单片机时钟课程设计

课 程 设 计 任 务 书1设计目的：本设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、软件程序的设计等，以便使学生掌握有关单片机控制的设计思想和设计方法。为学生今后从事单片机控制系统开发工作打下基础。学习proteus仿真软件实现电路的仿真。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 本课程设计的基本要求是使学生全面掌握单片机控制系统设计的基本理论，熟悉掌握单片机的编程方法，用89C52系列单片机及六位数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式运行，能整点提醒（短蜂鸣，次数代表整点时间），使用按键开关可以实现时分调整、秒表/时钟功能转换、省电（关闭显示）、定时设定提醒(蜂鸣器)等功能。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1根据题目要求的指标，通过查阅有关资料，确定系统设计方案，并设计其硬件电路图。2画出电路原理图，分析主要模块的功能及他们之间的数据传输和控制关系。3. 用Proteus软件绘制硬件电路图并仿真。4. 软件设计包括流程图、用汇编语言或C语言对软件进行编译，并能通过调试。 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1.孙涵芳.MCS-51/96系列 单片机原理及应用（修订版）.北京航空航天大学出版社.1994 2.李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）.北京航空航天大学出版社.20055设计成果形式及要求：1. 硬件电路图2. 软件流程图和程序清单3. 编写课程设计报告。6工作计划及进度：2014 6月2日 6月5日 查找资料，确定方案6月 6日 6月 8 日 设计硬件电路，绘制电路原理图6月 9 日 6月11日 软件设计，并调试通过6月12日6月13日 编写课程设计报告，答辩或成绩考核负责人审查意见： 签字： 年 月 日目录1 引言11.1 设计任务与要求11.2实用价值与理论意义12 设计思路与过程22.1 总体设计思路22.2 硬件设计22.3 软件设计63 调试结果与分析93.1 仿真调试93.2 硬件调试94 结论10附录A：单片机时钟实物图11附录B：单片机程序源码12附录C：PCB图36参考文献37中北大学单片机课程设计说明书1 引言1.1 设计任务与要求设计一个基于89C52系列单片机控制的时钟，实现以下功能：1.1.1 显示实时单片机控制六位数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式运行。1.1.2 整点报时单片机控制蜂鸣器在整点短蜂鸣，次数代表整点时间。1.1.3 时间调整使用按键开关可以实现时分调整。1.1.4 秒表功能使用按键开关可以实现秒表/时钟功能转换。1.1.5 节能模式使用按键开关可以实现正常工作/节能模式（关闭显示）转换。1.1.6闹钟功能使用按键开关可以设定闹钟时间已经闹钟开关模式。1.2实用价值与理论意义1.2.1 实用价值数字钟能长期、连续、可靠、稳定地下作;同时还具有体积小，功耗低等特点，便于携带，使用方便。同时由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表.钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能，数字钟是采用数字电路实现对“时、分、秒”数字显示的计时装置。使得电子时钟广泛应用于个人家庭、车站、码头、办公室等场所的各个角落，已成为人们日常生话中不可缺少的必需品。1.2.2 理论意义通过本课程设计，可以掌握单片机控制系统设计的基本理论以及单片机的编程方法。熟悉掌握有关单片机控制的设计思想和设计方法。2 设计思路与过程2.1 总体设计思路单片机时钟运行流程如图2-1所示，根据该流程图，把机器人划分成几部分分别进行设计。图2-1单片机时钟运行流程图2.2 硬件设计2.2.1 单片机最小系统根据设计要求，选用STC89C52RC单片机。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能：8K字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52RC单片机最小系统如图2-2所示，包括电源、晶振、单片机、复位电路和上拉电阻。图2-2单片机最小系统2.2.2 按键电路设计STC89C52RC单片机拥有两个外部中断输入端口，外部中断0和外部中断1分别对应单片机的P3.2口和P3.3口。本系统的设计思路是按键按下时触发单片机中断，进行实时处理，由于用到了八个按键，单片机只拥有两个外部中断输入端口，电路中使用了一片74LS21芯片，74LS21是四输入双与门芯片，真值表如表2-1所示，按键电路如图2-3所示，当有按键按下时，触发单片机中断，然后单片机扫描I/O口，判断是哪个按键按下，进行相应的处理。表2-1 74LS21真值表INPUTOUTPUTYA B C D H H H HL L X X X L X L X XL X X L XL X X X LL，图2-3按键电路2.2.3 数码管电路设计LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。如图2-4所示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。本系统采用了一块四位八段和一块二位八段共阴数码管，采用74HC573分时输出位码和段码，驱动能力最大35mA，可以胜任驱动数码管。74HC573真值表如图2-5所示。数码管电路如图2-6所示。图2-4 数码管 图2-5 74HC573真值表 图2-6 数码管电路2.2.4 蜂鸣器电路设计由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以至于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。蜂鸣器电路如图2-7所示。图2-7 蜂鸣器电路2.2.5 电源设计系统采用3节额定电压是1.5V的干电池供电，3节电池串联后，实测电压4.9V，由于本系统的额定电压是5V，所以可以胜任为本系统供电。2.3 软件设计2.3.1 单片机编程软件Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。2009年2月发布Keil uVision4，Keil uVision4引入灵活的窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器，并提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，提供一个整洁，高效的环境来开发应用程序。新版本支持更多最新的ARM芯片，还添加了一些其他新功能。界面如图2-8所示。图2-8 Keil uVision4界面2.3.2 单片机仿真软件Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。2.3.3 单片机程序流程图STC89C52RC单片机拥有两个16位定时/计数器，本系统用定时器0产生秒信号，装入初值15536，则定时器溢出时为50ms，每溢出20次，产生一个秒信号，定时器中断服务函数流程图如图2-9所示。图2-9 时间算法流程图3 调试结果与分析3.1 仿真调试在Proteus中连接如图3-1所示电路，把编译正确的程序进行仿真运行，经过仿真分析，系统实现了全部的设计要求。图3-1 仿真调试图3.2 硬件调试按照如图3-1所示电路设计并制作PCB，焊接元器件，然后把程序烧写进单片机里，进行调试，经过调试，系统实现了全部的设计要求。系统使用指南如表3-1所示。表3-1 使用指南按键编号功能按键编号功能1打开/关闭闹钟5时加1/秒表开始/秒表暂停2闹钟时间/实时切换6时减1/秒表复位3秒表/实时切换7分加14开启/关闭节能模式8分减1 4 结论 经过两周的单片机课程设计，在自己的努力和老师的帮助下，成功完成了设计任务单片机时钟。老师为我们提供了课程设计所需的仪器、工具和元器件，然后自己一步一步进行设计：首先，弄清楚了设计任务，设计一个单片机时钟，实现6个功能；然后，经过分析研究，提出了总体设计思路，分模块进行设计，绘制原理图，画出程序流程图，编写单片机程序，在仿真软件里进行仿真。仿真正确后，制作PCB，焊接元器件，烧写程序，再次进行调试。最后，系统调试成功。附录A：单片机时钟实物图附录B：单片机程序源码/*File name ：main.cAuthor ：GuojianxinDate ：05/06/2014Description ：数字钟主程序，首先初始化变量、I/O口、外设， 然后单片机进入无条件循环，若中断触发，则进行实时处理。History ： 1. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ： 2. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ：*/ Start/*包含头文件*/#include #include #include #include #include /*主程序入口参数：无；返回值：无*/void main(void)Timer_Init( );/定时器初始化Keyboard_Init( );/按键初始化Display_Init( );/数码管显示初始化EN_Bell = 1;/关闭蜂鸣器while(1)/无条件循环Display_Updata( );/数码管显示更新/*File name ：delay.hAuthor ：GuojianxinDate ：05/06/2014Description ：数字钟头文件，申明delay.c中的全局函数、全局变量History ： 1. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ： 2. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ：*/ Start#ifndef _DELAY_H_ /作用：防止delay.h被重复引用#define _DELAY_H_/*uS延时函数*/extern void DelayUs(unsigned char t); /全局函数申明/*mS延时函数*/extern void DelayMs(unsigned char t); /全局函数申明#endif/ No more/*File name ：delay.cAuthor ：GuojianxinDate ：05/06/2014Description ：数字钟简单延时函数History ： 1. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ： 2. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ：*/ Start/*包含头文件*/#include #include #include #include #include /*大致延时2uS*/void DelayUs(unsigned char t) while(-t);/*大致延时1mS*/void DelayMs(unsigned char t) while(t-) DelayUs(245);DelayUs(245);/*File name ：display.hAuthor ：GuojianxinDate ：05/06/2014Description ：数字钟头文件，申明display.c中的全局函数、全局变量History ： 1. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ： 2. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ：*/ Start#ifndef _DISPLAY_H_ /作用：防止display.h被重复引用#define _DISPLAY_H_sbit LATCH1 = P07;/数码管段锁存sbit LATCH2 = P06;/数码管位锁存extern bit EN_Dis,Open_Alarm;/全局变量申明extern unsigned char EN_Play;/*数码管显示初始化程序*/extern void Display_Init(void);/全局函数申明/*数码管显示更新程序*/extern void Display_Updata(void);/全局函数申明#endif/ No more/*File name ：display.cAuthor ：GuojianxinDate ：05/06/2014Description ：数字钟数码管显示程序，通过两个74HC573和两个片选信号， 分时输出段码和位码。History ： 1. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ： 2. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ：*/ Start/*包含头文件*/#include #include #include #include #include /*定义常量*/unsigned char code Table_Duan10 = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/显示段码值09unsigned char code Table_Wei6 = 0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf;/分别对应相应的数码管点亮,即位码/*定义变量*/unsigned char Table_Dis6 = 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00;unsigned char j,EN_Play;/数码管位计数、显示模式标志bit EN_Dis;/节能模式标志bit Open_Alarm;/闹钟打开标志/*数码管显示初始化程序入口参数：无；返回值：无*/void Display_Init(void)j = 0;s = 0;m = 0;h = 0;s_1 = 0;m_1 = 0;h_1 = 0;s_2 = 0;m_2 = 0;h_2 = 0;Open_Alarm = 0;EN_Dis = 1;EN_Play = 0x00;Count_Bell = 0;/*数码管段码计算程序入口参数：无；返回值：无*/void Display_Actual(void) /实时Table_Dis5 = s%10;Table_Dis4 = s/10;Table_Dis3 = m%10;Table_Dis2 = m/10;Table_Dis1 = h%10;Table_Dis0 = h/10;void Display_Stopwatch(void) /秒表Table_Dis5 = s_1%10;Table_Dis4 = s_1/10;Table_Dis3 = m_1%10;Table_Dis2 = m_1/10;Table_Dis1 = h_1%10;Table_Dis0 = h_1/10;void Display_Alarm(void) /闹钟Table_Dis5 = s_2%10;Table_Dis4 = s_2/10;Table_Dis3 = m_2%10;Table_Dis2 = m_2/10;Table_Dis1 = h_2%10;Table_Dis0 = h_2/10;/*数码管显示更新程序入口参数：无；返回值：无*/void Display_Updata(void)if(EN_Dis)switch(EN_Play)/显示模式选择case 0x00:Display_Actual( );break;/实时case 0x01:Display_Stopwatch( );break;/秒表case 0x02:Display_Alarm( );break;/闹钟default:;break;for(j = 0;j 6;j+)P2 = Table_Weij; /取位码 LATCH2=1; /位锁存 LATCH2=0;if(j = 1)|(j = 3)P2 = Table_DuanTable_Disj|0x80; /取段码else P2 = Table_DuanTable_Disj; /取段码 LATCH1=1; /段锁存 LATCH1=0;DelayMs(2);elseP2 = 0xff;LATCH1 = 1; LATCH2 = 1;/*File name ：keyboard.hAuthor ：GuojianxinDate ：05/06/2014Description ：数字钟头文件，申明keyboard.c中的全局函数、全局变量History ： 1. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ： 2. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ：*/ Start#ifndef _KEYBOARD_H_ /作用：防止keyboard.h被重复引用#define _KEYBOARD_H_/*按键初始化程序*/extern void Keyboard_Init(void);/全局函数申明#endif/ No more/*File name ：keyboard.cAuthor ：GuojianxinDate ：05/06/2014Description ：数字钟按键处理函数 History ： 1. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ： 2. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ：*/ Start/*包含头文件*/#include #include #include #include #include /*按键初始化程序入口参数：无；返回值：无*/void Keyboard_Init(void)EA = 1;IE0 = 0;/外部中断0清零IT0 = 1;/下降沿触发EX0 = 1;/外部中断0允许IE1 = 0;/外部中断1清零IT1 = 1;/下降沿触发EX1 = 1;/外部中断1允许void Open_Stopwatch(void) /秒表开始或暂停工作 ET1 = ET1;/开定时器1中断TR1 = TR1;/允许定时器1工作TF1 = 0;/定时器1溢出标志清零void Res_Stopwatch(void) /秒表复位ET1 = 0;/关定时器1中断TR1 = 0;/禁止定时器1工作TF1 = 0;/定时器1溢出标志清零s_1 = 0;m_1 = 0;h_1 = 0;/*外部中断0中断服务程序*/void Int_0(void) interrupt 0DelayMs(15);/延时去抖if(EN_Play = 0x00) /实时switch(P1&0xf0)case 0xe0:if(h 0)h-;break;/时减1case 0xb0:if(m 0)m-;break;/分减1default:;break;if(EN_Play = 0x01) /秒表switch(P1&0xf0)case 0xe0:Open_Stopwatch( );break;/秒表开始或暂停工作case 0xd0:Res_Stopwatch( );break;/秒表复位default:;break;if(EN_Play = 0x02)/闹钟设定switch(P1&0xf0)case 0xe0:if(h_2 0)h_2-;break;/时减1case 0xb0:if(m_2 0)m_2-;break;/分减1default:;break;IE0 = 0;/中断清零void EN_Stopwatch(void)/秒表/实时切换if(EN_Play = 0x01)EN_Play = 0x00;elseEN_Play = 0x01;void EN_Alarm(void) /闹钟/实时切换if(EN_Play = 0x02)EN_Play = 0x00;elseEN_Play = 0x02;void Sel_Alarm(void) /闹钟/实时切换Open_Alarm = Open_Alarm;if(Open_Alarm)s_2 = 0x01;elses_2 = 0x00;EN_Bell = 1;/关闭蜂鸣器void Int_1(void) interrupt 2DelayMs(15);/延时去抖switch(P1&0x0f)case 0x0e:EN_Dis = EN_Dis;break;/打开或关闭节能模式case 0x0d:EN_Stopwatch( );break;/秒表/实时切换case 0x0b:EN_Alarm( );break;/闹钟/实时切换case 0x07:Sel_Alarm( );break;/打开或关闭闹钟default:;break;IE1 = 0;/中断清零/*File name ：timer.hAuthor ：GuojianxinDate ：05/06/2014Description ：数字钟头文件，申明timer.c中的全局函数、全局变量History ： 1. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ： 2. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ：*/ Start#ifndef _TIMER_H_ /作用：防止timer.h被重复引用#define _TIMER_H_sbit EN_Bell = P35;/蜂鸣器控制端口/*定时器初始化程序*/extern void Timer_Init(void);/全局函数申明extern unsigned char s,m,h,Count_Bell;/全局变量申明extern unsigned char s_1,m_1,h_1;extern unsigned char s_2,m_2,h_2;#endif/ No more/*File name ：timer.cAuthor ：GuojianxinDate ：05/06/2014Description ：数字钟定时器程序，History ： 1. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ： 2. Author ：Guojianxin Date ：05/06/2014 Description ：*/ Start/*包含头文件*/#include #include #include #include #include /*定义变量*/unsigned char s,m,h,Count_Bell,i,k;/秒、分、时、蜂鸣次数、定时器溢出次数unsigned char s_1,m_1,h_1;/秒表秒、分、时unsigned char s_2,m_2,h_2;/闹钟秒、分、时/*定时器初始化程序入口参数：无；返回值：无*/void Timer_Init(void)i = 0;TMOD = 0x11;/定时器0、1工作于16位定时器模式TH0 = 0x3c;/初值高八位TL0 = 0xb0;/初值低八位EA = 1;/开总中断ET0 = 1;/开定时器0中断TR0 = 1;/允许定时器0工作TF0 = 0;/定时器0溢出标志清零ET1 = 0;/关定时器1中断TR1 = 0;/禁止定时器1工作TF1 = 0;/定时器1溢出标志清零TH1 = 0x3c;/初值高八位TL1 = 0xb0;/初值低八位/*定时器0中断服务程序*/void Timer_0(void) interrupt 1TF0 = 0;/定时器0溢出标志清零TH0 = 0x3c;/初值高八位TL0 = 0xb0;/初值低八位i+;if(i = 20)s+;i = 0;if(s = 60)/秒溢出s = 0;m+;if(m = 60)/分溢出m = 0;h+;Count_Bell = h 24)Count_Bell = Count_Bell - 24;if(h = 24)/时溢出h = 0;if(Count_Bell)/整点报时EN_Bell = EN_Bell;Count_Bell-; if(Open_Alarm)/打开闹钟if(h = h_2)&(m = m_2)EN_Bell = 0;/*定时器0中断服务程序*/void Timer_1(void) interrupt 3TF1 = 0;/定时器1溢出标志清零TH1 = 0x3c;/初值高八位TL1 = 0xb0;/初值低八位k+;if(k = 20)s_1+;k = 0;if(s_1 = 60)/秒溢出s_1 = 0;m_1+;if(m_1 = 60)/分溢出m_1 = 0;h_1+;if(h_1 = 24)/时溢出h_1 = 0;附录C：PCB图参考文献1 李朝青. 单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社.20062 韩焱. 数字电子技术基础. 电子工业出版社.20093 毕满清. 模拟电子技术基础. 电子工业出版社.20084 陈汝全. 电机技术常用器件应用手册. 机械工业出版社.2004第37页 共37页