电气自动化技术毕业论文

1、 燕山大学毕业设计题目:单片机电子时钟设计学院燕大继续教育学院年级专业 09电气自动化学生姓名刘英杰指导教师胡春宝答辩日期 2012年12月21 日摘要单片机即单片微型计算机。(Single-Chip Microcomputer ,是集 CPU ,RAM ,ROM ,定时,计数和多种接口于一体的微控制器。他体积小,成本低,功能强,广泛应用于工业自动化上和智能产品。时钟,自从它被发明的那天起,就成为了人类的好朋友,但随着时间的推移,科学技术的不断发展,时钟的应用越来越广范,人们对时间计量的精度要求也越来越高。怎样让时钟更好的为人民服务,怎样让我们的老朋友再次焕发青春呢?这就要求我们不断设计出新型

2、的时钟,来不断满足人们的日常生活需要。然而市场上的时钟便宜的比较笨重,简单实用的又比较昂贵。那么,有没有一款既简单实用价格又便宜的时钟呢?我们课程设计小组设想:可不可以利用单片机功能集成化高,价格又便宜的特点设计一款结构既简单,价格又便宜的单片机电子时钟呢?基于这种情况,我们课程设计小组成员多方查阅资料,反复论证设计出了这款既简单实用,又价格便宜的单片机电子时钟。关键词:单片机;时钟;计时前言电气自动化是高等院校开设的一门工科专业。培养德、智、体全面发展,具有良好的科学素养和创新精神,培养能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发以及电子与计算机应用

3、等领域工作的宽口径复合型高级工程技术人才。本专业主要学习电子技术、电工技术、信息控制、电气测量、计算机技术等方面较宽广的工程技术基础和专业知识。本专业主要特点是强电弱电结合、电工技术与电子技术相结合、软件与硬件结合、元件与系统结合,学生受到电工电子、信息控制及计算机技术方面的基本训练,具有解决电气工程与自动化领域技术问题的基本能力。该专业是强电和弱电、计算机技术与电气控制技术交叉渗透的综合型专业学科。电气工程及其自动化专业培养出的毕业生,以理论基础扎实、专业知识面宽广、实践动手能力强、适应性强在国内有较好的声誉主干课程电路原理、电子技术基础、计算机技术(语言、软件基础、硬件基础、单片机、信号与

4、系统、电磁场理论与应用、自动控制原理、电机学、电力电子技术、电气测量、电力拖动与控制等。就业方向适合到国民经济各部门从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发等方面的工作,也能在科研院所、高等学校从事电气信息与自动化技术相关的研究开发、技术引进与改造及教学工作。目录目录 (1绪论 (2一MCS-51单片机的结构(一控制器 (3(二存储器的结构 (41程序存储器 (42内部数据存器 (43特殊功能寄存器 (5(三并行I/O口 (5(四时钟电路与时序 (5(五单片机的应用领域 (5二系统设计要求(一基本功能 (6(二扩展功能 (6三硬件总体设计方案(一系统功

5、能实现总体设计思路 (6(二各部分功能实现 (8(三系统工作原理 (8(四时钟各功能分析及图解 (8(五电路功能使用说明 (12(六控制电路的C语言源程序 (13四课程设计结果分析五结论与展望(一结论 (17(二单片机的发展趋势 (17小结 (20参考文献 (21绪论1.1课题背景单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始,迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点,目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面,几乎“无处不在,无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动

6、化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的,将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构,称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开,分别寻址的结构,一般需要较大的程序存储器,目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。20世纪80年代中期以后,Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家,如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品,准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些

7、兼容机与8051的系统结构(主要是指令系统相同,采用CMOS工艺,因而,常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机,它们对8051单片机一般都作了一些扩充,更有特点。其功能和市场竞争力更强,不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机,因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容,主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类:基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。1.2课题来源在日常生活和工作中,我们常常用到定时控制,如扩印过程中的曝光定

8、时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的,其定时准确性和重复精度都不是很理想,现在基本上都是基于数字技术的新一代产品,随着单片机性能价格比的不断提高,新一代产品的应用也越来越广泛,大可构成复杂的工业过程控制系统,完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制,甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大,体积小,质量轻,灵活好用,配以适当的接口芯片,可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。随着电子技术的飞速发展,家用电器和办公电子设备逐渐增多,不同的设备都有自己的控制器,使用起来很不方便。根据这种实际情况,设计了一个单片机多功能定时系统,它可以避免多种控制器的混淆,利用一个控制器对多路电器进

9、行控制,同时又可以进行时钟校准和定点打铃。它可以执行不同的时间表(考试时间和日常作息时间的打铃,可以任意设置时间。这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动,扩大了数字化的范围,为家庭数字化提供了可能。一 MCS-51单片机的结构MCS-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分,它由如下功能部件组成,即微处理器(CPU、数据存储器(RAM、程序存储器(ROM/EPROM、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器(SFR。它们都是通过片内单一总线连接而成,其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对

10、各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器(SFR的集中控制方式。(一控制器控制器是单片机的指挥控制部件,控制器的主要任务是识别指令,并根据指令的性质控制单片机各功能部件,从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。首先从程序存储器中读出指令,送指令寄存器保存,然后送至指令译码器进行译码,译码结果送定时控制逻辑电路,由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号,再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程,执行程序就是不断重复这一过程。控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。(二

11、.存储器的结构MCS-51单片机存储器采用的是哈佛结构,即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开,程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式,寻址空间和控制系统。这种结构对于单片机面向控制的实际应用极为方便,有利.在8051/8751弹片击中,不仅在片内集成了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器,而且还具有极强的外存储器的扩展能力,寻址能力分别可达64KB,寻址和操作简单方便.MCS-51的存储器空间可划分为如下几类:1.程序存储器单片机系统之所以能够按照一定的次序进行工作,主要是程序存储器中存放了经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。程序实际上是一串二进制码,程序存储器可

12、以分为片内和片外两部分。8031由于无内部存储器,所以只能外扩程序存储器来存放程序。2.内部数据存储器MCS-51单片机内部有128个字节的随机存取存储器RAM,作为用户的数据寄存器,它能满足大多数控制型应用场合的需要,用作处理问题的数据缓冲器。MCS-51单片机的片内存储器的字节地址为00H-7FH.MCS-51单片机对其内部RAM的存储器有很丰富的操作指令,从而使得用户在设计程序时非常方便。地址为00H-1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区,每个区含8个8位寄存器,编号为R7-R0。用户可以通过指令改变PSW中的RS1,RS0这二位来切换当前的工作寄存器区,这种功能给软件设计带来极大的

13、方便,特别是在中断嵌套时,为实现工作寄存器现场内容保护提供了极大的方便。3.特殊功能寄存器(SFR-Special Function Register(三.并行I/O口MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口(Port,分别记作P0-P3,共有32根口线,各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。这四个口除了按字节寻址以外,还可以按位寻址。由于它们在结构上有一些差异,故各口的性质和功能有一些差异。P0口是双向8位三态I/O口,此口为地址总线(低8位及数据总线分时复用口,可驱动8个LS型TTL负载。P1口是8位准双向I/O口,可驱

14、动4个LS 型负载。P2口是8位准双向I/O口,与地址总线(高8位复用,可驱动4个LS型TTL负载。P3口是8位准双向I/O口,是双功能复用口,可驱动4个LS 型TTL负载。P1口、P2口、P3口各I/O口线片内均有固定的上拉电阻,当这3个准双向I/O口做输入口使用时,要向该口先写“1”,另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态,故称为双向三态I/O 口。(四. 时钟电路与时序时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路,为保证同步工作方式的实现,MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下,严格地按时序执行进行工作,而时序所研究的是指

15、令执行中各个信号的关系。在执行指令时,CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码,然后译码,并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类,一类用于片内对各个功能部件的控制,这列信号很多。另一类用于片外存储器或I/O端口的控制,这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。这也是单片机应用系统设计者普遍关心的问题。(五.单片机的应用领域单片机应用领域可以归纳为以下几个方面。1.智能仪表用单片机系统取代老式的测量、控制仪表,实现从模拟仪表向数字化、智能化仪表的转化,如各种温度仪表、压力仪表、流量仪表、电能计量仪表等。2. 测控系统用单片机取代原有的复杂的

16、模拟数字电路,完成各种工业控制、数据采集系统等工作。3.电能变换应用单片机设计变频调速控制电路。4.通信用单片机开发通信模块、通信器材等。5.机电产品应用单片机检测、控制传统的机械产品,使传统的机械产品结构简化,控制智能化,提高了机电产品的可靠性,增强了产品的功能。6.智能接口在数据传输中,用单片机实现外部设备与微机通信。二系统设计要求(一.基本功能1能够显示时分秒2能够调整时分秒(二. 扩展功能1能够任意设置定时时间 2定时时间到闹铃能够报警 3实现了秒表功能三 硬件总体设计方案用一扬声器来本次设计时钟电路,使用了AT89C51单片机芯片控制电路,单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路,使

17、得电路简明易懂,使用键盘键上的按键来调整时钟的时、分、秒,进行定时提醒,同时使用C 语言程序来控制整个时钟显示,使得编程变得更容易,这样通过四个模块:键盘、芯片、扬声器、显示屏即可满足设计要求。(一.系统功能实现总体设计思路如图4-10 所示为AT89S51芯片的引脚图 的功能。 图4-10 AT89S51芯片外部引脚图 详细元器件列表如表4.12所示:表4.12 详细元器件列表 详细电路功能图如图4-30本设计采用C语言程序设计,使单片机控制数码管显示时、分、秒,当秒计数计满60时就向分进位,分计数器计满60后向时计数器进位,小时计数器按“23翻0”规律计数。时、分、秒的计数结果经过数据处理

18、可直接送显示器显示。当计时发生误差的时候可以用校时电路进行校正。设计采用的是时、分、秒显示,单片机对数据进行处理同时在数码管上显示。(四.时钟各功能分析及图解1 时钟运行图仿真开始运行时,或按下key4键时,时钟从12:00:00开始运行,其中key2键对分进行调整,key3对小时进行调整,key6可以让时钟暂停。时钟运行图如图 4-41 所示: 图4-41 时钟运行图 图4-42 秒表计时图3闹铃设置图及运行图 当按下key5key4键恢复时钟运行状态(图4-43 图4-43 闹铃时间设置图A通过P2口和P3口去控制数码管的显示如图所示P2口接数码管的ag端,是控制输出编码,P3口接数码管的

19、18端,是控制动态扫描输出.B从P0.0输出一个信号使二极管发光,二极管在设置的闹钟时间到了时候发光,若有乐曲可以去驱动扬声器实现。 图4-44 闹铃运行图(五.电路功能使用说明1 各个控制键的功能:可对时间进行校准调节(只能加1;按下设置键数字时钟进入闹钟设置状态,设置闹钟的时间;时加1、分加1键是在校准时间时或设置闹钟时间对小时数或分钟数调节而设置的;按下秒切换键就可以进入秒表模式,同时秒表也开始计时,按下秒表暂停、复位键就暂停、归零,如果要重新对秒计时则可以按秒表开始、复位;清零键可以对闹钟清零。2 AT89C51单片机,通过编写程序对数码显示进行控制。3 八个7段数码管显示时钟和秒表信

20、号(六.控制电路的C 语言源程序 根据流程图,经过认真分析得出控制电路的源程序如下: ucharx02,0x01;unsignedsbit thour=P12;sbit miaobiao2=P13;sbit alarm=P14;sbit P0_0=P00;sbit P1_5=P15;sbit P1_6=P16;sbit P1_7=P17;/*端口定义*/uchar ms=0;uchar flag=0;uchar sec=0;uchar minit=0;struct timeuchar second;uchar minute;uchar hour;time1;uchar n,i;void del

21、ay(nwhile(n-for(i=120;i>0;i-;/*延时子程序*/void modify(voidEA=0;if(thour=0if(flag=0dat16+;delay(280;if(dat16>9dat16=0;dat17+;else if(dat17>1&&(dat16>3dat17=0; dat16=0; if(flag=1alarms6+;delay(300;if(alarms6>9alarms6=0;alarms7+;if(alarms7>2alarms7=0;dat6=alarms6;dat7=alarms7;if(t

22、minute=0if(flag=0dat13+;delay(280;if(dat3>=9dat14+;dat13=0;if(dat14>5dat14=0;if(flag=1alarms3+; delay(300;if(alarms3>9alarms4+;alarms3=0;if(alarms4>5alarms4=0;dat3=alarms3;dat4=alarms4;if(miaobiao1=0TR0=0;ET0=0;TR1=1;ET1=1;if(miaobiao2=0TR0=1;ET0=1;TR1=0;ET1=0;dat20=0;dat21=0;dat23=0;dat

23、24=0;dat26=0;dat27=0;ms=0;sec=0;minit=0;if(P1_5=0TR0=0;ET0=0;TR1=0;ET1=0;if(alarm=0TR0=0;ET0=0;TR1=0;ET1=0;flag=1; dat0=0;dat1=0;dat2=10;dat3=0;dat4=0;dat5=10;dat6=0;dat7=0;EA=1;/*按键扫描*/void init(voidTMOD = 0x11;TH0 = 0xDB;TL0 =0xFF;TH1=0xDB;TL1=0xFF;ET0 = 1; /10ms ET1=1;/ TR1=1;TR0=1;tcount=0;ms=0;

24、sec=0;minit=0;EA = 1;/*初始化*/void test(voidfor(k=0;k<8;k+P3=dis_bitk;P2=SEG7datk; delay(1;P3=0X00;/*数字显示*/void main(init(;delay(10;while(1modify(;test(;/*主函数*/Void diplay( interrupt 1ET0=0;TR0=0;TH0 = 0xDB;TL0 = 0xff;TR0=1;tcount+;if(tcount=100time1.second+;tcount=0;dat10=(time1.second%10;dat11=(t

25、ime1.second/10; if(time1.second=60 dat10=0; dat11=0;time1.second=0;time1.minute+;dat13=(time1.minute%10;dat14=(time1.minute/10; if(time1.minute=60time1.minute=0; time1.hour+;dat16=time1.hour%10;dat17=time1.hour/10;if(time1.hour>23time1.hour=0;dat5=10;dat2=10;dat0=dat10;dat1=dat11;dat3=dat13;dat4=

26、dat14;dat6=dat16;dat7=dat17;flag=0;P0=0x01;if(alarms7=dat17&&(alarms6=dat1 6&&(alarms4=dat14&&(alarms3=dat 13&&(dat11<1P0=0x00;ET0=1;void time_2(voidinterrupt 3EA=0;TR0=0;TH1=0xDB;TL1=0xFF;TR1=1;ms+;dat20=ms%10;dat21=ms/10;if(ms>=100ms=0;sec+;dat23=sec%10;dat24=

27、sec/10;if(sec>=60sec=0;minit+;dat26=minit%10; dat27=minit/10; dat5=10;dat2=10;dat0=dat20;dat1=dat21;dat3=dat23;dat4=dat24;dat6=dat26;dat7=dat27;EA=1四课程设计结果分析此时钟设计是利用protues仿真软件进行仿真,基本上实现了课程设计要求实现的功能。硬件部分设置了的六个按键。当按键一按下时,进入秒表显示状态,秒表开始计时,当按键六按下时,秒表暂停;当按键四按下时恢复到时间显示功能;当按键二按下时,进入调分状态,按一次,分加一,60一循环;按键

28、三按下时,进入调时状态,按一次,时加一,60一循环;按键五按下时,进入闹铃设置功能,紧接着按下按键二和按键三进行时和分的设置,再按下按键4恢复显示时间,当显示的时间和定时设置的时间一致时,蜂鸣器发出蜂鸣声,蜂鸣时间我们设置为10秒。另外,闹铃电路有音乐闹钟的扩展的功能(可以将蜂鸣器换成扬声器再加一段音乐程序即可实现。调试阶段,出现一些问题。比如,实际小时显示到29才归零,分钟显示到60才进一经过软件调试,以上问题均一一排除,结果达到预期目标。但时间有限,部分扩展功能不能及时实现,比如音乐闹铃。五结论与展望(一.结论单片机多功能定时系统理论上能很好的达到了学校教学要求,发挥了单片机在智能化方面的

29、应用。该系统的设计很好的满足当前学校教学的需要,是一个理想的智能化的设计。它具有一个走时精确的实时钟,可以任意设置时间,可以控制时间表的转换,时钟的显示功能等。可以通过按键操作和数字显示。该系统规模小,但是功能较多,操作简单,造价低,应用非常广泛。该系统的设计为向家庭数字化方向发展又前进了一步。同时又扩大了单片机的应用领域。(二. 单片机的发展趋势自单片机出现至今,单片机技术已走过了几十年的发展路程。纵观几十年来单片机发展历程可以看出,单片机技术的发展以微处理器(MPU技术及超大规模集成电路技术的发展为先导,拉动广泛的应用领域,表现出比微处理器更具个性的发展趋势:1.采用先进结构以实现高性能在

30、过去的一段时间内,单片机的指令运行速度一直在10MIPS以下,这对于应用在工业控制领域内的单片机来说是足够了,但当单片机被应用在通讯及DSP领域作为高速运算、编码或解码时,就会出现因指令运行速度不够而限制单片机应用的情形,因此提高单片机指令运行速度已经成为迫切需要解决的问题。2.进一步降低功耗、基于80C51的飞利浦低功率、低系统成本微控制器51LPC系列是业界推动单片机向低功耗方向发展的主导单片机系列之一。51LPC系列单片机采用以下三种方法降低功耗:(1使系统进入空闲模式,在空闲模式下,只有外围器件在工作,任意的复位及中断均可结束空闲模式;(2使系统进入低功耗模式,在低功耗模式下,振荡器停

31、止工作,是功耗降到最小(3使系统进入低电压EPROM操作;EPROM包含了模拟电路,当Vcc高于4V时,可通过软件使这些模拟电路掉电以降低功耗,在上电情况下可使系统退出该模式。3.采用Flash Memory随着半导体工艺技术的不断进步,MPU的Flash版本逐渐替代了原有的OTP版本。Flash MPU 具有以下优点:与多次可编程的窗口式EPROM相比,Flash MPU的成本要低得多;在系统编程能力以及产品生产方面提供了灵活性,因为Flash MPU可在编程后面再次以新代码重新编程;可减少已编程器件的报废和库存;有助于生产厂商缩短设计周期,使终端用户产品和、更具有竞争力。4.集成更多功能及兼容性目前单片机的另一个发展趋势是在芯片上集成更多的功能。如模拟功能,包括模拟比较器、A/D 和D/A转换器等。具体表现在:兼容性作为设计的