三極管對電路信號進展放大，但后來考慮到我板子上的線路已經成型且非常密集。最終采取降阻來提高信號，過程中我發現直接將電阻短接可以取得更好的效果，也可以是板面保持美觀，所以將段選上的電阻全部短接，最終實物才取得令我比擬滿意的效果。在整個設計過程中我學會了很多，不僅穩固了我的專業知識，提升了我的學習能力和知識能力，也使我學習到很多書上沒有的，更加強了我的動手能力。從這次的設計中我確實受益匪淺，我想也不枉陸教師對我的一路輔導與幫助。我相信，以后有時機一定會做更多這樣的設計。大學三年，一晃就過去了，我很想靠自己的專業做個東西給自己留念。單片機是一個非常正統的本專業學科，用其來做出實物很有成就感。再者就也考驗了一下自己三年的學習成果，檢驗了自己的現有的知識儲藏和動手能力。未來的工作中我們會遇到比這個復雜得多的系統設計，這次也是一次難得的珍貴的經歷。為今后的人生道路打下了夯實的根底。7、參考文獻[1]蘭紅.，鄒華.單片機原理及其應用[M].：機械工業，2012.[2]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].：電子工業，2010.[3]毅剛，喜元，董繼成.單片機原理及其應用[M].：高等教育，2008.[4]偉.單片機C語言設計實訓100例[M].：電子工業，2010.[5]益飛.單片機原理及應用技術[M].：國防工業，2011.[6]陸廣平.實驗指導書附錄附錄1.Proteus仿真圖附錄2.altiumdesigner原理圖附錄3.PCB圖附錄4.C語言程序清單#include<reg52.h>UnsignedcharSeg[]={0X3f,0X06,0X5b,0X4f,0X66,0X6d,0X7d,0X07,0X7f,0X6f,0x40,0x00};//數碼管顯示1-9和—的斷碼unsignedchar[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f,0xff};//數碼管亮滅的數組/*定義全局變量*/unsignedintcounter;//定義計數數據unsignedcharsign;//定義閃爍標志位unsignedcharmode;//定義模式unsignedcharsecond=0,minute=0,hour=12;//定義秒分時的初值unsignedcharADD_bit=0,DEC_bit=0,flag=0;//加標志位和減標志位賦初值0/*定義按鍵*/Sbitms=P1^0;//按鍵P^0調節模式變化sbitADD=P1^1;//按鍵P1^1實現加一sbitDEC=P1^2;//按鍵P1^2實現減一/*延時函數*/voiddelay(unsignedintt) {while(--t);}/*數碼管掃描*/voidSegplay(){/*模式0正常模式*/if(mode==0){P0=Seg[second%10];P2=[7];delay(500);P2=[8];P0=Seg[second/10];P2=[6];delay(500);P2=[8];P0=Seg[10];P2=[5];delay(500);P2=[8];P0=Seg[minute%10];P2=[4];delay(500);P2=[8];P0=Seg[minute/10];P2=[3];delay(500);P2=[8];P0=Seg[10];P2=[2];delay(500);P2=[8];P0=Seg[hour%10];P2=[1];delay(500);P2=[8];P0=Seg[hour/10];P2=[0];delay(500);P2=[8];}/*模式1可加減分*/if(mode==1){if(sign==1){P0=Seg[second%10];P2=[7];delay(500);P2=[8];P0=Seg[second/10];P2=[6];delay(500);P2=[8];P0=Seg[10];P2=[5];delay(500);P2=[8];P0=Seg[minute%10];P2=[4];delay(500);P2=[8];P0=Seg[minute/10];P2=[3];delay(500);P2=[8];P0=Seg[10];P2=[2];delay(500);P2=[8];P0=Seg[hour%10];P2=[1];delay(500);P2=[8];P0=Seg[hour/10];P2=[0];delay(500);P2=[8];}if(sign==0){P0=Seg[second%10];P2=[7];delay(500);P2=[8];P0=Seg[second/10];P2=[6];delay(500);P2=[8];P0=Seg[10];P2=[5];delay(500);P2=[8];P0=Seg[11];P2=[4];delay(500);P2=[8];P0=Seg[11];P2=[3];delay(500);P2=[8];P0=Seg[10];P2=[2];delay(500);P2=[8];P0=Seg[hour%10];P2=[1];delay(500);P2=[8];P0=Seg[hour/10];P2=[0];delay(500);P2=[8];}}/*模式2可加減時*/if(mode==2){if(sign==1){P0=Seg[second%10];P2=[7];delay(500);P2=[8];P0=Seg[second/10];P2=[6];delay(500);P2=[8];P0=Seg[10];P2=[5];delay(500);P2=[8];P0=Seg[minute%10];P2=[4];delay(500);P2=[8];P0=Seg[minute/10];P2=[3];delay(500);P2=[8];P0=Seg[10];P2=[2];delay(500);P2=[8];P0=Seg[hour%10];P2=[1];delay(500);P2=[8];P0=Seg[hour/10];P2=[0];delay(500);P2=[8];}if(sign==0){P0=Seg[second%10];P2=[7];delay(500);P2=[8];P0=Seg[second/10];P2=[6];delay(500);P2=[8];P0=Seg[10];P2=[5];delay(500);P2=[8];P0=Seg[minute%10];P2=[4];delay(500);P2=[8];P0=Seg[minute/10];P2=[3];delay(500);P2=[8];P0=Seg[10];P2=[2];delay(500);P2=[8];P0=Seg[11];P2=[1];delay(500);P2=[8];P0=Seg[11];P2=[0];delay(500);P2=[8];} 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