(单片机课程设计)电子定时闹钟设计.doc
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1、 单片机课程设计报告单片机课程设计报告 LCD 电子定时闹钟设计电子定时闹钟设计 姓 名: 学 号: 专业班级: 指导老师: 所在学院: 2 摘要摘要 本本设计是采用单片机技术的电子定时闹钟,近年来集成电路技术的出现和应 用,是推动了人类文明的突飞猛进。基于集成电路技术的单片机产品更是方便 了人们的生活和工作 ,目前以单片机技术的应用为核心的产品种类非常丰富。 应用我们所学过的知识和查阅相关资料,我制作了这个单片机技术为基础的 LCD 可校时可定时电子闹钟,这是一个简单的实用的单片机电子设计产品。 本“LCD 定时电子闹钟设计采用 AT89C51 为主控芯片。在充分理解了设 计的要求后,准确的
2、定位了设计的目的,然后构思了总体的方案。在选择和合 适的硬件完成了电路的设计后,又进行了软件的设计和调试。本系统的硬件组 成以及工作原理都有详细的图文说明,所应用的软件技术和各个模块设计的功 能及工作过程也有详细的介绍,最后的部分则详细描述了了软件仿真及调试过 程。 本电子钟设计是以单片机技术为核心,采用了中小规模集成度的单片机 制作的功能较为完善的电子闹钟。硬件设计应用了成熟的数字钟电路的基本设 计方法以,并详细介绍了系统的工作原理。硬件电路中使用了除 AT89C51 外, 另外还有 LCD、晶振、电阻、电容、发光二极管、开关、喇叭等元件。在硬件 电路的基础上,软件设计按照系统设计功能的要求
3、,运用所学的汇编语言,实 现的功能包括时时-分分-秒秒显示、设定和修改定时时间的小时和分钟、 校正时钟时间的小时、分钟和秒、定时时间到能发出一分钟的报警声。最后应 用伟福及Proteus等软件将硬件电路和软件系统链接在一起对各个部分 及整体进行仿真并调试构成了整个完整的电子闹钟的设计。 最后通过反复的实际仿真和测试表明,该系统能够实现所有要求的功能 包括:(1)能显示时时-分分-秒秒。(2)能够设定定时时间、修改定时时间 及时钟。(3)定时时间到蜂鸣器能发出铃声,另外还在此基础上实现了其他的附 加功能比如万年历。当然这个系统仍然是属于比较简单的单片机应用系统,要 设计功能更强的更复杂的系统还需
4、要我进一步的学习。 3 目目 录录 1 概述概述3 1.1 单片机技术和数字钟简介单片机技术和数字钟简介 3 1.2 设计本电子闹钟的目的设计本电子闹钟的目的 3 1.3 本本 LCD 电子钟的功能及特点介绍电子钟的功能及特点介绍3 1.3.1 设计特点3 1.3.2 本 LCD 电子闹钟的主要功能3 2 系统总体方案及硬件设计系统总体方案及硬件设计4 2.1 总体方案设计总体方案设计 4 2.2 硬件电路的设计硬件电路的设计 4 2.2.1 电路总体概念图设计5 2.2.2 主控制芯片 AT89C517 2.2.3 LCD 显示电路7 2.2.4 喇叭部分的电路.10 3 软件设计软件设计1
5、0 3.1 软件设计概述软件设计概述 10 3.2 主函数的设计主函数的设计 11 3.3 部分设计思想的说明部分设计思想的说明12 3.3.1 程序初始化12 3.3.2 闹钟的实现.13 3.3.3 显示程序13 4 PROTEUS 软件仿真软件仿真 .14 5 课程设计体会课程设计体会.16 附录附录17 附附 1 源程序代码源程序代码17 附附 2 系统原理图系统原理图.28 4 1 概述概述 1.1 单片机技术和数字钟简介单片机技术和数字钟简介 单片机是单片微型计算机的简称,它是一种特殊的计算机。它特别适合于 控制领域,故又称为微控制器 MCU(micro control unit)
6、. 采用了嵌入系统, 通常由单块集成电路芯片组成,内部包含有计算机的基本功能部件:中央处理 器 CPU,存储器和 I/O 接口电路等。单片机集成度高、功能强、通用性好,而 且体积小、重量轻、能耗、低价格便宜,只要和适当的软件及硬件设备相结合, 便可成为一个独立的单片机控制的功能系统,单片机也成为目前测量控制应用 系统的优选机种和新电子产品的关键部件。 目前,单片机正朝着高性能和多品 种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、 低价格和外围电路内装化等几个方面发展。单片机应用的重要意义还在于,它 从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路
7、或 数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种 软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术,和传统控制技术相比有革命性的 进步。 时钟是将小时、分种、秒种显示于人的肉眼的计时装置。而单片机模块中 最常见的正是数字钟,数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装 置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更更 长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。而 LCD 电子定时闹钟是以单片机为基 础的数字电路实现对小时、分钟、秒的数字显示的数字计时装置,它的计时周期 为 24 小时,另外应有校时功能和一些显示日期、闹钟等附加功能。一个基本的 数字钟电路主要由译
8、码显示器、“时”,“分”,“秒”,“星期”计数器、 校时电路、报时电路和振荡器组成。目前电子种广泛用于各种私人和公众场合, 成为我们生活工作学习中不可缺少的好帮手。 由于时钟的实用性和在人们生活中的重要性,所以尝试设计以单片机为核 心的数字时钟是很有意义的。钟表原先的报时功能已经原不能满足人们日益增 长的要求,现代的电子时钟多带有类似自动报警、按时自动打铃、时间程序自 动控制、定时广播、自动起闭路灯、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动 启用等功能,本设计中 LCD 电子时钟采用 LCD 显示时间和日期年月,直观实用, 而且可以方便的校调,附带的万年历和定时功能也是很方便和实用的. 1.21.
9、2 设计本电子定时闹钟的目的设计本电子定时闹钟的目的 复习和巩固所学过的知识,利用此课程设计正好可以对所学习过的知识 进行系统的回顾和总结 拓展知识面,课堂的知识是远远满足不了设计的要求的,这就需要我们 去主动找寻更多的资料,了解更多的知识. 培养了设计能力和解决实际实际问题的能力,同时增强了 5 自学能力,通过设计完整的单片机系统也初步掌握了组成系统、编程、调 试等能力。 通过本LCD电子种的设计初步了解了单片机应用系统开发研制过程,软件 和硬件设计的方法. 1.3 本本 LCD 电子闹钟电子闹钟的功能和特点介绍的功能和特点介绍 1.3.11.3.1 设计特点 本 LCD 电子定时闹钟是一种
10、种基于单片机技术的多功能、多用途的电子产 品,有电子时钟、日期显示、定时闹铃等多种功能。本设计产品性能卓越,功 能丰富,采用 LCD 显示更加直观,是一个比较实用的电子产品. 1.3.21.3.2 本电子钟的主要功能 (1)可以显示 24 小时制“时时-分分-秒秒”,LCD 显示。 (2)可以显示日期 具有万年历功能 (3)可以方便的设定定时时间、修改定时时间,闹铃功能,预设定时时间 到将发出闹铃声. (4)能够修改时钟时间的时、分、秒,能够修改日期的年月日. 2 系统总体方案及硬件设计系统总体方案及硬件设计 2.1 总体方案设计总体方案设计 本 LCD 电子定时数字闹钟,是以单片机及外围接口
11、电路作为核心硬件,辅 以外围硬件电路,用汇编语言设计的程序来设计并实现的。根据 C51 单片机的 外围接口特点扩展成相应的硬件电路,然后根据单片机的指令设计出数字钟相 应的软件,再利用软件来执行一定的程序实现数字钟的功能。之所以用单片机 来制作电子钟,是因为这样在设计制作简单而且功能多、精确度高,也可方便 的扩充其他功能,淡然实现也十分简单。 本设计是利用 AT89C51 单片机为主控芯片,由七段数码管、晶振、电阻、 电容、发光二极管、开关、喇叭等元件组成硬件电路,通过编写软件程序来实 现和控制的数字定时闹钟。 2.2 硬件设计硬件设计 2.2. 1 电路总体概念图设计电路总体概念图设计 总体
12、的硬件系统结构框图如下图所示,由于 LED 的显示效果比较差因此选 6 用了更先进的 LCD: AT89 C51 震荡震荡 电路电路 调时电路调时电路 喇叭喇叭 LCD 震荡电路震荡电路 片选片选 代码代码 图 1:硬件电路概念示意图 图 2:硬件电路概念图 2.2.22.2.2 主控芯片主控芯片 AT98C51AT98C51 单片机是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路器件。它在 一块芯片内集成了计算机的各种功能部件,构成一种单片式的微型计算机。20 世纪 80 年代以来,国际上单片机的发展迅速,其产品之多令人目不暇接,单片 机应用不断深入,新技术层出不穷。在我们日常学习
13、和生活中,常见的有 51 系 列、52 系列、PIC 系列等。其中 51 系列的单片机的模块化结构比较典型、应用 灵活,为许多大公司和个人所采纳。 在本 LCD 电子闹钟设计中就是采用利用我们熟悉的 AT89C51 单片机为主 按键与按钮电路 复位等辅助电路 LCD 闹铃电路 电源系统 7 控芯片。AT89C51 单片机由微处理器,存储器,I/O 口以及特殊功能寄存器 SFR 等部分构成。其存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空 间,片内程序存储器的容量为 4KB,片内数据存储器为 128 个字节。89C51 单片 机有 4 个 8 位的并行 I/O 口:P0 口,P1 口,P
14、2 口和 P3 口。各个接口均由接口 锁存器,输出驱动器,和输入缓冲器组成。P1 口是唯一的单功能口,仅能用作 通用的数据输入/输出口。P3 口是双功能口除了具有数据输入/输出功能外,每 条接口还具有不同的第二功能,如 P3.0 是串行输入口线,P3.1 口是串行输出 口线。在需要外部程序存储器和数据存储器扩展时,P0 可作为分时复用的低 8 位地址/数据总线,P2 口可作为高 8 位的地址总线。P3 口也可作为 AT89C51 的 一些特殊功能口,同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号. 各口管脚的备选功能如下所示: P3.0 RXD(串行输入口) ; P3.1 TXD(串行输出口) ;
15、P3.2 /INT0(外部中断 0) ; P3.3 /INT1(外部中断 1) ; P3.4 T0(记时器 0 外部输入) ; P3.5 T1(记时器 1 外部输入) ; P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) ; P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) 。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间。 /EA/VPP:当/EA 保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H- FFFFH)不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时,/EA 将内部锁定为 RESET;当/EA 端保持高电平时,此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间,此
16、引脚也用于施加 12V 编程电源(VPP) 。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入; XTAL2:来自反向振荡器的输出。 AT89C51 单片机由微处理器,存储器,I/O 口以及特殊功能寄存器 SFR 等部 分构成。其存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间, 片内程序存储器的容量为 4KB,片内数据存储器为 128 个字节。89C51 单片机有 8 4 个 8 位的并行 I/O 口:P0 口,P1 口,P2 口和 P3 口。各个接口均由接口锁存 器,输出驱动器,和输入缓冲器组成。P1 口是唯一的单功能口,仅能用作通用 的数据输入/输出口。P3 口是双功能
17、口除了具有数据输入/输出功能外,每条接 口还具有不同的第二功能,如 P3.0 是串行输入口线,P3.1 口是串行输出口线。 在需要外部程序存储器和数据存储器扩展时,P0 可作为分时复用的低 8 位地址 /数据总线,P2 口可作为高 8 位的地址总线。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特 殊功能口,同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 AT89C51 单片机的封装及管脚分布如图一: XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4
18、35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 图 3、AT
19、89C51 单片机封装及管脚分布图 2.2.2 时钟电路部分时钟电路部分 AT89C51 系列的单片机的时钟方式分为内部方式和外部方式。内部方式就 是在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 的两引脚外接晶振,就够成了自激振荡器在单片 机内部产生时钟脉冲信号。外部时钟方式是把外部已经有的时钟信号引入到单 9 片机内部。时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用,是保证系统正常工 作的基础。在一个单片机应用系统中,时钟有两方面的含义:一是指为保障系 统正常工作的基准振荡定时信号,主要由晶振和外围电路组成,晶振频率的大 小决定了单片机系统工作的快慢;二是指系统的标准定时时钟,即定时时间。 本 LCD
20、电子闹钟设计是采用内部时钟方式,用一个 12MHz 晶振和两个 30Pf 瓷片电容组成,为单片机提供标准时钟,其中两个瓷片电容起微调作用.其电路 图如下: X1 CRYSTAL C1 220p C2 220p 图 4: 时钟电路 之所以采用高性能的振荡电路,因为: 1. 单片机电子钟的计时脉冲基准是由外部晶振的频率经过 12 分频后提供,采 用内部的定时/计数器来实现计时功能。所以,外接晶振频率精确度直接影响电 子钟计时的准确性。 2. 单片机电 子钟利用内部定时/计数器溢出产生中断(12M 晶振一般为 50ms)再乘以相应的倍率来实现秒、分、时的转换。大家都知道从定时/计数器 产生中断请求到
21、响 应中断需要 3-8 个机器周期,定时中断子程序中的数据入栈 和重装定时/计数器的初值还需要占用数个机器周期,还有从中断入口转到中断 子程序也要占用一定的 机器周期。 2.2.3 LCD 显示电路部分显示电路部分 为了获得更好的效果本设计并没有采用常见的 LED,而是采用了型号为 LM016L 的 LCD。LCD 有 LED 数码显示更好的更的直观效果,也更加经久耐用。 10 液晶显示模块体积小功耗低、显示内容丰富,现在字符型液晶显示模块已经是 单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一了。本 LCD 是 2 行 16 列液晶 可 显示 2 行 16 列英文字符,有 8 位数据总线 D0-D7
22、,RS,R/W,EN 三个控制端 口(共 14 线) ,工作电压为 5V。没背光,和常用的 1602B 功能和引脚一样 (除了调背光的二个线脚). 该模块也可以只用 D4-D7 作为四位数据分两次传 送。这样的话可以节省 MCU 的 I/O 口资源。 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 LM016L 图 5: LM016L LCD 引脚说明: VDD:电源正极,4.55.5V,通常使用 5V 电压; VL:LCD 对比度调节端,电压调节范围为 05V。接正电源时对比度最弱,接地
23、电源时 对比度最高,但对比度过高时会产生“鬼影”,因此通常使用一个 10K 的电位器来调整对比 度,或者直接串接一个电阻到地; RS:MCU 写入数据或者指令选择端。MCU 要写入指令时,使 RS 为低电平;MCU 要写入 数据时,使 RS 为高电平; R/W:读写控制端。R/W 为高电平时,读取数据;R/W 为低电平时,写入数据; 11 E:LCD 模块使能信号控制端。写数据时,需要下降沿触发模块。 D0D7:8 位数据总线,三态双向。如果 MCU 的 I/O 口资源紧张的话,该模块也可以只 使用 4 位数据线 D4D7 接口传送数据。本充电器就是采用 4 位数据传送方式; BLA: LED
24、 背光正极。需要背光时,BLA 串接一个限流电阻接 VDD,BLK 接地,实测 该模块的背光电流为 50mA 左右; BLK: LED 背光地端。 2.2.4 喇叭部分的电路喇叭部分的电路 扬声器的电路部分比较简单,如图,通过单片机发出的控制信 号经过简单的放大和处理后直接控制 LS1 喇叭。 R9 1k Q1 2N5088 R10 100 LS1 SPEAKER R11 1k K1 图 6: SPEAKER 部分电路图 其中 2N5088 的参数为: 类型:NPN 集电极发射集最小雪崩电压 Vceo(V):30 集电极最大电流 Ic(max)(mA):0.050 直流电流增益 hFE 最小值
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