數(shù)字時鐘的設計與仿真

1、信息工程學院課程設計湖北民族學院課程設計報告數(shù)字時鐘設計與仿真課 程： 電子線路課程設計 專 業(yè)： 電子信息科學與技術班 級： 0312409 學 號： 031240910 學生姓名： 謝加龍 指導教師： 易金橋 2014年 06月 21日信息工程學院課程設計任務書學 號031240910學生姓名謝加龍專業(yè)（班級）0312409設計題目數(shù)字時鐘設計與仿真設計技術參數(shù)單片機AT87C5I驅動芯片74LS04 74LS245 蜂鳴器14MO +5V晶振 12MHz電容22u 33p（2）電阻220 1K（2）三極管 PNP S8550按鍵開關設計要求（1）、 要求準確顯示“時”、“分”、“秒”，2

2、4 小時制；（2）、 具有整點報時功能，在每小時59 分51 秒、53 秒、55 秒、57 秒發(fā)出低音，59秒整發(fā)出高音；（3）、系統(tǒng)工作符合一般時鐘要求。（4）、具有校時功能，用戶可修改“時”、“分”，且互不影響；（5）、可切換12 小時制和24 小時制。參考資料【1】.王守中 51單片機應用開發(fā)速查手冊 人民郵電出版社P417 2009年4月第一版【2】.彭東明 韋友春 邱少龍 單片機實驗教程 北京理工大學出版社P137 2007年2月第一版【3】.韓志軍 單片機系統(tǒng)的設計與應用實例 機械工業(yè)出版社P160 2010年2月第二版【4】. 陶春明 單片機實用技術 人民郵電出版社 2008年4

3、月第一版【5】.單片機數(shù)字電子時鐘畢業(yè)設計 百度文庫 2010-06-19【6】.電子時鐘 百度文庫 2010-08-06 2014-06-21 學生姓名： 謝加龍 學號： 031240910 專業(yè)（班級）： 0312409 課程設計題目： 數(shù)字時鐘設計與仿真 成績： 指導教師： 2014年 06月21 日摘 要基于單片機AT89c51設計而成的簡易數(shù)字電子時鐘，其主要功能皆由對單片機編程即由軟件完成，外圍硬件電路只包括報時電路、鍵盤輸入電路和顯示電路三個模塊。具有外圍硬件電路簡單、運行功能可靠的優(yōu)點。關鍵詞：單片機 時鐘 鍵盤輸入 顯示目錄1、系統(tǒng)設計要求 11.1 基本功能11.2擴展功能

4、12、硬件設計22.1系統(tǒng)設計方案選擇22.2系統(tǒng)原理框圖22.3各單元的功能描述22.4電路連接圖22.5元器件清單列表22.6所用芯片的管腳圖23、軟件設計 33.1主程序的流程圖33.2鍵盤掃描程序流程圖33.3發(fā)聲程序流程圖33.4總程序34、調試 44.1仿真調試44.2硬件調試45、總結5參考文獻61、系統(tǒng)設計要求1.1 基本功能（1）、 要求準確顯示“時”、“分”、“秒”，24 小時制；（2）、 具有整點報時功能，在每小時59 分51 秒、53 秒、55 秒、57 秒發(fā)出低音，59秒整發(fā)出高音；（3）、系統(tǒng)工作符合一般時鐘要求。1.2擴展功能：（1）、具有校時功能，用戶可修改“時

5、”、“分”，且互不影響；（2）、可切換12 小時制和24 小時制。2、 硬件總體設計方案2.1系統(tǒng)設計方案選擇本次設計時鐘電路，最初的設想方案是用AT89C51單片機芯片控制外圍電路，用6位共陰數(shù)碼管顯示時間，用上拉電阻來驅動數(shù)碼管的顯示，用按鍵來調時和實現(xiàn)12小時制和24小時制的轉換，用喇叭進行整點報時，單片機編程用匯編語言。但由于在編程過程中，匯編語言指令多、編程難，因此改為用C語言編程。在用C語言編程來實現(xiàn)用按鍵轉換12小時制和24小時制的時候遇到了困難，因此又把按鍵改為開關。另外學校只有4位和2位及1位的共陽數(shù)碼管，因此又把6位共陰數(shù)碼管換掉，同時接受老師的建議，把數(shù)碼管的驅動電路改為

6、數(shù)碼管的段選用74LS245來驅動，位選用74LS04驅動。最后在領元件的時候老師說單片機也不能驅動喇叭，把喇叭換成蜂鳴器。因此我們最后的方案是：使用AT89C51單片機芯片控制電路，單片機控制電路簡單且省去了很多復雜的線路，使得電路簡明易懂；使用鍵盤鍵上的按鍵來調整時鐘的時、分以及鍵盤上的開關實現(xiàn)12小時制和24小時制的轉換；用一蜂鳴器來進行整點報時；同時使用C語言編程，使得編程變得更容易；用一個4位和一個2位共陽數(shù)碼管來顯示時間，且數(shù)碼管的段選用74LS245來驅動，位選用74LS04驅動。這樣通過四個模塊：鍵盤、單片機芯片、蜂鳴器、數(shù)碼管顯示即可滿足設計要求。2.2系統(tǒng)原理框圖此電路包括

7、以下四個部分：單片機，鍵盤，報時電路及顯示電路。設計原理框圖如圖3-1所示蜂鳴器報時51單片機獨立鍵盤數(shù)碼管顯示 圖3-1 設計原理框圖2.3各單元的功能描述（1） 對單片機進行編程，使主要功能由軟件控制實現(xiàn)，從而簡化硬件電路。（2） 單片機通過程序控制輸出各種電脈沖信號來驅動數(shù)碼管以及報時電路的正常工作。（3） 單片機通過對端口高低電平的掃描從而判斷鍵盤的工作情況，鍵盤通過單片機輸出來影響顯示電路和報時電路的工作。整個電路的工作流程為：單片機內部計數(shù)器持續(xù)計數(shù)，得到的數(shù)據(jù)通過程序的控制轉化成時間，并通過對輸出端口輸出不同的高低電平來控制數(shù)碼管和蜂鳴器的工作。與此同時，單片機還在不停地掃描連接

8、鍵盤的輸入端口，通過得到輸入端口的不同電平來判斷鍵盤的工作情況，再通過程序的控制來影響數(shù)碼管和蜂鳴器的工作。2.4電路連接圖設計的電路主要由四模塊構成：單片機控制電路，顯示電路、報時電路以及調時電路。詳細電路功能圖如圖3-2：23圖3-2 詳細電路功能圖該電路的單片機復位采用上電復位，即給電路一通電，電路就從程序最初設置的狀態(tài)開始工作。為了方便檢測報時，我們把時鐘的初始值設為00點59分48秒，當電路一通電，數(shù)碼管就顯示此值，三秒后蜂鳴器開始發(fā)音報時，并按59 分51 秒、53 秒、55 秒、57 秒發(fā)出低音，59秒整發(fā)出高音的規(guī)律發(fā)音。圖中三個按鍵開關從上到下一次為小時加1、分鐘加1按鍵和1

9、2/24轉換開關，即按一下小時加1或分鐘加1按鍵則小時或分鐘自動加1，按下進制轉換開關為12進制，斷開進制轉換開關為24進制.2.5元器件清單列表2.6所用芯片的管腳圖4位共陽數(shù)碼管引腳圖74LS04管腳圖74LS245管腳最后實物圖3、軟件設計流程及描述3.1主程序的流程圖程序設計的總體思路是：首先在主程序里初始化單片機的計數(shù)器，使單片機計數(shù)器一直計數(shù)，然后給主程序設定一個死循環(huán)，在這個死循環(huán)里，主程序在不斷地調用鍵盤掃描、顯示和發(fā)音三個子程序，而時鐘功能在子程序中設計完成。主程序的流程圖如圖4-1所示。程序頭文件定義全局變量延時程序發(fā)聲程序顯示程序鍵盤掃描程序主程序單片機的初始化調用鍵盤掃

10、描顯示發(fā)聲時間計數(shù)程序圖4-1 主程序流程圖3.2鍵盤掃描程序流程圖小時加1按鍵定義在單片機的P30端口，分鐘加1按鍵定義為P31端口，12/24轉換開關定義為P32端口。單片機端口默認輸出為高電平,當按一下小時（分鐘）加1鍵時，延時10ms，此時單片機端口與地相連，呈低電平，單片機檢測到該電平時，對小時（分鐘）加1。同理，按下12/24轉換鍵，延時10ms，P32端口為低電平，單片機檢測到該電平時，把時間轉化為12小時制并通過顯示電路顯示出來。其流程圖如圖4-2所示。掃描P32=0？P31=0？P30=0？NNNYYY12小時制m+h+顯示圖4-2鍵盤掃描流程圖3.3發(fā)聲程序流程圖蜂鳴器低電

11、位端通過三極管連接到單片機的P33端口，高電位端接一5v電壓。單片機端口默認輸出為高電平，當單片機檢測到已符合報時條件時，給P33端口取反，使其變?yōu)榈碗娢?，蜂鳴器導通，根據(jù)程序中定義的不同頻率而發(fā)出不同的高低音。其流程如圖4-3所示。檢驗時間m=59？s=51|53|55|57?;s=59?BUZ =BUZ; Delayms(55);發(fā)音BUZ =BUZ; Delayms(80);NYNYNY圖4-3發(fā)聲程序流程圖3.4總程序#include<reg51.h>sbit BUZ =P33;sbit HOURADD=P30;/小時加1sbit MITADD=P31;/分鐘加1sbit

12、change=P32;/進制轉換unsigned int tmcnt;/定時器計數(shù)unsigned int h=0,m=59,s=50;/h為小時，m為分鐘，s為秒鐘unsigned char code seg7=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/共陽數(shù)碼管0-9碼值unsigned char code disp=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf;/位掃描unsigned char data disdata6;void Delayms(int ms) /延時函數(shù) while(ms) unsigned

13、char i;for (i=0; i<120; i+); ms-; void display()/掃描顯示 unsigned char i; disdata0=h/10;/數(shù)據(jù)處理，小時高位 disdata1=h%10;/小時低位 disdata2=m/10;/分鐘高位 disdata3=m%10;/分鐘低位 disdata4=s/10;/秒鐘高位 disdata5=s%10;/秒鐘低位 for(i=0;i<6;i+)/循環(huán)顯示 P1=0xff; P1=seg7disdatai;P2=dispi;Delayms(2);/顯示延時 void time0(void)interrupt

14、1 using 0 /時間計數(shù)函數(shù) TH0=0xfc;/計數(shù)器高八位賦初值 TL0=0x18;/計數(shù)器低八位賦初值 if(+tmcnt=1000)/計數(shù)1000次1秒 tmcnt=0; s+; if(s=60) s=0; m+; if(m=60) m=0; h+; if(change=0&&h=12)/按下進制轉換鍵為12進制 h=0; if(change=1&&h=24)/未按下進制轉換鍵為24進制 h=0; void voice()/發(fā)聲函數(shù) if(m=59)&&(s=51)/判斷時間符合低音條件 BUZ =BUZ; Delayms(80);

15、 if(m=59)&&(s=53)/判斷時間符合低音條件 BUZ =BUZ; Delayms(80); if(m=59)&&(s=55)/判斷時間符合低音條件 BUZ =BUZ; Delayms(80); if(m=59)&&(s=57)/判斷時間符合低音條件 BUZ =BUZ; Delayms(80); if(m=59)&&(s=59)/判斷時間符合高音條件 BUZ =BUZ; Delayms(55); void keyscan()/鍵盤掃描 if(change=0)/判斷是否按下進制轉換鍵， Delayms(10); if(c

16、hange=0&&h>=12)/若h>12，則執(zhí)行h-12，轉換成12進制 h=h-12; if(HOURADD=0)/判斷是否按下小時加1鍵 Delayms(10); if(HOURADD=0) while(HOURADD=0); h+; if(h=24) h=0; if(MITADD=0)/判斷是否按下分鐘加1鍵 Delayms(10); if(MITADD=0) while(MITADD=0); m+; if(m=60) m=0; main() unsigned int time(); TMOD=0x01;/軟件啟動計數(shù)器、工作方式為方式1 EA=1;ET0=

17、1;/允許定時計數(shù)器中斷 TR0=1;/啟動計數(shù) while(1) keyscan();/掃描鍵盤 display();/顯示 voice();/發(fā)聲 4、調試4.1仿真調試4.1.1共陽數(shù)碼管的顯示的調試 我們最開始用的數(shù)碼管是共陰數(shù)碼管，由于所領元件為共陽，于是將程序中的共陰段選碼改為共陽段選碼，編譯后重新仿真。但共陽數(shù)碼管不顯示，我們懷疑位選也需要改變，但是通過查閱大量資料，我們組員一致認為跟位選無關。通過多次試驗性的調試無果之后，我們給單片機重新加載了一次程序，懷著不報任何希望的心情再次調試，這次居然成功了。從共陽數(shù)碼管的顯示的調試中，我們認識到：每次修改了程序之后要重新加載一次程序，

18、否則單片機運行的仍然是未修改之前的程序。在后面的把P0端口改為P1端口時我們也遇到了同樣的問題。4.1.2蜂鳴器發(fā)音的調試起初設計方案為用喇叭發(fā)音，考慮到驅動問題，就換成了蜂鳴器。在用蜂鳴器進行仿真調試時，我們遇到了困難：蜂鳴器不發(fā)音。我們修改了三極管的串聯(lián)電阻的阻值，把蜂鳴器的高位端電壓由5v改為9v，改變了程序中的發(fā)音頻率，蜂鳴器始終不發(fā)音。我們通過查閱大量資料，請教老師，最后把蜂鳴器自身的頻率調大，蜂鳴器終于響了。但蜂鳴器的發(fā)出的聲音沒有高低音之分，我們又修改發(fā)音頻率，即修改延時時間。該延時只能在很小的范圍內變化，超出了該范圍，蜂鳴器也不發(fā)音。 從蜂鳴器的發(fā)音調試中，我認識到喇叭和蜂鳴器

19、有較大的區(qū)別：如喇叭的阻值為8而我們測出來的蜂鳴器的阻值為14M，另外喇叭和蜂鳴器的發(fā)音頻率也不同，在交換著兩個元件時對其驅動電壓、自身頻率、發(fā)音頻率均需作出改變。4.2硬件調試我們給硬件通電，數(shù)碼管顯示全8，蜂鳴器一直發(fā)音，及蜂鳴器和數(shù)碼管的每一位每一段都一直導通，而且數(shù)碼管的顯示很微弱。我們把蜂鳴器的9v驅動電壓改為5v，又仔細檢查我們的硬件電路，首先檢查出來的錯誤是驅動芯片74LS245的接地端未接地，將其接地以后再通電，數(shù)碼管仍然顯示全8，蜂鳴器仍然一直發(fā)音，但數(shù)碼管的顯示要亮一些了。數(shù)碼管和蜂鳴器一直導通的原因，我們懷疑是震蕩電路沒起作用或者單片機是壞的。我們先檢測震蕩電路的情況，用

20、示波器測出來的信號雜亂無章，于是我們又檢測震蕩電路的連接情況，發(fā)現(xiàn)震蕩電路未接地。將其接地后再測試，數(shù)碼管仍然顯示全8，蜂鳴器仍然一直發(fā)音，但有高低電平的震蕩信號。找同學幫我們檢查，他指出我們段選用的P0端口沒有接上拉電阻，單片機只有P1和P2端口自帶上拉電阻，P0口必須外接上拉電阻。我們把數(shù)碼管的段選改為P1口，測試出仍然是相同的情況。在多次改正錯誤仍無果之后，我們全面仔細地檢查了我們的硬件電路，并沒有其他錯誤。又寫了一個直接給P1口賦上高低電平的簡單程序，用萬用表測出P1口全為高電平，又測試了其他端口，也是全高。我們認真分析了出現(xiàn)這種情況的原因：首先我們的顯示模塊和發(fā)音電路沒有錯，因為數(shù)碼管有顯示，蜂鳴器有發(fā)音；其次我們的震蕩電路沒有錯，因為測試出有震蕩信號；程序沒有錯，因為我們仿真成功了的；最后得出單片機是壞的這一結論。最后我們換了一塊單片機再測試，終于成功了。5、總結經過兩周的單片機課程設計，我們基本完成了課題基本和拓展要求。功能上基本達標：時鐘的顯示，蜂鳴器的報時、調時功能、12小時制和24小時制的轉換。時鐘顯示功能，精確度存在偏差，每15分鐘慢8秒；調時和小時制的轉換功能，方便快捷；報時功能準確可靠。雖然存在一些不足，如：在蜂鳴器進行報時及進行按鍵操作時，數(shù)碼管在一直閃爍，時間精度有偏差。