新颖60秒旋转电子钟的设计

9 smo寸ffiss-RnM佟启女a-csoCNu681vCN.CNmssss TZPS：CN 矍-H-用tf1 恤nntpI-lffi打IKE 91 s! 3Hs.寸 寸 IfcgfflKKB寸寸 寸t號姮Bm.寸 寸I垣囂能CN.寸 寸Iwiss寸 3 WSRSKSS 寸cn V tufrsE mcn 口01tlsim 0-.ii s新颖60秒旋转电子钟第 1 节 引 言目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照明的情况下都是不 可见的。现在市场上也出现了一些电子钟，它以六只数码管显示时分秒，与传统 的以指针显示秒的方式不同，违背了人们传统的习惯与理念，而且这类电子钟一 般是采用大型显示器件，且外观设计欠美观，很少进入百姓家庭。此外，无论是 机械钟，电子钟还是石英钟，都存在共同的问题：时间误差。针对以上存在的问 题，我们设计了一款采用 LED 显示器件显示的电子时钟，有效的克服了时钟存 在的误差问题，并能在夜间不必其它照明就能看到时间，并且以60 只发光二极 管实现秒显示，并能发出嘀哒嘀哒声，用户容易接受，而且美观大方，更具实用 性。1.1 电子钟概述新颖60秒旋转电子钟是本次的设计内容,它采用LED显示器件显示电子时 钟，有效的克服了时钟存在的误差问题；它采用的数码管显示时间能在夜间不需 要其它照明就能看到时间，而且在7 点以前和 21 点以后数码显示管的亮度会变 暗，整点报时也会消失，不仅实现节能，而且不会影响人们的休息；并具有一天 两次闹铃的功能，可通过手工更改二次闹铃的时间，停闹无须手工操作；它以 60 只发光二极管实现秒显示，接看近于传统的秒针来显示秒的形式，利用蜂鸣 器模拟秒针行走的嘀哒声。1.2 设计任务1任务：设计一款基于AT89C2051单片机的电子钟。2设计基本要求：(1) 用4只LED数码管输出显示时和分。(2) 可通过按键设置闹钟功能，且停闹无须手工操作。(3) 可通过按键设置分校时。4)月计时误差小于45 秒。3设计发挥部分：(1) 用60只LED发光管旋转显示，模拟“秒针”的行走。(2) 模拟“秒针”行走的“滴哒”声。(3) 增加室温检测和显示功能(可与时间交替显示)。(4) 增加停(掉)电保护功能。(5) 提高计市时精度，使年计时误差小于 30 秒。(6) 增加日自动校准功能，使得该电子钟“永无误差”。(7) 增加红黄绿三色变色装饰。(8) 可通过按键设置一天两闹(比如早晨、中午各一次)。1.3 系统主要功能电子钟的外观是周边60只发光管顺时旋转来显示秒，中间四只LED数码管 用于显示时间，中下方的七只 LED 灯顺时旋转，供装饰用。三个按键分别控制 电子钟的复位，定闹和调时。其主要功能有：整点报时；四只 LED 数码管显示当前时分；每隔一秒钟周 边的 60 只 LED 发光管旋转一格，装饰用的 LED 每隔一秒旋转一次。当发生停 电事件时，由后备电池供电，系统进入低功耗状态，所有显示部件停止显示，这 样即延长了电池的寿命，同时又保证了 CPU继续计数，不至于因停电而时钟停 止运行。当恢复供电后，系统自动恢复工作状态，不影响计时。第 2节 系统的硬件设计2.1 系统的硬件构成及功能电脑钟的原理框图如图1所示。它由以下几个部件组成：单片机89C2051、 电源、时分显示部件、60 秒旋转译码驱动电路。时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的 功耗。时分显示模块、60 秒旋转译码驱动电路以及显示驱动都通过 89C2051 的 I/O 口控制。电源部分：电源部分有二部分组成。一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作；另一部分是由3V的电池供电，以保证停电时正常走时。正常情况下电池是不提供电能的，以保证电池的寿命。具体电路参见“新颖的60秒旋转电子钟参考电路原理图”。图1 电子钟系统原理框图2.2 AT89C2051 单片机及其引脚说明AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化 版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处 理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八 位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系 统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统省去了外部的RAM、 ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图2所示。与8051 相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即PO、P2 口），使它最大可能地减少 了对外引 脚下，因而芯片尺寸有所减小。PDIPiSOICRSTC (RXI卿匸 oxnn】匸 XTAI2L4 XTAL1匚57flW 口910(ri)P3J 匸GNDE201915171614VCC J Pl.73PUMW3PL4JP132P12 JPUfAINl) 12JP1.O(A1NO) 11 JP3.7Q5 116Q1 一215Q0314Q2413Q6 512QT&11Q3710Vss 一89CD4017VddClkCEQcQ9Q4Q8图 2 AT89C2051 引脚配置图 3 CD4017 引脚图AT89C2051芯片的20个引脚功能为VCC 电源电压。GND 接地。RST 复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引 脚复位至“1”。XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 来自反向振荡放大器的输出。P1 口 8位双向I/O 口。引脚P1.2 P1.7提供内部上拉，当作为输入并被 夕陪B下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1 需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入(AIN0 )和反向输入 (AIN1) ,P1 口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1 口引脚写入“1”后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1 口也可接 收编码数据。P3 口 引脚P3.0 P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P3.6 在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。P3 口的输出缓 冲器能接收20mA的灌电流；P3 口写入“ 1”后，内部上拉，可用输入。P3 口 也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3 口同时也可为闪速存储器编程和编程 校验接收控制信号。2.3 60 秒旋转译码驱动原理按常规传统设计，需 60 进制译码驱动电路才能实现60 秒旋转译码驱动， 若用六片十进制计数译码器构成六十进制计数译码电路，则电路连线多（需要 120根连线），硬件电路庞大，开销大。为此，我们巧妙地采用了两片CD4017 进行六十进制计数译码，实现60秒旋转译码驱动。既减少了电路的复杂程度又 可降低了成本。图 4 为其时序图。表 1 P3 口特殊功能P3 口引脚特殊功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2no （外部中断0）P3.3rwi （外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1 （定时器1外部输入）clh in m ? in m m m b in imCLK012345G789Q-QQ-Q-QQ-QQQQUb_Q1|QZqm|Q7Q8图 4 CD4017 引脚、时序图CD4017集成电路是十进制计数/时序译码器，共有10个译码输出Q0 Q9 ；每个译码输出通常处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电 平；每个高电平输出维持1 个时钟周期；每输入10 个时钟脉冲，输出一个进位 脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。在清零输入端（R） 加高电平或正脉冲时，CD4017计数器中各计数单元输出低电平“0”，仅在译 码器中只有对应“0”状态的输出端Q0为高电平。为实现对发光二极管的驱动，将每一个译码输出端口接一只发光二极管，并 将二极管串联限流电阻后接地。当译码端口 Q0Q9中任一端口为高电平，则 对应的发光二极管点亮，如图 5（左）所示。仔细考查 CD4017 的功能，可发现 其10 个输出的高电平是相互排斥的，即任一时刻只有一只发光二极管点亮，因 此可将图5 （左）电路进一步简化为如图 5（右）所示，从而简化电路设计。CLK3Sk10L0 1Z345&7HR-QQO-QQO-QQQO-r-IE)寸 2W-Iw-一只|记汪willI I门武1汕旺讦刊冃（：.KLr-离寸图 5 CD4017 控制发光二极管原理图在本电子钟设计中，每秒点亮一个发光二极管，循环点亮一周共需60 个发 光二极管，若用上述的 6 片 CD4017 实现驱动，显然电路复杂。为此我们选用 两片CD4017和一片6反相器，采用“纵横双译码”技术，巧妙地实现50秒旋 转译码驱动，其中一片接成10进制，一片接成6进制，实现6x10=60的功能， 具体连接方法如图6 所示。图 6 发光二极管“纵横双译码”循环点亮原理图将周期为 1 秒的输入脉冲作为其中一片 CD4017 的时钟脉冲，而此片的级 联进位输出端（QC ）作为另一片的时钟输入，并将Q6与复位端相连。在两片 译码输出端交叉点上接入发光二极管，构成6x10矩阵。根据CD4017时序特 点，在初始状态，作为高位（纵）的 CD4017 译码器输出端口 Q0 处于高平， 经反相器反相后为低电平。当作为低位（横）的CD4017译码器输出端口 Q0 Q9 依次输出高电平后，则对应的二极管LD1 LD10依次点亮；此后由于QC端的进位，高位 CD4017 译码输出端口 Q1 输出高电平，反相后输出低电平，当低位的 CD4017 译码输出端口 Q0 Q9依次输出高电平后，二极管LD11 LD20依次点亮。如此往复，直至高位Q6向复位端输入高电平，CD4017复位，60秒循环点亮重新开始。2.4 时分显示部件由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既要方便又要经济。LED有共阴极和共阳极两种。如图7所示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而且共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起。一位显示由 8 个发光二极管组成，其中 7 个发光二极管 构成字型“8”的各个笔画（段）ag,另一个小数点dp发光二极管。当在某段 发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔画即亮：不加电压则暗。为了保护各 段 LED 不被损坏，需要外加限流电阻。图 7 LED 数码管结构原理图4-*众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显 示码的译码驱动。本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译 码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。所谓软件译码，即由单片机软 件完成从数字到显示码的转换。从 LED 数码管结构原理可知，为了显示字符， 要为LED显示数码管白日提供显示段码。组成一个8字形字符的7段，再加 上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。各段码位与显示段的对应关系如表 2。表 2 各段码位的对应关系段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba需要说明的是当用数据口连接LED数码管adp引脚时，不同的连接方法， 各段码位与显示段有不同的对应关系。通常数据口的D0位与a段连接，.D7 位与 dp 段连接，如表 2 所示，表 3 为用于 LED 数码管显示的十六进制数和空 白字符与P的显示段码。表 3 LED 显示段码字型共阳极段共阴极段字型共阳极段共阴极段0COH3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3BOH4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFHOOH880H7FHP8CH73H注：（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。2)“空白”字符即没有任何显示。根据 AT89C2051 单片机灌电流能力强，拉电流能力弱的特点，我们选用共 阳数码管。将AT89C2051的P1.0 P1.7分别与共阳数码管的ag及dp相连， 高电平的位对应LED数码管的段码的段暗，低电平的位对应的LED数码管的段 码亮，这样，当P0 口输出不同的段码，就可以控制数码管显示不同的字符。例 如：当P0 口输出的段码为1100 0000,数码管显示的字符为0。数码管显示器有二种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。为节 省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。动态扫描显示方式需要解决 多位LED数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的“段控”即要显示的段 码的控制)通过P0 口实现；而每一位的公共端，即LED数码管的“位控”，则 由P3 口控制。这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的 内容，必然要采取轮流显示方式，即在某一瞬间，只让其中一位的字位线处于选 通状态，其它各位的字位线处于位在显示，其他几位则暗。本系统中，字位线的 选通与否是通过PNP三极管的导通与截止来控制，即三极管处于“开关”状态。系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成前两只用于时的显示， 后两只用于分的显示。值得一提的是，在设计中需要实现时与分之间的两个闪烁 点，为此，将第三只LED数码管倒置摆放，这样就形成了两个很自然的闪烁点。 与此同时，为了能使两点显示能够形象的表示时钟“秒”的变化，设计时，将两 个点四P1.7单独控制，每隔一秒使P1.7发送一个正脉冲，从而实现了两个点的 闪烁周期为一秒。第 3 节 系统的软件设计本系统的软件系统主要分为主程序、定时计数中断程序、时间调整或定闹 设置程序三大模块。在程序设计过程中，加强了部分软件抗干扰措施，下面对部分模块作介绍。3.1 系统主程序设计主程序的功能是完成系统的初始化，在显示时间之前，对系统是否停电状态 进行检测；若停电，将系统进入低功耗状态，用电池电池电压维持单片机计时工 作，但此时不显示时间，用节省用电；若不停电，则将时分发送显示。程序流程 如图 8 所示。图 8 系统主程序流程图3.2 定时计数中断程序设计及累计误差消除中断程序（如图 9 所示）完成时间计数，时间调整，误差消除等功能。中 断采用AT89C2051内部TO中断实现，定时时间为125ms，当时间到达 125ms*8，即1分钟时分计数缓冲器MINBUFFER增加1,到达1小时，则时 计数缓冲器HOURBUFFER增加1,并将分，时的个位，十位放入显示缓冲器。 当分计数缓冲器和时计数缓冲器分别到达 6Omin,24h 时，则对它们清零，以便 从新计数。在中断技术中,还通过软件实现了累计误差消除功能,使整个系统时 间的精确度得到保证。定时器中断是否到1秒秒指针步进一次是否整分整分旋转复位 调整当前时分 积累误差消除整定报时否一N整点报时 中断返回图 9 定时中断程序3.3 定时计数中断程序设计在这个T1计数中断程序中，计数值设置为100ms，中断5次就是0.5s,此 程序主要是判断P3.2和P3.3按键按下了几次，P3.2是调整时间的，而P3.3是 调剌闹钟时间的按键。YN增加时严巴V判断p3.2按下否nIYN比较当前按键次数与前一次 的存储按键次数是否相同 Iy 时增加1时调用显示子程序图 10 为定时中断程序3.4 时间调整或定闹设置程序设计时间调整设计，完成时间分的加1功能，根据P3.2变化“0”或“1”来判 断是来进行时间的调整。采用定时器1,进行100ms计时，用于调整时间。图10时间调整子程序第4节 系统调试与测试结果分析4.1 使用的仪器仪表单片机仿真器WAVE6000数字万用表DT9203双踪稳压稳流电源 DH1718E-5数字示波器 TDS1002烧写器 GF2100焊接实验工具箱一套4.2 系统调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和 软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进 行逐级测试：键盘显示模块，锁相环 CD4046 输出调试，地址累加发生器的调 试，等，最后将各模块组合后进行整体测试。4.3 测试结果测试结果应该从硬件和软件两方面来看：第一方面，就是硬件测试，看看焊接好这些电子器件是否正确。通过万用表 对电路板上焊接完成的各个器件正进测量，看看这些器件的电压值是否正常。硬 件测试的结果为正常第二方面，就是软件测试，在硬件测试成功的基础上进行软件测试，主要从 电子钟的功能实现及时间误差调整这两个角度来看，在测试中出现功能不太全， 每次测试要花好1 至 2 分钟才能看出功能是否实现。每隔一秒钟周边的60只LED发光管旋转一格，四只LED数码管显示时和 分，可以通过按键调整时间，也可以通过按键定两次闹铃时间，闹铃时间为 1 分钟。在7点以后到21点会整点报时，在7点以前和 21点以后数码管进入节 能状态并取消整点报时。4.4 测试结果分析由于在电路板中只有二个按钮供调时间与调闹钟使用，而每调一项都需调节 小时与分钟，这样在理论上最好需要更多的按钮，实践中用两个按钮很难实现单 键实既可调时又可调分，这个功能的实现的编写程序比较困难 .而对于消除时间 误差,要对运行的电子钟进行长时间的观察,即采取累积误差消除法才行。4.5 系统误差处理在电子钟初始的时间上将电子钟接上电源，再在第二天的相同时间去进行比 较，就可以算出一天之内的误差为多少。然后根据一天的时间积累误差进行计算, 计算出时间误差值,并用相应的程序进行改进。禾U用TO计数初值125ms，每中断一次是2us的时间，所以采用8次中断， 则1秒的产生的误差只有16us，一天就是24*60*60*0.000001=1.3824s,则月 误差为1.3824s*34=42.8544sv=45s,故所得误差满足设计任务要求。结束语通过60秒旋转电子钟的设计，吏我对学过的单片机知识有了更深入的了解。 本次实验主要分为三个阶段焊接、编程和调试。焊接是整个设计的基础部分，如 果焊接不好，将会导致整个硬件都出现接触不良，容易出现数码管显示为乱码现 象，这样就难在软件调试的阶段调试成功，影响到制作结果的输出，并且这种错 误在电路中也比较难排除。实验中有两处地方值得我们学习，是平时不太容易想到的：a. 将一只LED数码管的倒置，使其与前一只形成秒的闪烁过程；b. 先用两片CD4017和一片6反相器，采用“纵横双译码”技术关闭闹铃功能，无须手动关闭闹铃，时间需要过一分钟才能结束，这样时钟 使用及其不便，希望能通过这一功能从而减小“噪声”。还有，也可以设设置一 个分开调时调分功能，这样就不用为了调时而必需要将分增加到 59，从而进位 才能达到调时功能，及为不便。还可以将外围的60只发光二极管的亮灭模式加 以改进，改成旋转方式以增加美观效果也可。特别值得一提的是本系统在精度上 的设计，突破传统的方法，对可能产生的积累误差采用“抵消法”，从而有效地 降低了时间误差。由于计数时产生的积累误差所导致的时间误差，是所有的电子 计时系统共同存在的问题。本系统设计的消除积累误差来减少时间误差的软件方 法，并不需要任何的硬件，因此在不增加成本的情况下，可以普遍用于所有的电 子时钟产品。本次实验学到的知识很多，学会了怎么理论联系实际，学会了独立创新的精 神，我们要学会把学到的知识用于实践，为我们的生活带来便利，60秒旋转电 子钟为我们在夜间看时间带来了方便，既美观，又有实用价值。参考文献1 张鑫， 单片机原理及应用 ，电子工业出版社2 谢自美，电子线路设计实验测试，华中理工大学出版社3 林伸茂，8051 单片机彻底研究基础篇 ，人民邮电出版社4 李华，MCS-51系列单片机实用接口技术，北京航空航天大学出版社5 涂时亮，单片微机软件设计技术 ，科学技术文献出版社重庆分版6 求是科技编著，单片机典型模块设计实例导航 北京 人民邮电出版社附录12 电路原理nmH11CN11寸cn2寸CN11LD11no111111CN11共阳尺寸0.5inchs no(NScnS三9帚1=31=3 kOnl diironII恤onII恤迦n 底1 1 im 钿迦n 底1 1 im 钿迦n 底1 1 出 軀迦n 底 HIonHI噩 421? 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