通信原理課程設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)

1、目 錄1數(shù)字時(shí)鐘介紹11.1 數(shù)字時(shí)鐘結(jié)構(gòu)11.2 方案選擇11.3系統(tǒng)框圖11.3.1晶體振蕩器電路21.3.2時(shí)間計(jì)數(shù)器電路21.3.3復(fù)位電路21.3.4 按鍵部分31.3.5電源電路31.4 at89c51單片機(jī)42軟件設(shè)計(jì)82.1軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2.1。82.2系統(tǒng)圖82.3 軟件流程：92.4 中斷方式中需注意的問(wèn)題92.5 準(zhǔn)確定時(shí)的討論92.6 軟件消抖103 結(jié)束語(yǔ)10參考文獻(xiàn)11基于單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)前言 20世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎運(yùn)用到了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，并有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能得到了進(jìn)一步提

2、高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也隨之變得更快。 單片機(jī)就是單片微型計(jì)算機(jī)，他體積小，容量大，功耗低，性能高，價(jià)格低，正朝著高性能和多品種方向發(fā)展的趨勢(shì)將進(jìn)一步向cmos化、外圍電路內(nèi)裝化發(fā)展。51系列單片機(jī)是最典型，最具代表的。他是集成了cpu、ram、rom、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種功能的i/o接口電路等計(jì)算機(jī)的基本部件在一塊芯片中，在單片機(jī)模塊里比較常見(jiàn)有數(shù)字時(shí)鐘，由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)字時(shí)鐘的精度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)老式鐘表, 鐘表的數(shù)字化給人們的生活帶來(lái)了很大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能，再者，數(shù)字時(shí)鐘是用0數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，比機(jī)械式時(shí)鐘準(zhǔn)

3、確性更高，數(shù)字時(shí)鐘無(wú)機(jī)械裝置，具有更長(zhǎng)的使用壽命，所以這種時(shí)鐘廣泛用于個(gè)人家庭,車站, 碼頭辦公室等公共場(chǎng)所。 1數(shù)字時(shí)鐘介紹1.1 數(shù)字時(shí)鐘結(jié)構(gòu)數(shù)字時(shí)鐘是指對(duì)1hz標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路。由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致,所以需要加一個(gè)校時(shí)電路在電路中，同時(shí)1mhz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)必須準(zhǔn)確穩(wěn)定。所以數(shù)字時(shí)鐘中通常使用石英晶體振蕩器電路。1.2 方案選擇單片機(jī)模塊方案：方案一：基本門電路的搭肩，通過(guò)基本門電路來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘，電路結(jié)構(gòu)比較為復(fù)雜，不容易調(diào)試。方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)編程，通過(guò)單片機(jī)設(shè)計(jì)電路，使用軟件、硬件結(jié)合的方式，所以電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，調(diào)試也相對(duì)容易。與第一種方案比較優(yōu)點(diǎn)是非常明

4、顯的。所以我們選擇了第二種方案。1.3系統(tǒng)框圖此系統(tǒng)主要由電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、數(shù)碼管顯示電路等電路組成。電源電路為系統(tǒng)提供電源；復(fù)位電路用于單片機(jī)的初始化操作；時(shí)鐘電路用于是單片機(jī)工作在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)中。單片機(jī)通過(guò)軟件程序?qū)π畔⑦M(jìn)行計(jì)算解析，并將解析的結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管顯示。at89c51電源時(shí)鐘電路復(fù)位電路8位led顯示器修改時(shí)鐘電路下載電路圖1.3-1 系統(tǒng)框圖1.3.1晶體振蕩器電路 晶體振蕩器電路為數(shù)字時(shí)鐘提供一個(gè)為12mhz的穩(wěn)定準(zhǔn)確的頻率的方波信號(hào),保證數(shù)字時(shí)鐘準(zhǔn)確，穩(wěn)定的走時(shí)，晶體振蕩器電路廣泛運(yùn)用于指針式的電子鐘和數(shù)字顯示的電子鐘。圖1.3.1-1

5、晶體振蕩電路1.3.2時(shí)間計(jì)數(shù)器電路時(shí)間計(jì)數(shù)電路組成結(jié)構(gòu)有秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器,分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器電路，秒個(gè)位，秒十位和分個(gè)位，分十位均60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。1.3.3復(fù)位電路mcs-51單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳rst通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的s5p2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。上電復(fù)位：上電復(fù)位電路是種簡(jiǎn)單的復(fù)位電路，只要在rst復(fù)位引腳接一個(gè)電容到vcc，接一個(gè)電阻到地就可以了。上電復(fù)位是指在給系統(tǒng)上電時(shí)，復(fù)位電路通過(guò)電容加到rst復(fù)位引腳一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，這個(gè)

6、復(fù)位信號(hào)隨著vcc對(duì)電容的充電過(guò)程而回落，所以rst引腳復(fù)位的高電平維持時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復(fù)位，rst引腳的高電平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。 圖1.3.3-1 復(fù)位電路通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位。vcc的上升時(shí)間只要不超過(guò)1ms，自動(dòng)上電復(fù)位就可以實(shí)現(xiàn)。1.3.4 按鍵部分本次共用了五個(gè)按扭開(kāi)關(guān)作為鍵盤，調(diào)整時(shí)間和設(shè)置狀態(tài)。圖1.3.4-1 按鍵電路1.3.5電源電路電源電路是指提供給用電設(shè)備電力供應(yīng)的電源部分的電路設(shè)計(jì)，使用的電路形式和特點(diǎn)。電源有交流電源也有直流電源。直流電源電路分為開(kāi)關(guān)電源和非開(kāi)關(guān)電源兩種形式，電路也大不相同。圖1.3.5-

7、1 電源電路1.4 at89c51單片機(jī)at89c51單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)很小的集成電路芯片上。按功能劃分，它由微處理器（cpu）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram)、程序存儲(chǔ)器(rom)、并行i/o口(4個(gè)8位i/o口)、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器等功能部件組成。at89c51單片機(jī)內(nèi)的幾個(gè)部件包含有：l 一個(gè)8位cpu；l 一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路；l 4k字節(jié)rom程序存儲(chǔ)器；l 128字節(jié)ram數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；l 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；l 可尋址64k外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64k外部程序存儲(chǔ)器空間的控制電路；l 32條可編程的i/o線（四個(gè)8位并行

8、i/o端口）；l 一個(gè)可編程全雙工串行口；l 具有五個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)。它們都是通過(guò)片內(nèi)單一的總線連接成的，是cpu微處理器加上外圍芯片的傳統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模式。但是他采用特殊功能寄存器的集中控制方式對(duì)各種功能部件進(jìn)行的控制，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。圖1.4-1 at89c51單片機(jī)結(jié)構(gòu)此次采用的是pdip封裝40管腳的單片機(jī)，各引腳如圖所示。40個(gè)引腳中， 4組8位共32個(gè)i/o口，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根。圖1.4-2 引腳圖vcc(40引腳)： 接+5v電源。ea(31引腳)： 外部程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許選擇端。ale(30引腳)： 低8位地址鎖存允許信號(hào)端。psen

9、(29引腳)：讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)端。gnd(20引腳)： 接地。xtal1(19引腳)： 片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器電路的輸入端。xtal2(18引腳)： 片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸出端。rst(9引腳)： 復(fù)位引腳，高電平有效。p0口：漏極開(kāi)路的8位雙向i/o口，名稱為p0.0p0.7。p1口：8位準(zhǔn)雙向i/o口，具有內(nèi)部上拉電阻，名稱為p1.0p1.7。p2口：8位準(zhǔn)雙向i/o口，具有內(nèi)部上拉電阻, 名稱為p2.0p2.7。p3口：8位準(zhǔn)雙向i/o口，具有內(nèi)部上拉電阻, 名稱為p3.0p3.7。mcs-51是一個(gè)多中斷源的單片機(jī)，具有5個(gè)中斷源和2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。中斷源分別是外部

10、中斷兩個(gè)，定時(shí)中斷兩個(gè)和串行中斷一個(gè)。u 外中斷由外部原因引起的中斷是外中斷，共有兩個(gè)中斷源，外部中斷0和外部中斷1，中斷請(qǐng)求信號(hào)分別由引腳int0和int1引入。外部中斷請(qǐng)求有電平方式和脈沖方式兩種信號(hào)方式。u 定時(shí)中斷為滿足定時(shí)或計(jì)數(shù)的需要而設(shè)置的中斷即定時(shí)中斷，片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器， 具有四種工作方式，分別是方式0、方式1、方式2、方式3。當(dāng)程序進(jìn)入中斷服務(wù)后，標(biāo)志位都可以由硬件清0。但是實(shí)際運(yùn)行中，中斷服務(wù)程序必須判定是否是tf2 或exf2激活中斷，標(biāo)志位也必須由軟件清0。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器提供給用戶使用的有：八位計(jì)數(shù)器th和tl，以及有關(guān)的控制位。u 串行中斷為串行數(shù)據(jù)傳送

11、的需要而設(shè)置的中斷即串行中斷。1個(gè)全雙工的串行口有四種工作方式，可用來(lái)進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行i/o口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。中斷控制是指提供給用戶使用的中斷控制手段，實(shí)際上就是一些專用寄存器。在mcs-51單片機(jī)中，用于此目的的控制寄存器共有四個(gè)，即定時(shí)器控制寄存器、中斷優(yōu)先控制寄存器。中斷允許控制寄存器、以及串行口控制寄存器。l 定時(shí)器控制寄存器（tcon） 保存外部中斷請(qǐng)求和定時(shí)器的計(jì)數(shù)溢出的寄存器即為定時(shí)寄存器。寄存器的地址為88h，位地址是8fh88h。寄存器的內(nèi)容和地址如表1.4-1所示： 表1.4-1 定時(shí)器控制寄存器位地址8f8e8d

12、8c8b8a8988位符號(hào)tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0 此寄存器既有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制功能又有中斷控制功能，其中與中斷有關(guān)的控制位共六位：ie0和ie1 、it0和it1 以及tf0和tf1 。l 中斷允許控制寄存器（ie）寄存器地址為a8h，位地址是afha8h。寄存器的內(nèi)容和地址如表1.4-2所示： 表1.4-2 中斷允許控制寄存器位地址afaeadacabaaa9a8位符號(hào)eaeset1ex1et0ex0這其中與中斷有關(guān)的控制位共六位，分別是ea、ex0和ex1 、et0和et1 、es。中斷允許控制位=1,允許中斷；中斷允許控制位=0,禁止中斷；l 中斷優(yōu)先級(jí)控制

13、寄存器（ip）mcs-51中各中斷源的優(yōu)先級(jí)由優(yōu)先寄存器（ip）進(jìn)行設(shè)定，其中斷優(yōu)先級(jí)控制只定義了高、低兩個(gè)級(jí)。ip寄存器地址為b8h，位地址是bfhb8h。寄存器的內(nèi)容和地址如表1.4-3所示： 表1.4-3 中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器的功能位地址bfbebdbcbbbab9b8位符號(hào)pspt1px1pt0px0ps 串行中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)定位pt1 定時(shí)中斷1優(yōu)先級(jí)的設(shè)定位px1 外部中斷1優(yōu)先級(jí)的設(shè)定位pt0 定時(shí)中斷0優(yōu)先級(jí)的設(shè)定位px0 外部中斷0優(yōu)先級(jí)的設(shè)定位其中為0的位優(yōu)先級(jí)為低；為1的位優(yōu)先級(jí)為高。l 中斷響應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)查詢到有效的中斷請(qǐng)求時(shí)，接著就進(jìn)行中斷響應(yīng)。中斷響應(yīng)主要是由硬件自動(dòng)生成

14、一條格式為lcall addr16的長(zhǎng)調(diào)用指令， addr16是程序存儲(chǔ)器中斷區(qū)中相應(yīng)中斷的入口地址。在mcs-51單片機(jī)中入口地址是由系統(tǒng)設(shè)定好了。2軟件設(shè)計(jì)2.1軟件設(shè)計(jì)流程圖軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2.1-1。開(kāi)始初始化程序讀日歷、時(shí)間將時(shí)間、日歷分離顯示子程序播報(bào)子程序結(jié)束圖2.1-1 流程圖2.2系統(tǒng)圖顯示程序包含三個(gè)方面的數(shù)據(jù)顯示主要是日期時(shí)間、第一頁(yè)數(shù)據(jù)的顯示、第二頁(yè)數(shù)據(jù)的顯示。mcu控制芯片at89c51復(fù)位時(shí)間設(shè)置led顯示圖2.2-1 顯示程序流程2.3 軟件流程：數(shù)字鐘的軟件流程可分為以下幾個(gè)功能模塊：主程序:進(jìn)行初始化和按鍵監(jiān)控；計(jì)時(shí)子程序: 為定時(shí)器1中斷服務(wù)的子程序,他完

15、成刷新計(jì)時(shí)緩沖區(qū)的功能；時(shí)間設(shè)置: 由按鍵輸入數(shù)字，設(shè)置時(shí)間；顯示: 完成6位動(dòng)態(tài)顯示；2.4 中斷方式中需注意的問(wèn)題在中斷方式中，最好將定時(shí)器中斷的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高級(jí)，在程序數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性方面應(yīng)注意兩個(gè)問(wèn)題：第一，在低優(yōu)先級(jí)中斷響應(yīng)時(shí)，應(yīng)在入棧保護(hù)數(shù)據(jù)時(shí)禁止高優(yōu)先級(jí)的中斷響應(yīng)。第二，在入棧保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)后，對(duì)中斷程序執(zhí)行有影響的狀態(tài)位，寄存器，必須恢復(fù)到復(fù)位狀態(tài)的值。2.5 準(zhǔn)確定時(shí)的討論在程序中定時(shí)器一直處于運(yùn)行狀態(tài)，即是說(shuō)定時(shí)器是在進(jìn)行理想的運(yùn)作，中斷程序每隔0.1秒就要執(zhí)行一次，在理想狀態(tài)下，定時(shí)器定時(shí)是沒(méi)有系統(tǒng)誤差的，但是定時(shí)器中斷溢出后，定時(shí)器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到被重新置數(shù)，才開(kāi)始正確定

16、時(shí)，所以中斷溢出到中斷響應(yīng)，再?gòu)捻憫?yīng)到定時(shí)器被重新置數(shù)，這期間消耗的時(shí)間造成了定時(shí)器定時(shí)的誤差。如果在中斷程序的一開(kāi)始就給定時(shí)器置數(shù)，這樣誤差較小。如果數(shù)字鐘設(shè)計(jì)為查詢的方式或是在中斷的方式下將定時(shí)器中斷設(shè)置為最高級(jí)，在給系統(tǒng)定時(shí)值設(shè)置時(shí)，可以適當(dāng)?shù)目鄢?個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間值。但是如果在中斷的情況下，沒(méi)有將定時(shí)器中斷設(shè)置為最高級(jí)，那就要看中斷程序的大小，在定時(shí)值設(shè)置時(shí)，就應(yīng)扣除相應(yīng)的時(shí)間值。2.6 軟件消抖此系統(tǒng)可以采用軟件的方式來(lái)消除抖動(dòng)。軟件消抖有兩種方式，分別是定時(shí)器定時(shí)和利用延時(shí)子程序。n 定時(shí)器定時(shí)消抖可設(shè)置標(biāo)志位，在定時(shí)器中斷中將其置位，在程序中查詢。將其中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為低于時(shí)鐘的定

17、時(shí)中斷，這樣它就可以完全不影響時(shí)鐘定時(shí)，也不影響顯示模塊掃描速度。n 在采用延時(shí)子程序時(shí)，如果顯示模塊的掃描速度不是很快，這時(shí)可能會(huì)影響到其顯示的效果，但是在一般情況下，每秒鐘的掃描次數(shù)應(yīng)大于等于50次，否則，數(shù)碼的顯示就會(huì)出現(xiàn)閃爍的情況。因此，延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間應(yīng)該小于20毫秒，但是如果采用的是定時(shí)器定時(shí)的方式，延時(shí)時(shí)間就不影響時(shí)鐘。如果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用的是中斷的方式來(lái)完成相關(guān)操作，那么就可以采用軟件的方式來(lái)消抖，其中中斷不能連續(xù)執(zhí)行，兩次中斷之間有一定的時(shí)間間隔。3 結(jié)束語(yǔ)本次設(shè)計(jì)主要是以at89c51單片機(jī)為核心，制作一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘。在設(shè)計(jì)之中，進(jìn)一步了解了單片機(jī)的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)過(guò)程中感受

18、到了單片機(jī)的重要性以及應(yīng)用范圍的廣泛。在老師同學(xué)的幫助下通過(guò)designer和keil軟件設(shè)計(jì)了此次的實(shí)驗(yàn)。在這次設(shè)計(jì)中，我發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題，在畫原理圖的時(shí)候?qū)υ骷皇煜?，不能靈活應(yīng)用designer軟件等。編寫程序也是一項(xiàng)很困難的事，由于對(duì)專業(yè)知識(shí)的遺忘和部分知識(shí)的不理解，在編程方面存在著很多的問(wèn)題。本次的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)，也讓我知道了溫度對(duì)系統(tǒng)的影響很大，在以后的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意溫度的變化對(duì)系統(tǒng)的影響。經(jīng)過(guò)這次單片機(jī)的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓我回顧了很多知識(shí)專業(yè)，更進(jìn)一步加深了對(duì)at89c51單片機(jī)的掌握，同時(shí)也鞏固了我的編程思想。當(dāng)然在很大程度上提高了自己的獨(dú)立思考能力和動(dòng)手能力。在設(shè)計(jì)中感謝指導(dǎo)老師細(xì)心指導(dǎo)，也感謝和我一起作此課程設(shè)計(jì)的同學(xué)，感謝你們對(duì)我的支持！參考文獻(xiàn)1 胡乾斌 李光斌 李玲 喻紅. 單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用. 華中科技大