课程设计论文-基于89C51单片机的数字电子钟设计.doc
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1、 数字电子钟数字电子钟 总体设计说明书总体设计说明书 目目 录录 1.1.引言引言1 1.11.1 背景背景.1 1.21.2 参考资料参考资料.2 2.2.总体设计总体设计2 2.12.1 开发与运行环境开发与运行环境.2 2.22.2 硬件功能描述硬件功能描述.2 2.2.1HOT51 增强型单片机开发板2 2.2.2AT89C51 单片机.2 3.3.硬件模块设计硬件模块设计5 3.13.1 系统硬件框图系统硬件框图.5 3.23.2 数据流图数据流图.5 4.4.硬件电路设计硬件电路设计6 4.14.1 晶体振荡器电路晶体振荡器电路.6 4.24.2 蜂鸣器驱动电路蜂鸣器驱动电路.6
2、4.34.3 复位电路设计复位电路设计.7 4.44.4 位选及数码管驱动电路位选及数码管驱动电路.7 4.54.5 单片机最小系统单片机最小系统.8 4.64.6 电源电路电源电路.8 5.PCB5.PCB 板的制作板的制作.9 5.15.1 PCBPCB 板的制作规则板的制作规则.9 5.25.2 飞线的处理飞线的处理.9 5.35.3 PCBPCB 制作中的注意事项制作中的注意事项.9 5.45.4 制作后的制作后的 PCBPCB 板如下板如下.10 6.6.软件模块的设计软件模块的设计10 6.16.1 数字钟总体设计框图数字钟总体设计框图 11 6.26.2 源程序源程序 14 7.
3、7.设计中的问题分析与解决设计中的问题分析与解决14 8.8.设计总结与心得设计总结与心得15 附录附录 系统源程序系统源程序17 单片机数字钟设计报告 1 附录附录 程序校正程序校正26 1、引言、引言 20 世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几 乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度 的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来 越快。 时间对人们来说总是那么宝贵,工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前 的时间。忘记了要做的事情,当事情不是很重要的时候,这种遗忘无伤大雅。 但是,一旦重要事情,一时的耽误可能酿成大祸
4、。 目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面 发展。下面是单片机的主要发展趋势。 单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思 想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能 用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制 技术,是传统控制技术的一次革命。 单片机模块中最常见的是数字钟,数字钟是一种用数字电路技术实现时、 分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械 装置,具有更更长的使用寿命,因此得到了广泛的
5、使用。 数字钟是采用数字电路实现对时,分,秒数字显示的计时装置,广泛用于个 人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由 于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远 超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地 扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自 动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种 定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。因此,研究 数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。 单片机数字钟设计报告 2 1.11.1 背景背景 本
6、次设计以 89C51 单片机为平台,利用 C 语言编程,并充分利用单片机的 优势中断技术,设计并研究了单片机数字钟的设计方法。 设计名称:数字钟 提出者:王全州 设计者:张满归 1.21.2 参考资料参考资料 【1】单片机原理及接口技术(第 3 版)李朝青 编著 北京航空航天大 学出版社 2008 年 5 月 【2】 C 语言编程(第三版) (美)Stephen G.Kochan 著 张小潘译 电子工 业出版社 2006 年 3 月 【3】 51 单片机 C 语言教程 郭天祥 编著 电子工业出版社 2009 年 12 月 2、总体设计、总体设计 2.1 开发与运行环境开发与运行环境 本系统是以
7、单片机为平台,利用 Keil uVision3 开发环境,采用 C 语言编程, 基于 HOT51 增强型单片机开发板来实现的。在单片机开发板上顺利实现之后, 后期还将针对本次设计数字钟小系统做 PCB 板,PCB 板的制作是利用 orCAD 开发环境,画出 PCB 板,通过刻板机实现电路板的制作。 2.2 硬件功能描述硬件功能描述 2.2.1 HOT51 增强型单片机开发板增强型单片机开发板 51 单片机开发板 HOT-51 增强型开发板的标配器件为 STC89C54RC+,但它 完全可以使用于别的 51 系列芯片。开发板上资源丰富,并且可以转接 ARM。 板上芯片有:AD-DA 芯片:PCF
8、8591T ,温度传感器:1-WIRE 协议控制芯片 DS18B20,红外接头:PC 838(配合遥控器做解码试验) ,时钟芯片:SPI 协议控 制芯片 DS1302,储存芯片:I2C 协议控制芯片 AT24C02,通讯芯片: MAX232,USB 转串口芯片:PL2303HX,达林顿管:ULN2003(驱动步进电机, 直流电机,继电器,蜂鸣器) ,三态缓冲门电路:74HC245,三八译码器: 74HC138,锁存器:74HC573,稳压芯片:7805、LM1117-3.3;显示类:彩屏 液晶,八位 LED 灯,八位共阴数码管,8*8 点阵,1602 液晶,12864 液晶(带 汉字字库) ;
9、其他:精致独立按键, 4*4 矩阵键盘,双复位电路,继电器,蜂 鸣器,时钟电池,标准 JTAG 接口等。 2.2.2 AT89C51 单片机单片机 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末,经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段。单 片机是嵌入式系统的独立发展之路,向 MCU 阶段发展的重要因素,就是寻求 应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了 SoC 化 趋势。随着微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展,基于 SoC 的单片机应用 系统设计会有较大的发展。因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单 单片机数字钟设计报告 3 片微控制器延伸到单片应用系统。 单片机
10、作为微型计算机的一个重要分支,应 用面很广,发展很快。自单片机诞生至今,已发展为上百种系列的近千个机种。 单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体,其内部总线包括 地址总线、数据总线和控制总线。其中,地址总线的作用是在进行数据交换时 提供地址,CPU 通过它们将地址输出到存储器或 I/O 接口;/数据总线的作用是 在 CPU 与存储器或 I/O 接口之间,或存储器与外设之间交换数据;控制总线包 括 CPU 发出的控制信号线和外部送入 CPU 的应答信号线等。 由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺,使其具有很多显著 的特点,因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要发如下特点
11、: (1)有优异的性能价格比。 (2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块 芯片上,内部采用总线结构,减少了各芯片之间的连线,大大提高了单片机的 可靠性与抗干扰能力。另外,其体积小,对于强磁场环境易于采取屏蔽措施, 适合在恶劣环境下工作。 (3)控制功能强。为了满足工业控制的要求,一般单片机的指令系统中均有 极丰富的转移指令、I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能 及运行速度均高于同一档次的微机。 (4)低功耗、低电压,便于生产便携式产品。 (5)外部总线增加了 I C(Inter-Integrated Circuit)及 SPI(Serial Pe
12、ripheral Interface)等串行总线方式,进一步缩小了体积,简化了 结构。 (6)单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用 系统。 由于单片机具有显著的优点,它已成为科技领域的有力工具,是我们生活 中的得力助手。它的应用遍及各个领域,主要表现在以下几个方面: (1) 单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表,使仪器仪表智能化,并可以提高测量的自动 化程度和精度,简化仪器仪表的硬件结构,提高其性能价格比。 (2)单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子 技术、计算机技术于一体,具有智能化特征的
13、机电产品,例如微机控制的车床、 钻床等。单片机作为产品中的控制器,能充分发挥它的体积小、可靠性高、功 能强等优点,可大大提高机器的自动化、智能化程度。 (3) 单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如,在工业测控、航空航天、尖端 武器、机器人等各种实时控制系统中,都可以用单片机作为控制器。单片机的 单片机数字钟设计报告 4 实时数据处理能力和控制功能,可使系统保持在最佳工作状态,提高系统的工 作效率和产品质量。 (4) 单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中,常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各 异的单片机组成,各自完成特定的任务,它们通过串行
14、通信相互联系、协调工 作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机,安装在系统的某些节点上,对 现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力,使它可 以置于恶劣环境的前端工作。 (5) 单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后,它就步入了人类生活,如洗衣机、电冰箱、电子玩具、 收录机等家用电器配上单片机后,提高了智能化程度,增加了功能,倍受人们 喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 综合所述,单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面, 单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和 设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部
15、分功能,现在已能用单 片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术, 是传统控制技术的一次革命。 单片机引脚图和结果框图如下图 1 和图 2 所示: 单片机数字钟设计报告 5 图 1 AT89C51 引脚图 图 2 内部结构图 3、硬件模块设计、硬件模块设计 3.1 系统硬件框图系统硬件框图 单片机数字钟设计报告 6 其核心部件是 89C51 单片机,由 89C51 单片机内部定时器及循环延时确定 时间,并且通过扫描驱动 8 位数码管来显示计数器时间,还可以通过外部中断 校对时间和设置闹钟,并且检测闹钟开关,如果闹钟时间到,则驱动蜂鸣器。 3.2 数据流图数据流图 80
16、C51 CPU 处理处理 晶晶 振振 外中断外中断 各种按键各种按键 数数 据据 输输 入入 数据输出数据输出 数据输出数据输出 数据输出数据输出 数码管数码管 蜂鸣器蜂鸣器 闹钟闹钟 指示指示 4、硬件电路设计、硬件电路设计 4.1 晶体振荡器电路晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的 12MHz 的方波信号,可保 证数字钟的走时准确及稳定.不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使 用了晶体振荡器电路。给单片机提供时钟的电路图有如下两种: 80C51CPU 电源电源 8 位数码管位数码管蜂鸣器蜂鸣器 复位电路复位电路振荡器振荡器 外部中断对外部中断对 时时/设置闹钟
17、设置闹钟 闹钟设置闹钟设置 及开关控制及开关控制 单片机数字钟设计报告 7 由于我本次设计主要是针对数字钟的设计,并且外部时钟源不好加到电路中, 精度又不是特别高,所以我选用内部时钟方式。 4.2 蜂鸣器驱动电路蜂鸣器驱动电路 为了能在设置的闹钟时间很方便的提示我们,需要通过蜂鸣器的报警来提醒, 由于单片机输出的方波驱动能力太弱,要使蜂鸣器发出的声音更亮些,需要加 上驱动电路。驱动电路我采用 PNP 管 9012,具体电路图如下所示: 4.3 复位电路设计复位电路设计 复位电路分两种方式,分别是上电自动复位和按键手动复位。 上电自动复位电路是在加电瞬间电容通过充电来实现的,其电路图如下所示。
18、在通电瞬间,电容 C 通过电阻 R 充电,RST 端出现正脉冲,用以复位。只要电 源 VCC 的上升时间不超过 1ms,就可以实现自动上电复位,即接通电源就完成 了系统的复位初始化。 手动复位是指通过一按钮开关,使单片机进入复位状态。系统上电运行后, 若需要复位,一般是通过手动复位来实现的。通常采用手动复位和上电自动复 位组合,其电路如下图所示。 单片机数字钟设计报告 8 a.上电复位 b.按键电平复位 由于设计的数字钟无需上电复位,所以采用按键电平复位,如上 b 图所示。 4.4 位选及数码管驱动电路位选及数码管驱动电路 为了让数码管的显示更清晰,我选用 74HC573 锁存器来驱动数码管。
19、由于 8 位数码管的显示是经过一位一位显示的,当它的扫描频率在 50Hz100Hz 之 间时,我们就不会看出它的位显示,并且显示的亮度正好合适,数码管的位选 我通过 3-8 译码器 74HC138,具体连接关系如下图所示: 4.5 单片机最小系统单片机最小系统 单片机的最小系统由 4 部分构成,分别是:单片机、振荡电路、复位电路、 RAM 和 ROM。具体组成如下所示: 位选 锁存驱动 单片机数字钟设计报告 9 单片机最小系统图 4.6 电源电路电源电路 单片机正常工作是+5V 电压,本次设计不做电源部分,采用 USB 供电,由 于 USB 供电较为稳定,所以不需要稳压部分,直接给单片机供电,
20、这样就减少 了 7805 稳压模快。具体电路如下所示: 5、PCB 板的制作板的制作 本次设计的数字钟系统中由于频率不是特别高,所以在设计 PCB 板时不存 在考虑走线之间频率干扰问题,但由于设计规定了 PCB 板的大小为 7*9cM,并 且是单面板,所以对我们的设计带来了一定的难度,在设计中不得不通过走飞 线的方式完成 PCB 板的制作。 51 PCB 板的制作规则板的制作规则 我在数字钟设计中采用 Orcad 软件平台,完成了 PCB 的制作,在 PCB 的设 计中需注意以下的一些规则: (1) 在 Orcad 中制作 PCB 时一定要注意板层的设置,我们本次设计的是单 面板,所以需将 B
21、ottom 层设为走线层,TOP 层设为丝印层(DOC 层) , 别的板层全部设为不走线层。 (2) 由于本次设计的单面板大小规定为 7*9Cm,所以在开始制定板框大小时, USB 供电供电 单片机数字钟设计报告 10 在 Global 层画边框时,将其设置为规定的大小,然后根据一定的规则 放置元件,放置元件时应让元件间的走线距离最小。 (3) 放置元件时须注意一些规则,例如将单片机的晶振和电容靠近单片机放 置,将电源供电的 USB 接口靠近板框放置等。 (4) 在放置完元件之后,进行布线时需注意一些走线时的设置,最重要的是 元件过孔的孔径设置,为了制作方便,本次制作设为 0.6mm、0.8m
22、m、1.2mm,当然,设置了孔径,还需注意焊盘的大小, 软件默认的焊盘大小一般太小,焊接时不太方便;其次是走线的安全间 距设置,走线间距一般默认为软件的设置,即 0.3mm;下来就是走线的 一些规则设置,如果是自动布线,则可设置布线时的一些规则,如果是 手工布线,则可根据需要进行布线。 (5) 在走线时一定要注意电源走线的设置,电源的走线一定要宽,这样承载 的电流会更大,电流的大小与走线的宽度之间有一定的计算公式,可以 作参考。为了使单面板的布线方便,飞线更少,我们将地线设为敷铜种 子,在敷铜时与大面积的铜相接。 52 飞线的处理飞线的处理 由于制作的是单面板,难免有很多的飞线,在制作完 PC
23、B 板之后,需处理 飞线。经常选取的办法是打过孔,这样在加工之后可以采用飞线将其连接。当 然,飞线的多少取决于布线的水平高低。有时为了减少飞线而走很远的路,这 样带来高频的影响,我觉得这种方法应该避免。 53 PCB 制作中的注意事项制作中的注意事项 (1)要注意焊盘的大小、过孔的大小、走线的安全间距及走线的宽带,在适 当的时候应该用游标卡尺进行测量,保证元器件能够合适的插进去。 (2)对于一些自己制作的原件封装,一定要测量使之合理。 (3)电源走线一定要宽,实际上是越宽越好,但过宽会影响布线的效率。适 当的时候我们可以大概的计算一下,使之更加合理。 (4)在布线时我们一定要弄清楚板层,有时一
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