单片机课程设计（论文）-微机控制实现多功能数字时钟.docx

课程设计-微机控制实现多功能数字时钟 摘 要单片机自 20 世纪 70 年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注 ，应用很广泛、发展很快。intel公司生产的 mcs-8051 系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。本次设计以 mcs-8051 芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个结构简单，功能齐全的数字时钟,它由 5v 直流电源供电。在硬件方面，单片机外接 12mhz 晶振，使用八个七段数码管来进行显示。led 采用动态扫描显示，使用 74ls245 芯片进行位驱动。通过 led 能够准确明亮地显示时、分、秒；四个简单的按键实现对时间的调整；蜂鸣器实现闹钟响铃功能；软件方面采用 c 语言编程。整个电子钟系统能完成时间的显示、调时和一组定时闹钟的功能。设计过程中使用 kei uvision 4 单片机模拟调试软件编写调试程序，并用 eda 工具软件 proteus isis 7 进行仿真。硬件简明，程序正确，仿真结果满足设计要求。关键词： 51单片机，定时器，中断，闹钟，led目 录摘 要1绪 论3第一章 系统设计3一、器件选型3二、硬件接线设计3三、系统综述31.3.1 上电界面31.3.2 调时界面31.3.3 闹钟设定界面31.3.4 正常走时界面31.3.5 闹钟响应3四、软件部分31.4.1 主函数流程图31.4.2 定时器t0中断服务程序流程图31.4.3 闹钟响应程序流程图31.4.4 键盘扫描程序流程图3第二章 参数计算3一、定时器t032.1.2 定时器t0初值计算3二、数码管驱动码32.2.1 位选码32.2.2 段选码3第三章 结 论3参考文献3附 录3绪 论20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展。在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，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。同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，随时提醒那些容易忘记时间的人，电子钟无疑最为直观。数字钟通过数字电路实现时、分、秒。数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭、车站、码头办公室等公共场所成为人们日常生活中不可少的必需品。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。多功能数字钟的应用非常普遍。由单片机作为数字钟的核心控制器，通过它的时钟信号进行实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来，通过键盘可以进行校时、定时闹钟等功能，输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管来显示技术。本次设计的数字时钟利用 51 单片机作为核心芯片，辅以按键、蜂鸣器和led显示器，以实现具有计时、校时、闹钟设定等功能。利用单片机实现的数字时钟具有编程灵活，便于功能的扩充等优点。本设计应解决的主要问题有两大方面，即硬件电路设计和软件设计两大方面。其中硬件电路部分又可分为四大模块：键盘模块、显示模块、计时模块和响铃模块。硬件电路部分致力于低成本、低功耗和易实现性；软件部分则应做到代码的精简、准确、易读、可移植性强。最后通过软、硬件的结合实现数字钟的精确计时、校时、闹钟功能。第一章 系统设计一、器件选型1.1.1 单片机选型 根据选题芯片采用mcs-8051单片机，intel公司生产的 51 系列 8 位单片机，凭借其成熟的技术标准和很高的性价比得到了广泛的普及与应用，其功能强大，用来做电子表硬件易实现，编程规范。1.1.2 按键模块 方案一：44行列式键盘如果选择此方案，那么在修改时钟或设置闹铃时间时就可以直接从键盘输入，方便、快捷。缺点也很明显，一是浪费按键，用全键盘来实现设定时间的小功能不免大材小用；二是从实用性考虑，全键盘体积大，明显不经济不方便。故放弃。 方案二：独立式按键如果设置过多按键，将会占用较多i/o口，而且会给布线带来不便，同时浪费按键，不高效，程序繁琐。本次设计适用于按键较少的情况。为了尽量实现按键的高效性，此次设计采用四个独立式按键，分别定义为key_mode、key_add、key_move，key_confirm，依次是模式键、加数键、移位键、确认键。1.1.3 显示模块方案一：液晶显示器lcd如果选择此方案，将会降低系统的功耗，可以用电池供电，便于携带，但液晶显示器的驱动电路复杂，使用起来有一定的难度。 方案二：数码管led数码管的驱动电路简单，使用方便，如果选择了此方案，那么在夜间看时间的时候就不需要有光源，非常方便。其缺点是功耗较大。 按照此次任务书设计要求，选择共阳 8 位七段蓝色数码管用于显示。1.1.4 计时参考模块方案一：专用时钟芯片如果使用时钟芯片，系统就不怕掉电且时间精确，但这种芯片比较贵，浪费资源不经济。方案二：单片机内部定时/计数器由于本次设计本主要是为了学习单片机程序的编写和调试，以及设计硬件电路的一些方法，因此采用软件的方法来计时。本次设计用mcs-8051单片机内部定时/计数器t0作为电子表时钟参考。1.1.5 闹钟响铃模块 通过三极管放大后驱动蜂鸣器工作，单片机i/o接三极管基极。1.1.6 显示器驱动模块 由于通过数码管公共极的电流较大，单片机i/o口驱动能力是不够的，故led驱动模块必不可少。为避免过多地使用分立元件，本次设计采用一片 74ls245来驱动位码，用p2口进行位选扫描。 图1-1 74ls245元件封装图74ls245是常用来驱动led或者其他的设备，它是 8 路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据，74ls245还具有双向三态功能。片选端，接低电平时传输数据，接高电平时a、b均为高阻态。方向选择端ab/，接高电平时信号由a向b传输（发送），接低电平时信号由b向a传输（接收）。1.1.7 电源模块本系统采用了数码管作为显示器，功耗较大，不便于使用电池供电。况且本系统的体积较大，即使使用电池供电也不便于随身携带，因此用5v外部稳压电源来供电。二、硬件接线设计1.2.1 系统硬件框图8位七段led显示器mcs-8051段码驱动晶 振复位电路位码驱动按 键蜂鸣器1.2.2 单片机晶振配置和复位电路设计1-2 单片机晶振配置和复位电路晶振选择 12mhz ,接到如图所示引脚。复位电路兼具上电复位功能以及按键复位功能,接到如图所示引脚。1.2.3 按键电路设计图1-3 按键电路采用4个独立按键配以4个上拉电阻实现对时钟和闹钟的设定及修改。四个独立式按键分别定义为key_mode、key_add、key_move、key_confirm，依次是模式键、调时加键、调时移位键、确认键。1.2.4 蜂鸣器驱动电路设计图1-4 蜂鸣器驱动电路 蜂鸣器采用npn三极管放大电路驱动，接到如图所示引脚。1.2.5 显示模块电路设计图1-5 显示模块电路显示设备为共阳8位7段数码管（led），用单片机p0口作为led段选控制端，用单片机p2口作为led位选控制端，并采用集成块74ls245作为位驱动模块。片选端接地，方向选择端ab/接电源。1.2.6 硬件接线总览三、系统综述1.3.1 上电界面图1-6 电子钟上电界面电子表上电后自动初始化，接着从 00-00-00 开始走时，显示正常走时界面，此时闹钟默认关掉。按下key_mode键，可依次切换到调时界面、调闹钟界面、正常走时界面，如此循环往复。 上电初始化后，调时初值为00 00-00，闹钟初值为00-00 00。1.3.2 调时界面图1-7 调时界面调时界面，从左至右依次显示时、分、秒，数字右下角小点代表调整位到达位置。在调时界面下，按下key_move键可以移动调整位，数字下标小点用以指示当前操作的数位，按下key_add键可以对调整位进行加数操作。当且仅当在调时界面下，按下key_confirm键可确认设定，电子表按设定时间更新并走时，同时自动清零设定时间。此时再按 key_mode键切换回正常走时界面即能看到时间已经更新。如果调时后没有按下key_confirm键确认，而是直接按key_mode键切换回正常走时界面，则设置时间被保存，当前时间并不更新。1.3.3 闹钟设定界面图1-8 闹钟设定界面闹钟设定界面，从左至右依次显示时、分、秒，数字右下角小点代表调整位到达位置。在闹钟设定界面下，按下key_move键可以移动调整位，数字下标小点用以指示当前操作的数位，按下key_add键可以对调整位进行加数操作。闹钟设置好后直接按key_mode键返回正常正常走时界面即可，无需按key_confirm键确认，闹钟设定值会自动保存。1.3.4 正常走时界面图1-9 正常走时界面一图1-10 正常走时界面二正常走时界面，从左至右依次显示时、分、秒，小点亮灭代表闹钟开闭。在正常走时界面下，按下key_add键和key_move键不产生操作，led显示无变化；按下key_confirm键可循环开闭闹钟，led显示对应变换提示闹钟的开闭；按下key_mode键可依次切换到调时模式、闹钟设定模式、正常走时模式，循环往复。1.3.5 闹钟响应当正常走时到达闹铃设定值后，闹铃响应，正常情况下持续蜂鸣一分钟后自动关闭蜂鸣器。闹铃响铃过程中，若按下key_confirm键可立刻关闭蜂鸣器。闹铃响应后自动等待下次响应。四、软件部分1.4.1 主函数流程图开 始初始化定时器t0循环中断计时主循环键盘扫描闹钟判定显示响应闹钟响应结 束图1-11 主函数程序流程图开 始1.4.2 定时器t0中断服务程序流程图t0重装初值t+1t=20？t=0, sec+1sec=60?？sec=0, min+1min=60?？min=0, hour+1hour=24?？hour=0结 束图1-12 定时器t0中断服务程序流程图开 始1.4.3 闹钟响应程序流程图闹钟判定闹钟定时到？闹钟打开？key_confirm按下？响铃一分钟关闭蜂鸣器结 束图1-13 闹钟响应程序流程图开 始1.4.4 键盘扫描程序流程图键盘扫描有键按下？键盘抖动？key_confirmkey_movekey_addkey_modeconfirm();mov+1add( );moshi+1moshi2?mov2?moshi=0mov=0结 束 图1-14 键盘扫描程序流程图 第二章 参数计算一、 定时器t02.1.1 定时器t0背景知识数字电子钟设计中主要使用定时器 t0 ，利用 et0 中断进行计时时间的自增，从而实现计时功能。51 单片机有两个通用定时/计数器 t0 和 t1 。两者均可配置为定时器或计数器，用作“定时器”功能时，每经过一个机器周期，寄存器值加1；用作“计数器”功能时，寄存器在对应的外部输入管脚 t0/t1 上每发生一次1到0的跳变时加1。1.方式控制寄存器tmodt1t0d7d6d5d4d3d2d1d0gatec/m1m0gatec/m1m0tmod用以设定通用定时/计数器 t0 和 t1工作方式。gate位为门控位，gate=1时，t0、t1分别受int0、int1引脚输入电平控制，常用于测量对应正脉冲的宽度；c/用选选择定时、计数功能。本次设计选择t0做定时器用，工作在方式1，故 tmod = 0x01;2.控制寄存器tcont1t0d7d6d5d4d3d2d1d0tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0tr0用于开/关定时器t0，tf0为t0溢出标志位。3.中断允许控制寄存器ied7d6d5d4d3d2d1d0ea/eset1ex1et0ex0ea为总中断允许位，et0为t0中断允许位。2.1.2 定时器t0初值计算初值计算公式：x = - tx定时器初值 n定时器位数（方式0：13位，方式1: 16位，方式2: 8位）fosc单片机主频（本次设计取12mhz）t所需定时时间设定时时间为50ms，即t=50ms，fosc=12mhz，选工作方式1，带入公式求解得x=3cb0h，所以th0 = 0x3c，tl0 = 0xb0。2.1.3 定时器t0初始化程序 tmod = 0x01; /选定时器t0，工作方式1 th0 = 0x3c; tl0 = 0xb0; /50ms定时初值 et0 = 1; /定时器to使能位打开 ea = 1; /总中断允许位打开 tr0 = 1; /打开定时器t0开始计时二、数码管驱动码图2-1 数码管驱动电路2.2.1 位选码led连接如图所示，为8位共阳数码管，从右至左，依次循环扫描，可得段码驱动数组如下：unsigned char wei=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80； 2.2.2 段选码图2-1 七段数码管示意图七段共阳数码管，当位选端为高电平时，给段选端低电平即可点亮对应段，再由点亮的段组合成字符。定义如下段码驱动数组，即可依次显示字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - 灭 .unsigned char duan=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82, 0xf8,0x80,0x90,0xbf,0xff,0x7f； 第三章 结 论通过两个星期的持续努力，在老师的指导和同学的帮助下，经过反复调试修改我终于成功完成了此次设计任务。此次设计既是对51单片机核心功能学习的一次实际操作验收，也对微机控制理论学习的一次应用拓展。经过此次设计，我基本学会了用mcu辅助外围电路，通过编程实现常见的微机控制，为以后的工作学习打下了一定的基础。经proteus软件仿真，此次设计的多功能电子钟功能完全达标：正常走时、时间校正、闹钟设定都能完整简明地实现；同时该电子钟精确度完全可以满足日常生活显示时间的需要；时间校正和闹钟设定方便快捷，闹钟响铃还有扩展成音乐闹钟的余地。硬件总体实用性较强，操作清晰简单。 通过这次设计我学会了很多东西，微机控制课程设计重点就在于软件的设计，需要有很巧妙的程序算法。虽然一直也有小程序的练习，但我还是第一次写好这么一个综合系统的大程序，发现并不是一件简单的事，一个看似简单的功能程序实现的时候往往也不简单，具体编程的时候才发现一些细微的知识或低级错误就会引起失败，所以只有学精弄懂并且要细心才行，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握，实践操作很重要，活学活用才能深刻掌握知识。 最后，要感谢我的指导老师和替我答疑解惑的同学，没有你们的帮助我也无法完成此次课程设计。 参考文献 1张淑清,单片机原理及应用技术，北京：国防工业出版社，2010.8 2王为青、程国钢，单片机keilcx51应用开发技术m，北京：人民邮电出版社，2007 3张靖武、周灵彬，单片机系统的proteus设计与仿真，北京：电子工业出版社，2007 4atmel.8-bitmicrocontrollerwith4kbytesflashat89c51.2000 附 录完整程序代码如下/*头文件及宏定义*#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*软件延时程序*void delay(uint ii) while(-ii); /*定义数码管驱动码*uchar duan=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf,0xff,0x7f; /段选，0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - 灭 .uchar wei=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80;/位选，共阳，从右至左/*定义变量*uchar t=0,sec=0,min=0,hour=0;/正常走时时间变量uchar sec1=0,min1=0,hour1=0; /时间设定值变量uchar sec2=0,min2=0,hour2=0; /闹钟设定值变量uchar alarm_en=0; /闹钟开关变量uchar alarm_flag=0; /闹钟定时到达标志变量uchar p3=0,moshi=0,mov=0; /p3口查询，模式值，调整位/显示缓冲区,依次为正常、调时、闹钟设定、调整位带点标记uchar temp8,temp18,temp28,temp38;/*函数声明*void initialize(void); /初始化void show(void); /正常走时显示void show1(void); /时间设定显示void show2(void); /闹钟设定显示void show3(void); /调整位标记void show4(void); /闹钟开关标记void keyscan(void); /键盘扫描void add(void); /调时调闹钟加数程序void confirm(void); /调时确认，闹钟开关void alarm_judge(void); /闹钟定时到达判定void beep(void); /闹钟响铃程序/*主函数*void main() initialize(); while(1) keyscan(); alarm_judge(); switch(moshi) case 0:show(); show4();break; /显示正常走时 case 1:show1();show3();break; /显示设置时间 case 2:show2();show3();break; /显示闹钟时间 if(alarm_flag=1 & alarm_en=1) /定时时间到达且闹钟打开 beep(); /*定时器初始化*void initialize(void) tmod = 0x01; th0 = 0x3c; tl0 = 0xb0; /50ms et0 = 1; ea = 1;tr0 = 1;p1=0x7f; /初始化时关掉蜂鸣器 alarm_flag=alarm_en=0;/*定时器t0中断服务程序*void timer0(void) interrupt 1 tl0 = 0xb0; th0 = 0x3c; t+; if(t=20) / (50ms*20=1s) t=0; sec+; if(sec=60) / 秒为60，则清零，分加1 sec=0; min+; if(min=60) / 分为60，则清零，时加1 min=0; hour+; if(hour=24) / 时为24，则清零 hour=0; if(sec1=60) sec1=0; min1+; if(min1=60) min1=0; hour1+; if(hour1=24) hour1=0; if(sec2=60) sec2=0; min2+; if(min2=60) min2=0; hour2+; if(hour2=24) hour2=0;/*正常时间显示程序*void show(void) uchar i=0; temp0=sec%10;temp1=sec/10;temp2=10; temp3=min%10; temp4=min/10;temp5=10;temp6=hour%10;temp7=hour/10; for(i=0;i8;i+) p2=weii; p0=duantempi; delay(100); /*调时模式显示程序*void show1(void) uchar i=0; temp10=sec1%10;temp11=sec1/10;temp12=10; temp13=min1%10; temp14=min1/10;temp15=11;temp16=hour1%10;temp17=hour1/10; for(i=0;i8;i+) p2=weii; p0=duantemp1i; delay(100); /*闹钟设定模式显示程序*void show2(void) uchar i=0; temp20=sec2%10;temp21=sec2/10;temp22=11; temp23=min2%10; temp24=min2/10;temp25=10;temp26=hour2%10;temp27=hour2/10; for(i=0;i=3) moshi=0; while(p3=0xfe) / key_mode键按下到弹起期间 p3=p3; switch(moshi) case 0:show(); break; /显示正常走时 case 1:show1();break; /显示设置时间 case 2:show2();break; /显示闹钟时间 if(p3=0xfd) /key_add键 delay(10);if(p3=0xfd) add(); while(p3=0xfd) / key_add键按下到弹起期间 p3=p3; switch(moshi) case 0:show(); break; /显示正常走时 case 1:show1();break; /显示设置时间 case 2:show2();break; /显示闹钟时间 if(p3=0xfb) /