毕业设计格式 (50).doc
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1、 电子设计软件及应用期末大作业报告书 第 34 页 共 34 页1 前言1.1 研究背景及意义电子时钟则是以数字电路为基础,综合了模拟电路和电路基础知识设计出来的一种对时、分、秒进行时间数字显示的装置。它是以不同的计数器为基本单元构成的,用途十分广泛,只要有计时、计数的存在,便要用到数字钟的原理及结构,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度远远超过老式钟表,在给人们生活带来了极大的方便之外,大大的扩展了钟表原先的报时功能。目前,数字钟的功能越来越强,不仅仅是一个数字电路,它在其他领域也有相当大的发展空间,诸如按时自动闹铃、定时启闭电路、定时自动报警器、定时开关烘箱、
2、通断动力设备、时间程序自动控制、定时广播,甚至各种定时电气的自动启用等。所有这些都是以钟表数字化为基础的。因此研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。1.2 设计目的为了实现电子时钟时间设置,时间显示,以及能够正确无误的运行,本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法,本设计由单片机AT89C51芯片和LED数码管为核心,辅以必要的电路,构成了一个单片机电子时钟。1.3 研究内容本文是以数字电路为设计基础,探究多功能数字钟的设计方法。数字钟由组合逻辑电路和时序电路组成,通过对数字钟的设计,可以更好的了解、学习和掌握组合逻辑电路和时序电路的原理知识和使用方法,同时,本设计是基
3、于proteus软件实现电路设计和仿真,使用Altium Designer软件完成原理图绘制和PCB制板,在电路设计的过程中,采用由简入深、由原理框图到实际电路图的模式,明确设计步骤,理清设计的各个环节,将各个电路功能模块化,使得整体的电路更加清晰易懂。2 总体方案设计2.1 电子时钟的设计思路据设计要求,初步思路如下:(1)计时单元由单片机内部的定时器/计数器3来实现。(2)时间显示采用8段LED数码管,动态扫描方式。(3)LED数码管的段码输入,由并行端口P0八位产生。(4)LED数码管的位码输入,由并行端口P2八位产生。(5)时间调整与定时时间的输入,通过接入键盘电路实现。系统共设计4个
4、按键,分别定义为:K1键(时间调整设置键):其功能是当该键按下时,进入时间调整输入功能;K2键(定时时间设置键):其功能是当该键按下时,进入定时(闹钟)时间输入功能;K3键:其功能是当该键按下时,被调整位加1;K4键:其功能是当该键按下时,指向下一个调整的位。(6)按键的接入方式:K1键:通过P3口P1.0引脚接入,中断工作方式;K2键:通过P3口P1.1引脚接入,中断工作方式;K3键:通过P3口P1.2引脚接入,查询工作方式;K4键:通过P3口P1.3引脚接入,查询工作方式。(7) 报警声响用蜂鸣器产生,蜂鸣器接入P2口的P3.6引脚2.2 方案设计2.2.1 总体设计框图根据设计要求与设计
5、思路,确定该系统的设计方案,下图2-1为该系统设计方案的硬件电路设计框图。硬件电路由8部分组成,即按键输入电路、单片机、时钟电路、复位电路、LED显示器段码驱动电路、LED显示器位码驱动电路、8位显示器电路和蜂鸣器电路。图2-1 设计方案框图2.2.2 计时方案利用AT89C51单片机内部的定时/计数器进行中断定时,配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本,且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高,对单片机的指令系统能有更深入的了解,从而对学好单片机技术这门课程起到一定的作用。2.2.3 显示方案AT89C51的P0口和P2口外接由8个LED数码管(LED7
6、LED0)构成的显示器,用P0口作LED的段码输出口,P2口作LED数码管的位控输出线,P1口外接四个按键K1、K2、K3、K4构成键盘电路。电子时钟的功能不复杂,采用其现有的I/O便可完成3 硬件电路设计3.1 单片机最小系统3.1.1 AT89C51单片机单片机的最小系统的核心是单片机,其次是其他辅助电路。AT89C51单片机作为应用较为广泛的单片机当然也适用于本系统。使得其应用更加的广泛。在本文硬件电路设计中,AT89C51作为主控芯片将承担着重要的控制功能,因此本节将重点研究该单片机的内部结构。单片机的内部构造比较复杂,但是认真的分析可以发现存在一定的规律。单片机引脚如图3-1所示:图
7、3-1 AT89C51引脚图3.1.2 AT89C51单片机最小系统单片机最小系统是整个控制系统的基础,它主要是由供电模块、晶振模块和复位模块构成。供电模块是所有电气系统的电力来源,这是电路能正常工作最基本的条件。晶振电路是单片机自带的时钟电路,是获取时钟信号的重要电路,没有时钟电路,单片机最小系统就无从谈起。复位电路是单片机最小系统中一个人工复位电路,当系统出现内部错误,可以按下复位按键启动复位电路,手动复位的优点在于根据实际情况初始化单片机。当上述三个电路正常工作时,整个最小系统电路全部就绪完毕。其他功能性电路就可以根据需要进行设计,这就是单片机可扩充的功能。图3-2是单片机最小系统。而晶
8、振电路有两个引脚和单片机相连,具体的连接方式见图3-2所示。图3-2 单片机最小系统3.2 LED数码管显示电路设计3.2.1 LED数码管介绍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。数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。静态显示就是数码管的8段输入及其公共端电平一直有效。动态显示的原理是,各个数码管的相同段连接在一起,共同占用8位段引管线;每位数码管的阳极连在一起组成公共端。利用人眼的视觉暂留性,依次给出各个数码管公共端加有效信号,在此同时给出该数码管加有效的数据信号,当全段扫描速度大于视觉暂留速度时,显示就会清晰显示出来。如图3-3
9、是数码管引脚图。图3-3 LED数码管示意图3.2.2 LED数码管与单片机连接电路可以采用单片机的P2口和P0作为与LED的输出接口,即P0口8位作为LED的段码输出信号,P2口位作为LED位码的输出控制信号。硬件电路连接如图3-3所示。段码输出所接上拉电阻,作用是保证LED可靠导通与截止。如图3-4是LED数码管与单片机连接电路。图3-4 LED数码管与单片机连接电路3.3 按键电路设计3.3.1 键盘结构电子时钟应用系统工作时应具备两项基本功能,意识随时输入定时(闹钟)时间,而是随时对当前时间进行调整。要实现这两项功能,可以介入键盘输入电路。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中,用得最多
10、的是非编码键盘。键盘结构可以分为独立式键盘和行列式键盘(矩阵式)两类。本次设计中只需要4个按键,因此选择独立式键盘。如图3-5所示,电路有按键和4个电阻组成,按键分别名为K1、K2、K3、K4,按键可以采用轻触开关。3.3.2 键盘与单片机的接口电路设计如图3-5所示,将键盘直接与单片机的P1口连接。用P1.0、P1.1引脚通过两个按键K1、K2接入中断请求;P1.2、P1.3引脚作为I/O口使用,通过两个按键K3、K4接入两个输入信号。4个按键功能的设计思路如下:图3-5 键盘与单片机的接口电路设计K1键功能:设置当前时间,即当电子时钟的时间有误差时,需要随时对它进行调整,使用K1键与K3键
11、、K4键配合来完成这一功能、K2键功能:设置定时(闹钟)时间,即当需要电子时钟进行定时(闹钟)服务时,可以通过该键的功能来输入定时(闹钟)时间,使用K2键与K3键、K4键配合来完成这一功能。K3调整键功能:分别对时间值的小时十位、小时个位、分十位、分个位、秒十位、秒个位进行+1调整,及该键没按下一次,对应的时间调整位+1。K4确认键功能:确认,即对K3调整位进行确认,该键按下时,说明被调整位的值已经确定,转去调整下一位。3.4 蜂鸣器电路3.4.1 蜂鸣器介绍蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等
12、电子产品中作发声器件。本设计使用的是电磁式蜂鸣器。此外,蜂鸣器还有有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别。注意这里的“源”不是指电源,而是指震荡源。也就是说,有源蜂鸣器内部带震荡源,所以只要一通电就会叫;而无源内部不带震荡源,所以如果用直流信号无法令其鸣叫,必须用2K-5K的方波去驱动它。本设计使用的是有源蜂鸣器如图3-6是其引脚尺寸图。图3-6 蜂鸣器引脚尺寸图3.4.2 蜂鸣器电路设计由于蜂鸣器工作时,需要的电流比较大,单片机的IO口输出的电流又比较小,所以这里利用三极管的开关管功能来控制蜂鸣器发音,本设计选用的三极管型号是PNP三极管S8550,而且本设计选用的蜂鸣器属于有源蜂鸣器,即在蜂鸣器内部
13、已经内置了震荡电路,单片机无需连续发出高低电平来驱动它,而只要输出高(或低)电平即可,这大大简化了单片机程序的设计。由于选用的是PNP型而单片机上电IO口默认是高电平的,所以上电时蜂鸣器是不会发出鸣叫的。如图3-6是蜂鸣器电路。图3-7 蜂鸣器电路4 软件设计4.1 软件总设计进行应用软件设计时可采用模块化程序设计方法,其优点是:每个模块的程序结构简单,任务明确,易于编写、调试和修改。程序可读性好,对程序的修改可局部进行,其他部分可以保持不变,便于功能扩充和版本升级。对于使用频繁的子程序可以建立子程序库,便于多个模块调用。根据设计要求,首先要确定软件设计方案,即确定该软件应该完成哪些功能;其次
14、是规划为了完成这些功能需要分成多少个功能模块,以及每一个程序模块的具体任务是什么。模块的划分有很大的灵活行,但也不能随意划分。划分模块时应遵循下述原则:每个模块应具有独立的功能,能产生一个明确的结果。模块之间的控制参数应尽量简单,数据参数应尽量少。控制参数是指模块进入和退出的条件及方式,数据参数是指模块间的信息交换(传递)方式、交换量的多少级交换的频繁程度。模块长度适中。模块语句的长度通常在20100条较合适。模块太长时,分析和调试比较困难,失去了模块化程序机构的优越性;模块太短则信息交换太频繁,也不合适。图4-1 主流程图主流程图如图4-1所示。本次的设计主程序是根据每个模块的特性来进行编写
15、,先对各个模块进行初始化,然后再按照各自不同来分模块编写,最后得出总的流程图。进入程序后,先将单片机,数码管,按键等进行初始化,数码管显示固定数值“14-00-00”,程序开始等待按键按下,当有按键按下,单片机检测一次,确定按下,单片机调用程序,同时数码管刷新一次,显示当前操作结果。完后,程序返回按键等待,如此循环执行。核心代码如下:while(1) if(timenum2=0) if(timenum1=0) if(dec=0)/减键按下delay();delay();if(dec=0)while(!dec); /松手检测alfl=0; speaker=1; 4.2 LED数码管显示程序设计显
16、示子程序每次显示8个连续内存单元的十进制BCD码数据。由于采用7段共阳LED数码管动态扫描实现数据显示,显示十进制BCD码数据对应段码存放在ROM中。显示时取内存地址中数据,然后查表得对应显示段码从P0口输出,P2口将为对应的数码管供电,于是数码管就会显示该地址单元的数据。流程图如图4-2所示。图4-2 LED数码管显示流程图核心代码如下:void display(void)P0=ledhour/10; /p0口送数据 拆数显示P2=0xFE; /片选delay(); /延时P2=0xff; /片选关 1P0=ledhour%10;P2=0xfd; /2delay();P2=0xFF;P0=0
17、x40;P2=0xfb;/3delay();P2=0xFF;.4.3 按键程序设计本次设计采用独立键盘,键盘按下时,相应的I/O口电平由高变低,一次检测按键是否被按下。具体流程如图4-3所示。图4-3 按键流程图核心代码:void Keykonzhi() if(time=0) /键盘时间设定键按下 delay();delay();if(time=0)while(!time);timenum1+; /标记+TR1=0;f2=0;.5 电子时钟的调试5.1 单片机调试仿真软件单片机开发及涉及硬件和软件。本文主要分析软件调试所用的工具Keil uVision。该工具版本众多,本系统软件选择的开发版本
18、是Keil uVision 4。,我们现在接触到的单片机主要是51/52系统的单片机,这完全适用于Keil uVision 4。通过该软件可以完成代码的编辑,编译,调试和仿真。在进行调试过程中可以断点调试,此项功能非常的强大,有助于找到代码中存在BUG。Keil有两个开发平台,本系统采用的是keil for 51平台。本系统的软件调试环境如图5-1所示。图5-1 软件调试环境Keil uVision本文电路仿真调试采用的是Proteus。它运行于Windows操作系统上,可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路,该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件,功能极其强大,是目
19、前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台,可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能,是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具。该软件支持众多不同公司的芯片。图5-2是硬件调试软件。图5-2 硬件调试软件Proteus7.55.2 电子时钟的仿真及调试软件测试工具使用的是KEIL,在完成代码的编写后,可以使用KEIL进行开展编译工作。在编写代码时,需要进行模块化设计,这样有助于对单个子程序进行测试。当单个模块子程序完成测试没有问题以后,就可以开始下一个子程序的调试。当所有的子程序完成测试以后再进
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