毕业设计（论文）-单片机分秒电子计时器.doc

分秒电子计时器 i 分秒电子计时器分秒电子计时器 摘摘 要要 现在科技越来越发达，竞争越来越激烈，运用时间越来越精密，电子时钟 的设计成为现在社会的一大热门。由单片机为主设计的电子时钟设计,它由 4 按 键输入电路,时钟电路,蜂鸣电路,复位电路,单片机,led 显示器段码驱动电路,4 位 led 显示电路所组成。本次设计单片机部分分别进行了程序设计,设计本身是 为了让大家熟悉自己所学,把知识用于实际的过程,通过这个设计,大家可以熟悉 单片机各方面的优点,也是我选择单片机完成本设计的原因,设计中,需要数电、 模电、单片机、一些相关软件的操作以及相关知识。 关键词关键词： 单片机；led 显示器；at89c2051；uln2003 分秒电子计时器 ii the electronic clock design abstrac the present science and technology to be more and more developed, the competition will more next month be intense, the time taken to deliver will be more and more precise, electronic clock design into present society one big popular.electronic clock design primarily designs which by the monolithic integrated circuit, it by 4 pressed key input circuit, the clock electric circuit, the buzzing electric circuit, repositions the electric circuit, the monolithic integrated circuit, the led monitor section code actuation electric circuit, 4 led display circuit composes. this design monolithic integrated circuit part has carried on the programming separately, designs itself is in order to let everybody be familiar with oneself studies, uses in the knowledge the actual process, through this design, everybody may be familiar with the monolithic integrated circuit various aspects the merit, also is i chooses the monolithic integrated circuit cost design the reason, in the design, needs to count the electricity, the mold electricity, the monolithic integrated circuit, some correlation software operation as well as the related knowledge. key word: monolithic integrated circuit; led monitor; at89c2051; uln2003 分秒电子计时器 iii 目目 录录 1 引引 言言2 2 方案论证方案论证3 3 硬件电路的设计硬件电路的设计4 3.1 硬件电路的设计方案及框图4 3.3 时钟电路的设计5 3.4 复位电路的设计 5 3.5 led 显示电路设计6 3.5.1 led 显示器的选择.6 3.5.2 led 的段驱动芯片的选择.8 3.5.3 led 的位驱动芯片选择.8 3.5.4 led 驱动电路和单片机的连接.8 3.6 按键电路8 3.7 蜂鸣电路设计9 3.8 电源部分10 4 软件设计方案软件设计方案11 4.1 系统软件设计方案框图11 4.2 主程序设计11 4.2.1 主程序设计框图.12 4.2.2 时钟计时程序设计框图.13 4.2.3 键盘接收子程序的设计.14 5 安装与调试安装与调试15 5.1 系统硬件调试15 5.2 软件调试15 总总 结结16 致致 谢谢17 参参 考考 文文 献献18 附附 录电子时钟原理图录电子时钟原理图19 分秒电子计时器 1 1 引引 言言 当今社会，随着电子技术的进步和国民经济水平的不断提高，电子产品几 乎应用于社会的每一个角落，给人们的工作和生活带来了极大的便利，而越来 越多的单片机芯片在电子产品中起着举足轻重的作用，随着微电子技术和超大 规模集成电路技术的发展，单片微型计算机以其体积小、性价比高、功能强、 可靠性高等独有的特点,在各个领域（如工业控制、家电产品、汽车电子、通信、 智能仪器仪表）得到了广泛的应用。例如，当用遥控操纵电视或者vcd机享受 其多彩的画面时，并没有意识到这是单片机在接受我们的遥控指令；当在享受 全自动洗衣机的先进功能时，并不知道单片机在代替我们控制洗衣机运作；单 片机在手机等现代通讯设备中亦发挥着重要的作用；就连一度令许多青少年着 迷的电子宠物，也是单片机在大显神威。本文要介绍的是采用at89c2051单片 机设计而成的电子时钟。 分秒电子计时器 2 2 方案论证方案论证 方案一：使用数字电路设计，但由于需要大量的元器件，会大幅度的提高 设计成本，且电路性能不够稳定。 方案二：用eda工具来设计电路。在该电路中要用到很多eda软件。功能 很好实现。但设计的过程很难。所用元件难买到。 方案三三：使用单片机电路设计，由于大部分功能可以用程序来实现，节省 了许多元器件，且性能更稳定，成本较低，实用性更强。原理框图如图 2-1。 图图 2-1 硬件电路设计框图硬件电路设计框图 按照系统设计功能的要求，有以上三种方案。由于三种方案的特点与实用 性比较，我选择第三种方案来设计分秒电子计时器。 分秒电子计时器 3 3 硬件电路的设计硬件电路的设计 3.1 硬件电路的设计方案及框图硬件电路的设计方案及框图 根据设计要求与设计思路，确定该系统的设计方案，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 个部分组成，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、4 位显示器电路和蜂鸣器电路。 3.2 单片机的选择单片机的选择 根据初步设计方案的分析，设计这样一个简单的应用系统，可以选者带有 eprom 的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器， 电路可以简化，intel 公司的 8051 和 8751 芯片均可以选用，还有其他一些厂 家生产与 mcs-51 系列相兼容的芯片，例如 atmel 公司生产的 at89cxx 系 列单片机。at89cxx 系列与 mcs-51 系列单片机相比有两大优势：第一，片 内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺 寸的芯片（at89c2051/1051） ，使整个硬件电路的体积更小。它以较小的体积、 良好的性能价格比倍受青睐，在家电产品、工业控制、计算机产品、医疗器械、 汽车工业等应用方面成为用户降低成本的首选器件。 因此，我们可选用 at89c2051 单片机。该芯片的功能与 mcs-51 系列单片 机完全兼容，并且还具有程序加密等功能，物美价廉，经济实用。 at89c2051 是 atmel 公司生产的带 2k 字节可编程闪速存储器的 8 位 cmos 单片计算机，工作电压范围为 2.7v6v,全静态工作频率 024mhz。 分秒电子计时器 4 3.3 时钟电路的设计时钟电路的设计 单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。单片机的 xtal1 和 xtal2 两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图 3-1 所 示。 图图 3-1 时钟电路时钟电路 电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的 参数。电路中，电容器 c1 和 c2 对振荡频率有微调作用，通常的取值范围 22pf，石英晶体选择 12mhz。其结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计 数初值。 3.4 复位电路的设计复位电路的设计 单片机的 rst 引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。复位信号是高 电平有效，高电平有效的持续时间应为 2 个机器周期以上。 复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态，单片机从 rom 的 0000h 开 始执行程序。 单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种，只要 vcc上升时间不 超过 1ms，它们都能很好地工作。 阻容器件的参考值如图 3-2 所示，即 r1 =200，r2=1k，c3=22 f。ret 按键可以选择专门的复位按键，也可以选择轻触开关。 分秒电子计时器 5 p3.2(ont 0) 6 p3.0(rxd) 2 p1.7 19 p1.0 12 p1.1 13 p1.2 14 p1.3 15 p3.7 11 p1.4 16 p1.5 17 p1.6 18 p3.1(txd ) 3 p3.3(int1) 7 p3.4(to) 8 p3.5(t1) 9 xtal 1 5 xtal 2 4 rst 1 gnd 10 vcc 20 u1 at89c2051 r2 1k vcc s1 sw-pb r1 200 +c3 22uf 图图 3-2 复位电路复位电路 3.5 led 显示电路设计显示电路设计 单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统的状 态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果等。显示器、 键盘电路就是用来完成人机对话活动的人机通道。 led 显示器的驱动是一个非常重要的问题，由系统硬件设计框图图 1 可知， 显示电路由 led 显示器、段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口 不能直接驱动 led 显示器，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的 电流，显示器才能够正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显 示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏。因此，在实际使 用中必须接入 led 驱动电路。 led 显示器的显示控制方式分为静态显示和动态显示两种，因此在选择 led 驱动器时，一定要先确定显示方式。 若选择静态显示，则 led 驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力 与显示器电流相匹配即可。而且只须考虑段的驱动，因为共阳极接+5v，而共 阴极接地，所以位的驱动不需要考虑。 动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段选和位选信号共同配合完成 的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能 力。 3.5.1 ledled 显示器的选择显示器的选择 在应用系统中，设计要求不同，使用的 led 显示器的位数又不同，因此生 产厂家就生产了位数、尺寸、型号不同的 led 显示器共选择。在本设计中，选 分秒电子计时器 6 择 4 位一体的时钟型 led 显示器，简称“4-led”，如图 3-3 所示。用“：”前的 2 位显示“小时”的十位和个位，用“：”后的 2 位显示“分”的十位和个位。 4-led 显示器引脚如图 3-4 所示。是一个共阴极接法的 4 位时钟型 led 显示器。其中 a、b、c、d、e、f、g 为 4 位 led 各段的公共引出端。 d1、d2、d3、d4 分别是每一位的共阴极输出端，dp 是小数点引出端。4 位一 体时钟型 led 显示器的内部结构如图 3-5 所示。它是由 4 个单独的 led 和一 个“：”led 组成。每个 led 的段输出引脚在内部并联后，引出到器件的外部。 图图 3-3 a 4 位位 led 引脚排列图引脚排列图 b 4 位位 led 原理图原理图 图图 3-4 led 显示器内部结构原理图显示器内部结构原理图 对于这种结构的 led 显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于 4 位 led 阴极的各段已经在内部接在一起，所以必须使用动态扫描方式。 分秒电子计时器 7 3.5.2 ledled 的段驱动芯片的选择的段驱动芯片的选择 led 的段驱动电路有很多种，在本例中，可以选择 bcd-7 段锁存/译码/驱 动器作为段驱动电路。这类芯片的型号有 74ls47、74ls48、74ls247、74ls248 等，该类芯片具有锁存、译码、驱动的功能。即在输入端输入要显示字型的 bcd 码，在输出端就可以得到具有一定驱动能力的 7 段显示字型码。 3.5.3 ledled 的位驱动芯片选择的位驱动芯片选择 led 位驱动较常用的芯片有 uln2003a 和 uln2803。本次设计我选用 uln2003 作为驱动电路，将该芯片的输入端引脚 in0、in1、in2、in3 与单片机 的 p1 口或者 p3 口连接，该芯片的输出端引脚 out0、out1、out2、out3 与 led 显示器的 4 位码引脚 d1d4 相连接。uln2003 的作用是接收来自单片机的位码 输入信号经过反相放大后输出，送到 led 显示器的位码引脚，完成对位码信号 的反向和驱动的功能。 3.5.4 ledled 驱动电路和单片机的连接驱动电路和单片机的连接 可以采用单片机的 p1 口作为 led 的输出接口，即 p1 口的低四位作为 led 的段码输出信号，p1 口的高四位作为 led 位码的输出控制信号。 该电路的工作原理是：当 p1 口的低四位输出段码信号的 bcd 码后，通过 74ls48 芯片的锁存、译码和驱动作用，在其输出端输出具有一定驱动能力的七 段字型码，由于 4-led 的段码输入引脚是并联在一起的，所以每一位 led 的段 码输入引脚都能获得这个段码信号。若要控制在每一时刻只有一位 led 被点亮， 必须靠位码信号控制。p1 口的高 4 位输出位码信号，经 uln2003 反向后接到 led 的位码控制端，因此 p1 口的位码信号在每一个时刻只有一位 led 被点亮， 达到动态显示的目的。 3.6 按键电路按键电路 电子时钟应用系统工作时应具备两项基本功能，一是随时输入定时（闹钟） 时间，二是随时对当前时间进行调整。为实现这两项功能，可以接入键盘输入 电路。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用得最多的是非编码键盘。 分秒电子计时器 8 键盘结构可以分为独立式键盘和行列式键盘两类，我们选用独立式键盘。 3.7 蜂鸣电路设计蜂鸣电路设计 设计要求定时（闹钟）时间到时要有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣 器来实现这一功能。电路设计如图 3-5 所示。 图图 3-5 蜂鸣电路原理图蜂鸣电路原理图 蜂鸣器电路与单片机的接口：q 的基极接到单片机 p3.7 引脚，p3.7 引脚 作为输出口使用。当 p3.7=0 时。q1 导通时，使蜂鸣器的两个脚间获得将近 5v 的直流电压，蜂鸣器中有电流通过，而产生蜂鸣音。当 p3.7=1 时，q1 截止， 蜂鸣器的两引脚间的直流电压接近于 0v，蜂鸣器不发声。蜂鸣器有长声断声， 这可根据软件编程控制。 至此，我们已经设计完成了电子时钟的硬件电路设计工作，要使该电路具 有电子时钟功能，还需要有相应软件配合，才能达到设计要求。 分秒电子计时器 9 3.8 电源部分电源部分 由于单片机工作电压为稳定的+5v，采用普通变压器直接输入则不稳定， 会对其电平产生影响（3.75.3v 为高电平,00.3v 为低电平） 。所以在这里对 输入的电压（7.5v）进行稳压处理，接入一个三端稳压器件（lm7805） 图图 3-6 三端稳压电路三端稳压电路 使用 7805 稳压 ic：适合用于一般的电流负载。 图 3-6 是使用 7805 稳压电路。由市售的 9v 电源调整器来将市电 220v 转 换为直流 9v 电压，经过（lm7805）稳压后，在输出端则输出一个稳定的+5v 电压供单片机使用。在电路中瓷片电容型号为 104，c1、c2 为 100f，其起滤 波和抗干扰作用，瓷片电容为抗低频干扰，滤波电容为抗高频干扰。 分秒电子计时器 10 4 软件设计方案软件设计方案 4.1 系统软件设计方案框图系统软件设计方案框图 根据模块的划分原则，将该程序划分成 7 个模块，如图 4-1 所示。 图图 4-1 电子时钟软件设计框图电子时钟软件设计框图 4.2 主程序设计主程序设计 主程序的内容一般包括：主程序的起始地址，中断服务程序的起始地址， 有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等等。主程序设计框图如 图 4-1 所示。 分秒电子计时器 11 4.2.1 主程序设计框图主程序设计框图 图图 4-2 主程序框图主程序框图 分秒电子计时器 12 4.2.2 时钟计时程序设计框图时钟计时程序设计框图 图图 4-3 时钟计时程序框图时钟计时程序框图 分秒电子计时器 13 4.2.3 键盘接收子程序的设计键盘接收子程序的设计 键盘接收子程序是由 inta 和 intb 两个程序组成，两个子程序的功能是 实现对当前时间的调整和输入定时（闹钟）时间。 (1)inta 子程序功能是对当前时间进行调整。 (2)在程序中，将时钟的小时十位、小时个位、分十位、分十位、分个位分 别进行调整。采用 24 小时时间表示。因此 4 位时间值要分别加以限制。 (3)利用 s3 和 s4 键配合使用，每一次对 s3 键的按下次数进行累加，当 s4 键按下时，调整值被确认，转去处理下一位。 (4)每次进入程序后，对 4 位时间值调整一次，从左到右排列顺序为 1、2、3、4 的循环。 (5)键盘接收的时间值为 bcd 码方式，将它们转换为二进制数后，存储在 32h、33h 单元。同时对计时单元进行修改，使当间时间得到调整。 (6)intb 子程序是定时（闹钟）时间设置程序。 (7)安键去抖动的处理。键盘扫描程序框图如 4-4 所示。 图图 4-4 键盘扫描程序框图键盘扫描程序框图 分秒电子计时器 14 5 安装与调试安装与调试 5.1 系统硬件调试系统硬件调试 (1)此电路非常简单，比较容易检测到是否有电路问题。主要是检测其引脚， 如晶振和电源等是否接好，检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊等，以确保 设计的可靠性和电器元件的性能。而电路中的电源电路、晶体振荡电路、键盘 接口电路及复位电路、闹钟电路等都是采用的基础的电路设计，除了基本的电 路硬件调试外我们还可以通过软件来测试硬件，如通过下载口写入其它一个比 较简单的程序，以便测试。 (2)首先由市电经过变压器成 9v 左右的直流电压，经 jp4 端输入后，由 lm7805 稳压成稳定的正 5v 电压供给系统使用。在这里接上一个二极管作为指 示，当输入电压正常的时候，二极管亮。lcd 同时显示时钟，格式为 00:00:00。同时按下 k1 键进入时钟调整程序，再按下 k2，k3，k4 分别对时， 分，秒进行设置，完成后再按 k1 键转到时钟运行。在此如果按下 k5 键 lcd 则转到温度显示介面，第二次按下则返回。如果按下的是 k6 键，则进入闹铃 设置介面，再按下 k2，k3，k4 分别对时，分，秒进行设置，完成后再按 k6 键设置成功后返回到时钟显示介面。全过程操作方便，简单，易懂。适合不同 年龄人使用，哪怕是没有什么文化的人也可以轻松的完成所有操作。 5.2 软件调试软件调试 通过检查编写出来的主程序、子程序，是否正确。然后在实验拿板上检查 其单片机和数码管能正常工作。通过 wave 软件的使用来编译程序的对错，并 执行跟踪，确保了程序的正确性及程序所设计的功能能够顺利的实现。 分秒电子计时器 15 总总 结结 通过电子时钟的设计，自己学到了许多新的知识。对电子技术有了更深入 的了解，知道它用途广泛。本次设计安装使用方便，所以它是我们作为电子产 品设计的好课题。数字电子技术是当今电子技术的基础技术，很多的高新电子 产品都是依赖并充分运用了该技术。随着当今社会的数字化，这种趋势显得更 是尤为明显。所以我们应该很好的掌握该技术，并将该技术运用到我们课余时 间的小制作上，这样才能在今后步入社会时，很快的学习并掌握社会前沿的新 技术。本次课程设计就是一次很好的锻炼。而且还把以前学的很多科目的知识 点重新复习了一下，特别是模拟电路、数字电路、单片机原理 protel99 电路设 计等科目重要的知识点在本次的设计中得到了很大的应用，还对 word 的操作 有了更深的认识,感觉自己真的收获颇丰。更重要的是，通过对本次毕业设计的 构思、设计、翻阅资料等使我对电子信息技术专业有了一个更全面、更全新的 认识。本次的毕业设计把很多所学的专业知识融合在一起，这对于我以后对专 业技术的应用有很大的帮助。 分秒电子计时器 16 致致 谢谢 衷心地感谢我的指导老师廖建文老师和同学们给我的关怀与帮助！在做毕 业设计期间，由于我们的课程还没有结束，我们的课外时间又不是太多，所以 本次毕业设计我准备的不够充分，幸亏廖老师对我细心地指导，才使得我的毕 业设计能够顺利的完成。在学习期间，廖老师以他丰富的经验，给我以毫无保 留的指导，促进了我对专业知识的学习和掌握，使我受益匪浅。还要感谢以前 教授我知识的老师们，没有你们的谆谆教诲，没有你们对我们严格要求，我的 毕业设计不会完成的这么顺利，谢谢你们！ 分秒电子计时器 17 参 考 文 献 1 李光飞，楼然苗，胡佳文. 单片机课程设计实例指导. 北京: 北京航空航天大学出版 社,2004 年.。 2 夏继强,沈德金.单片机实验与实践教程（二）. 北京: 北京航空航天大学出版社,2001 年. 3 李光飞,楼然苗,胡佳文 51 系列单片机设计实例. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003 年. 4 余永全等.89 系列 flash 单片机原理及应用. 北京: 电子工业出版社出版社,2000 年. 5 韩志军等编