哈工大數(shù)字日歷時鐘課程設計優(yōu)秀報告

1、Harbin Institute of Technology課程設計說明書（論文）課程名稱： 課程設計1 設計題目： 數(shù)字日歷鐘表的設計 院 系： 電信學院通信工程 班 級： 1105103 設 計 者： 學 號： 11105103 指導教師： 任廣輝 設計時間： 2014.3.25-2014.4.24 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學課程設計任務書 姓 名： 院 （系）：電信學院通信工程 專 業(yè)：通信工程 班 號：1105103 任務起至日期： 2014 年 3月 25 日至 2014 年3 月24 日 課程設計題目： 數(shù)字日歷鐘的設計 已知技術參數(shù)和設計要求：1 數(shù)碼管顯示：秒、分、時（可同時

2、顯示，也可輪換顯示）2 能夠設置時間，“設置按鍵”數(shù)量不限，以簡單合理易用為好。3 誤差：1秒天（報告中要論述分析是否滿足要求）擴展（優(yōu)秀必作）1 設置校準鍵：當數(shù)字鐘顯示在“整點±30秒”范圍時，按動“校準鍵”，數(shù)字鐘即刻被調整到整點，消除了±30秒的誤差。2 加上“星期”顯示（可以預置），并可以對其進行設置。 其他要求：1 按動員老師的要求、課程設計報告規(guī)范進行設計2 不允許使用時數(shù)字鐘表、日歷專用IC電路。3 可以使用通用器件：模擬、數(shù)字、單片機、EPLD、模塊電路等。4 設計方法不限。 工作量：1. 查找資料2. 設計論證方案3. 具體各個電路選擇、元器件選擇和數(shù)值

3、計算4. 具體說明各部分電路圖的工作原理5. 繪制電路原理圖6. 繪制印刷電路圖7. 元器件列表8. 編寫調試操作9. 打印論文 工作計劃安排：1. 查閱資料： 2. 方案論證3. 設計、分析、計算、模擬調試、仿真、設計原理4. 撰寫報告：課程設計要求、方案論證、原理論述（原理框圖、原理圖）、分析、計算、仿真，PCB圖的設計，誤差分析、總結，參考文獻等5. 上交課程設計論文2014-4-25 同組設計者及分工：A：主要負責查找資料、電路圖繪制、模擬調試、仿真、報告撰寫。B：主要負責查找資料、設計、分析、參數(shù)計算、以及程序編寫。 指導教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年

4、 月 日*注：此任務書由課程設計指導教師填寫數(shù)字日歷鐘表的設計摘要:單片機自20世紀70年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關注，應用很廣、發(fā)展很快。單片機體積小、重量輕、抗干擾能力強、環(huán)境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易。由于具有上述優(yōu)點，在我國，單片機已廣泛地應用在工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機電一體化設備等各個方面，而51單片機是各單片機中最為典型和最有代表性的一種。這次課程設計通過對它的學習、應用，以AT89S51芯片為核心，輔以必要的電路，設計了一個簡易的電子時鐘，它由4.5V直流電源供電，通過數(shù)碼管能夠準確顯示時間

5、，調整時間，從而到達學習、設計、開發(fā)軟、硬件的能力。關鍵字：數(shù)字電子鐘、單片機、數(shù)碼管Abstract: Single-chip microcomputer was paid attention by people from 1970s because of its high quality with low price. It has been developed and used well. It has various advantages, such as small volume, low weight, outstanding immunity from interference,

6、 cheap price, high reliability and flexibility. Until now, single chip has been applied in industry automation control, automatic detection, intelligent instrument, household appliances, and other electrical and electronic devices. MCS-51 single chip is one of the most typical single chips. In this

7、course design, MCS-51 single chip is used as the core component to assemble a simple digital clock. This clock, powered by 4.5V DC supply, can display and adjust time trough nixie tube. From designing, we can efficiently improve the ability of developing software and hardware. Keywords: Digital cloc

8、k, Single chip, Nixie tube一、課程設計目標1. 數(shù)碼管顯示：秒、分、時2. 能夠設置時間，“設置按鍵”數(shù)量不限，以簡單合理易用為好。3. 誤差：1秒天4. 設置校準鍵：當數(shù)字鐘顯示在“整點±30秒”范圍時，按動“校準鍵”，數(shù)字鐘即刻被調整到整點，消除了±30秒的誤差。5 加上“星期”顯示，并可以對其進行設置二、方案論證與比較2.1數(shù)字時鐘方案數(shù)字時鐘是本設計的最主要的部分。根據(jù)需要，可利用兩種方案實現(xiàn)。方案一：本方案采用Dallas公司的專用時鐘芯片DS12887A。該芯片內部采用石英晶體振蕩器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完備的時鐘鬧鐘功

9、能，因此，可直接對其以用于顯示或設置，使得軟件編程相對簡單。為保證時鐘在電網(wǎng)電壓不足或突然掉電等突發(fā)情況下仍能正常工作，芯片內部包含鋰電池。當電網(wǎng)電壓不足或突然掉電時，系統(tǒng)自動轉換到內部鋰電池供電系統(tǒng)。而且即使系統(tǒng)不上電，程序不執(zhí)行時，鋰電池也能保證芯片的正常運行，以備隨時提供正確的時間。方案二：本方案完全用軟件實現(xiàn)數(shù)字時鐘。原理為：在單片機內部存儲器設三個字節(jié)分別存放時鐘的時、分、秒信息。利用定時器與軟件結合實現(xiàn)1秒定時中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲器內相應的秒值加1；若秒值達到60，則將其清零，并將相應的分字節(jié)值加1；若分值達到60，則清零分字節(jié)，并將時字節(jié)值加1；若時值達到24，則將十字節(jié)清

10、零。該方案具有硬件電路簡單的特點。但由于每次執(zhí)行程序時，定時器都要重新賦初值，所以該時鐘精度不高。而且，由于是軟件實現(xiàn)，當單片機不上電，程序不執(zhí)行時，時鐘將不工作?；谟布娐返目紤]，本設計采用方案二完成數(shù)字時鐘的功能。2.2 數(shù)碼管顯示方案方案一：靜態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示某一字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止。該方式每一位都需要一個8 位輸出口控制。靜態(tài)顯示時較小的電流能獲得較高的亮度，且字符不閃爍。但當所顯示的位數(shù)較多時，靜態(tài)顯示所需的I/O口太多，造成了資源的浪費。方案二：動態(tài)顯示。所謂動態(tài)顯示就是一位一位的輪流點亮各個位，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一

11、次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導通電流有關，也于點亮時間與間隔時間的比例有關。調整參數(shù)可以實現(xiàn)較高穩(wěn)定度的顯示。動態(tài)顯示節(jié)省了I/O口，降低了能耗。從節(jié)省I/O口和降低能耗出發(fā)，本設計采用方案二。三、系統(tǒng)總體設計計時方案利用AT89S51單片機內部的定時/計數(shù)器進行中斷時，配合軟件延時實現(xiàn)時、分、秒的計時。該方案節(jié)省硬件成本，且能使讀者在定時/計數(shù)器的使用、中斷及程序設計方面得到鍛煉與提高，對單片機的指令系統(tǒng)能有更深入的了解，從而對學好單片機技術這門課程起到一定的作用?？刂品桨窤T89S51的P0口和P2口外接由八個LED數(shù)碼

12、管(LED8LED1)構成的顯示器，用P0口作LED的段碼輸出口，P2口作八個LED數(shù)碼管的位控輸出線，P1口外接四個按鍵A、B、C構成鍵盤電路。AT89S51 是一種低功耗，高性能的CMOS 8位微型計算機。它帶有8K Flash 可編程和擦除的只讀存儲器（EPROM），該器件采用ATMEL的高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)上標準的80C51和80C52的指令系統(tǒng)及引腳兼容，片內Flash 集成在一個芯片上，可用與解決復雜的問題，且成本較低。簡易電子鐘的功能不復雜，采用其現(xiàn)有的I/O便可完成，所以本設計中采用此的設計方案。總體設計分析利用單片機（AT89S51）制作簡易電子時鐘，由六個L

13、ED數(shù)碼管分別顯示小時十位、小時個位、分鐘十位、分鐘個位、秒鐘十位、秒鐘個位。結合本設計實驗來說，要求顯示的時間為時，分，秒，并且都用兩位數(shù)碼管來實現(xiàn)顯示。因此，具體設計程序時，應盡可能多用一些子程序與數(shù)據(jù)暫寄存器單元。本程序設計中，在主程序之外，可以設置時間值處理子程序，時間值顯示前的處理子程序，按鍵情況掃描子程序，1S定時中斷子程序以及5ms延時消除按鍵抖動子程序等多個小型的子程序。另外，可以設置一些數(shù)據(jù)單元作為數(shù)據(jù)寄存器。用28H，2AH,2BH和2CH地址單元分別作為顯示位數(shù)的掃描指針值寄存器，時寄存器，分寄存器和秒寄存器，再用20H地址單元作為顯示寄存器 圖1總體系統(tǒng)框圖四、具體模塊

14、分析AT89S51芯片 選用的AT89S51與同系列的AT89C51在功能上有明顯的提高，最突出是的可以實現(xiàn)在線的編程。用于實現(xiàn)系統(tǒng)的總的控制。其主要功能列舉如下：1、為一般控制應用的 8 位單片機2、晶片內部具有時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 33MHz）3、內部程式存儲器（ROM）為 4KB4、內部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）為 128B5、外部程序存儲器可擴充至 64KB6、外部數(shù)據(jù)存儲器可擴充至 64KB7、32 條雙向輸入輸出線，且每條均可以單獨做 I/O 的控制8、5 個中斷向量源9、2 組獨立的 16 位定時器10、1 個全雙工串行通信端口11、8751 及 8752 單芯片具有數(shù)據(jù)保

15、密的功能12、單芯片提供位邏輯運算指令圖2 AT89S51芯片74LS47芯片說明74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅動器， 74LS47的功能用于將BCD碼轉化成數(shù)碼塊中的數(shù)字,通過它解碼， 可以直接把數(shù)字轉換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字， 從而簡化了程序。圖3 74LS47芯片74LS47譯碼器原理：譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時賦予代碼的含義“翻譯”過來。實現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應關系。74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用。74LS138芯片工作原理：當一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/(G2A)和/(G2B)）

16、為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。作用：利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可級聯(lián)擴展成 24 線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯(lián)擴展成 32 線譯碼器。 若將選通端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時，74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器。圖4 74LS138芯片無論從邏輯圖還是功能表我們都可以看到74LS138的八個輸出引腳，任何時刻要么全為高電平1芯片處于不工作狀態(tài)，要么只有一個為低電平0，其余7個輸出引腳全為高電平1。如果出現(xiàn)兩個輸出引腳同時為0的情況，說明該芯片已經(jīng)損壞。71LS138有三個附加的控制端、和。當、時，輸出為高電平（S1），譯碼器處于工作狀

17、態(tài)。否則，譯碼器被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平，如表3.3.5所示。這三個控制端也叫做“片選”輸入端，利用片選的作用可以將多篇連接起來以擴展譯碼器的功能。3線-8線譯碼器74LS138的功能表晶振電路下圖所示為時鐘電路原理圖，在AT89S51芯片內部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。而在芯片內部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調電容，從而構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈沖信號。圖5 晶振電路復位電路單片機復位的條件是：必須使RST/VPD 或RST引（9）加上持續(xù)兩個機器

18、周期（即24個振蕩周期）的高電平。例如，若時鐘頻率為12 MHz，每機器周期為1s，則只需2s以上時間的高電平，在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機器周期執(zhí)行復位。單片機常見的復位如圖所示。電路為上電復位電路，它是利用電容充電來實現(xiàn)的。在接電瞬間，RESET端的電位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RESET的電位逐漸下降。只要保證RESET為高電平的時間大于兩個機器周期，便能正常復位。圖6 單片機復位電路數(shù)碼顯示模塊數(shù)碼管是一種把多個LED顯示段集成在一起的顯示設備。有兩種類型，一種是共陽型，一種是共陰型。共陽型就是把多個LED顯示段的陽極接在一起，又稱為公共端。共陰型就是把多個LED顯示段的

19、陰極接在一起，即為公共商。陽極即為二極管的正極，又稱為正極，陰極即為二極管的負極，又稱為負極。通常的數(shù)碼管又分為8段，即8個LED顯示段，這是為工程應用方便如設計的，分別為A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP 是小數(shù)點位段。數(shù)碼管顯示方法可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。靜態(tài)顯示就是數(shù)碼管的8段輸入及其公共端電平一直有效。動態(tài)顯示的原理是，各個數(shù)碼管的相同段連接在一起，共同占用8 位段引管線；每位數(shù)碼管的陽極連在一起組成公共端。本系統(tǒng)采用動態(tài)顯示方式，用P0口來控制LED數(shù)碼管的段控線，而用P2口來控制其位控線。動態(tài)顯示通常都是采用動態(tài)掃描的方法進行顯示，即循環(huán)點亮每一個數(shù)碼管，這樣雖然在任

20、何時刻都只有一位數(shù)碼管被點亮，但由于人眼存在視覺殘留效應，只要每位數(shù)碼管間隔時間足夠短，就可以給人以同時顯示的感覺。圖6 六位數(shù)碼管按鍵模塊時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器、時個位和時十位計數(shù)器及星期計數(shù)器電路構成，其中秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器，時個位和時十位計數(shù)器為24進制計數(shù)器。圖7 按鍵模塊電路五、系統(tǒng)電路原理圖與印制電路圖系統(tǒng)電路圖圖8 全部電路原理圖圖9 印刷電路圖六、控制系統(tǒng)的軟件設計基本的程序流程應該是：在主程序中檢測各個時間按鈕是否有動作若有，就儲存并修改相關的的時間寄存器的值，若沒有，就繼續(xù)檢測。在計時子程序中將各時間

21、寄存器的值逐個加1，每加一次就要檢查是否已超過顯示的上限值，這樣在后面就便于處理，在掃描顯示子程序中，將掃描位數(shù)指針與20H相加，從而得到相應的顯示數(shù)據(jù)；然后按照顯示的位數(shù)加顯示數(shù)就的格式，將數(shù)據(jù)從P1口輸出到數(shù)碼管上去顯示，當然還有定時中斷子程序，在這里，它實現(xiàn)計時1S的時間延時。七、系統(tǒng)仿真與實驗測試系統(tǒng)仿真運用proteus軟件進行仿真現(xiàn)在proteus軟件中建立一個新的文件，再根據(jù)自己的要求選擇所需的器件，把器件進行適當?shù)呐盼缓筮M行連接，連接后運行軟件進行仿真。圖10 Proteus軟件應用實驗測試電子時鐘主要的設計要求是能夠實現(xiàn)時鐘的一般功能，以及包括時間的調整功能，這個基于單片機的

22、電子時鐘基本上實現(xiàn)了上述功能，能夠通過時間調整電路對時間進行調整以及復位。下述為12：00：00的仿真圖： 圖11 12:00:00時刻的仿真效果圖誤差分析本次設計的單片機電子鐘系統(tǒng)中，其誤差主要來源包括晶體頻率誤差，定時器溢出誤差，延遲誤差。晶體頻率產(chǎn)生震蕩，容易產(chǎn)生走時誤差；定時器溢出的時間誤差，本應這一秒溢出，但卻在下一秒溢出，造成走時誤差；延遲時間過長或過短，都會造成與基準時間產(chǎn)生偏差，造成走時誤差。使用Keil軟件進行誤差分析，使用Debug進行調試，在計時整秒處設置斷點，計時1s 的平均時間誤差T=178us，可以通過調整計數(shù)初值來減小誤差。這樣，可以將1s的誤差調整為為9us，可

23、得一天的誤差為9×60×60×240.7776s1s，滿足預期設計要求。八、系統(tǒng)仿真與實驗測試元件名稱規(guī)格型號單位數(shù)量瓷片電容104只2電解電容10UF/16V只1電阻10k只4電阻4.7k只13芯片AT89S51片1芯片74LS47片1芯片74LS138片17段數(shù)碼管6位/共陰只1按鍵無自鎖只4無源晶振12M只1芯片座DIP40只1電池盒5V個2電路板9.55*5.664CM21附錄：源程序代碼ORG 00H；主程序起始地址JMP START；主程序STARTORG 0BH；定時器T0中斷起始地址JMP TIM0；定時器T0中斷子程序TIM0START: MOV

24、 SP；#70H；設置堆棧指針MOV 28H,#00；設置顯示位數(shù)掃描指針初值為0MOV 2AH,#12H；設置時鐘顯示寄存器初值為12HMOV 2BH,#00；設置分鐘顯示寄存器初值為00HMOV 2CH,#00；設置秒鐘顯示寄存器初值為00HMOV TMOD,#01H；設置定時器T0工作在方式1MOV TH0,#0F0H；定時4ms的初值，即0F060HMOV TL0,#60H；初值的低位MOV IE,#82H；定時器T0中斷允許MOV R4,#250；保證后面實現(xiàn)中斷250次，即1s的延時SETB TR0；啟動定時器T0LOOP: JB P0.0,N2；若秒沒有按鍵，就轉去下一步檢查分C

25、ALL DELAY；延時5ms消除抖動MOV A,2CH；將秒寄存器的值載入累加器A ADD A,#01H；A的內容加1DA A；十進制調整MOV 2CH,A；A 的值存入秒寄存器CJNE A,#60H,N1；看是否已經(jīng)是60秒，若不是就繼續(xù)檢查MOV 2CH,#00；已經(jīng)是60秒，就清空秒寄存器的值N1: JNB P0.0,$；秒按鍵還沒有放開就循環(huán)等待CALL DELAY；延時5ms，消除抖動N2: JB P0.1,N4；若分沒有按鍵，就轉去下一步檢查時鐘CALL DELAY；延時5ms，消除抖動MOV A,2BH；將分寄存器的值載入累加器AADD A,#01H；A的內容加1DA A；十進

26、制調整MOV 2BH,A；A的值存入分寄存器CJNE A,#60H,N3；看是否已經(jīng)是60分MOV 2BH,#00；已經(jīng)是60分，就清空秒寄存器的值N3: JNB P0.1,$；分按鍵還沒有放開就循環(huán)等待CALL DELAY；延時5ms，消除抖動N4: JB P0.2,LOOP；若時沒有按鍵，就轉回去繼續(xù)檢查看是否秒有按鍵CALL DELAY；延時5ms，消除抖動MOV A,2AH；將時寄存器的值載入累加器AADD A,#01H；A的內容加1DA A；十進制調整MOV 2AH,A；A的值存入時寄存器CJNE A,#24H,N5；看是否已經(jīng)是24時，若不是就繼續(xù)檢查MOV 2AH,#00；已經(jīng)是

27、24時，就清空寄存器的值N5: JNB P0.2,$；時鐘按鍵還沒有放開就循環(huán)等待CALL DELAY；延時5ms，消除抖動JMP LOOP；返回重新檢查看是否有按鍵;*定時器T0中斷子程序*TIM0: MOV TH0,#0F0H；定時初值重設MOV TL0,#60HPUSH ACC；將累加器A的值暫存于堆棧PUSH PSW；將PSW的值暫存于堆棧DJNZ R4,X2；計時中斷不滿1s就退出繼續(xù)中斷MOV R4,#250；計時1sCALL CLOCK；調用計時子程序CLOCKCALL DISP；調用顯示子程序DISPX2: CALL SCAN；調用掃描子程序SCADPOP PSW；到堆棧取回PSW的值POP ACC；到堆棧取回累加器ACC的值RETI；返回主程序；;*掃描子程序*SCAN: MOV R0,#28HINC R0;顯示位數(shù)掃描值加1CJNE R0,#6,X3;掃描位數(shù)不為6就準備控制輸出MOV R0,#0;掃描位數(shù)為6，就另其值為0X3:MOV A,R0;掃描位數(shù)載入AADD A,#20H;A加上20H（顯示寄存器地址）=各時間顯示區(qū)地址MOV R1,A;各時間顯示區(qū)地址存入AMOV A,R0;掃描位數(shù)存入ASWAP A;將A的高低4位交換（其高4位為掃描 ；的位數(shù)，低4位