基于單片機系的電子鐘設計與仿真

1、 基于單片機系統(tǒng)的電子鐘設計與仿真 王金勝摘 要近年來隨著計算機在社會領域的滲透和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機的應用正在不斷地走向深入，由于它具有功能強，體積小，功耗低，價格便宜，工作可靠，使用方便等特點，因此越來越廣泛地應用各個領域. 本文的電子鐘系統(tǒng)是以單片機（at89c51）為核心，時鐘芯片ds1302、數(shù)碼管顯示驅動芯片max7219等元器件組成。具體介紹應用proteus的isis軟件進行單片機系統(tǒng)的電子鐘設計與仿真的實現(xiàn)方法。該方法既能準確驗證所設計的系統(tǒng)是否滿足技術要求,又能提高系統(tǒng)設計的效率和質量,降低開發(fā)成本,具有推廣價值。關鍵詞：單片機； 時鐘芯片 ；數(shù)碼管顯示驅動芯片 ；

2、proteus；電子鐘design and simulation of electronic clock based on single-chip systemwangjinsheng abstractin recent years, with computers in the infiltration and the development of large-scale integrated circuits. scm application is steadily deepening, as it has strong function, small size, low power dis

3、sipation, low prices, reliable, easy to use features, it is particularly suited to and control of the system, increasingly widely used in various fields.this article describes an electronic bell system is single-chip microcomputer (at89c51) as the core, the clock chip ds1302, led display driver chip

4、 components, such as max7219 component.describes the application of proteuss isis software of the electronic single-chip system clock to achieve the design and simulation methods in details.the method can not only test the property of the system precisely,but also improve development efficiency and

5、reduce development cost,which values in popularity.key words： at89c51; ds1302; max7219; proteus; electronics clock目 錄第一章 緒 論. 21.1引 言21.2 proteus軟件簡介2第二章 系統(tǒng)設計 32.1電子鐘系統(tǒng)器件選擇32.1.1 at89c51單片機簡介. 32.1.2 實時時鐘電路ds1302工作原理. 62.1.3 max7219工作原理簡介.82.2 電子鐘系統(tǒng)設計流程.11第三章 硬件電路設計. 123.1 protel dxp電路圖設計.123.2 prot

6、eus 電路圖設計12第四章 軟件設計. 144.1 程序流程圖設計.144.2 源程序設計.144.3 keilc51進行程序調(diào)試18第五章 系統(tǒng)調(diào)試與仿真. 195.1 proteus中hex 文件選擇.195.2 proteus進行電子鐘系統(tǒng)仿真.20結束語21參考文獻.21致 謝.21第一章 緒 論1.1引 言隨著半導體技術的飛速發(fā)展，以及移動通信、網(wǎng)絡技術、多媒體技術在嵌入式系統(tǒng)設計中的應用，單片機從4位、8位、16位到32位，其發(fā)展歷程一直受到廣大電子愛好者的極大關注。單片機功能越來越強大，價格卻不斷下降的優(yōu)勢無疑成為嵌入式系統(tǒng)方案設計的首選，同時單片機應用領域的擴大也使得更多人加

7、入到基于單片機系統(tǒng)的開發(fā)行列中，推動著單片機技術的創(chuàng)新進步。然而傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)開發(fā)除了需要購置諸如仿真器、編程器、示波器等價格不菲的電子設備外，開發(fā)過程也較繁瑣。來自英國labcenter electronics公司的proteus軟件很好地詮釋了利用現(xiàn)代eda工具方便快捷開發(fā)單片機系統(tǒng)的優(yōu)勢。它包括proteus vsm（virtual system modelling）、proteus pcb design兩大組成部分，在pc機上就能實現(xiàn)原理圖電路設計、電路分析與仿真、單片機代碼級調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證以及形成pcb文件的完整嵌入式系統(tǒng)設計與研發(fā)過程。單片機系統(tǒng)作為一種典型的嵌入

8、式系統(tǒng)，其系統(tǒng)設計包括硬件電路設計和軟件編程設計兩個方面, 其調(diào)試過程一般分為軟件調(diào)試、硬件測試、系統(tǒng)調(diào)試3個過程。如果采用單片機系統(tǒng)的虛擬仿真軟件proteus，則不用制作具體的電路板也能夠完成以上工作。1.2 proteus軟件簡介proteus軟件由labcenter公司開發(fā)，是目前世界上最先進、最完整的嵌入式系統(tǒng)設計與仿真平臺，可以實現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設的混合電路系統(tǒng)的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真和pcb設計等功能，是目前唯一能夠對各種處理器進行實時仿真、調(diào)試與測試的eda工具。微控制器系統(tǒng)相關的仿真需建立編譯和調(diào)試環(huán)境，可選擇keil c51uvision2

9、軟件。該軟件支持眾多不同公司的芯片，集編輯、編譯和程序仿真等于一體，同時還支持plm、匯編和c語言的程序設計。它的界面友好易學，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強大的功能。 其革命性的功能是：將電路仿真和微處理器仿真進行協(xié)同，直接在基于原理圖的虛擬原型上進行處理器編程調(diào)試，并進行功能驗證，通過動態(tài)器件如電機、led、lcd、開關等，實時看到運行后的輸入、輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等， proteus為我們建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。第二章 系統(tǒng)設計2.1電子鐘系統(tǒng)硬件組成電子鐘系統(tǒng)硬件主要由at89c51單片機、時鐘芯片ds1302、數(shù)碼管顯示驅動芯片max7219等

10、元器件組成。at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機ds1302 是美國dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶ram的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時。max7219是maxim公司生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極數(shù)碼管顯示驅動芯片。圖2.1 電子鐘系統(tǒng)硬件電路組成框圖2.1.1 at89c51單片機簡介at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器

11、，俗稱單片機。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本。at89c單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖2.11 at89c51單片機1.主要特性與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10年 全靜態(tài)工作：0hz-24h

12、z 三級程序存儲器鎖定 128*8位內(nèi)部ram 32可編程i/o線 兩個16位定時器/計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 2.管腳說明vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1

13、口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口

14、在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下表所示：p3.0 rxd串行輸入口p3.1 txd串行輸出口p3.2 /int0外部中斷0p3.3 /int1外部中斷1p3.4 t0記時器0外部輸入p3.6 /wr外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通p3.7 /rd外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個

15、機器周期的高電平時間。ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩

16、次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性:xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，xt

17、al2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2.1.2 實時時鐘電路ds1302工作原理 1.ds1302的結構及工作原理 ds1302 是美國dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶ram的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5v5.5v。采用三線接口與cpu進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或ram數(shù)據(jù)。ds1302內(nèi)部有一個318的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的ram寄存器。ds1302是ds1202的升級產(chǎn)品，與ds1202兼容

18、，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。2.引腳功能及結構圖2.12 ds1302芯片圖示表出ds1302的引腳排列,其中vcc1為后備電源，vcc2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。ds1302由vcc1或vcc2兩者中的較大者供電。當vcc2大于vcc10.2v時，vcc2給ds1302供電。當vcc2小于vcc1時，ds1302由vcc1供電。x1和x2是振蕩源，外接32.768khz晶振。rst是復位/片選線，通過把rst輸入驅動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。rst輸入有兩種功能：首先，rst接通控制邏輯，允許地址/命令序

19、列送入移位寄存器；其次，rst提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當rst為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對ds1302進行操作。如果在傳送過程中rst置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，i/o引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在vcc2.5v之前，rst必須保持低電平。只有在sclk為低電平時，才能將rst置為高電平。i/o為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，sclk始終是輸入端。3.ds1302的寄存器 ds1302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關，存放的數(shù)據(jù)位為bcd碼形式, 此外，ds1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與ram相關的寄存器等。

20、時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。 ds1302與ram相關的寄存器分為兩類：一類是單個ram單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為c0hfdh，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的ram寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的ram的31個字節(jié)，命令控制字為feh(寫)、ffh(讀)。2.1.3 max7219工作原理簡介max7219是maxim公司生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極數(shù)碼管顯示驅動芯片，一片max7219可驅動8個7段（包括小數(shù)點共8段）數(shù)字led、led條線圖形顯示器、或64個分立的led發(fā)光二級管。該芯片具有10mhz

21、傳輸率的三線串行接口可與任何微處理器相連，只需一個外接電阻即可設置所有l(wèi)ed的段電流。它的操作很簡單，mcu只需通過模擬spi三線接口就可以將相關的指令寫入max7219的內(nèi)部指令和數(shù)據(jù)寄存器，同時它還允許用戶選擇多種譯碼方式和譯碼位。此外它還支持多片7219串聯(lián)方式，這樣mcu就可以通過3根線（即串行數(shù)據(jù)線、串行時鐘線和芯片選通線）控制更多的數(shù)碼管顯示。 圖2.1.3.1 ds1302芯片max7219的外部引腳分配1.引腳分配及功能圖2.1.3.2 max7219的內(nèi)部引腳分配各引腳的功能為：din：串行數(shù)據(jù)輸入端dout：串行數(shù)據(jù)輸出端，用于級連擴展load：裝載數(shù)據(jù)輸入clk：串行時鐘

22、輸入dig0dig7：8位led位選線，從共陰極led中吸入電流seg aseg g dp7段驅動和小數(shù)點驅動iset：通過一個10k電阻和vcc相連，設置段電流2.寄存器介紹max7219內(nèi)部的寄存器如圖所示，主要有：譯碼控制寄存器、亮度控制寄存器、掃描界限寄存器、關斷模式寄存器、測試控制寄存器。編程時只有正確操作這些寄存器，max7219才可工作。圖2.1.3.3 max7219內(nèi)部的相關寄存器分別介紹如下：（） 譯碼控制寄存器（x9h）如圖所示，max7219有兩種譯碼方式：b譯碼方式和不譯碼方式。當選擇不譯碼時，8個數(shù)據(jù)為分別一一對應7個段和小數(shù)點位；b譯碼方式是bcd譯碼，直接送數(shù)據(jù)

23、就可以顯示。實際應用中可以按位設置選擇b譯碼或是不譯碼方式。圖2.1.3.4 max7219的譯碼控制寄存器（） 掃描界限寄存器（xbh）如圖所示，此寄存器用于設置顯示的led的個數(shù)（18），比如當設置為0xx4時，led 05顯示。圖2.1.3.4 max7219的掃描界限控制寄存器（） 亮度控制寄存器（xah）共有16級可選擇，用于設置led的顯示亮度，從0xx00xxf（） 關斷模式寄存器（xch）共有兩種模式選擇，一是關斷狀態(tài)，（最低位 d0=0）一是正常工作狀態(tài)（d0=1）。2.2 電子時鐘系統(tǒng)設計流程圖2.2 基于proteus的單片機系統(tǒng)設計流程第三章 硬件電路設計3.1 電路原

24、理圖設計圖3.1 protel dxp設計的電子鐘電路原理圖主要元器件功能介紹：at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。ds1302 是美國dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶ram的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時。具有調(diào)時功能。時鐘操作可通過ampm指示決定采用24或12小時格式。max7219是maxim公司生產(chǎn)的串行輸入/輸出共陰極數(shù)碼管顯示驅動芯片。采用三線制串行接口技術進行數(shù)據(jù)傳送，可直接與單片機連接，用戶能方便地修改內(nèi)部參數(shù)實現(xiàn)多位led數(shù)碼管顯示。內(nèi)含有硬件動態(tài)掃描顯示控制，每塊

25、芯片可驅動8個led數(shù)碼管。3.2 proteus 電路圖設計運行proteus的isis 后出現(xiàn)程序主窗口界面，鼠標左鍵單擊窗口左側的元器件工具欄的component.按鈕, 接著再點擊窗口左側的元器件選擇區(qū)的pick divices.按鈕，彈出如圖1所示的pick devices窗口，再在categ欄里點擊microprocessorics項后，在results欄里會出現(xiàn)各種類型的cpu器件，找到 at89c51后雙擊，at89c51就被添加到當前窗口左側的元器件列表區(qū)了。用同樣的方法依次把 ds130、max7219、數(shù)碼管、晶振以及多個電阻、電容也添加到器件列表區(qū)里。然后再依次點擊列表

26、區(qū)里的器件，單擊左鍵把他們放到繪圖區(qū)，右鍵選中元件，并編輯其屬性，合理布局后，進行連線。連線時當鼠標的指針靠近一個對象的引腳時，跟著鼠標的指針r ics就會出現(xiàn)一個“”提示符號，點擊鼠標左鍵即可畫線了，需要拐彎時點擊一下即可，在終點再點擊確認一下就畫出了一段導線，所有導線畫完后，點擊工具欄的 inter-sheeterminal.按鈕，添加上電源和接地符號，原理圖的繪制就完成了。圖3.2.2 proteus中設計的電子時鐘系統(tǒng)原理圖第四章 軟件設計4.1 程序流程圖設計圖4.1 系統(tǒng)程序流程圖4.2 源程序設計以下為部分源程序：#include at89x51.h#include delay.

27、h#include max7219.c#include music.c#define uchar unsigned char#define uint unsigned int idatasbit add=p11;sbit sub=p10;sbit acc0 = acc0;sbit acc7 = acc7;void showday(void);/顯示時間void showdata(void);/顯示日期void showdishi(void);/顯示定時void int_0(void);/中斷0void int_1(void);/中斷1void flash_max7219(unsigned ch

28、ar n);/閃一個位max7219/*/* 實時時鐘模塊 時鐘芯片型號：ds1302 */*/*/sbit t_clk = p23; /*實時時鐘時鐘線引腳 */sbit t_io = p24; /*實時時鐘數(shù)據(jù)線引腳 */sbit t_rst = p25; /*實時時鐘復位線引腳 */*/void v_rtinputbyte(uchar ucda); /往ds1302寫入1byte數(shù)據(jù)uchar uc_rtoutputbyte(void);/ 從ds1302讀取1byte數(shù)據(jù)void v_w1302(uchar ucaddr, uchar ucda);/往ds1302寫入數(shù)據(jù)uchar u

29、c_r1302(uchar ucaddr);/讀取ds1302某地址的數(shù)據(jù)/void v_burstw1302t(uchar *psecda);/往ds1302寫入時鐘數(shù)據(jù)(多字節(jié)方式)/void v_burstr1302t(uchar *psecda);/讀取ds1302時鐘數(shù)據(jù)/void v_burstw1302r(uchar *preda);/往ds1302寄存器數(shù)寫入數(shù)據(jù)(多字節(jié)方式)/void v_burstr1302r(uchar *preda);/讀取ds1302寄存器數(shù)據(jù)void v_set1302(uchar *psecda) ;/設置初始時間,輸入: psecda: 初始時

30、間地址。初始時間格式為: 秒 分 時 日 月 星期 年 void v_get1302(uchar uccurtime) ;/讀取ds1302當前時間uchar showtime8=0,0,10,0,0,10,0,0;/顯示的時間*全局變量uchar settime2=0,0;/定時的設定uchar time7=0,0x59,0x19,0x24,0x7,0x01,0x08;/秒 分 時 日 月 星期 年uchar tmod=7;/此時的調(diào)節(jié)模式void main()delay_ms(200);/sound();initmax7219();/初始化max7219cls();/清屏max7219/v

31、_get1302(& time);/v_set1302(& time);ex0=1;ex1=1;it1=1;/下降沿觸發(fā)it0=1;ea=1;/開中斷v_get1302(& time);showday();/int_1();/int_0();while(1)v_get1302(& time);showday();if (settime0=time2)&(settime1=time1)sound();/*顯示時間void showday(void)/將數(shù)據(jù)轉化為顯示格式showtime7=time0 & 0x0f;/個位showtime6=time04;/十位showtime4=time1 &

32、0x0f;showtime3=time14;showtime1=time2 & 0x0f;showtime0=time24;showtime2=showtime5=10;disp_88(& showtime);/*顯示日期void showdata(void)showtime7=time3 & 0x0f;showtime6=time34;showtime4=time4 & 0x0f;showtime3=time44;showtime1=time6 & 0x0f;showtime0=time64;showtime2=showtime5=10;disp_88(& showtime);/*顯示定時v

33、oid showdishi(void)showtime1=settime0 & 0x0f;showtime0=settime04;showtime4=settime1 & 0x0f;showtime3=settime14;showtime6=12;showtime7=13;showtime2=showtime5=10;disp_88(& showtime); 4.3 keilc51進行程序調(diào)試第五章 系統(tǒng)調(diào)試與仿真5.1 proteus中hex 文件選擇 系統(tǒng)仿真分析電路原理圖在isis里設計完成，并將系統(tǒng)軟件編譯成.hex文件，再進行電子時鐘的系統(tǒng)虛擬仿真 。（1）在isis的原理圖中，右鍵單擊at89c51將其選中，然后單擊左鍵打開at89c51的edit component 對話框，如下圖所示。圖5.1 edit component 對話