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论文方法大全-基于单片机的六位数字电子钟的设计
时间:2021-05-05 16:15:52

  本设计主要基于AT89C51单片机,使用DS1302时钟芯片来显示电子数字时钟。使用8位LED数码管分别显示“时”“分”“秒”,可将时间通过数字清晰显示。其控制系统设计硬件结构简单,计时的基本功能则运用编程应用程序设计来实现。系统硬件使用Proteus平台与kill5进行模拟仿真实验验证与程序编写,验证整体方案的可行性。经过验证,本设计的数字时钟显示时间精度高,计时效果可靠,稳定性强,容易读数。同时拥有精确校正,使用方便,运行简单的特性。

  传统的机械式时钟通常由齿轮、发条、螺钉、转轴、飞轮等传动系统和蓄力系统组成。其即使是发展到了近代,机械式时钟的误差仍然太大,24h的运转周期就会出现10min左右的计数误差。而到了近代纯机械时钟更是沦为工艺品与装饰,其系统的可靠性与功能性严重不足。同时其制造成本高,对环境要求严格,维修保养成本大,不太适宜目前的社会发展形式。

  与数字电子钟相对于其他如发条机械时钟等钟表计时器而言,使用了更多的电子元器件,比较纯机械式的计时器的大机芯、储能能力差、长时间运转偏时的问题拥有了质一样的飞跃,不仅拥有小体积、轻质量、可适用于大部分环境因素下且计时,重量轻,抗环境干扰能力强,计时精度高等特点,同时整体系统的使用寿命也更长,更加符合人们对于计时要求的直观态度。

  数字电子钟在目前的人类社会中诸多领域取得了非常广泛的运用。现阶段大部分计时器若是需要达到高精度低成本的前提,一般方案采用音叉型石英谐振器。其具有体积适当,逆环境性能好、性强、谐振频率范围大,最低可至32.768kHz。因此,市面上绝大多数电子钟继承了其优点,表现形式出以下特征:整体系统在没有外界强干扰的环境下,长时间运转的计时误差更小,系统整体向外输出信息读数更加方便,使用逻辑,操作逻辑更符合人体直觉,使人们对该装置的使用更简易,且在初始校对时间及功能设置后无需后期经常调试等优点。

  数字式的电子钟表使用集成电路系统之间的配合完成计时、计算、数值储存、功能储存、及信息输出的功能。将传统的机械的齿轮啮合传动配比模式的时分秒进制改为译码器直接输出,使得系统在长期运转中不用考虑能源储备情况逐级递减的前提下而导致的动力输出误差与系统长期运行中的磨损导致的功能性失效与功能偏差。而传统钟表的时分秒的指针系统与星期的转盘系统显示系统被LED显示整体替代,减少了系统内的整体复杂程度,降低了成本。这种数字电子表不仅减少传统钟表计时的误差,而且不用手动调时,可自动展示时刻,亦可实现自动去矫正,灵活性较好。

  我将学过的单片机电子集成电路的基础知识和目前所掌握的单片机程序设计知识有机的地结合了起来,以c语言为基础,51单片机为载体,pc模拟仿真软件为实验环境与测试环境的基础上,通过系统化、模组化、现代化、面向过程为导向的编程思路实现了程序的模块化自由组合,将原本内部代码复杂而功能单一没有拓展性的电子时钟程序逐步拆分,保留总线主体情况下变成一个以基础功能为骨干,附加功能为枝叶的多小程序的集群设计。这种设计可以使整体软件环境在面对不同的操作需求与不同环境需求时可以任意增加或删除某些功能,达到或是更多功能适应面更广或是节省能耗的基于单片机开发的6位数字显示电子钟,从而使得设计既清楚又简单明了。

  1.2国内外研究现状

  我国在近40年的改革开放环境下,国家的民生环境越发改善,科技的发展日新月异,现在的中国已经是全球第二大经济体。于此同时,中国国内的研发水平,科技实力也是日益进步,涌现出了一大批拥有自身研究实力与技术门槛的国营或民营科技企业。但面对着越发开放的市场环境和越发激烈迅速的同类型产品的竞争,使得国内的以技术为导向型的公司如雨后春笋般涌出。这种较量存在于方方面面各行各业,电子产品的改革也是其中一个,相较于前些年的只有国营企业制作产品与只有国家出具整体的技术标准与解决方案的环境,现在的电子产品也更是百花齐放,大家都在保证整体基础功能相同的情况下做出自己的品牌与技术特色,发挥差异化竞争思路,在功能性、技术门槛、经济性、适用范围等方方面面做出差异化产品,使得整个市场环境日新月异的同时,也催生出了更多更全面的不同产品。

  而针对民生、社会发展,人群工作,交通系统等环境的功能需求,当代社会对高精度低成本、易普及的计时工具需求愈发巨大。不管是乘坐交通工具、日常起居安排、工作衔接与整体效率的方方面面,人们对时钟或手表的需求是从来不会缺失的,而对其的态度已经从当年的三转一响般的稀罕物件转变为现在人手一只了。在这样庞大的一个市场环境下就注定需要一个稳定、易用、高性价比的计时工具出现。

  而自从单片机出现以来,在行业标准不断进步,生产的换进及生产工艺逐步进步的前提下,已经从当年的昂贵进口变成了可以完全自我产出自我制造的产品。于是,单片就的价格近年来愈发便宜,但低廉的价格没有损失单片机的稳定性与功能性。于市其凭借低廉的价格、稳定的运行、足够的性能,迅速受到电子行业整体的热切关注和重用。

  它还有其他的优点,比如与不同的模块相组合可以得到不同的功能性,无论是单片机处于整个控制系统的中心作为中心处理器还是处于系统末端和小型输出系统搭配作为的执行者角色等种种功能环境下,它都可以很好的完成人们对于它的要求与任务。同时单片机的编程简单,直接使用c语言就可以对其做出功能设计与程序预制,且单片机的结构简单,制造制程也相对较大,在小型的性能需求下对环境、散热、温度等要求较低,适用范围与工作环境广泛。所以说单片机的发展潜力较大,可灵活变化,开发要求低,执行误差小,抗环境干扰性强,价格低廉,适用范围广。因为随着时代的发展与进步,人们对于时间的把控更为精准,时间观念变得更强,故社会需求中对时钟系统的要求也更高了。在此需求环境下的种种计时器方案层出不穷,而数字电子钟更是个中楚翘。市场上普遍存在的数字电子集成时钟大多由显示器,分频器,和振荡器组成。由于市场需求大且技术逐步成熟,目前已有成品的集成电路及芯片出现在公众采购范围内。目前,数字时钟人类社会文明的发展中不可或缺的组成成分。

  相较于市场上的成熟方案,本次设计,能够做到运行原理的透明化、可视化,使整体的运行思路、功能拓展更符合时代特征。对于人们而言,此类设计可以从成本上与系统稳定性上完美的符合功能需求,且相较于市面常规的使用全硬件电路的方案,本设计从根本上减少了电子元器件的使用规模与优选了电子元器件的种类型号。在不改变功能性的前提下规避了其硬件结构繁复、系统内耗高等劣势,将全硬件电路改为集成化设计,在降低功耗与简化结构的同时也实现了模块化的改进,可以根据不同的使用需求自行进行功能上的增删与模块的不同搭配与不同组合,以便适应不同的使用环境。

  1.3设计任务

  单片机是本设计的基础平台及基础硬件环境,在单片机的基础上选择At 89 c51作为整个设计的主导基础器件去调节查检,此选择的优势在于51单片机目前工艺愈发成熟且国内有自主制造的成品生产线,同时整体的生态环境与适用范围比其他单片机更为广泛,拥有着低能耗高性能的特点。使用c语言作为基础编程语言,拥有着直观、翻译效率高、适用范围大且配套环境体系简单的特点,可以说使除了汇编语言以外最为高效的语言体系,能够做出完善的功能同时提升运行效率并降低整体系统的响应时间与能量损耗。使用Proteus软件完成模拟电路板的设计且完成仿真运行效果的展示,节省了在研发过程中不必要的硬件损失与经济损失,同时使人对整体系统的运行状态把控更为完善,对程序的运行状态更为直观。使用LED数码管显示时分秒,此选择的优势在与相对于传统的指针机芯,led数码管的运行效率更高,响应速度更快,功耗更低,故障率更低的特点,且在弱光环境下拥有更好的信息输出环境。

  2.设计方案

  2.1基本功能

  (1)计时器功能:使用led矩阵的三种数码管形式模拟数字,分别使用三组led数字显示呈现出小时、分、秒的数字以达到人机交互的效果。

  (2)自动调时功能:而且可以准确校正时间且当系统连接计算机时会根据计算机的本地时间自动进行系统内部的时间矫正,从而达到系统时间与国际通用时间的一致性与准确性。

  (3)时间调整与闹钟设置:具有方便、简单、快捷的的时间调校功能与定时提醒的功能,该功能操作逻辑简单,操作方法易学易用,没有任何门槛。

  2.2系统结构极其流程模块

  系统结构分析图

  系统的结构框图如上图所示。

  AT89C51是整个设计系统的中心,因为它可以控制针脚输出输出,改变LED数码管的显示状态,从而改变整体系统的对信息输出,使人们可观测的读数效果随之修正,并实现时间矫对功能。通过按键电路模块可调节时分秒。而系统中的计时模块选择有很多,从纯硬件式电路到软硬结合的方法中,我挑选出来时钟芯片DS1302和32.768KHz晶振。使用此模块的计时效果稳定度高,可自动精准校正计时精度。[14]系统中复位电路模块作用在于出现错误或需求时,将整体系统回归最初预设数值,清空计数器,其可以通过上电后的自动清零复位或用户主动触发强制复位两种触发方式并保持整体系统的稳定运行。

  2.3 89C51的选择

  AT89C51是一种C M O S 8位微处理器。它的特点是可以携带4K字节的flash存储器且能在低电压的条件下实现较高的性能。它起源于一次自针对atmel企业所需求的设计。拥有着超高数据密度与非易失性,且兼容mcs-51的指令集与针脚输出定义。

  本方案中单片机的存储器拥有1000次反复进行只读擦除寿命。该器件的单片机制造工艺采用了atmel的高密度非易失闪速存储器技术[9],故其是一种非常能效比高、适用范围广的嵌入式微控器。而at89c051作为一种改进和精简版本,其为很多想要嵌入式控制和管理系统的用户降低了制造与采购成本,实现了方案组合的灵活性与便宜方便,提供了适应现代化市场需求的解决方案。其结构如下图所示:

  图.AT89C51外形

  AT89C51的主要功能和特性有:

  1、完美兼容MCS-51单片机的指令集;

  2、拥有4K字节的可编程FLASH应用程序存储器;

  3、拥有1000写/擦循环的额定功能寿命;

  4、10年的可保存的数据有效期;

  5、全静态工作:0Hz-24MHz;

  6、三级应用程序存储器锁定;

  7、128×8位内部RAM;

  8、32可编程的I/O线;

  9、5个18位中断源;

  10、可编程串行控制通道。

  3.系统硬件及硬件电路设计

  3.1.DS1302芯片

  它拥有不俗的性能,在不会损耗大量功率的前提下,做到了集成RAM,能够针对人们的计时要求去显示年月日分秒、星期礼拜等,且去实施相应的计时操作。

  低成本功耗高性能是DS1302的特点之一,它可以通过简单的实时同步复位串行并列通信联络模式与所有通用单片式主机设备之间进行实时同步通信联络,且只至少需要三根简单的同步i/o线,即一个同步复位串行并列复位(rst)、i/o数据线和一个新的同步复位串列并行时钟(sclk).

  DS1302可以满足数字数字时钟的一切性能要求,并且,拥有两个独立的电源引脚(主电源,后备电源),使他在没有ups系统的前提下,处于断电的工作环境时仍然可以运转以保证整体计时系统的时间精度。

  为保证计算时间的速度和准确性,ds1302芯片通过简单的数字串行接口与单片机控制器进行了通信,其单片机的工作电压范围为2.5v~5.5v。

  ds1302具有很全的计时和运算功能。另外譬如ds1302芯片内部具有了可主动同时调整每月的运算天数和调整闰年的运算天数的自动计时功能,这可以使其更加的人工智能化,该芯片还同时提供了时分秒年月日的信息,时钟控制人员可通过一个am/pm的计时指示器来决定是否采用24或12小时制,本次计时系统只采取了其中的时、分、秒自动计时的功能。

  时钟芯片的连接方式如图所示:外置电源接vcc1针脚,单片机p2.0收引脚链接芯片的rst引脚(复位/片选信号)相连接;单片机的引角p2.1连接芯片的时间端口rcslk引脚;芯片的i/o输出端口的引脚电路主要是把单片机的p2.2引脚与芯片的i/o引脚连接而成。[13]

  3.2.按键电路

  按键电路在任何有关于时钟的设计中都是必不可少的,因只有按键电路才可以方便直观的进行调试,当仿真开始进行后,数码管展现当前时间,当鼠标按键置于"移位"时可以在时分秒之间切换,和"加""减"分别可对时分秒进行调节。

  开始仿真后,计数器开始计时,再通过cpu调节针脚输出使得LED灯管组合发光从而展示当前时间。如果用户将开关按钮调整至“清零”位置时,触发系统内的复位电路,系统状态及计时器状态回归初始状态,计数器内容清零,led灯管组合表现出的电子时钟内容复位,再使数码管重新显示时间。如果用户将开关按钮调整至“移位”时,触发系统内预制的调试系统,计数器停止计数,使光标在时分秒之间切换,通过功能按钮“加”“减”,分别可对系统计时器内的时、分、秒的内容进行增删,并使led灯管随之进行调节。

  调时功能应用程序的基本设计操作逻辑为:先按下计时器按键,进行按键时常判断,如果是小于1s的按键时间,则时钟控制器继续运作,到达数码管不显示:否则进入调节时钟状态,计时器按键停止运转,计时器进入调分的状态,等待用户手动操作,此时若用户再次按下按钮时,若按键时长小于0.5s.则增加计时器中1min的时间长度并显示在led上。若按键时长大于0.5s,系统进入小时调整的状态,若按键时长小于0.5s.则增加计时器中1h的时间长度并显示在led上在,若计时器按键时长大于0.5s时,就脱离调整的状态。

  3.3 LED数码显示电路

  LED,为发光二极管的英文缩写。它是一种单方向的,能将系统内高低电平的电信号变化通过光信号的形式表现出来的基础电子元器件。led是一种低能耗、高亮度、低发热、快速响应等特点的常用的发光电子器件,其由各种化合物组成形状不一,颜色不一、参数不一但根本原理相同。而此次系统中,我们使用由7个LED小灯管,所构成的八字形显示矩阵,就是通常所说的数码管。

  对于显示器而言,在整个时钟系统中向外输送了目前系统的运行情况,同时具有人机交互的功能。赋予了实时向外输出信息、显示系统状态、展现系统功能。由于半导体的基本特性与电路的制造原理,我们可以在系统中针对led矩阵进行整体控制以显示时间,也可以针对每个led灯管进行独立运转,以显示更多的信息量。

  Led矩阵是使用7个led灯管线段组建为一个8字型。当系统需要它对外发送信息时,就可以立刻的疏通二极管,从而有效的让它被点亮。

  如图,数码管有两个com(公共端)为了有效地给每个带有发光源的二极管各增加一个电源驱动器的电压,它们有一个公共引脚,公共引脚之间一般总共有两种基本可以直接进行阴极连接的工作方法。

  1、共阴极接法:所谓共阴极接法是指在焊接过程中,将形成一个位数的8个led的负极整体焊接且整体接地,而此时的系统通过对每个led的正极部分的电平进行调整,用来决定每个二极管的发光与否与发光时间。因此阴极为公共端。

  2、共阳极接法:与共阴极法大致相同,不同之处在于是8个LED的阳极连接在一起,使阳极成为公共端,由阴极去控制小灯。

  如图所示的数码数字信号仿真显示控制电路,仿真显示控制器用6个共阳极的线性数码管,p 0口为段码型号线是显示数字信号的控制导线,其中ad0~ad7为段选,a8~a15为位选。数码管就是通过单片机控制led阵列的正极或负极而控制发光状态来呈现阿拉伯数字0~9的显示变化。在行业内,我们通常将板子上的6个数码管,叫做6位,而控制6位数码管的74LS138是的控制位。数码管里面的8个LED灯就是用来显示数字的数码管中的分段,而Po口就是来操控数码管的段的挑选,经过74 HC573去驱动它。

  3.4复位电路

  复位电路是一种重置电路状态与系统内部信息的设备,它就类似于对电脑进行重启的操作,这其中的操作原理相同,但只是其中一部分,简单来说就是其操作原理相同,但是启动原理和手段不同。若是电脑出现软件层面的bug而导致死机时,按下重启按钮之后,电脑断电并载入预设内同,将内部的系统及运行程序回到初始状态,单片机的复位逻辑也是如此。复位电路,是在必要时可以通过用户的主观意愿及场景需求,而去手动操作或使用程序内部的预制功能实现。依照程序或电路运转的需要自动地进行。所以当单片机正在运行时,先按下切换切换键,然后按下复位电路即可返回原来的状况,所以复位电路就是可以让单片机回到原来的状态,但是如果程序已经更改,而不是出现环境干扰的问题出现程序跑飞现象时,复位电路不会去更改已经切换好的时间。

  复位电路系统由电容串联电阻而构成,采用的设计方案使是上电按键复位电路。当用户主动将复位按键触发时,复位电路则会在RST端产出高电平,单片机的cpu与储存器就会进行复位与清零从而完成一次复位行为。

  故在本设计中,我们使用电阻为1k,电容取10uf,U1(rst)V为0.800034,使RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平来产生复位。[6]

  3.5震荡电路

  我们将一种电流的大小和方向都会周期性发生变化,且能产生振荡电流的电路称为振荡电路。

  而在现有市场上的众多振荡体中,石英晶体振荡器凭借其频率稳定的、功耗低性能高的特点远超过其他材料,故在本次实验中我们的振荡电路选择石英晶体振荡器作为基础振荡体。

  信号产生器也称为震荡电路,他的原理使通过材料本身的自由特性,将电能输入通过结构中的自耦与共振转化为由一定固定频率特征的一种能量转换装置,无需外加信号就能自动的将直流电流转换成,有一定频率,一定幅度的交流信号。

  AT89C51单片机的内部自带一个高增益反相放大器,这使我们不需要额外单独设计电子元器件作此作用,降低了功耗的同时减少了系统复杂的。在本次设计中,我们用它来构成振荡器,用以向整体系统输出一个固定频率、固定周期的电子信号,但若想让这个信号要形成时钟计时器特征,则依旧需要一些附加的电路的辅助配合[12]

  本设计采用内部时钟的方式,将整个系统的时钟系统内置在振荡电路中,从而省下配套的其他电路,减少了整体系统的复杂程度与制造成本。本次的振荡电路由两个完全相同的30PF的电容(将其称为C1,C2)及固有振荡频率为12MHZ的晶振组成。使该振荡系统配合c51单片机定时器进行协同工作,达到计时、校对、输出等功能,从而实现该单片机系统中整体系统内的准确计时。如图所示

  4.软件系统设计

  4.1单片机的使用情况

  调整功能选择键:P1.3口,当用户触发它,则切换选择,调整时还是调整分或者秒;调整时分秒:P1.1口,按一次使时分秒加1;:P1.2;按一次使时分秒减1;具体如下:

  (1)实现基本的走时间和显示时间的时、分、秒,仿真开始时,通过时钟芯片,自动自动连接电脑,显示电脑时间。

  (2)首先按下切换功能按键既第三个按键时就可以改变小时的时间,按下第一个按键时可使计时器系统增加一个小时,按下第二个按键时可使计时器系统减少一个小时

  (3)之后再次按下切换按键时,就可以改变分的数值,按下第一个按键时可使计时器系统增加一分钟,按下第二个按键时可使计时进行减一调节。

  (4)当第三次按下切换功能按键时可进入时间里的秒的调节状态,按下第一个按键时可使计时器系统增加一秒,按下第二个按键时可使计时器系统减少一秒。

  (5)当最后再按下切换功能按键,就可以回归时间显示状态。若调节过,便是调节好的状态,若没有,就是原显示状态。

  4.2软件系统的各个模块

  时钟系统里的软件设计主要采取下列几个基本模块来落实,其分别是:时钟计时主程序函数,时钟调整时对整个系统的定时中断程序,用来与用户进行io交互的按键程序模块、向外输出系统信息的时钟显示模块和用以系统内部进行程序功能的延时模块。

  主程序:主程序内置设定程序的初始值,在系统进行复位时提供原始数据,同时能够对子程序轻易进行调动和使用,且对调用或使用的结果进行基本校核避免bug,使得整个程序的执行顺序得到保证。

  按键程序模块:是使按键按下之后可以顺利的进行程序的运转,展示出相应的改变。

  时钟显示模块:用于显示正常走表的时间。

  延时信号处理模块:程序中可以调动延时的子程序,用来控制按键的取消抖动,全部数码显示完后再全部熄灭后再跳到第一个显示既数码管消影等

  4.3软件系统程序流图

  主程序流图如下图

  时间显示程序的流程图如下所示:

  4 Proteus仿真

  在目前没有国产的EDA软件的前提下,我们选择了Proteus软件

  该软件能够达成在没有实物单片机进行试验情况的前提下,通过对配置要求不高x86设备与Windows环境模拟出实物单片机的搭配组合与任意电子元器件的虚拟搭配。并且可以实时将正在进行的虚拟系统的运转情况与程序的实验效果进行全程或步进的可视化表现。目前该软件在电子制造业、教育业、电子爱好者等受众群体中得到了广泛运用,相关的论坛、bbs等社区环境也配套齐全,很多软件的使用问题及适用方法在互联网上有丰富的解决方案与解答。,妈的又卡了,你呢,想你该平台是目前唯一一个能够在同一时间变量下对各种嵌入式微处理器系统完成模拟、调试与软件设计测试的eda软件。

  首先,需要在pc环境下先建立一个编译单片机程序与和软件设计调试、烧录的基本环境。本次设计中我们采用keil5软件。它拥有着庞大的单片机芯片的支持库与丰富的拓展功能。

  仿真开始之后,使用调节按钮的不同组合,不同的按键时长搭配成功的实现了舔弄正时间、系统复位等预设功能,且led数码管的系统反馈响应及时迅速,输出的时间数据及时准确,同时也成功的正确的显示了电脑上的本地时间。由此证实了硬件搭配的正确性与程序编写的完善性,就此可以宣告整个仿真实验成功,本次的硬件设计与程序编写均达到了本次课题设计的目的。