电子时钟的设计与实现大学论文.doc
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1、电子时钟的设计与实现目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言21 电子时钟设计概述21.1 电子时钟的原理21.2 电子时钟的设计思路22 元器件介绍32.1 主控芯片89C5132.2 LED 数码管52.2.1 LED数码管的结构原理52.2.2 LED显示器接口及显示方式63 硬件电路设计73.1 硬件电路图73.2 复位电路83.3 晶体振荡电路103.4 按键电路104 软件设计114.1 程序设计步骤114.2 电子时钟的程序设计114.2.1 主程序124.2.2 按键和中断服务子程序124.2.3 显示和处理子程序 155 系统仿真175.1 PROTUE
2、S软件介绍175.2 电子钟系统PROTUES仿真186 总结20参考文献21附录A 程序清单22致谢27电子时钟的设计与实现摘要:本设计主要实现了一个基于89C51单片机并通过数码管显示相应的时间的电子时钟。通过控制键来实现时间的调节,并将电子时钟小时、分钟、秒采用24小时计时方式用八位LED数码管显示,并应用Proteus的ISIS软件实现了单片机电子时钟系统的仿真,该方法仿真效果真实、准确,节省了硬件资源。本设计采用单片机原理实现的电子时钟,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有硬件成本低、计时准确、更长的使用寿命等特点。关键词:单片机;电子时钟;LED数码管The
3、 Design And Implementation of Electronic ClockAbstract:This design mainly realizes an electronic clockwhich is based on 89c51. And through digital tube, it displays the corresponding time of electronic clock. Adjust the time through the control button, and the electronic clocks hours, minutes, secon
4、ds displays by 24 hour chronograph and eight LED digital tube. And the application of Proteus ISIS software simulation of single chip electronic clock system, the method of simulation results is true, accurate and saving the hardware resources. This design uses the electronic clock monolithic integr
5、ated circuit principle. Compared with the mechanical clock, it has a higher accuracy and intuitive, and no mechanical device, it has low hardware cost, timing accuracy, longer service life etc.Key words: Single Chip Microcomputer;Electronic Clock;LED Digital Tube 引言 1957年,Ventura发明了世界上第一个电子表,从而奠定了电子
6、时钟的基础,电子时钟开始迅速发展起来。20世纪末,电子技术获得飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透到社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时现代电子产品性能也得到进一步提高,产品更新换代的速度也越来越快。 时间对人们来说越来越宝贵,工作的繁杂性和忙碌性容易使人忘记当前的时间。忘记很多要做的事情,如果事情不是很重要的时候,这种遗忘可能无伤大雅。但是,一旦重要的事情,一时的耽将能酿成大祸,因此电子时钟得到了广泛的应用。1 电子时钟设计概述1.1 电子时钟的原理 目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性
7、能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。还在于单片机应用的重要意义,传统的控制系统设计方法和设计思想被单片机改变了。从前必须由数字电路或模拟电路实现的大部分功能,现在已能可以通过软件用单片机来实现了。这种软件代替硬件的控制技术称为微控制技术,对传统控制技术来说是一次革命。单片机模块中最常见的是数字电子时钟,数字电子时钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置,数字电子时钟钟用集成电路计时,译码代替机械式传动,用LED显示器代替指针显示进而显示时间,减小了计时误差,这种表具有时、分、秒显示时间的功能,还可以进行时和分的校对,片选的灵活性好。电子时钟是一个将“ 时”,“分”,“秒”显示于人的
8、视觉器官的计时装置。它的计时周期为24小时,显示满刻度为23时59分59秒。因此,一个基本的电子时钟电路主要由显示器和单片机,还有校时电路组成。该电子时钟由89C51,八段数码管等构成,采用晶振电路作为驱动电路,由延时程序和循环程序产生的一秒定时,达到时、分、秒的计时,六十秒为一分钟,六十分钟为一小时,满二十四小时为一天。而电路中的四个控制键却拥有多种不同的功能,K1实现小时加1,K2实现小时减1,K3实现分钟加1,K4实现分钟减1,通过调节时、分从而使显示时间更加准确。 1.2 电子时钟的设计思路此次设计主要是应用单片机来设计电子时钟,硬件部分主要分为以下电路模块:复位电路,按键电路,晶振电
9、路,驱动电路和显示电路五部分。其中显示电路用8个共阳极数码管分别显示小时、分钟和秒,通过三极管导通和截止的方式进行显示,从而避免了译码器的使用,使编程更加简单。单片计算机即单片微型计算机,由RAM ,ROM,CPU构成,定时,计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小,成本低,功能强,广泛应用于智能产业和工业自动化上。而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这种单片机应用简单,适合电子时钟设计。电路的总体设计框架如图1-1所示,硬件电路分为复位电路,按键电路,晶振电路,显示驱动和时间显示五部分。图1-1 硬件电路设计框图2 元器件介绍本次电子时钟的设计主要应用89C51内部的定时
10、器和计数器来实现计时控制并通过七段数码管进行显示。以下是对两种元器件的简介:2.1 主控芯片89C5189C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存(FPEROMFalshProgrammable and Erasable Read Only Memory)的高性能、低电压8位微处理器,又叫单片机。单片机的可擦除只读存储器是可以反复擦除100次的。单片机采用ATMEL非易失高密度存储器制造技术制造的,指令集和输出管脚与工业标准的MCS-51相集兼容。由于要将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,89C51是ATMEL的一种高效微控制器。主要特性: 与MCS-51 兼容 4K字节可编程
11、闪烁存储器 寿命:1000写/擦循环 数据保留时间:10年 全静态工作:0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路如图2-1所示为89C51引脚图。 图2-1 89C51引脚图下面为引脚说明:VCC:供电电压。GND:接地。P0口:P0口是一个漏级开路为8位的双向I/O口,每个引脚可吸收8TTL门电流。当把P1口的管脚置1时,被定义为高阻输入。P0口可以被定义为地址/数据的第八位,能够用于外部程序数据存储器。P1口:P1口是一个8位内部提供上拉电阻的双向I/O口
12、,4TTL门电流可以通过P1口缓冲器接收输出。P1口管脚被置1后,被内部电阻上拉为高,可用作输入,当外部电阻下拉让P1为低电平时,输出电流。 P2口:P2口是一个8位内部提供上拉电阻的双向I/O口,4TTL门电流可以通过P2口缓冲器接收输出,P2口被置1时,被内部电阻上拉为高,可作为输入。并因此为输入时,外部电阻将P2口的管脚拉低时,将输出电流。P2口被用于16位地址外部数据存储器或者外部程序存储器时,高八位由P2口输出地址输出。在给出地址“1”时,它利用内部电阻的上拉优势,当对外部的八位地址数据存储器进行读写时,P2口将输出特殊功能寄存器的内容。P3口:P3口管脚是双向I/O口带8个内部上拉
13、电阻,被用于接收输出4个TTL门电流。当P3口被写入“1”后,被作为输出,它们内部被上拉电阻置为高电平。当被外部电阻下拉为低电平时,用作输出,因为上拉的缘故,P3口将输出电流。P3口也可作为89C51的一些特殊功能口,如下所示:P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持R
14、ST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,其地址锁存允许的输出电平将用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间,此引脚将用于输入编程脉冲。在平时,ALE端将以不变的频率周期,输出正脉冲信号,此频率是振荡器频率的1/6。因此,它将用作用于定时目的或对外部输出的脉冲。尤其要注意的是:每次用作外部数据存储器时,要跳过一个ALE脉冲。另外,该引脚要被略微拉高。如果微处理器将在外部执行状态ALE禁止时,置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期将两次/PSEN有效。但是在访问外部数据存储器时,这两次有效/PSEN信号不出现。/E
15、A/VPP:当/EA保持低电平时,该期间外部程序存储器,不管有没有内部程序存储器。注意加密方式为1时,/EA将被内部锁定为RESET。XTAL1:内部时钟工作电路的输入及反向振荡放大器的输入。XTAL2:反向振荡器的输出。2.2 LED 数码管2.2.1 LED数码管的结构原理 数码管是一种把多个LED显示段集成在一起的显示设备。有两种类型,一种是共阳型,一种是共阴型。共阳型就是把多个LED显示段的阳极接在一起,又称为公共端。共阴型就是把多个LED显示段的阴极接在一起,即为公共端。阳极即为二极管的正极,又称为正极,阴极即为二极管的负极,又称为负极。8个发光二极管组成一位显示器,其中字型“8”的
16、各个笔划ag由7个发光二极管构成,第8个发光二极管为一个小数点。当一定的正向电压被施加在某段发光二极管上时,该段笔划即亮;不加电压则暗。外加限流电阻是为了保护各段LED不被损坏。如图2-2为数码管的结构图,从左向右依次为引脚配置外形结构图、共阴极结构图和共阳极结构图。图2-2 数码管结构图共阴极与共阳极7段LED显示数字0F、“”符号及“灭”的编码(a段为最低位,dp点为最高位)如表2-1所列。表2-1 数码管段选表显示字符012345678共阴极段选码3F(BF)06(36)5B(DB)4F(CF)66(F6)6D(FD)7D(FD)07(87)7F(FF)共阳极段选码C0(40)F9(79
17、)A4(24)B0(30)99(19)92(12)82(02)F8(78)80(00)显示字符9ABCDEF熄灭共阴极段选码6F(EF)77(F7)7C(FC)39(B9)5E(DE)79(F9)71(F1)40(C0)00(80)共阳极段选码90(10)88(08)83(03)C6(46)A1(21)86(06)8E(0E)BF(3F)FF(7F)本设计采用共阳极数码管作为电子时钟的显示器。2.2.2 LED显示器接口及显示方式 LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。静态显示就是某个字符由显示器显示时,相应的段恒定地导通或截至,直到显示另一个字符为止。LED显示器处于静态显示方式时,各位
18、的共阴极接地;若接+5V电源,则为共阳极。每位的段选线(adp)分别与一个8位锁存器的输出口相连,显示器中的各位相互独立,而且一经确定各位的显示字符,将维持相应锁存的输出不变。正因为如此,静态显示器的亮度较高。这种显示方式编程容易,管理也较简单,但占用I/O口线资源较多。动态显示是在多位LED显示时,为了简化电路,降低成本,将所有位的段选线并连在一起,有一个8位I/O口控制。而共阴(或共阳)极公共端K由相应的I/O线控制,实现各位的分时选通。由于LED所有段选线皆由一个8位I/O口控制,因此,在每一瞬时LED会先是相同的字符。要想每位显示的字符不同,各位LED就必须采用扫描方法轮流点亮,即某一
19、位显示字符只在每一瞬间使用。在此瞬间,段选码由段选控制I/O输出相应字符,则选通电平由位选择控制I/O口送入,以保证相应字符在该位显示。如此轮流,是每位分时显示该位应显示相应的字符。段选码、位选码每送入一次后延时1ms,因人眼的视觉暂留时间为0.1s(100ms),所以每位显示的间隔不必超过20ms,并保持延时一段时间,以造成视觉暂留效果,给人看上去每个数码管总在亮。这种方式称为软件扫描显示。本设计采用了数码管动态显示的方式进行设计的。 3 硬件电路设计3.1 硬件电路图图3-1 电子时钟硬件电路图根据硬件结构框图画出电子时钟的硬件电路图,硬件电路设计图如图3-1所示1。按键的作用:其中K1用
20、于小时加1,K2用于将小时减1,K3用于将分钟加1,K4用于将分钟减1;数码管用于实时显示当前时间信息。关于电路的说明如下:按键:4个独立按键占用单片机的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7引脚,并且每个引脚上都分别外加了上拉电阻,保证在按键释放后引脚上为可靠的高电平以便区分按键的按下和释放状态。显示电路采用8位一体的数码管1个,采用动态显示方式,P0口送显示段码决定数码管上显示什么数据,P2口送位选码指定数码管显示。P0口上接的470电阻为限流电阻,用于调节数码管的亮度;10K电阻为P0口的上拉电阻。其中数码管选择的是共阳极8位一体的LED数码管,每个上面有8个(这8个数码管的各个同名段在
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