单片机定时闹钟设计报告.doc
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1、湖北理工学院2011 2012学年 第 2 学期 单片机应用课程设计报告 教学院(部) 电气与电子信息工程学院 教 研 室 电气自动化 指 导 教 师 胡 蔷 陶 彪 课程设计时 间 2012.5.72012.5.11 课程设计班 级 电气工程及其自动化学 号 姓 名 同 组 人 课程设计任务书一、课程设计题目: 单片机应用 二、课程设计内容 1. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件,以单片机为核心器件,能独立而正确地进行方案论证和电路设计,要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整; 2. 熟悉、掌握各种外围接口电路芯片的工作原理和控制方法; 3. 熟练使用单片机汇编语言进行软件设计; 4
2、. 熟练使用Proteus、Keil软件进行仿真电路测试; 5. 熟练使用Protel软件设计印刷电路板; 6. 学会查阅有关参考资料和手册,并能正确选择有关元器件和参数; 7. 编写设计说明书,参考毕业设计论文格式撰写设计报告。三、进度安排1时间安排序 号内 容学时安排(天)1方案论证和总体设计12硬件设计测试13软件设计14仿真测试及PCB设计15答辩1合 计5设计指导地点:K2-406 DSP、EDA实验室四、基本要求(1)根据要求确定系统设计方案;(2)绘制系统框图、系统原理总图,印刷电路板图,列出元器件明细表;(3)计算电路参数和选择元器件,画出软件框图,列出程序清单;(4)仿真,测
3、试与修改调整;(5)误差分析与调整;(6)写出使用说明书;(7)对设计进行全面总结,写出课程设计报告。五、课程设计考核办法与成绩评定评定项目基本内涵分值设计过程考勤5分答 辩回答问题情况25分实物测试正常无故障运行20分设计报告完成设计任务、报告规范性等情况50分90100分:优;8089分:良;7079分:中;6069分,及格;60分以下:不及格六、课程设计参考资料1电气与电子信息工程学院.单片机实验指导书 2熊静琪.计算机控制技术.北京:电子工业出版社,2003.3黄忠霖.控制系统MATIAB计算及仿真.北京:国防工业出版社, 2004.4彭为等.单片机典型系统设计实例精讲. 北京:电子工
4、业出版社,20075王庆利等.单片机设计案例实践教程.北京:北京邮电大学出版社,20086韩志军等.单片机应用系统设计入门向导与设计实例.北京:机械工业出版社,20057皮大能等. 单片机课程设计指导书. 北京:北京理工大学出版社,2010指导教师: 陶彪 胡蔷 单片机应用 课程设计成绩评定表课程设计题目:课程设计答辩或质疑记录:1、单片机如何使显示器时钟走动? 答:单片机采用定时器1工作方式1,即16位定时器/计数器,并应用中断方式使时间走动。2、LED显示器是怎样显示数字的? 答:LED利用数码管的段选,使不同的段亮即代表着不同的数字。成绩评定依据:课程设计考勤情况(5):课程设计答辩情况
5、(25):完成设计任务及报告规范性(50):实物测试(20):最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)指导教师签字: 2012 年 5 月 20 日摘要本次课程设计是在单片机授课结束的情况下,通过老师的指导和小组同学的协助,独立自主的完成项目设计,我们小组选定的是定时闹钟的设计,下面简单阐述一下该项目的设计思路。利用动态数码管作为显示器,K20-K27作为输入按键,蜂鸣器作为声音输出制作一个定时闹钟。最后结果要求做到:1、正确显示时分。2、可以利用按钮调整时间和设定闹钟时间。3、当时间到达设定的闹钟时间时,蜂鸣器发出嘀、嘀、嘀的报警声。4、通过串口在PC上设定时间和闹钟。关键字:定时闹钟
6、 目录1 概述52主要硬件介绍及电路原理设计62.1 STC89C52RC单片机简要介绍72.2键盘和LED数码管显示器简介82.3主要电路原理与设计93 软件设计113.1 概述123.2 主模块的设计123.3 基本显示模块设计123.4 时间设定模块设计133.5 闹铃功能的实现144.PROTEUS软件仿真155课程设计体会17参考文献18附:程序清单191.概述本设计是定时闹钟的设计,由单片机AT89C51芯片和LED数码管为核心,辅以必要的电路,构成的一个单片机电子定时闹钟。定时闹钟设计可采用数字电路实现,也可以采用单片机来完成。定时闹钟是用数字集成电路构成的,用数码管显示“时”,
7、“分”,“秒”的现代计时装置。单片机具有集成度高、功能强、通用性好、特别是它能耗低、价格便宜、可靠性高、抗干扰能力强和使用方便等独特的优点,所以单片机现在广泛的应用到家用电器、机电产品、儿童玩具、机器人、办公自动化产品等领域。所以在该设计中采用单片机利用AT89C51,它是低功耗、高性能的CMOS型8位单片机。片内带有4KB的Flash存储器,且允许在系统内改写或用编程器编程。另外, AT89C51的指令系统和引脚与8051完全兼容,片内有128B 的RAM、32条I/O口线、2个16位定时计数器、5个中断源、一个全双工串行口等。AT89C51单片机结合七段显示器设计的简易定时闹铃时钟,可以设
8、置现在的时间及显示闹铃设置时间,若时间到则发出一阵声响,进步可以扩充控制电器的启停。设计内容包括了秒信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电源以及闹铃指示电路等几部分的设计。采用四个开关来控制定时闹钟的工作状态,分别为:K1、设置时间和闹钟的小时;K2、设置小时以及设置闹钟的开关;K3、设置分钟和闹钟的分钟;K4、设置完成退出。课设准备中根据具体的要求,查找资料,然后按要求根据已学过的时钟程序编写定时闹钟的程序,依据程序利用proteus软件进行了仿真试验,对出现的问题进行分析和反复修改源程序,最终得到正确并符合要求的结果。设计完成的定时闹钟达到课程设计的要求,在到达定时的时间便立即发出蜂鸣
9、声音,持续一分钟。显示采用的六位数码管电路,如果亮度感觉不够,可以通过提升电阻来调节,控制程序中延迟时间的长短,可以获得不同的效果。也可以改蜂鸣器为继电器,通过控制继电器从而进一步扩展的来控制一些家电开关。2.主要硬件介绍及电路原理设计2.1 STC89C52RC单片机简要介绍 在单片机应用系统中,单片机是整个系统的核心,对整个系统的信息输入、处理、信息输出进行控制。与单片机配套的有相应的复位电路、时钟电路以及扩展的存储器和IO接口,使单片机应用系统能够运行。 在一个单片机应用系统中,往往都会输入信息和显示信息,这就涉及键盘和显示器。在单片机应用系统中,一般都根据系统的要求配置相应的键盘和显示
10、器。配置键盘和显示器一般都没有统一的规定,有的系统功能复杂,需输入的信息和显示的信息量大,配置的键盘和显示器功能相对强大,而有些系统输入/输出的信息少,这时可能用几个按键和几个LED指示灯就可以进行处理了。在单片机应用系统在中配置的键盘可以是独立键盘,也可能是矩阵键盘。显示器可以是LED指示灯,也可以是LED数码管,也可以是LCD显示器,还可以使用CRT显示器。单片机应用系统中键盘一般用的比较多的是矩阵键盘,显示器用的比较多的是LED数码管还LCD显示器。2.2 键盘和LED数码管显示器简介键盘是单片机应用系统中最常用的输入设备,在单片机应用系统实现简单的人机通信。键盘实际上是一组按键开关的集
11、合,平时按键开关总是处于断开状态,当按下键时它才闭合。键盘的结构形式一般有两种:独立式键盘和矩阵式键盘。矩阵式键盘的工作方式有3种:查询工作方式、定时扫描工作方式和中断工作方式。LED数码管显示器在单片机应用系统中,经常用到LED数码管作为显示输出设备,LED数码管显示器虽然显示信息简单,但它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长、与单片机接口方便等特点,基本上能够满足单片机应用系统的需要,所以在单片机应用系统中经常用到。LED数码管显示器是由发光二极管按一定的结构组合起来的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的是8段式LED数码管显示器,它有共阴极和共阳极两种。所谓译码方式是指由显示字符转
12、换得到对应的字段码的方式。对于LED数码管显示器,通常的译码方式有两种:硬件译码方式和软件译码方式。LED数码管在显示时,通常有两种显示方式:静态显示方式和动态显示方式。在使用时可以把它们组合起来。在实际应用时,如果数码管个数较少,通常用硬件译码静态显示,在数码管个数较多时,则通常用软件译码动态显示。2.3主要电路原理设计(1)系统硬件电路的设计:电路是由控制部分和显示部分两大部分组成。利用单片机程序进行控制,单片机以晶体振荡器的振荡周期(或外部引入的时钟周期)为最小的时序单位,片内的各种微操作都以此周期为时序基准。振荡频率二分频后形成状态周期或称s周期,所以,1个状态周期包含有2个振荡周期。
13、振荡频率foscl2分频后形成机器周期MC。所以,1个机器周期包含有6个状态周期或12个振荡周期。1个到4个机器周期确定一条指令的执行时间,这个时间就是指令周期。AT89S52单片机指令系统中,各条指令的执行时间都在1个到4个机器周期之间。,并通过数码管进行显示单片机普遍采用锁相环技术,使单片机的时钟频率可由程序控制。锁相环允许用户在片外使用频率较低的晶振,可以很大地减小板级噪声;而且,由于时钟频率可由程序控制,系统时钟可以在一个很宽的范围内调整,总线频率往往能升得很高。但是,使用锁相环也会带来额外的功率消耗。 单就时钟方案来讲,使用外部晶振且不使用锁相环是功率消耗最小的一种。AT89S52单
14、片机的时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器,就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图所示。图中,电容器C01,C02起稳定振荡频率、快速起振的作用,其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值为12MH2,采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定,实用电路中使用较多。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路
15、如下图所示。如图所示:各模块分析:显示模块电路先通过电源电路送出+5V电压,单片机AT89S52通过74LS47和CD4515(416译码器)驱动数码管显示数值, 显示部分采用普通共阳极数码管显示,采用动态扫描,以减少硬件电路。考虑到一次扫描12位数码管显示时会出现闪烁情况,设计时分两排显示,一排显示时间和年月日,一排显示星期和温度, 共阳极数码管中8个发光二极管的阳极(二极管正端)连在一起。通常,公共阳极接高电平(一般接电源),其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输入端为低电平时,该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时,要求段驱动电路能吸收额定
16、的段导通电流,还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。采用动态显示方式,比较节省I/O口,硬件电路也较静态显示简单,但其亮度不如静态显示方式,而且在显示位数较多时,CPU要依次扫描,占用CPU较多时间。 为了提供共阳LED数码管的驱动电压,用三极管9012作电源驱动输出。采用12MHz晶振,有利于提高秒计时的精确性。三极管采用9012。数码管采用红色的共阳型LED数码管,亮度高些,因为是扫描的显示方式,所以各个数码管的abcdefg各脚采用了总线并联,改动510欧姆的电阻可以改变显示亮度;时钟模块利用芯片内部的振荡器,然后在引脚XTAL1和引脚XTAL2两端接晶体谐振器,就构成了
17、稳定的自激振荡器,其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路,如图外接晶振时,C1和C2的值通常选择30pF; C1、C2对频率有微调作用,晶体谐振器的频率12MHz。为了减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定、可靠地工作,振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。设置了1224两种显示状态,调整计时的按键、设置定时的按键且定时设置了3次定时、还另加载了星期、年、月、日的调整及闰年的自动调整;温度模块主要由18B20通过单片机AT89S52中的温度程序不断的检测温度来显示温度温度传感器DS18B20采集温度信号送该给单片机处理,存储器通过单片机对某些时间点的数据进行存储;音乐模块通过LM386N-1给扬
18、声器信号来发出音乐,这个模块主要是为时钟定时到时发出音乐闹铃,而在软件部分设置了可以一次设置3次定时,每次定时到时,音乐程序中编了6种音乐,它可以自动选择6种音乐中的任一音乐响1分钟,如果中间不想让闹铃响可以按一按键,闹铃就立刻停止SpeakerVS6GND4GAIN8325BYP7GAIN1LM386N-110k470GNDGND0.0047U0.1U10U47UGNDGNDGND+5V1KGND AT89S52 P3.1复位模块单片机复位电路是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态,并从该状态开始工作,例如复位后PC=0000H,使单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚
19、接上电源时,还是断电后或者发生故障后都要复位;单片机的复位操作使单片机进入初始化状态,其中包括使程序计数器PC0000H,这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后,片内RAM为随机值,运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容,21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值,见下表。值得指出的是,记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态,对于了解单片机的初态,减少应用程序中的韧始化部分是十分必要的。说明:表中符号*为随机状态;A00H,表明累加器已被清零;特殊功能寄存器 初始状态 特殊功能寄存器 初始状态 A 00H TMOD 00H B 00H TCON 00H PSW 00H TH0
20、 00H SP 07H TL0 00H DPL 00H TH1 00H DPH 00H TL1 00H P0P3 FFH SBUF 不定 IP *00000B SCON 00H IE 0*00000B PCON 0*B PSW00H,表明选寄存器0组为工作寄存器组;SP07H,表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元,根据堆栈操作的先加后压法则,第一个被压入的内容写入到08H单元中;Po-P3FFH,表明已向各端口线写入1,此时,各端口既可用于输入又可用于输出;IP00000B,表明各个中断源处于低优先级;IE000000B,表明各个中断均被关断;系统复位是任何微机系统执行的第一步,使整个控
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