电子钟课程设计

1、第1章 电子钟总体方案的确定1.1 电子钟的主要功能本次设计的简易电子钟具备以下功能:键盘功能:共有5个按键,包括:a键： 时间启动/暂停b键： 时加1（显示范围0023）c键： 分加1（显示范围0059）d键： 秒加1（显示范围0059）reset键： 复位键时钟显示:8位led数码管从左到右依次显示时的十位、时的个位，分的十位、分的个位，秒的十位、秒的个位，毫秒的百位、毫秒的十位。采用24小时计时，24小时后显示零时、零分、零秒、零毫秒。1.2 芯片选择方案论证表1.1mcs-51系列单片机分类表 子 系列片内rom形式片 内rom容 量片 内ram容 量寻址范围i/o特性中断源无rome

2、prom计数器并行口串行口51子系列8031805187514kb128k64kb2x164x81580c5180c5180c714kb128k64kb2x164x81552子系列8032805287528kb256b2x64kb3x164x81680c3280c5287c528kb256b2x64kb3x164x816由表中可以看出mcs-51有两个系列，其中51子系列为基本型，52为增强型。这次我选用的是52系列的89s52，1.3 键盘显示方案论证该多功能电子表的电路图大体由单片机、键盘显示接口电路、时钟电路和复位电路构成，在方案设计选择时多体现在键盘显示接口电路的不同，因此我们现在主要

3、讨论键盘显示电路不同时的方案。在单片机应用系统中，同时需要使用键盘与显示器接口时，为了节省i/o口线，常常把键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示电路。键盘显示接口电路的设计可采用多种方法，在此有以下几种方案可供选择。1.3.1 8155扩展i/o口的键盘、显示接口图1.1 8155扩展i/o口的键盘、显示接口原理框图8155芯片内具有256个字节ram、2个8位、1个6位的可编程i/o口和1个14位计数器，与mcs-51单片机接口简单，是单片机系统中广泛使用的芯片。在学习中，我们对这个芯片比较熟悉，但由于键盘与显示做成一个接口电路，因此在软件设计中合并考虑键盘查询与动态显示、键盘消抖的

4、延时子程序用显示程序代替，且有该芯片扩展的动态显示、软件译码，占用cpu时间过多，原理框图如图1.1。1.3.2 8279键盘、显示器接口8279是intel公司为8位处理器设计的通用键盘/显示器接口芯片，其功能是：接收来自键盘的输入数据并作预处理，并可以完成数据显示的管理和数据显示器的控制。单片机采用8279管理键盘和显示器，软件编程极为简单，显示稳定，且减少了主机的负担。原理框图如图1.2：图1.2 8279键盘、显示器接口原理框图8279是专用键盘、显示控制芯片，能对显示器自动扫描；能识别键盘上按下键的键号，可充分提高cpu工作效率，且其与mcs-51接口方便，由它构成的标准键盘、显示接

5、口在单片机应用系统中愈来愈广泛。1.3.3 简单的键盘、显示器接口mcs-51单片机应用系统中，当不用作串行通讯时，可用来扩展并行i/o口。用于键盘接口时，使用并行输入、串行输出移位寄存器74ls244；显示器接口时，使用串行输入、并行输出移位寄存器74ls244，每接一片74ls244可扩展一个8位并行输出口，用以连接一个led段先口作静态显示或键盘中的8根列线使用。原理框图如图1.3： 图1.3 方案三原理框图本方案采用74ls244驱动led数码管，相对前两个方案，不仅电路简单，而且编程也十分简单。因此我这次采用这个方案。第2章 简易电子钟工作原理2.1 实现时钟计时的基本方法该电子钟是

6、使用单片机（本设计使用at89s52）通过软件编程来实现控制。软件编程实现定时及计数,这些功能主要是因为它内部的定时器与工作过程中所能实现的中断服务。2.1.1 计数初值计算把定时器0设为工作方式1，定时时间为125ms，则计数溢出8次即得时钟计时最小单位秒，而8次计数可用软件方法实现。假设使用t/c0，方式1，125ms定时，fosc=6mhz。则初值x满足（216-x）×2s=125000sx=607010111101101100bdch采用中断方式进行溢出次数累计,计满8次为秒计时（1秒）；从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比较实现。2.2 简易电子钟的时间显示该简易电子

7、钟采用独立式按键，6位led显示，由按键根据各键的功能不同产生相应的中断，从而使led数码管显示不同的内容，从而完成它的功能。电子钟的时间在六位数码管上进行显示，因此，在内部ram中设置显示缓冲区共6个单元。 led5 led4 led3 led2 led1 led0 35h 34h 33h 32h 31h 30h显示缓冲区从左至右依次存校时，分、秒的数值。2.3 tmod计时模式选择寄存器表2.1 指令各位的定义 b7b6b5b4b3b2b1b1gatec/tm1m0gatec/tm1m0 定时器1 定时器0 有关符号说明如下：l gate：定时器动作的饿开关控制位，当gate=0时，定时器

8、在tr0=1或tr1=1时会工作，而当gate=1时，且tr0=1或tr1=1，定时器在int0或int1引脚成为高电平时才执行计时工作。l c/t：计时功能或计数功能的选择位，c/t=0执行计时工作，而c/t=1时才执行急数的功能。m1m0工作模式00模式001模式110模式211模式3l m0、m1：工作模式选择，其设置情况说明如下表所示。表2.2 工作模式设置说明2.4 中断启用寄存器可按为寻址，地址a8h，用来启用各种中断信号的产生，各个位列表如下：表2.3 中断信号位列表b7b6b5b4b3b2b1b0eaet2eset1ex1et0ex0 其中的有关符号说明如下：l ea：ea=0

9、时，所有中断禁用；ea=1时，各中断的产生由个别的启用为决定。l et2：启用定时器2溢位的中断l es：启用串行端口的中断l et1：启用定时器1的中断l ex1：启用外部中断int1的中断l et0：启用定时器0中断。l ex0：启用外部中断int1的中断 因此我们用指令mov ie，82h来控制中断。2.5 简易电子钟的启、停及时间调整简易电子钟设置4个按键通过程序控制来完成电子钟的启、停及时间调整。a键控制电子钟的启、停；b键调整时；c键调整分；d键调整秒。第3章 单元电路的设计3.1半导体直流稳压电源的设计3.1.1直流稳压电源组成直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路

10、所组成，基本电路框图如图3.1所示。交流电源变压器整流电路滤波电路稳压电路 图3.1 直流稳压电源基本电路框图电源变压器电源变压器的作是将电网220v的交流电压v1变换成整流滤波电路所需要的交流电压v2。变压器副边与原边的功率比：p2/p1= 式中，为变压器的效率。整流滤波电路整流二极管d1d4组成单相桥式整流电路，将交流电压v2变成脉动的直流电压，再经滤波电容c滤除纹波，输出直流电压vi。vi与交流电压v2的有效值v2的关系为 vi=(1.11.2)v2每只整流二极管承受的最大反向电压 稳压电路调整管t1与负载电阻rl相串联,组成串联式稳压电路.t2与稳压管dz组成采样比较放大电路,当稳压器

11、的输出负载变化时,输出电压v0应保持不变,稳压如下:设输出负载电阻rl变化,使v0,则vb2 vc2 ib1 vce1 vo3.1.2 集成直流稳压电源的设计集成稳压电源设计的主要内容是根据性能指标,选择合适的电源变压器、集成稳压器、整流二极管及滤波电容。集成稳压器常见集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。可调式三端稳压器能输出连续可调的直流电压。其中cw317系列稳压器输出连续可调的正电压，这是我这次选用的，其图见附录(2).cw337系列稳压器输出连续可调的负电压。稳压器内部含有过流、过热保护电路。r1与rp1组成电压输出调节电路，输出电压v01.25（1+rp1/r1） r1的

12、值为120240，流经r1的泄放电流为5ma10ma。rp1为精密可调电位器。电容c2与rp1并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管d的作用是防止输出端与地短路时，损坏稳压器。集成稳压器的输出电压vo与稳压电源的输出电压相同。稳压器的最大允许电流icm<iomax，输入电压vi的范围为 vomax+(vi-vo)minvivomin+(vi-vo)max 式中，vomax为最大输出电压；vomin为最小输出电压；(vi-vo)min为稳压器的最小输入、输出压差；(vi-vo)max为稳压器的最大输、输出差。三端固定输出集成稳压器通用产品有cw7800t系列和cw7900系列正压系

13、列：cw7800系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管工作保护，以防过载而损坏。一般不需要接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。负压系列：cw7800系列与cw7900系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。电源变压器 通常根据变压器幅边输出的功率p2来选购（或自绕）变压器。由变压器副边的输出电压v2与稳压器输入电压vi的关系式可知，v2的值不能取大，v2越大，稳压器的压差越大，功耗越大。一般取v2vimain/1.1mi2>iomax整流二极管及滤波电路整流二极管d2的反向击穿电压vrm应满足vrm> 1.414v2，其额定工作电流应满足if>io

14、max。 3.1.3 主要元件参数的计算选集成稳压器，确定电路形式 根据设计任务书上的性能指标要求，我们选可调式三端稳压器cw337，其特性参数vo=1.2v37v,最大输入、输出压差（vi-vo）max=40v。组成的稳压电源电路如图1.2.2所示。由v01.25（1+rp1/r1）得vo=1.25(1+rp1/r1),取r1=240，则rp1min=336，rp1=1.49k,故取rp1为4.7k精密线绕可调电位器。选电源变压器由vomax+(vi-vo)minvivomin+(vi-vo)max式可得输入电压vi的范围为vomax+(vi-vo)minvivomin+(vi-vo)max

15、 15v+3vvi1.5v+40v 18vvi41.5v副边电压v2vimin/1.1=18/1.1v,取v2=18v，副边电流i2>iomax=0.8a,取i2=1a，则变压器副边输出功率p2i2v2=18w。选整流二极管及滤波电容整流二极管d选in4001，其极限参数为vrm50v，if=1a，满足vrm>v2,if=iomaxr的条件。滤波电容c可由纹波电压vopp和稳压系数sv来确定。已知，vo=15v,vi=12v, vopp=5ma,sv=0.0003.则电容c的耐压应大于v2=15.4。故取2只2200µf/25v的电容相并联，3.2 时钟电路作用：它是用于

16、产生单片机工作所需要的时钟信号。原理：在at89s52内部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚xtal1，其输出端为引脚xtal2。而在芯片的内部，xtal1和xtal2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。如图3.2、3.3所示。 图3.2 时钟振荡电路 时钟电路产生的振荡脉冲之间经过触发器的二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。一般的电容取30pf左右，晶体振荡器取1.2至12mhz。晶体振荡器频率越高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也快。我们这次取6mhz。机器周期：mcs-51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期，规定一个机器周期的宽度为6个状态

17、，一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共为12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频。由于我们采用6mhz的频率，所以机器周期为2s。3.3 复位电路单片机的复位电路都是靠外部的电路实现的，在时钟电路工作后，只要在reset引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位。寄存器的复位状态单片机在reset引脚有效电平控制下，程序计数器和特殊功能寄存器的复位状态如表3.1所示，单片机的复位状态不影响片内ram状态，只要reset引脚端保持高电平，单片机将不断复位。在复位期间，ale，/psen输出高电平.表3.1 程序计数器和特殊功能寄存器的复位状态pc0000htmo

18、d00hacc00htcon00hb00hth000hpsw00htl000hsp07hth100hdptr0000hth100hp0p3*00000btl100hip0*00000bscon00hie0*00000bpcon0*0000b原理:单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式.最简单的复位电路如图3.3所示,上电瞬间,rc电路充电,reset引脚端出现正脉冲,只要reset 端保持10ms以上高电平,就能使单片机有效复位.在实际的应用系统中,有些外围芯片也需要复位.如果这些芯片的复位要求与单片机复位要求一样,则可以与之相连.在图3.3的上电复位电路中,干扰易串入复位端,在大多数情

19、况下不会造成单片机的错误复位,但会引起内部某些寄存器错误复位,这时,可以在reset引脚上接一去耦电容.在应用系统中,为了保证复位电路可靠地工作,常将rc电路在接史密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端.这样,系统有多个复位端时,能保证可靠地同步复位.我们选c为22f,r取1k欧姆,rs取200左右.按键复位电路的原理：没有按键时，在接电瞬间，reset端的电位和vcc相同，随着充电电流的减少，reset的电位逐渐下降。若要复位，我们只需按下键即可，此时电源vcc经电阻r1，r2分压，在reset端产生一个复位图3.3 上电与复位电路 3.4 按键和显示电路3.4.1 按键电路 按键的作

20、用：我们为了控制单片机的运行，例如要让它突然停止、实行其他的功能，就必须要使程序停止或转到其它的功能程序，为了达到这个目的，我们就需要用到按键，再用键扫描程序及判键指令判断。按键的物理特性：我们用到的按键都是利用机械触点的合、断作用。一个电压信号通过机械触点的闭合、断开作用，在闭合及断开瞬间会有抖动过程，会出现一系列负脉冲。抖动时间的饿长短，与开关的机械特性有关，大约为10ms左右，因此为了保证cpu对按键的判断，就需要去除抖动影响。去抖动的措施：一般有硬件和软件两种，硬件是用r-s触发器或单稳态电路构成的硬件去抖动电路。软件则是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后再确定是否仍为高

21、电平，如保证闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响。按键的方式：有独立式和行列式两种。我们这次采用的是前种。独立式按键的结构：其是指直接用i/o口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根i/o口线，每根i/o口线上的按键工作状态不会影响其他i/o口线上的工作状态。我们采用查询方式电路，通常按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，i/o口线有确定的高电平。p0口内部有上拉电阻，不需要上拉电阻，而其他的三个要上拉电阻。键盘的工作方式：有编程扫描方式、定时扫描方式、中断扫描方式。独立式按键有查询和中断方式两种。 3.4.2 显示电路led显示器的结构与原理 led

22、显示器由七个发光二极管组成，因此也称之为七段led 显示器，其排列形状如图3.5所示，此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用于显示小数点。通过七段发光二极管的不同组合，可以显示多种数字、字母或者其他符号。led显示器中的发光二极管共有两种连接方法共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5v。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。七段发光二极管，再加上一个小数点，共计8段

23、。因此提供给led显示器的字型代码正好一个字节。采用led显示器。led显示器由七个发光二极管组成，本设计采用共阴极接法。显示方式采用动态显示方式。原因在于：静态显示方式要求口线多，占用资源多，成本就高，而动态显示方式，电路简单、节省口线、 图3.5 led显示器电路静态显示led静态显示：所谓静态显示，是指显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。这种显示方法每一位都需要有一个8位输出控口控制。静态显示时，较小的驱动电流就可以得到较高的显示亮度，所以可由接口芯片直接驱动。并行输出显示位数越多需要i/o口越多。该方案占用传输实现静态显示，显示亮度有保证，但硬件开销大，电路复杂，

24、信息刷新速度慢，比较适合于并行口资源较少的场合。动态显示8155口扩展，led动态显示：该方案硬件连接简单，但动态扫描的显示方式需占用cpu较多的时间，在单片机没有太多的实时测控任务的情况下可以采用。因为这次的设计不是很复杂，所以采用的是动态显示，但我在led数码管前面加了驱动电路，使i/o口的负荷不会超载，这样即没有前面两者的缺点，却有其优点。当显示器位数较多时，可以采用动态显示。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器的各个位（扫描）。对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉，我们看到的动是多

25、个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。该设计中采用的是动态显示。第4章 主要芯片介绍4.1 at89s52芯片at89s52是一个低功耗,高性能cmos 8位单片机,片内含8k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器,器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元,功能强大的微型计算机的at89s52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。&#

26、160;   at89s52具有如下特点：40个引脚,8k bytes flash片内程序存储器,256 bytes的随机存取数据存储器（ram）,32个外部双向输入/输出（i/o）口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗（wdt）电路,片内时钟振荡器。at89c52单片机为40引脚芯片如图7.1所示：引脚信号介绍：p00p07 p0口8位双向口线p10p17 p0口8位双向口线p20p27 p0口8位双向口线图4.1 at89c52芯片配置p30p37 p0口8位双向口线ale地址锁存控制信号：访问外部程序存储器时，锁存 低8位地

27、址的输出脉冲。在一般情况下，ale以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。/psen外部程序储器选通信号：当at89s52从外部程序存储器执行外部代码时，/psen在每个及其周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，/psen将不被激活。/ea访问程序存储器控制信号：为了能从0000h到ffffh的外部程序存储器读取指令，/ea必须接gnd。为了执行内部程序指令，/ea也应该接vcc。xtal1和xtal2振荡器反相放大器的输入端和输出端。vss：地线vcc：+5v电源此外,at89s52设计和配置了振荡频率可为0hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下,cpu暂停工

28、作,而ram定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式,以适应不同产品的需求。主要功能特性如下： 表4.1 at89s52芯片的主要功能和特性  · 兼容mcs-51指令系统· 8k可反复擦写(>1000次）isp flash rom  · 32位双向i/o口线· 4.5-5.5v工作电压  · 3个16位可编程定时/计数器· 时钟频

29、率0-33mhz  · 全双工uart串行中断口线· 256x8bit内部ram  · 2个外部中断源· 低功耗空闲和省电模式  · 中断唤醒省电模式· 3级加密位  · 看门狗（wdt）电路· 软件设置空闲和省电功能  · 灵活的isp字节和分页编程· 双数据寄存器指针4.2 74ls244芯片常用的单向总线驱动器有74ls240（带反向输出）、74ls241和74ls244。如图4.2为它的外部管脚图。它由8个三态线驱动器