用單片機實現(xiàn)數(shù)字電子鐘的設(shè)計.doc

分類號 密級 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題題 目目 用單片機實現(xiàn) 數(shù)字電子鐘的設(shè)計 英文題目英文題目 The Design Of The Numerical Electric Clock Using MCU 二二 O 一二年六月一二年六月 本科畢業(yè)設(shè)計 論文 開題報告 學(xué)生姓名班級專業(yè)電子信息工程 導(dǎo)師姓名職稱單位 畢業(yè)設(shè)計 論文 題 目 用單片機實現(xiàn)數(shù)字電子鐘的設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計 論文 主要內(nèi)容和要求 畢業(yè)設(shè)計 論文 主要內(nèi)容和要求 主要內(nèi)容 設(shè)計并制作一個數(shù)字電子鐘 要求 本作品可以實現(xiàn)一般的記時 鬧鐘等時鐘的功能 還有一個特色就是可以用一個遠 程發(fā)射紅外線叫停正在餉的鬧鐘 畢業(yè)設(shè)計 論文 主要參考資料 畢業(yè)設(shè)計 論文 主要參考資料 1 樓然苗 李光飛編著 51 系列單片機設(shè)計實例 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 2006 60 89 2 馬忠梅等 單片機的 C 語言應(yīng)用程序設(shè)計 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 1999 1 34 3 閆石主編 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 北京 高等教育出版社 1998 364 399 4 童詩白主編 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 北京 高等教育出版社 1999 23 65 5 戴佳 戴衛(wèi)恒等編著 51 單片機實例精講 北京 電子工業(yè)出版社 2006 123 135 6 上海市教育委員會組編 丁元杰主編 單片微機原理及應(yīng)用 北京 機械出版社 1999 1 77 7 鄧雙成 周燦豐等 AT89C2051 單片機的漢字顯示接口技術(shù) 北京 石油化工學(xué)院出版社 2003 11 3 8 11 8 劉文濤 單片機應(yīng)用開發(fā)事例 北京 清華大學(xué)出版社 2005 276 321 9 趙文博 劉文濤 單片機 C51 程序設(shè)計 北京 人民郵電出版社 2005 1 132 10 高鵬 安濤 寇懷成 Protel 99 入門與提高 北京 人民郵電出版社 2000 1 216 11 王力 張偉編著 Protel DXP 庫元器件手冊 北京 人民郵電出版社 2003 1 194 畢業(yè)設(shè)計 論文 應(yīng)完成的主要工作 畢業(yè)設(shè)計 論文 應(yīng)完成的主要工作 1 編寫實現(xiàn)該功能的程序 2 以單片機為主控制器 設(shè)計制作一個數(shù)字電子鐘 3 通過外圍電路等實現(xiàn)調(diào)時 鬧鐘 遠程止鬧等功能 畢業(yè)設(shè)計 論文 進度安排 畢業(yè)設(shè)計 論文 進度安排 序號序號畢業(yè)設(shè)計 論文 各階段內(nèi)容畢業(yè)設(shè)計 論文 各階段內(nèi)容時間安排時間安排備注備注 1確定題目 指導(dǎo)教師及動員3 月 6 日 9 日 2導(dǎo)師與學(xué)生見面 下達任務(wù)書3 月 9 日 18 日 3調(diào)研 查詢資料 外文資料翻譯3 月 19 日 30 日 4開題報告4 月 1 日 8 日 5中期檢查5 月 7 日 13 日 6論文評閱6 月 4 日 10 日 7論文答辯6 月 11 日 17 日 8優(yōu)秀論文評選 資料歸檔6 月 18 日 7 月 6 日 課題信息 課題信息 課題性質(zhì) 設(shè)計 論文 課題來源 教學(xué) 科研 生產(chǎn) 其它 發(fā)出任務(wù)書日期 2007 年 3 月 20 日 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 教研室意見 教研室意見 教研室主任簽名 年 月 日 學(xué)生簽名 摘摘 要要 在現(xiàn)今的高速運行的現(xiàn)代生活中 準確適時的把握時間尤其重要 而我們 傳統(tǒng)的時鐘由于其自身的特點 功能極其有限 因此我們需要一個多功能的時 鐘 讓它來對全天適時的控制好我們的時間 隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展 單 片機以其自身特有的特點 已經(jīng)廣泛應(yīng)用與各種智能儀器 家庭電器 電子玩 具等各個領(lǐng)域 因此用單片機實現(xiàn)電子鐘的設(shè)計課題應(yīng)運而生 利用單片機的 多功能控制能力能很好實現(xiàn)要求 本課題的主要內(nèi)容就是用單片機實現(xiàn)數(shù)字電子鐘的設(shè)計 利用單片機的特 點 通過編寫程序來控制我們的產(chǎn)品實現(xiàn)我們需要的功能 在課題中還有一個任務(wù)就是我們的顯示模塊 由于要顯示時 分 秒需要 6 位數(shù)字 為了方便 我們用兩個四位一體數(shù)碼管來顯示時間 所以如何通過 編程來控制數(shù)碼管的顯示也是一個重點 整個過程就是先設(shè)計和焊接好硬件電路 再就是通過 C 語言編寫應(yīng)用程序 來實現(xiàn)我們需要的功能 這期間進行的軟件仿真和調(diào)試是本設(shè)計的重點和難點 關(guān)鍵字 單片機 數(shù)碼管 中斷 ABSTRACT In the modern life of the high speed run time in present the accurate and well timed confidence time is particularly important because of our traditional clock s characteristics of its oneself function very finite So we need a multi function clock Let it comes well to timed control our time for the whole day Along with the high speed development of the computer technology Single Chip Microcosm with its special characteristics Have already applied extensively and various intelligent instrument Family electric apparatus the electron toy etc each realm The design topic that therefore uses Single Chip Microcosm to carry out electric clock emerge with the tide of the times the multi function control capability ability that make use of Single Chip Microcosm is very the implementation request The main Purpose of this topic is the design that uses Single Chip Microcosm to carry out the numerical electric clock Make use of Single Chip Microcosm s the characteristics of the machine the product that passes to write procedure to control us carries out the function of with our demand In the topic still have a task is our display module In order to display the time we need 6 position digits for the sake of the convenience we display time with two four position integral whole tube so how to pass the programming is also a point to the control figures tube display The whole process is to design first and weld good hardware telephone Be being the function that writes applied procedure through the C language to carry out our demand The software emulation simulation and debug that carry on this period are the point and the crux of this designs Keywords MCU digital clock interruption 目目 錄錄 1 緒論 1 2 系統(tǒng)和硬件電路的設(shè)計 2 2 1 系統(tǒng)方案 2 2 1 1 控制模塊方案的選擇 2 2 1 2 系統(tǒng)的總體框圖 2 2 2 單片機的選擇 2 2 2 1 AT89S51 單片機工作原理 2 2 3 單片機外圍電路的設(shè)計 4 2 3 1 時鐘源電路的設(shè)計 4 2 3 2 單片機的復(fù)位電路 5 2 3 3 鬧鐘和調(diào)時電路圖 5 2 4 顯示電路的設(shè)計 6 2 4 1 顯示電路 7 2 5 紅外線控制電路的設(shè)計 7 2 5 1 紅外線發(fā)射裝置的設(shè)計 7 2 5 2 紅外線接收裝置電路 8 3 軟件設(shè)計 10 3 1 主程序設(shè)計 10 3 1 1 定時 計數(shù)器的工作 11 3 1 2 定時器 計數(shù)器工作方式 11 3 2 中斷程序的設(shè)計 13 3 2 1 輸入輸出的控制方式 13 3 2 2 MCS 51 單片機的中斷源 13 3 2 3 中斷相關(guān)寄存器 13 3 2 4 MCS 51 單片機中斷處理過程 13 3 3 顯示模塊的程序設(shè)計 14 4 軟硬件調(diào)試 15 4 1 系統(tǒng)的調(diào)試 15 4 2 硬件靜態(tài)的調(diào)試 15 4 3 軟件的調(diào)試 15 結(jié) 論 18 致 謝 19 參考文獻 20 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 1 1 緒論 20 世紀末 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)品幾乎滲透了社會 的各個領(lǐng)域 有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高 同時也使現(xiàn)代電 子產(chǎn)品性能進一步提高 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性容易使人忘記當前的時間 忘 記了要做的事情 當事情不是很重要的時候 這種遺忘無傷大雅 但是 一旦重要事情 一時的耽誤可能釀成大禍 例如 許多火災(zāi)都是由于人們一時忘記了關(guān)閉煤氣或是忘記充 電時間 尤其在醫(yī)院 每次護士都會給病人作皮試 測試病人是否對藥物過敏 注射后 一般等待 5 分鐘 一旦超時 所作的皮試試驗就會無效 手表當然是一個好的選擇 但是 隨著接受皮試的人數(shù)增加 到底是哪個人的皮試到時間卻難以判斷 所以 要制作一個定 時系統(tǒng) 隨時提醒這些容易忘記時間的人 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便 而且大大地擴展了鐘表原先的報時 功能 諸如定時自動報警 按時自動打鈴 時間程序自動控制 定時廣播 定時啟閉電路 定時開關(guān)烘箱 通斷動力設(shè)備 甚至各種定時電氣的自動啟用等 所有這些 都是以鐘表 數(shù)字化為基礎(chǔ)的 因此 研究數(shù)字鐘及擴大其應(yīng)用 有著非?，F(xiàn)實的意義 本課題的主要任務(wù)是利用單片機設(shè)計并制作一個數(shù)字電子鐘 這里面的重點集中在單 片機里 其中包括它的中斷功能的應(yīng)用 定時記數(shù)器的工作原理和工作模式選擇以及 I O 端口的應(yīng)用等 還有就是顯示模塊的設(shè)計 本文撰寫的主導(dǎo)思想是軟 硬件相結(jié)合 以硬 件為基礎(chǔ) 來進行各功能模塊的編寫 本設(shè)計預(yù)期要的達到的功能包括定時 鬧鐘等鐘表的基本功能 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 2 2 2 系統(tǒng)和硬件電路的設(shè)計 2 1 系統(tǒng)方案 2 1 1 控制模塊方案的選擇 實現(xiàn)電子鐘的方法有多種 可以用基本門電路搭建 但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜 故障系數(shù)大 不易調(diào)試 二可以用單片機來實現(xiàn) 用單片機設(shè)計電路 電路結(jié)構(gòu)簡單 調(diào)試也相對方便 單片機具有性能價格比優(yōu) 集成度高 體積小 可靠性高 低電壓 低功耗等特點 目前單片機主要應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛 在各類儀器儀表中引入單片機 使儀器儀表智能 化 提高測試的自動化程度和精度 簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu) 提高其性能價格比 在機 械一體化產(chǎn)品中引入單片機 使那些電子產(chǎn)品具有了智能化特征 而適時過程控制中用單 片機實時進行數(shù)據(jù)處理和控制 使系統(tǒng)保持最佳工作狀態(tài) 提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品的 質(zhì)量 目前國外各種家用電器已普通采用單片機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制電路 單片機除以上各 方面的應(yīng)用 它還廣泛應(yīng)用于辦公自動化領(lǐng)域 商業(yè)營銷領(lǐng)域 汽車及通信 計算機外部 設(shè)備 模糊控制等各領(lǐng)域中 2 1 2 系統(tǒng)的總體框圖 系統(tǒng)的總體框圖如圖 2 1 所示 單片機控單片機控 制模塊制模塊 紅外止鬧模塊紅外止鬧模塊 鬧鐘模塊 數(shù)碼管數(shù)碼管 顯示模顯示模 塊塊 時鐘源 電源及調(diào) 時模塊 圖 2 1 系統(tǒng)總體框圖 2 2 單片機的選擇 目前市場上成熟的單片機種類繁多 從中央處理器來說分為 4 位單片機到 8 位 16 位 32 位 而現(xiàn)在應(yīng)用最多是就 8 位和 16 位的 其中 16 位的基本都是應(yīng)用于高端科技方面 就本論文涉及到的內(nèi)容 用 8 位單片機就完全可以滿足設(shè)計的各方面的要求 從性能來說 各公司生產(chǎn)的產(chǎn)品都有他們自己的特點 目前國內(nèi)使用多的系列就是 Intel 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品 其中又以 MCS 51 系列單片機應(yīng)用尤為廣泛 而且還在更進一步的發(fā)展完善 價格越來越 底 性能越來越好 本設(shè)計中就選用了 MCS 51 系列單片機中的 AT89C51 型號 2 2 1 AT89S51 單片機工作原理 在本設(shè)計中選用的是 AT89C51 單片機 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 3 只讀存儲器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低電壓 高性能 CMOS8 位微處理器 俗稱單片機 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀 存儲器的單片機 單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 次 該器件采用 ATMEL 高 密度非易失存儲器制造技術(shù)制造 與工業(yè)標準的 MCS 51 指令集和輸出管腳相兼容 由于將 多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中 ATMEL 的 MCS 51 系列單片機是一種高效 微控制器 AT89C51 是它的一種精簡版本 AT89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一 種靈活性高且價廉的方案 圖片如圖 2 2 圖 2 2 AT89C51 單片機圖 AT89C51 的主要特性有 它與 MCS 51 兼容 含有 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命很 長 能夠有 1000 寫 擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間能達到 10 年之久 全靜態(tài)工作頻率在 0Hz 24Hz 三級程序存儲器鎖定 128 8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I O 線 兩個 16 位定時器 計 數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 管腳說明 VCC 為供電電壓 GND 接地 P0 口 P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I O 口 每腳可吸收 8TTL 門電流 當 P1 口的管 腳第一次寫 1 時 被定義為高阻輸入 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器 它可以被定義為 數(shù)據(jù) 地址的第八位 在 FIASH 編程時 P0 口作為原碼輸入口 當 FIASH 進行校驗時 P0 輸出原碼 此時 P0 外部必須被拉高 P1 口 P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流 P1 口管腳寫入 1 后 被內(nèi)部上拉為高 可用作輸入 P1 口被外部下拉為低 電平時 將輸出電流 這是由于內(nèi)部上拉的緣故 在 FLASH 編程和校驗時 P1 口作為第八 位地址接收 P2 口 P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 P2 口緩沖器可接收 輸出 4 個 TTL 門電流 當 P2 口被寫 1 時 其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高 且作為輸入 并因此作 為輸入時 P2 口的管腳被外部拉低 將輸出電流 這是由于內(nèi)部上拉的緣故 P2 口當用于 外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時 P2 口輸出地址的高八位 在給 出地址 1 時 它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢 當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時 P2 口 輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信 號 P3 口 P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I O 口 可接收輸出 4 個 TTL 門電流 當 P3 口寫入 1 后 它們被內(nèi)部上拉為高電平 并用作輸入 作為輸入 由于外部下拉 為低電平 P3 口將輸出電流 ILL 這是由于上拉的緣故 P3 口也可作為 AT89C51 的一些 特殊功能口 P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號 RST 復(fù)位輸入 當振蕩器復(fù)位器件時 要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 4 ALE PROG 當訪問外部存儲器時 地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié) 在 FLASH 編程期間 此引腳用于輸入編程脈沖 在平時 ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖 信號 此頻率為振蕩器頻率的 1 6 因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的 然 而要注意的是 每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時 將跳過一個 ALE 脈沖 如想禁止 ALE 的輸出 可在 SFR8EH 地址上置 0 此時 ALE 只有在執(zhí)行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 該引腳被略微拉高 如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止 置位無效 PSEN 外部程序存儲器的選通信號 在由外部程序存儲器取指令期間 每個機器周期 兩次 PSEN 有效 但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時 這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn) EA VPP 當 EA 保持低電平時 則在此期間外部程序存儲器 0000H FFFFH 不管 是否有內(nèi)部程序存儲器 注意加密方式 1 時 EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET 當 EA 端保持高電 平時 此間內(nèi)部程序存儲器 在 FLASH 編程期間 此引腳也用于施加 12V 編程電源 VPP XTAL1 反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入 XTAL2 來自反向振蕩器的輸出 振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出 該反向放大器可以配 置為片內(nèi)振蕩器 石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用 如采用外部時鐘源驅(qū)動器件 XTAL2 應(yīng) 不接 有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器 因此對外部時鐘信號的脈寬無 任何要求 但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合 并保 持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成 在芯片擦操作中 代碼陣列全被寫 1 且在任何非 空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前 該操作必須被執(zhí)行 此外 AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯 可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯 支持兩種軟件 可選的掉電模式 在閑置模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定時器 計數(shù)器 串口和中斷系 統(tǒng)仍在工作 在掉電模式下 保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器 禁止所用其他芯片功能 直到下一個硬件復(fù)位為止 2 3 單片機外圍電路的設(shè)計 單片機的工作模式如圖 2 3 所示 圖 2 3 單片機工作模式 2 3 1 時鐘源電路的設(shè)計 計算機執(zhí)行指令的過程可分為取指令 分析指令和執(zhí)行指令三個步驟 每個步驟又由 許多微操作所組成 這些微操作必須在一個統(tǒng)一的時鐘脈沖的控制下才能按照正確的順序 執(zhí)行 時鐘脈沖由振蕩器產(chǎn)生 AT89C51 的時鐘振蕩器是由單片機內(nèi)部反相放大器和外接 晶振及微調(diào)電容組成的一個三點式振蕩器 將晶振和微調(diào)電容接 51 的 XTAL1 和 XTAL2 端即 可產(chǎn)生振蕩 石英晶體振蕩器的具體工作原理 石英晶體振蕩器的特點是振蕩頻率準確 電路結(jié)構(gòu)簡單 頻率易調(diào)整 它被廣泛應(yīng)用于彩 串行擴展 I O 口工作 電路 時鐘 復(fù)位 通用 單片機 總線型 8DB 16AB 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 5 電 計算機 遙控器等各類振蕩電路中 它還具有壓電效應(yīng) 在晶體某一方向加一電場 晶體就會產(chǎn)生機械變形 反之 若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力 則在晶片相應(yīng)的方向上將 產(chǎn)生電場 這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng) 在這里 我們在晶體某一方向加一電場 從而在 與此垂直的方向產(chǎn)生機械振動 有了機械振動 就會在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場 從而使 機械振動和電場互為因果 這種循環(huán)過程一直持續(xù)到晶體的機械強度限制時 才達到最后 穩(wěn)定 這種壓電諧振的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率 這里選擇的晶振頻率為 12MHz 其電路圖如圖 2 4 圖 2 4 振蕩電路 2 3 2 單片機的復(fù)位電路 單片機復(fù)位電路如圖 2 5 所示 單片機在工作中由于各種原因或者是意外事件 不時 會產(chǎn)生程序跑飛或者死機等現(xiàn)象 這時我們通過 S4 復(fù)位鍵就可以使系統(tǒng)中的單片機重新正 常運行 圖 2 5 上電復(fù)位電路 2 3 3 鬧鐘和調(diào)時電路圖 調(diào)時和鬧鐘電路圖如圖 2 6 所示 其中 S1 S2 S3 分別為時 分 秒的調(diào)整按鈕 S8 為鬧鈴定時控制鍵 S5 為鬧鐘的控制開關(guān) 只有 S5 關(guān)閉且單片機對 P2 1 端口置低電頻 是鬧鐘才能響 9 RST VPD AT89C51 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 6 圖 2 6 鬧鐘和調(diào)時電路 2 4 顯示電路的設(shè)計 LED 顯示器應(yīng)用十分廣泛 1972 年開始有少量 LED 顯示屏用于鐘表和計算器 全球 首款采用 LED 的手表最初還是在昂貴的珠寶商店出售的 其售價竟然高達 2 100 美元 幾 乎與此同時 惠普與德州儀器也推出了帶 7 段紅色 LED 顯示屏的計算器 20 世紀 70 年代 由于 LED 器件在家庭與辦公設(shè)備中的大量應(yīng)用 LED 的價格直線下跌 事實上 LED 是那 個時代主打的數(shù)字與文字顯示技術(shù) 然而在許多商用設(shè)備中 LED 顯示屏也逐漸受到了來 自其它顯示技術(shù)的激烈競爭 如液晶 等離子體和真空熒光管顯示器 在數(shù)字測量儀表和各種數(shù)字系統(tǒng)中 都要將數(shù)字量直觀的顯示出來 一方面供人們直 接讀取測量和運算的結(jié)果 兩一方面用于監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)的工作狀況 因此 數(shù)字顯示電路 是許多師資設(shè)備不可缺少的部分 數(shù)字顯示電路通常由譯碼器 驅(qū)動器和顯示器等部分組 成 數(shù)碼顯示器是用來顯示數(shù)字 文字或符號的器件 現(xiàn)在已有多種不同類型的產(chǎn)品 廣 泛應(yīng)用于各種數(shù)字設(shè)備中 目前數(shù)碼管顯示器正朝著小型 低功耗 平面化的方向發(fā)展 數(shù)碼管的顯示方式一般有三種 第一種是字形重疊式 它是將不同的電極重疊起來 要顯示某字符 只需使相應(yīng)的電極發(fā)亮即可 如輝光放電管 邊光顯示管等 第二種是分 段式 數(shù)碼管是由一些按一定規(guī)律排列的顆發(fā)光的點陣所組成 利用光點的不同組便可以 顯示不同的數(shù)碼 如場致發(fā)光記分牌 目前應(yīng)用最為廣泛的是七段數(shù)字顯示器 按發(fā)光物質(zhì)的不同數(shù)字顯示器可分為以下幾 類 1 半導(dǎo)體顯示器 亦稱發(fā)光二極管顯示器 2 熒光數(shù)字顯示器 如熒光數(shù)碼管 場致發(fā)光數(shù)字板等 3 液體數(shù)字顯示器 如液晶顯示器 電用顯示器等 4 氣體放 電顯示器 如輝光數(shù)碼管 等離子體顯示器等 本設(shè)計中使用的是數(shù)碼管顯示器 它的價格比較便宜 同時又能很好的滿足本設(shè)計中 的各種功能需求 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 7 2 4 1 顯示電路 在本設(shè)計中由于要顯示時 分 秒需要顯示 6 位數(shù)字 如果用上面的數(shù)碼管需要 6 個 顯然這樣在電路焊接過程中 接線是特別復(fù)雜的 所以為了方便 在顯示模塊中我們用四 位一體數(shù)碼管來顯示我們的時 分 秒時間 它一個管子可顯示四位數(shù)字 這樣就大大方 便了硬件的調(diào)試難度 本設(shè)計重用的數(shù)碼管型號是 SR 70561 數(shù)碼管腳如圖 2 9 圖 2 9 SR 70561 四位一體數(shù)碼管管腳圖 其中 11 7 4 2 1 10 5 七個管腳分便控制 7 個段碼 a b c d e f g 的顯 示 而 6 8 9 12 四個管腳控制 4 個數(shù)的選通 2 5 紅外線控制電路的設(shè)計 2 5 1 紅外線發(fā)射裝置的設(shè)計 發(fā)射裝置電路圖如 2 10 其中 S6 開關(guān)閉合后只要給了 38MHz 的脈沖信號 經(jīng)過三極 管發(fā)達信號加給發(fā)光二極管 發(fā)光二極管就會發(fā)出紅外線信號 d cb a g fe dp b b4 b1 g c dp d e b2 b3 f a 7 8 10 11 12 9 6 5 4 3 2 1 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 8 圖 2 10 發(fā)射電路 2 5 2 紅外線接收裝置電路 紅外線接收電路如圖 2 11 圖中芯片 HSOO38A2 紅外線接頭 但它感應(yīng)到紅外線后 就會在 OUT 口輸出底電頻 這時底電頻就給了 P2 0 口 這時單片機就通過程序給 P2 1 置 高電頻 使鬧鐘鈴聲停止 圖 2 11 紅外線接收電路 系統(tǒng)的整體電路圖如 2 12 所示 38MHz 方波信 號 接地 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 9 圖 2 12 系統(tǒng)電路圖 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 10 3 3 軟件設(shè)計 目前存在有 4 種編程語言支持單片機 即匯編語言 PL M 語言 C 語言和 BASIC 語 言 其中匯編語言和 C 語言應(yīng)用的較多 結(jié)合本控制器的特點 這里選用了功能強 效率 高的 C 高級語言 51 系列 C 語言主要有以下特點 寄存器分配 不同存儲器的尋址及數(shù) 據(jù)類型可由編譯器管理 程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu) 可分為不同的函數(shù) 這種方式可使程序結(jié)構(gòu) 化 編程及程序調(diào)試時間顯著縮短 從而縮短開發(fā)周期 提高作用效率 提供的庫包含許 多子程序 具有較強的數(shù)據(jù)處理能力 3 1 主程序設(shè)計 主程序流程圖如圖 3 1 所示 顯示單元清零 開 始 T0 T1 設(shè)置為 16 位記數(shù)模式 使 T0 中斷 調(diào)用顯示子程序 P1 0 0 或 P1 1 0 或 P1 2 0 進入調(diào)試子程序 N Y 圖 3 1 主程序流程圖 本設(shè)計的一個重點是如何完成秒 分 時的記數(shù)和進位 這需要先了解 AT89C51 的定 時 記數(shù)器 定時 計數(shù)器的構(gòu)成 定時方法軟件延時 通過執(zhí)行循環(huán)而獲得延時 短時間 延時 硬件延時由硬件電路實現(xiàn)延時 長時間延時 可編程定時 通過對系統(tǒng)時鐘脈沖的計 數(shù)而獲得延時 MCS 51 單片機的定時 計數(shù)器 包括 16 位定時 計數(shù)器 T0 T1 分別由 4 個 8 位計數(shù) 器組成 均屬 SFR 寄存器 T0 由 TH0 TL0 構(gòu)成 字節(jié)地址為 8CH 8AH T1 由 TH1 TL1 構(gòu)成 字節(jié)地址為 8DH 8BH 3 MCS 51 單片機定時 計數(shù)器的功能 歸根結(jié) 底是計數(shù)器 1 定時功能 對片內(nèi)機器周期進行計數(shù) 即每個機器周期產(chǎn)生一個計數(shù)脈 沖 計數(shù)加 1 2 計數(shù)功能 對片外從 T0 P3 4 T1 P3 5 引腳輸入的外部脈沖信號 進行計數(shù) 下降沿計數(shù)加 1 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 11 3 1 1 定時 計數(shù)器的工作 與定時 計數(shù)器有關(guān)的控制寄存器有 3 個 1 定時器控制寄存器 TCON 88H SFR 寄存器 TCON 既參與定時控制又參與中斷控制 有關(guān)定時控制的有 4 位 表示如 圖 3 2 圖 3 2 定時器控制寄存器 TCON TF1 TF0 當 T1 T0 的計數(shù)器計數(shù)溢出時 該位置 1 TR1 TR0 T1 T0 運行控制位 軟件將其置 1 時 啟動 T1 T0 工作 2 設(shè)定定時器工作方式寄存器 TMOD 89H SFR 寄存器 TMOD 用于 2 個定時器 計數(shù)器 T1 T0 的工作方式設(shè)定 各位的含義表示 如圖 3 3 所示 圖 3 3 TMOD 方式 GATE 門控位 定義 T1 T0 的啟動方式 邏輯如圖 3 4 圖 3 4 GATE 門控位 C 定時 計數(shù)功能選擇位 為 0 作定時器用 為 1 作計數(shù)器用 T M1M0 工作方式選擇位 00 方式 0 13 位計數(shù)器 01 方式 1 16 位計數(shù)器 10 方式 2 初值自動重裝 8 位計數(shù)器 11 方式 3 2 個 8 位計數(shù)器 僅適用于 T0 3 中斷允許控制寄存器 IE A8H IE 在特殊功能寄存器中 字節(jié)地址 A8H 位地址分別是 A8H AFH 3 1 2 定時器 計數(shù)器工作方式 1 工作方式 0 M1M0 00 13 位計數(shù)器 1 結(jié)構(gòu)是由 TH0 的全部 8 位和 TL0 的低 5 位構(gòu)成 當 TL0 低 5 位計數(shù)滿時直接向 TH0 進位 并當全部 13 位計數(shù)滿溢出時 TF0 置 1 2 TMOD 值 作定時器 TMOD 0000 0 0 00 00H 作計數(shù)器 TMOD 0000 0 1 00 04H 3 計數(shù)初值 最大計數(shù)值為 213 8192 T 213 計數(shù)初值 機器周期 12 fosc 計數(shù)初值 213 欲計數(shù)脈沖數(shù) 213 T 機器周期 2 工作方式 1 M1M0 01 16 位計數(shù)器 方式 1 時的電路邏輯結(jié)構(gòu)作定時器 TMOD 01H 作計數(shù)器 TMOD 05H T 216 計數(shù)初值 機器周期 12 fosc 計 數(shù)初值 216 欲計數(shù)脈沖數(shù) 216 T 機器周期 3 工作方式 2 M1M0 10 自動復(fù)位的 8 位計數(shù)器 以 TL0 作計數(shù)器 而 TH0 作為預(yù) 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 12 置寄存器 當計數(shù)滿溢出時 TF0 置 1 同時 TH0 將計數(shù)初值以硬件方法自動裝入 TL0 4 工作方式 3 M1M0 11 2 個 8 位計數(shù)器 僅限于 T0 在 T0 方式 3 下 T0 T1 的 設(shè)置和使用是不同的 1 T0 方式 3 TL0 使用 T0 原有控制資源 功能與方式 0 1 相 同 TH0 借用 T1 的 TR1 TF1 只能對片內(nèi)機器周期脈沖計數(shù) 作 8 位定時器 T0 方式 3 時的 T0 初值計算完全同方式 2 2 T0 方式 3 下的 T1 T0 方式 3 時 T1 仍然可工作 于方式 0 方式 2 如上頁圖所示 C 控制位仍可使 T1 工作在定時器或計數(shù)器方式 只是 由于其 TR1 TF1 被 T0 的 TH0 占用 因而沒有計數(shù)溢出標志可供使用 計數(shù)溢出時只能 將輸出結(jié)果送至串行口 即用作串行口波特率發(fā)生器 T0 方式 3 下的 T1 方式 2 因定時 初值能自動恢復(fù) 用作波特率發(fā)生器更為合適 通過上面的了解 本設(shè)計定時記數(shù)器應(yīng)該選擇工作模式 1 設(shè)定初值如下 TMOD 0 x02 TH0 0 x06 TL0 0 x06 TR0 1 ET0 1 EA 1 開始 保護現(xiàn)場 1S 到 秒單元加 1 Y 60 秒 秒單元清 0 分加 1 Y 60 分 分單元清 0 時加 1 Y 24H 時單元清 0 Y 恢復(fù)現(xiàn)場 中斷返 回 N N N N 圖 3 5 TO 中斷服務(wù)程序圖 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 13 3 2 中斷程序的設(shè)計 中斷是計算機進行實時控制的基礎(chǔ) 也是計算機之所以能夠普及的根本原因之一 中 斷程序流程圖如 3 5 所示 3 2 1 輸入輸出的控制方式 1 無條件傳送方式 無條件傳送的條件有 輸入時外設(shè)始終是就緒的 輸出時外設(shè)始終時 就緒的 總線設(shè)置 往往要加總線的隔離與緩沖 2 程序查詢傳送方式 先程序查詢 外設(shè)就緒進行數(shù)據(jù)傳送 否則重新查詢直到外設(shè)就緒 后進行數(shù)據(jù)傳送 特點是硬件實現(xiàn)較容易但程序的開銷較大 實時性較差 3 中斷傳送方式 過程為外設(shè)發(fā)中斷申請信號 CPU 中斷查詢并進行響應(yīng) 特點是實時 性較好 CPU 的效率高 系統(tǒng)必須要有中斷系統(tǒng)的支持 實現(xiàn)的技術(shù)相對較為復(fù)雜一些 直接存儲器存取 DMA 方式 3 2 2 MCS 51 單片機的中斷源 中斷源 INT0 INT1 T0 T1 RI TI 中斷系統(tǒng)的組成 中斷的查尋及標志寄存器 中斷的控制寄存器 中斷的優(yōu)先權(quán)控制寄存器等組成 3 2 3 中斷相關(guān)寄存器 1 定時器控制寄存器 TCON 88H TF0 TF1 T0 T1 中斷標志 TR0 TR1 T0 T1 啟動控制位 IE0 IE1 INT0 INT1 中斷標志位 IT0 IT1 T0 T1 觸發(fā)信號方式選擇位 0 為電平觸發(fā)方式 2 串行口控制寄存器 SCON 98H TI 串行口發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)標志 RI 串行口接收完一幀數(shù)據(jù)標志 3 中斷控制寄存器 IE A8H EA 總中斷允許控制位 ES 串行口中斷允許控制位 ET0 ET1 定時器 0 1 中斷允許位 EX0 EX1 外中斷 0 1 中斷允許位 4 中斷優(yōu)先級控制寄存器 IP B8H PX0 PX1 外中斷 0 1 的中斷優(yōu)先級設(shè)置位 PT0 PT1 定時器 0 1 的中斷優(yōu)先級設(shè)置位 PS 串行口中斷優(yōu)先級設(shè)置位 同級中斷內(nèi)部查詢順序 INT0 T0 INT1 T1 SPORT MCS 51 單片機中斷優(yōu)先級的控制規(guī)則 低優(yōu)先級的中斷請求不能打斷高優(yōu)先級的中斷服務(wù) 但高優(yōu)先級的中斷可以打斷低優(yōu) 先級的中斷 同級的中斷不能打斷同級的其他中斷服務(wù) 同級的中斷源同時申請中斷服務(wù)時 響應(yīng)的先后次序為 INT0 T0 INT1 T1 SPORT 3 2 4 MCS 51 單片機中斷處理過程 1 中斷響應(yīng)的條件和時間 中斷響應(yīng)的條件有 1 中斷源有中斷請求 2 總中斷允 許 對應(yīng)的中斷源允許 中斷響應(yīng)的時間包括 3 個到 8 個機器周期 2 中斷的響應(yīng)過程 將相應(yīng)的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器置 1 以阻斷后來的同級或低級的中 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 14 斷請求 執(zhí)行隱含的 LCALL 指令 PC 指向相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址 并進行 斷點保護 中斷入口地址地址表 INT0 0003H C T0 000BH INT1 0013H C T1 001BH STR 0023H 3 執(zhí)行中斷服務(wù)程序 注意 對現(xiàn)場的保護問題及相應(yīng)的程序設(shè)計 4 中斷返回 執(zhí)行 RETI 指令 彈出斷點地址返回主程序執(zhí)行 相應(yīng)的中斷優(yōu)先級狀態(tài)寄存器清 0 以便響應(yīng)其他中斷申請 5 中斷標志的置位與清除 置位 由相應(yīng)的硬件中斷申請信號有效置位 對于兩個外中斷如果設(shè)置位脈沖觸發(fā)方 式 脈沖的寬度至少要維持兩個機器周期 如果設(shè)置位電平觸發(fā)方式 要注意低電平的清 除 清除 當中斷被 CPU 響應(yīng)時 除串行口中斷標志不被清除外 其他中斷標志都會由硬件自 動清除 而串行口的中斷標志必須在中斷服務(wù)程序中由軟件清除 3 3 顯示模塊的程序設(shè)計 LED 數(shù)碼管的 a 到 g 七個發(fā)光二極管因加正電壓而不亮 因加零電壓而發(fā)亮 不同亮 暗的組合就能形成不同的字形 這種組合稱之為字形碼 下面給出共陽極的字形碼見表 4 1 表 4 1 字形碼表 0 3FH 8 7FH 1 06H 9 6FH 2 5BH A 77H 3 4FH b 7CH 4 66H C 39H 5 6DH d 5EH 6 7DH E 79H 7 07H F 71H 由于顯示的數(shù)字 0 9 的字形碼沒有規(guī)律可循 只能采用查表的方式來完成我們所需的 要求了 這樣我們按著數(shù)字 0 9 的順序 把每個數(shù)字的筆段代碼按順序排好 建立的表格 如下所示 unsigned char code dispcode 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 0 x77 0 x7c 0 x39 0 x 5e 0 x79 0 x71 0 x00 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 15 4 軟硬件調(diào)試 本章講述的是硬件和程序調(diào)試的部分 4 1 系統(tǒng)的調(diào)試 在完成了硬件的設(shè)計 制作和軟件編程之后 要使系統(tǒng)能夠按設(shè)計意圖正常運行 必 須進行系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩個部分 對此 我們在方案的確定和 實施時 首先考慮對于不同的功能模塊具體采用的接口方式 接口芯片及電路 要做的工作 主要是查閱資料 由于單片機外圍接口電路可借鑒的資料十分豐富 因此在電路設(shè)計時 如果能清楚了解參考資料的設(shè)計意圖 設(shè)計要點 應(yīng)該說原理上的錯誤一般不會出現(xiàn) 因 此 系統(tǒng)的硬件調(diào)試主要是排除 檢查電路板上的焊接和連線所出現(xiàn)的問題 系統(tǒng)軟件的 調(diào)試主要是程序的看軟件的編寫是否與硬件電路相符合 編寫是否正確 4 2 硬件靜態(tài)的調(diào)試 1 排除邏輯故障 這類故障往往由于設(shè)計和加工制板過程中工藝性錯誤所造成的 主要包 括錯線 開路 短路 排除的方法是首先將加工的印制板認真對照原理圖 看兩者是否一 致 應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)檢查 以防止電源短路和極性錯誤 并重點檢查系統(tǒng)總線 地址 總線 數(shù)據(jù)總線和控制總線 是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路 必要時利用 數(shù)字萬用表的短路測試功能 可以縮短排錯時間 2 排除元器件失效 造成這類錯誤的原因有兩個 一個是元器件買來時就已壞了 另一個 是由于安裝錯誤 造成器件燒壞 可以采取檢查元器件與設(shè)計要求的型號 規(guī)格和安裝是 否一致 在保證安裝無誤后 用替換方法排除錯誤 3 排除電源故障 在通電前 一定要檢查電源電壓的幅值和極性 否則很容易造成集成塊 損壞 加電后檢查各插件上引腳的電位 一般先檢查 VCC 與 GND 之間電位 若在 5V 4 8V 之間屬正常 若有高壓 聯(lián)機仿真器調(diào)試時 將會損壞仿真器等 有時會使應(yīng) 用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞 選擇好元件 按照整體電路圖連接實物電路板 電路板焊接完畢后 仔細檢查是否有 虛焊和短接 做到電路板焊接無誤 4 3 軟件的調(diào)試 1 本設(shè)計的系統(tǒng)調(diào)試是在計算機 Keil uVision2 開發(fā)環(huán)境 直流電壓源的及其調(diào)試軟件條 件下進行的 調(diào)試的原理框圖如圖 4 1 所示 PC 機 仿真軟 件和程序 串口線仿真器實物電路 圖 4 1 調(diào)試原理框圖 2 打開計算機 打開 Keil uVision2 調(diào)試軟件 建立一個項目文件 在模塊文件里導(dǎo)入編 好的 C 語言程序保存 多次編譯與修改錯誤后 編譯無錯 如圖 4 2 所示 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 16 圖 4 2 編譯通過圖 3 選擇目標選項 打開 Option for Target Target 選項 由于我們使用的是 12MHz 的晶振 所以在 Xtal MHz 框中寫上 12 0 存儲器模式選擇 Small 程序存儲器大小選擇 Compact 如圖 4 3 所示 圖 4 3 目標參數(shù)選擇圖 4 在 output 選項的 Create HEX File 中打勾 如圖 4 4 選擇生成十六進制可執(zhí)行 文件 圖 4 4 選擇生成十六進制可執(zhí)行文件圖 5 順利通過編譯 連接 生成可執(zhí)行文件 如圖 4 5 所示 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 17 圖 4 5 順利生成可執(zhí)行文件圖 6 生成十六進制可執(zhí)行文件如圖 所示 大小為 2KB 如圖 4 6 所示 AT89C51 系統(tǒng)內(nèi)部 自帶程序存儲器為 4KB 可以滿足 圖 4 6 可執(zhí)行文件圖 7 最后 將在調(diào)試中生成的十六進制文件 hex 文件 利用編碼器將其燒寫入 AT89C51 單片機芯片中 再插入電路板上的單片機基座上 進行實物系統(tǒng)調(diào)試 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 18 結(jié) 論 本文設(shè)計了單片機控制的數(shù)碼管以顯示時間 達到時鐘的功能 單片機采用性能高價 格低的 AT89C51 由于其內(nèi)部具有 4KB 的程序存儲 ROM 可以適應(yīng)一般的應(yīng)用場合 數(shù)碼管 選用的是 SR 70561 型號的四位一體數(shù)碼管 比起只能顯示一位數(shù)字的數(shù)碼管 它的優(yōu)點是 一個管子可以顯示四位數(shù)字 這樣就簡化了電路的復(fù)雜程度 大大減少電路的接線數(shù)量 這樣即方便了電路的焊接 一旦再系統(tǒng)功能出故障的時候 也能更方便快速地檢查出出故 障的原因 晶振選擇的是頻率為 12MHz 的 由于它的一個周期正好是 1us 這樣方便軟件 設(shè)計中的定時記數(shù)器的初值設(shè)置 同時使我們的時鐘走時更精確 硬件連接方面 單片機與數(shù)碼管采用并行接法 充分的利用了單片機的 I O 口資源 提高數(shù)據(jù)的傳誦速度 在測試單片機的過程中 有兩個直接的方法去檢測單片機自身是否 正常工作就是首先看 XTAL2 是否有始終信號輸入 二是看 ALE 30 管腳 是否有 1 6 時鐘 頻率輸出 軟件方面 采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法 根據(jù)它們編寫一些功能函數(shù) 在主程序中直接 調(diào)用 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 19 致 謝 本論文的設(shè)計是在崔艷云老師的大力支持下完成的 整個過程中在崔老師的指導(dǎo) 不 僅少走了彎路 而且學(xué)到了不少知識 崔老師知識淵博 治學(xué)嚴謹 同時非常關(guān)心和體諒 學(xué)生 這給我留下深刻的印象 在此 向她表示誠摯的謝意 同時 電子信息工程實驗室劉俊華老師 符祖彪師兄提供了很好的實驗環(huán)境 還給予 了我很多指導(dǎo) 感謝他們 還有教授單片機課程的張啟升老師 杜剛老師也都給予了指點 在此表示感謝 另外 一起做實驗的吳云飛 李鵬 劉景賢 等同學(xué) 我們一起學(xué)習(xí) 互相討論 大 大增加了我對畢業(yè)設(shè)計的制作 一并表示感謝 最后感謝我的家人 數(shù)年寒窗 感謝父母對我的每個人生決定的支持和為之做出的無 私奉獻 他們?yōu)槲业膶W(xué)習(xí)和生活負出了巨大的心血 感謝他們對我養(yǎng)育之恩 2007 屆本科畢業(yè)設(shè)計 論文 20 參考文獻 1 樓然苗 李光飛編著 51 系列單片機設(shè)計實例 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 2006 60 89 2 馬忠梅等 單片機的 C 語言應(yīng)用程序設(shè)計 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 1999 1 34 3 閆石主編 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 北京 高等教育出版社 1998 364 399 4 童詩白主編 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 北京 高等教育出版社 1999 23 65