基于單片機LED顯示器的數(shù)字鐘設(shè)計報告

1、基于單片機led顯示器的數(shù)字鐘設(shè)計本設(shè)計基于8031單片機控制，采用led顯示器設(shè)計一數(shù)字鐘的設(shè)計方案。該數(shù)字鐘能穩(wěn)定顯示時分秒，同時實現(xiàn)時分秒的數(shù)值調(diào)整。本文詳細討論了具體硬件電路，相關(guān)原器件的選擇以及軟件實現(xiàn)過程。比較時鐘調(diào)整的查詢方式和中斷方式，對數(shù)字鐘的穩(wěn)定性和計時的精確性作了相關(guān)的討論。在實驗室通過硬件電路和仿真器進行模擬實驗，驗證電路和程序的正確性。最后給出采用中斷方式實現(xiàn)的數(shù)字鐘的源程序。1.引 言 在單片機技術(shù)日趨成熟的今天，其靈活的硬件電路的設(shè)計和軟件的設(shè)計，讓單片機得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎是從小的電子產(chǎn)品，到大的工業(yè)控制，單片機都起到了舉足輕重的作用。單片機小的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾乎是

2、所有具有可編程硬件的一個縮影，可謂是“麻雀雖小，肝膽俱全”，單片機的學習和研究是對微機系統(tǒng)學習和研究的簡捷途徑。單片機以其體積小，使用靈活方便，成本低，易于產(chǎn)品化，抗干擾能力強，可在各種惡劣環(huán)境下工作等特點，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制，智能儀表，家用電器，機器人，醫(yī)療儀器，軍事裝備等方面。為了加深對單片機應(yīng)用的認識，鞏固所學的單片機知識，本次科研訓練特選題“基于單片機數(shù)碼管顯示的數(shù)字鐘設(shè)計”，嘗試基本電路設(shè)計和匯編語言編程以及鍛煉實踐動手能力。數(shù)字鐘的實現(xiàn)方法多種多樣，簡單的可以由一些集成電子電路實現(xiàn)，精確點的可以通過某些時鐘芯片，如msm5832，ds1216，以及mc146818，結(jié)合相應(yīng)的硬件

3、電路和軟件實現(xiàn)。本次科研訓練本著鍛煉為主的原則，不采用任何現(xiàn)成的時鐘芯片，通過簡單的硬件電路，通過編寫相應(yīng)程序進行計時與時間調(diào)整。本文采用8031單片機，以8255a作其擴展，led顯示器采用共陰極的七段數(shù)碼管，驅(qū)動器采用74ls07芯片，以及普通的按鍵作為基本元器件。2.數(shù)字鐘硬件電路設(shè)計數(shù)字鐘的整體框圖如圖1所示圖1整體框圖按鍵與8031的連接如圖2所示。單片機8031與8255a的硬件連接如圖3所示：圖3. 8031與8255a的連接電路 8255a是一種通用的可編程并行i/o接口芯片，在微型計算機系統(tǒng)中，可不需要附加外部邏輯電路就可直接為cpu與外設(shè)之間提供數(shù)據(jù)通道。在單片機8031與

4、8255芯片連接中應(yīng)接一個74ls373譯碼器，8255a作為8031的數(shù)據(jù)擴展口，輸出所顯示的段碼及位選信號。8255a的片選信號與8031的p2.7相連，所以p2.7作為8255a的片選信號，所以8255a的控制口地址為：efffh，相應(yīng)的，a口的地址為：effch，b口的地址為：effdh。8255a的讀寫信號分別與8031的讀寫信號相連，使其有效時cpu從8255a讀取數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，或向8255a寫入數(shù)據(jù)或控制字。reset是復(fù)位控制信號，高電平有效。該信號有效時，將8255a控制寄存器內(nèi)容都清零，并使所有餓斷口都置成輸入方式。當引腳懸空時，芯片默認為高電平，所以，為了讓8255a在

5、電路中正常工作，將reset接地，強制使復(fù)位控制位失效。 8255a驅(qū)動數(shù)碼管的電路如圖4所示：圖4. 8255a驅(qū)動數(shù)碼管電路圖8255a的a口和b口都作為輸出，根據(jù)cpu輸出的bcd碼得到a口相對應(yīng)的段碼，a口將段碼通過一個同相驅(qū)動器（圖中因未找到同相驅(qū)動器而用反相驅(qū)動器代替）給數(shù)碼管的abcdefg,同時，由b口輸出位選信號，因為本次設(shè)計中使用的數(shù)碼管都是共陰極的，所以，當b口輸出為高電平時，經(jīng)過74ls00與非門后得到低電平，即選中數(shù)碼管。數(shù)字鐘顯示中有八個這樣的數(shù)碼管，他們的數(shù)據(jù)端都是通過a口獲得，其位選信號分別接b口的八個口線。這樣，使pb0置1，則最高位選中，然后將b口數(shù)據(jù)循環(huán)左

6、移，則可依次使各個數(shù)碼管選中顯示。3.系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1軟件總體設(shè)計思想主程序主要由定時模塊，顯示模塊和調(diào)整模塊組成。定時部分采用經(jīng)典的定時器定時，結(jié)合相應(yīng)的時鐘軟件實現(xiàn)計時功能。顯示模塊是實現(xiàn)數(shù)字鐘的另一重要部分，其模塊的獨立程度直接影響到數(shù)字鐘的可視化程度。調(diào)整模塊采用中斷方式，通過按鍵可以調(diào)整數(shù)字鐘時分秒的數(shù)值。3.2定時模塊程序中定時器，一直處于運行狀態(tài)，也就是說定時器是理想運作的，其中斷程序每隔0.1秒執(zhí)行一次，在理想狀態(tài)下，定時器定時是沒有系統(tǒng)誤差的，但由于定時器中斷溢出后，定時器從0開始計數(shù)，直到被重新置數(shù)，才開始正確定時，這樣中斷溢出到中斷響應(yīng)到定時器被重新置數(shù)，其間消耗的時

7、間就造成了定時器定時的誤差。如果在前述定時器不關(guān)的情況下，在中斷程序的一開始就給定時器置數(shù)，此時誤差最小，誤差大約為：每0.1秒，誤差712個機器周期。當然這是在定時器定時剛好為0.1秒時的情況，由以上分析，如果數(shù)字鐘設(shè)計為查詢的方式或是在中斷的方式下將定時器中斷設(shè)置為最高級，我們在定時值設(shè)置時，可以適當?shù)目鄢?個機器周期的時間值。但如果在中斷的情況下，沒有將定時器中斷設(shè)置為最高級，那就要視中斷程序的大小，在定時值設(shè)置時，扣除相應(yīng)的時間值。3.3顯示模塊顯示模塊的獨立性強，增強了數(shù)字鐘的可視化程度。在此模塊的設(shè)計中，設(shè)置專用顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)20h-27h與時分秒及其他數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)別，在其中存

8、放的是各個數(shù)碼管要顯示數(shù)字，而其他緩沖區(qū)存放的是時間數(shù)據(jù)。在顯示時，首先分別將時分秒bcd碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為各個數(shù)碼管要顯示的數(shù)字，分別存儲于相應(yīng)的專用顯示區(qū)，然后通過8255a的a口輸出段碼至數(shù)碼管，b口輸出位選信號，接著a口輸出下一個段碼，b口輸出下一個位選信號，依此循環(huán)則可實現(xiàn)八位數(shù)碼管的靜態(tài)輸出。但由于人眼視覺分辨率遠遠低于數(shù)碼管循環(huán)點亮的速度，所以人們看到的數(shù)字鐘還是相對穩(wěn)定的。圖6.顯示模塊流程圖3.4 調(diào)整模塊 數(shù)據(jù)調(diào)整有多種方式：可以直接進入相關(guān)狀態(tài)進行有關(guān)操作；可將調(diào)整分兩步，先進入狀態(tài)，然后執(zhí)行操作，分別由兩個鍵控制。前者比較直接，設(shè)計思想也比較簡單，但是，這種方式存在操作時間和

9、控制鍵數(shù)目的矛盾。如果用比較少的鍵，那么可能會在進入狀態(tài)后處于數(shù)據(jù)調(diào)整等待狀態(tài)，這樣會影響到顯示的掃描速度。當然在這種方式下，還可以使用多個狀態(tài)鍵，每個狀態(tài)鍵，完成一個對應(yīng)數(shù)據(jù)的調(diào)整。后者則不同，因為狀態(tài)的調(diào)整，與狀態(tài)的操作可以分別由兩個鍵控制，其狀態(tài)的調(diào)整數(shù)可以多達256個（理論上），操作的完成是這樣的，一鍵控制狀態(tài)的調(diào)整，一鍵控制數(shù)據(jù)的調(diào)整。以上兩種方式的實現(xiàn)都可以采用查詢和中斷的方式，且兩者進行相關(guān)操作的過程不能太長否則會影響顯示的掃描。本文中采用的方法是前者，通過四個按鍵，進行簡單的時分秒的調(diào)整。當按鍵k4按下時啟動外中斷，然后通過按鍵k1，k2，k3即可調(diào)整時分秒的數(shù)值。另外，采用中

10、斷的方式，最好將定時器中斷的優(yōu)先級設(shè)置為最高級。圖7.調(diào)整模塊流程圖3.5軟件消抖消抖可以采用硬件（施密特觸發(fā)器）的方式，也可以采用軟件的方式。在此只討論軟件方式。軟件消抖有定時器定時，和利用延時子程序兩種方式。一，定時器定時消抖可以不影響顯示模塊掃描速度，其實現(xiàn)方法是：設(shè)置標志位，在定時器中斷中將其置位，然后在程序中查詢。將其中斷優(yōu)先級設(shè)置為低于時鐘定時中斷，那么它就可以完全不影響時鐘定時。二，在采用延時子程序時，如果顯示模塊的掃描速度本來就不是很快，此時可能會影響到顯示的效果，一般情況下，每秒的掃描次數(shù)不應(yīng)小于50次，否則，數(shù)碼的顯示會出現(xiàn)閃爍的情況。因此，延時子程序的延時時間應(yīng)該小于20

11、毫秒，如果采用定時器定時的方式，延時時間不影響時鐘。如果，設(shè)計時采用的是中斷的方式來完成有關(guān)操作，同樣可以采用軟件的方式來消抖，其處理思想是：中斷不能連續(xù)執(zhí)行，兩次之間有一定的時間間隔。a.子程序延時 b.定時器延時圖8.查詢方式消抖流程圖圖9.中斷方式消抖流程圖3.6主程序流程圖 圖10.主程序流程圖4.實驗在實驗中利用偉福仿真器及其仿真軟件，按照前述的硬件電路圖連接電路，按照上述各步的軟件流程圖編寫匯編語言程序，將軟硬件相連運行程序?qū)浻布M行調(diào)試。觀察各位數(shù)碼管的顯示狀態(tài)，并與理論值進行比較分析。實驗過程中，顯示模塊能很好的實現(xiàn)，無論是在單步跟蹤還是全速執(zhí)行的時候，led顯示器都能將要顯

12、示的數(shù)值準確且穩(wěn)定的顯示出來。雖然在硬件電路中增加了驅(qū)動電路，但是一個8255a芯片驅(qū)動8個led顯示器效果仍然不是很好，特別是在全速執(zhí)行時，led的亮度及穩(wěn)定性仍有待改進。計時模塊的實驗過程不是很理想。實驗中分別利用一個定時器t0進行定時，定時4000微秒，一個計數(shù)器t1進行計數(shù)，計數(shù)250次。當t0定時一次后t1計數(shù)一次，這樣t1計數(shù)溢出時即可計滿1秒，然后對當前時間秒值進行加1處理，以及相應(yīng)的分值時值處理。在程序運行中，可能由于程序編寫得具體細節(jié)，定時器中斷返回無法實現(xiàn)，從而導致全速執(zhí)行后led顯示器一直保持初始值不變。數(shù)字鐘正常顯示時，按k4鍵，啟動外部中斷子程序，按k1鍵k2鍵k3鍵

13、調(diào)整時間值，記錄調(diào)整后的時間值，與希望得到的時間值進行比較。調(diào)整模塊在實驗中得到較好的實現(xiàn)，調(diào)整相應(yīng)按鍵后，led顯示器的顯示數(shù)值也隨之出現(xiàn)了相對應(yīng)的調(diào)整。綜上所述，本次科研訓練的實驗還是有所收獲，雖然沒能將一個完整的數(shù)字鐘做出來，但也基本實現(xiàn)了數(shù)字鐘個部分的主要功附錄本文對應(yīng)的匯編語言程序如下： org 0000h ljmp main org 0003h ljmp int0 org 000bh ljmp tim0 org 0100hmain:mov sp,#70h mov 2ah,#12h mov 2bh,#34h mov 2ch,#56h mov dptr,#7fffh mov a,#80

14、h movx dptr,a mov tmod,#51h mov th1,#0ffh mov tl1,#06h mov th0,#0f0h mov tl0,#74h mov ip,#02h mov ie,#13h mov ip,#02h setb tr0 setb tr1 acall disptim0:clr p3.3 mov th0,#0f0h mov tl0,#74h call disp jnb tf1,$ clr tf1 setb tr1 mov a,2ch add a,#1 da a mov 2ch,a call disp cjne a,#60h,x4 mov 2ch,#00h call

15、 disp mov a,2bh add a,#1 da a mov 2bh,a call disp cjne a,#60h,x4 mov 2bh,#00h call dispmov a,2ah add a,#1 da a mov 2ah,a call disp cjne a,#24h,x4 mov 2ah,#00h call dispx4: retidisp: mov r1,#20h mov r0,#2ch mov r6,#03hdis0:mov a,r0 mov b,#10h div ab mov r1,b inc r1 mov r1,a inc r1 dec r0 djnz r6,dis0

16、 mov a,#0ah mov r1,a inc r1 mov r1,a mov r1,#20h mov r2,#01h mov r7,#08hdis1: mov a,r1 mov dptr,#seg movc a,a+dptr mov dptr,#7ffch movx dptr,a inc dptr mov a,r2 movx dptr,a acall dims inc r1 mov a,r2 rl a mov r2,a djnz r7,dis1 retdims:mov r3,#07h djnz r3,$ retseg: db 37h,06h,5bh,4fh db 66h,6dh,7dh,07h db 7fh,6fh,40hint0: noploop:jb p1.3,n2 call dims mov a,2ch add a,#01 da a mov 2ch,a cjne a,#60h,n1 mov 2ch,#00h ajmp dispn1: jnb p1.3,$ ajmp disp call dimsn2: jb p1