高仿真數(shù)碼管電子鐘課程設(shè)計報告匯總

1高仿真數(shù)碼管電子鐘目錄高仿真數(shù)碼管電子鐘 2摘要 21引言 31.1本系統(tǒng)研究的背景和意義 31.2本系統(tǒng)主要研究內(nèi)容 42系統(tǒng)總體設(shè)計 42.1系統(tǒng)設(shè)計方案與論證 42.11FPGA設(shè)計方案 52.12NE555時基電路設(shè)計方案 52.13單片機(jī)設(shè)計方案 52.14最終設(shè)計方案 62.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 63系統(tǒng)硬件設(shè)計 63.1芯片介紹 63.118051單片機(jī)簡單介紹 63.1274LS1383-8譯碼器介紹 93.2系統(tǒng)硬件原理圖 113.3復(fù)位模塊 113.4按鍵模塊 123.5顯示驅(qū)動模塊 134系統(tǒng)軟件設(shè)計 134.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 134.2中斷子程序 134.3按鍵掃描子程序 145系統(tǒng)調(diào)試 155.1硬件調(diào)試 155.2軟件調(diào)試 156結(jié)論 15參考文獻(xiàn) 17附錄 18高仿真數(shù)碼管電子鐘摘要電子時鐘主要是利用電子技術(shù)將時鐘電子化、數(shù)字化，擁有時鐘精確、體積小、界面友好、可拓展性能強(qiáng)等特點，被廣泛應(yīng)用于生活和工作當(dāng)中。本文主要為實現(xiàn)一款可正常顯示時間、帶有制調(diào)整、帶有顯示以及時間校準(zhǔn)功能的一款基于單片機(jī)仿真的多功能電子鐘。本文對當(dāng)前的電子鐘開發(fā)手段進(jìn)行了比較與分析，最終確定了采用單片機(jī)技術(shù)實現(xiàn)高仿真電子鐘的設(shè)計。本設(shè)計采用芯片作為核心，采用外部時鐘脈沖定時，用軟件自帶的電子鐘組件實現(xiàn)高度仿真的顯示效果。軟件部分主要采用簡單且流通性強(qiáng)的語言編寫實現(xiàn)。這種高度仿真的電子鐘具有電路簡單，讀取方便、顯示直觀、功能多樣、時間精度較高、操作簡單、編程容易成本低廉等諸多優(yōu)點。本次設(shè)計主要是用電路軟件實現(xiàn)了高仿真數(shù)碼管電子鐘的仿真。稍加改裝，增加部分功能所生產(chǎn)出的實際產(chǎn)品即可應(yīng)用于一般的生活和工作中，從而給人們的生活和生產(chǎn)帶來便利，符合電子儀器儀表的發(fā)展趨勢，具有廣闊的市場前景。關(guān)鍵詞：電子鐘、單片機(jī)、、1引言時間是人類生活必不可少的重要元素，如果沒有時間的概念，社會將不會有所發(fā)展和進(jìn)步。從古代的銅壺滴漏、十二天干地支，到后來的機(jī)械鐘表以及當(dāng)今的石英鐘，都充分顯現(xiàn)了時間的重要，同時也代表著科技的進(jìn)步。致力于計時器的研究和充分發(fā)揮時鐘的作用，將有著主要的意義。1.1本系統(tǒng)研究的背景和意義20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透到了社會的各個領(lǐng)域，有利的推動和提高了社會生產(chǎn)力的發(fā)展與信息化程度，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提升，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜容易使人忘記當(dāng)前的時間。然而遇到重大事情的時候，一旦忘記時間，就會給自己或他人造成很大麻煩。平時我們要求上班準(zhǔn)時，約會或召開會議要提前時間；火車要準(zhǔn)時到達(dá)，航班準(zhǔn)時起飛；工業(yè)生產(chǎn)中，很多環(huán)節(jié)都需要用時間來確定工序替換時刻。所以說能隨時準(zhǔn)確知道時間并利用時間，是我們生活和工作中必不可少的。電子鐘是采用電子電路實現(xiàn)對時分秒進(jìn)行數(shù)字顯示的及時裝置，廣泛應(yīng)用于個人家庭，車站，碼頭辦公室等辦公場所。由于數(shù)字集成電路的發(fā)展，使得數(shù)字鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老式機(jī)械鐘表，鐘表的數(shù)字化給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大的擴(kuò)展了原先鐘表的功能。諸如定時自動報警、0按時自動打鈴、定時廣播、自動啟閉路燈、定時開關(guān)烘箱、通斷電力設(shè)備，設(shè)置各種定時電氣的自動啟用等，所有這些都已鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的，因此，研究數(shù)字電子鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。1.2本系統(tǒng)主要研究內(nèi)容本設(shè)計采用芯片作為核心，采用外部時鐘脈沖定時，用軟件自帶的電子鐘組件實現(xiàn)高度仿真的顯示效果。本次設(shè)計的電子鐘主要研究內(nèi)容：（1）研究電子時鐘的原理與實現(xiàn)方法（2）51單片機(jī)的原理與應(yīng)用（3）構(gòu)思基于單片機(jī)的高仿真電子時鐘的實現(xiàn)方案（4）熟悉運(yùn)用C51單片機(jī)語言編寫軟件系統(tǒng)（5）熟悉運(yùn)用KeilC軟件與Proteus軟件仿真和調(diào)試系統(tǒng)2系統(tǒng)總體設(shè)計2.1系統(tǒng)設(shè)計方案與論證電子時鐘既可以通過純硬件實現(xiàn)，也可以通過軟硬件結(jié)合實現(xiàn)，根據(jù)電子時鐘里的核心部件——秒信號的產(chǎn)生原理，通常有以下三種形式：2.11FPGA設(shè)計方案現(xiàn)場可編程門陣列（即FPGA）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種可編程邏輯器件，是目前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主要硬件基礎(chǔ)。FPGA在設(shè)計過程中方便、快捷，而且FPGA技術(shù)功能強(qiáng)大，能夠應(yīng)用其制作諸如基代碼發(fā)生器、數(shù)字頻率計、電子琴、電梯控制器、自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)、多功能波形發(fā)生器、步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)、電子時鐘等。應(yīng)用FPGA能夠?qū)r鐘設(shè)計為四種類型：全局時鐘、門控時鐘、多級邏輯時鐘和波動式時鐘。多時鐘系統(tǒng)能夠包括上述四種時鐘類型的任意組合。2.12NE555時基電路設(shè)計方案采用NE555時基電路或其他振蕩電路產(chǎn)生秒脈沖信號，作為秒加法電路的時鐘信號或為處理器的外部中斷輸入信號，可構(gòu)成電子鐘。通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)可使輸出的頻率為精確的1HZ。圖2.12基于NE555的秒信號發(fā)生器采用NE555定時器設(shè)計電子時鐘，成本低，容易實現(xiàn)。但是受芯片引腳數(shù)量和功能的限制，不容易實現(xiàn)電子時鐘的多功能性。2.13單片機(jī)設(shè)計方案利用單片機(jī)的智能性，可方便的實現(xiàn)具有智能的電子鐘設(shè)計。單片機(jī)具有時鐘振蕩系統(tǒng)，利用系統(tǒng)時鐘借助微處理器的定時器/計數(shù)器可實現(xiàn)電子鐘功能。然而系統(tǒng)時鐘誤差較大，電子鐘的積累誤差也可能較大，所以通過誤差修改軟件加以修正，或者在設(shè)計高精度的時鐘日歷芯片，以精確時間，另外很多功能不同的單片機(jī)是兼容的，這就更便于實現(xiàn)產(chǎn)品的多功能性。2.14最終設(shè)計方案在比較了三種方案之后，考慮單片機(jī)貨源充足、價格低廉，可軟硬件結(jié)合使用，能夠較方便的實現(xiàn)系統(tǒng)的多功能性，故采用單片機(jī)作為本次設(shè)計的硬件基礎(chǔ)。本次設(shè)計用Proteus軟件本身的50HZ激勵源作為時鐘脈沖，接入單片機(jī)的外部中端口來仿真是想基準(zhǔn)時鐘信號輸入。2.2系統(tǒng)原理及總體結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)采用51單片機(jī)中芯片控制整個系統(tǒng)，連接各部分模塊，下面為系統(tǒng)的設(shè)計原理組成框圖：圖2.2系統(tǒng)原理組成框圖本系統(tǒng)主要采用單片機(jī)作為主控芯片，外接復(fù)位模塊、調(diào)整校時模塊、驅(qū)動顯示模塊和外部時鐘脈沖。本設(shè)計采用50HZ激勵源仿真時鐘脈沖，驅(qū)動顯示模塊主要由單片機(jī)P2.0—P2.2三個端口接74LS138譯碼器，8個輸出端口接8片74100的使能端，P2.3接74LS138的使能端，P2.4—P2.7接到8片74100的輸入端，采取動態(tài)掃描原理來驅(qū)動顯示。由于50HZ激勵源仿真時鐘脈沖接在AT89C51芯片的中斷端口，激勵源時鐘脈沖周期為0.02秒，在每一個時鐘脈沖上升沿觸發(fā)中斷，調(diào)用中斷子程序。中斷子程序主要為每0.5秒使顯示組件中的LED[:]點亮，每1秒LED[:]關(guān)閉且秒遞增，滿60秒加分，同時每秒刷新時分秒顯示。系統(tǒng)設(shè)置了顯示緩沖disp_Buffer[],共有7位，前6位為時分秒顯示緩沖（各占兩位），第7位控制AM、PM、SET標(biāo)志以及LED發(fā)光管閃光顯示。disp_Buffer[6]從低位到高位，第1位為0時AM顯示，為1時PM顯示；第2位為0時12h制，為1時24h制，僅當(dāng)?shù)?位為1時，第1位才有效；第3位為SET標(biāo)志位，為1時處于設(shè)置狀態(tài)，發(fā)光管亮，為0時處于顯示狀態(tài)，發(fā)光管滅；第4位為LED閃爍控制位，為0時亮，為1時滅。系統(tǒng)在顯示狀態(tài)時，中斷開，循環(huán)執(zhí)行中斷子程序，秒遞增，刷新顯示，將當(dāng)前時間current_Time中的相應(yīng)位裝入disp_Buffer中相應(yīng)位，再從單片機(jī)P2端口輸出驅(qū)動顯示。當(dāng)系統(tǒng)處于設(shè)置狀態(tài)時，關(guān)閉中斷，顯示暫停，執(zhí)行調(diào)整與設(shè)置時鐘程序。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1芯片介紹3.118051單片機(jī)簡單介紹AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦除的只讀程序存儲器（PEROM）和128B隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合。主要性能參數(shù)：①與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容②4K字節(jié)可重擦寫FLASH閃速存儲器③1000次擦寫周期④全靜態(tài)操作：0HZ-24MHZ⑤三級加密程序存儲器⑥1288字節(jié)內(nèi)部RAM⑦32個可編程I/O口線⑧2個16位定時/計數(shù)器⑨6個中斷源⑩可編程串行UART通道圖3.111AT89C51引腳封裝圖芯片引腳介紹：（1）主電源引腳

VCC：+5V電源

VSS：地線。（2）時鐘電路引腳

XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。（3）控制信號引腳

RST/VPD：復(fù)位信號。當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作;當(dāng)單片機(jī)掉電時，此引腳上可接備用電源，由VPD向片內(nèi)RAM提供備用電源，一保持片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。

ALE/PROG：地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴(kuò)展時，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。 對于EPROM型單片機(jī)，在EPRAM編程期間，此引腳接收編程脈沖。

PSEN:片外程序存儲器讀選通信號輸出端。

EA/VPP：訪問程序存儲控制信號。當(dāng)EA信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當(dāng)EA信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。對于EPROM型單片機(jī)，在EPRAM編程期間，此引腳接上加21VEPROM編程電源VPP。(4)I/O引腳P0.0～P0.7：P0口8位雙向口線。P1.0～P1.7：P1口8位雙向口線。P2.0～P2.7：P2口8位雙向口線。P3.0～P3.7：P3口8位雙向口線。P3口線的第二功能。P3的8條口線都定義有第二功能，詳見表3-1。表3-11P3口各引腳與第二功能表引腳第二功能信號名稱P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2INT0外部中斷0申請P3.3INT1外部中斷1申請P3.4T0定時/計數(shù)器0的外部輸入P3.5T1定時/計數(shù)器1的外部輸入P3.6WR外部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通以上把8051單片機(jī)的全部信號引腳分別以第一功能和第二功能的形式列出。對于各種型號的芯片，其引腳的第一功能信號是相同的，所不同的只在引腳的第二功能信號。對于9、30和31三個引腳，由于第一功能信號與第二功能信號是單片機(jī)在不同工作方式下的信號，因此不會發(fā)生使用上的矛盾。但是P3口的情況卻有所不同，它的第二功能信號都是單片機(jī)的重要控制信號。因此，在實際使用時，都是先按需要選用第二功能信號，剩下的才以第一功能的身份作數(shù)據(jù)位的輸入/輸出使用。3.1274LS1383-8譯碼器介紹74LS138為3線—8線譯碼器，其管腳圖如下：3.12174LS138管腳圖引腳端符號：A、B、C譯碼地址輸入端G1選通端、選通端（低電平有效）Y0~Y7譯碼輸出端（低電平有效）當(dāng)一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（和）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。利用G1、和可級聯(lián)擴(kuò)展成24線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯(lián)擴(kuò)展成32線譯碼器。若將選通端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時，138還可作為數(shù)據(jù)分配器。功能表：表3—1274LS138功能表其中，H=高電平，L=低電平，X=任意。74LS138的邏輯圖為：圖3.12274LS138邏輯結(jié)構(gòu)圖3.2系統(tǒng)硬件原理圖下面為系統(tǒng)的硬件原理圖圖3.2系統(tǒng)硬件電路圖3.3復(fù)位模塊關(guān)于單片機(jī)的復(fù)位主要有三種方法：上電復(fù)位、按鍵電平復(fù)位、按鍵脈沖復(fù)位，各自的電路搭建方法如下：圖3.31上電復(fù)位和按鍵復(fù)位電路本次設(shè)計主要采取上電復(fù)位接法，電路原理如下：圖3.32復(fù)位模塊圖3.4按鍵模塊按鍵模塊為系統(tǒng)制調(diào)整，校時、校分部分，具體電路原理圖如下：圖3.4按鍵模塊電路原理圖其中K1按鍵為制調(diào)整按鍵，當(dāng)K1處于開啟狀態(tài)時，為12h小時制，AM/PM顯示標(biāo)志亮，當(dāng)K1處于閉合狀態(tài)時，為24h小時制。K2按鍵為時間設(shè)置按鍵，只有K2處于閉合狀態(tài)時，K3、K4按鍵才有效。K3為加時按鍵，K4為加分按鍵。3.5顯示驅(qū)動模塊本模塊主要利用AT89C51的P2端口連接74LS1383—8譯碼器依次選通8個74100電子鐘顯示組件驅(qū)動芯片，來顯示驅(qū)動的。限于篇幅，具體電路圖請看附件。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計系統(tǒng)主源程序流程圖如下圖所示，源程序見附件。圖4.1系統(tǒng)主程序流程圖4.2中斷子程序MCS-51系列單片機(jī)有五個中斷源，中斷分為2個中斷優(yōu)先級，即高優(yōu)先級和低優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級都可以由軟件來設(shè)定。中斷地址表如表4-2所示。表4-2中斷地址表本次設(shè)計主要通過將50HZ外部時鐘基準(zhǔn)脈沖接在端口，以此來不斷產(chǎn)生中斷的，中斷子程序的流程圖如下圖所示。源程序見附件。圖4-2中斷子程序的流程圖4.3按鍵掃描子程序按鍵掃描子程序流程圖如下圖所示，該部分源程序見附件。圖4.3按鍵掃描程序流程圖5系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試是測試焊接完成后的成品的硬件電路的功能，發(fā)現(xiàn)及排除相關(guān)故障，主要包括主控芯片的調(diào)試以及各模塊電路的調(diào)試。由于本次設(shè)計僅僅處于軟件仿真階段，并沒有去設(shè)計焊接電路，故該部分略。在不久的畢業(yè)設(shè)計論文中一定會完善該部分。5.2軟件調(diào)試本設(shè)計的軟件編譯是在KeiluVision3上進(jìn)行的，此軟件可以生成HEX文件用于下載到單片機(jī)上工作。生成HEX文件后可以在PROTEUS上進(jìn)行仿真調(diào)試。6結(jié)論本次設(shè)計我組只是較為粗糙地實現(xiàn)了一個電子鐘的一些基本功能，完全由軟件仿真實現(xiàn)的，系統(tǒng)中有關(guān)部分是用軟件中相似功能模塊替代的，主要有以下兩個部分：1）外部時鐘是由軟件中激勵源替代的，在真正的設(shè)計，時鐘部分是很重要的，可以由石英晶振或NE555芯片產(chǎn)生。2）電子鐘的顯示部分是由軟件中自帶的電子鐘組件替代的，實際設(shè)計中可以由多位數(shù)碼管顯示，應(yīng)用LED顯示的動靜態(tài)原理驅(qū)動多位LED數(shù)碼管；或者用LCD液晶顯示模塊來顯示時間。通過做這次課程設(shè)計，我組成員學(xué)到了很多東西，首先是Proteus及KeilC軟件的運(yùn)用，并對多功能數(shù)字電子鐘的相關(guān)原理有了更深入的理解，以前只是對這些軟件有個大概的了解，但通過這次實踐，對這些軟件有了更深刻的了解，相信在以后的學(xué)習(xí)中可以掌握得更好。參考文獻(xiàn)[1]蔡美琴等.MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)極其應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2004[2]林伸茂.8051單片機(jī)徹底研究實習(xí)篇.北京：人民郵電出版社，2004[3]胡學(xué)海.單片機(jī)原理極其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.北京:電子工業(yè)出版社，2005[4]張毅剛.單片機(jī)原理極其應(yīng)用.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004[5]韓志軍等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005[6]舒懷林.單片機(jī)原理與接口技術(shù).武漢:華中科技大學(xué)出版社，2001

附錄附件1：源程序如下////名稱：高度仿真數(shù)碼管電子鐘////說明本例在Proteus中選用了高仿真的電子鐘元器件，并添加了時分調(diào)整//功能，閃爍顯示， AM/PM切換，12h/24h制選擇等。#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuchartCount=0;//時鐘設(shè)置開關(guān)及按鍵sbitK1=P0^0;//12h/24hsbitK2=P0^1;//設(shè)置sbitK3=P0^2;//小時加sbitK4=P0^3;//時鐘加//當(dāng)前時間：時分秒ucharcurrent_Time[]={12,59,00};//時分秒顯示緩沖（各占兩位），最后的0x00控制AM，PM及發(fā)光管閃光等uchardisp_Buffer[]={0,0,0,0,0,0,0x00};//12h,24h,AM,PM及SET控制標(biāo)志ucharf_24=0,f_AM=0,f_set=0;////延時//voidDelayMS(uintx){ uchari; while(--x)for(i=0;i<120;i++); }////加時//voidAdd_Hour(){ //小時數(shù)累加 ++current_Time[0]; //24小時制時滿24歸零 if(f_24==1&¤t_Time[0]==24)current_Time[0]=0; //12h制滿13歸1，且取反AM與PM標(biāo)志 if(f_24==0&¤t_Time[0]==13) { current_Time[0]=1; //將原來的AM與PM位取反 disp_Buffer[6]=(disp_Buffer[6]&0xFE)|(~(disp_Buffer[6]&0x01)&0x01; } }////加分//voidAdd_Miniute(){ //分鐘數(shù)累加 ++current_Time[1]; if(current_Time[1]==60) { current_Time[1]=0; Add_Hour(); } }////根據(jù)當(dāng)前時間刷新時分秒顯示緩沖//voidRefresh_Disp_Buffer(){ uchari; //刷新顯示緩沖 for(i=0;i<3;i++) { disp_Buffer[2*i]=current_Time[i]/10; disp_Buffer[2*i+1]=current_Time[i]%10; }}////外部中斷//voidEX0_INT()interrupt0{ ++tCount; if(tCount==25)disp_Buffer[6]&=0xF7;//每0.5秒LED[:]點亮 if(tCount==50) //每秒刷新顯示緩沖等 { tCount=0; disp_Buffer[6]|=0x08;//每1秒LED[:]關(guān)閉 if(++current_Time[2]==60) //秒遞增 { current_Time[2]=0; Add_Miniute();