數(shù)字電子鐘的設計與制作畢業(yè)論文

1、畢 業(yè) 論 文（實習報告）題 目： 數(shù)字電子鐘的設計與制作 所屬系部： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 電氣自動化技術 學生姓名： XXX 指導教師： XXX 2016 年 3 月 28 日畢業(yè)論文（實習報告）任務書學生姓名：XXX專業(yè)班級：電氣自動化技術 所屬系部：電氣工程學院 題 目：數(shù)字電子鐘的設計與制作任務內容：本設計是以STC89C52單片機為核心，獨立按鍵和液晶顯示模塊LCD1602，實現(xiàn)時間的顯示與調整。整個系統(tǒng)的軟件設計在Keil環(huán)境下以C語言實現(xiàn)具有正常的時鐘顯示，秒表計時和時鐘校時等基本功能，同時發(fā)揮部分的功能也得到了實現(xiàn)，并且還具有一定的創(chuàng)新功能論文撰寫要求：1、按所學專業(yè)選題

2、，要立意求新，實用可行。2、論文觀點鮮明正確，中心突出，論據(jù)充足可靠，層次分明，結構嚴謹，邏輯性強。注意避免單純羅列資料或數(shù)據(jù)，忽視論證分析的情況；避免寫成描述性的記敘文章。3、學生應獨立完成論文寫作，嚴禁抄襲他人之作，嚴禁請人代寫。4、論文交稿時，要求字跡工整，卷面清潔。文前列出目錄，文后列出參考文獻清單。5、論文應表述自己的獨立見解，盡量避免照搬照抄書中語句。6、論文一律用統(tǒng)一的論文稿紙撰寫，并將封面、任務書填寫齊全。時間安排：2015.12.2-12.15：查找單片機數(shù)字電子鐘設計資料；2015.12.15-12.30：擬定單片機數(shù)字電子鐘設計的初稿；2016.2.25-3.10：對論文

3、單片機數(shù)字電子鐘設計進行修改；2016.3.11-3.31：最終定稿.參考資料：1.王靜霞、楊宏麗：單片機應用技術。北京 電子工業(yè)出版社2.馮克鵬、李濤：C語言程序設計基礎。電子科技大學出版社3.王慧玲等：電路基礎。北京 高等教育出版社4.曹光躍等：模擬電子技術及應用。機械工業(yè)出版社5.張毅剛等： MCS-51 單片機實用子程序設計。哈爾濱 哈爾濱大學出版社指導教師簽字： 教研室主任簽字: 年 月 日畢業(yè)論文（實習報告）評審表學生姓名： XXX專業(yè)班級： 電氣自動化技術 所屬系部：電氣工程學院題 目： 數(shù)字電子鐘的設計與制作指導教師評語：初評成績： 指導教師簽字： 年 月 日評審小組意見： 評

4、審小組成員簽字： 年 月 日 終評成績：摘 要本文介紹了基于STC89C52單片機的數(shù)字式時鐘的設計，詳細敘述了系統(tǒng)硬件、軟件的具體實現(xiàn)過程。本文在硬件、軟件設計上均采用模塊化的方法，使得在設計和調試方面取得很大的方便。軟件同樣采用模塊化的設計，包括中斷模塊、時間調整模塊等設計，并采用簡單流通性強的C語言編寫實現(xiàn)。本設計實現(xiàn)了時、分、秒的顯示和時間修改的功能。通過對比實際的時鐘，查找出誤差的來源，確定調整誤差的方法，盡可能的減少誤差，使得系統(tǒng)可以達到實際數(shù)字鐘的允許誤差范圍內。關鍵字：STC89C52單片機；數(shù)字鐘；模塊化；目 錄摘 要1目 錄2第一章 導言31.1設計目的31.2設計思路3第

5、二章 整體設計方案42.1 設計要求42.2 整體方案的設計42.2.1 方案的選擇42.2.2 電路設計框圖42.3 單片機的介紹5第三章 硬件系統(tǒng)的設計83.1 最小系統(tǒng)設計83.2 LCD顯示電路93.3按鍵控制電路的設計11第四章 數(shù)字式時鐘的軟件設計124.1 系統(tǒng)軟件設計內容124.2定時器/計數(shù)器T0中斷服務程序144.3按鍵處理模塊15第五章 仿真及結果175.1 Protues仿真圖175.2 仿真結果185.3 實物圖片19結論20參考文獻21數(shù)字電子鐘的設計與制作 第一章 導言 1.1設計目的通過課程設計能讓我們更加深入的了解單片機的基本原理，各電路的設計及其仿真調試。

6、使用STC89C52芯片的串口功能，利用寄存器內部定時器實現(xiàn)時分秒的顯示。 用keil進行編程和調試，再利用proteus進行仿真制作電路圖，最后下載到單片機進行調試。 1.2設計思路 該設計選用單片機來實現(xiàn)，要進行各個芯片的選擇 采用STC89C52芯片，其為高性能CMOS8位單片機，該芯片內含有4Kbytes的可反復擦寫 的只讀存儲器、128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、32位可編程I/O口線、2個16位定時/計數(shù)器、6個中斷源、可編程串行UART通道及低功耗空閑和掉電模式。因此，我們采用STC89C52。 采用LCD1602顯示，顯示較為清楚直觀，便于觀察與調試。 直接采用單片機定時計

7、數(shù)提供秒信號。使用程序實現(xiàn)時分秒的計數(shù)，采用此種芯片可以減 少芯片的使用，節(jié)約成本，實現(xiàn)的時間誤差較小。第2章 整體設計方案2.1 設計要求（1） 用LCD1602顯示時、分、秒。（2） 24h（小時）計時方式。（3） 可實現(xiàn)時分調整、秒表清零功能。 2.2 整體方案的設計 2.2.1 方案的選擇 本次設計的方案有許多種，下面列出了三種方案： 方案一：基于數(shù)字電路的數(shù)字鐘。傳統(tǒng)的數(shù)字鐘以最為基本的數(shù)字電路來實現(xiàn)的。其設計復雜，體積大，運行穩(wěn)定性不好。所以不考慮。 方案二：通過單片機STC89C52芯片為主控電路，由電源電路、單片機主控電路、按鍵控制電路和蜂鳴器等組成。本次設計就是通過單片機為主

8、控電路，通過電路仿真而實現(xiàn)。使用Proteus 軟件進行繪制仿真電路圖，用Medwin軟件進行編程與調試，即用匯編語言編寫程序。 方案三：通過單片機STC89C52芯片為主控電路，由電源電路、單片機主控電路、按鍵控制電路和蜂鳴器等組成。本次設計就是通過單片機為主控電路，通過電路仿真而實現(xiàn)。使用Proteus 軟件進行繪制仿真電路圖，用keil軟件進行編程與調試，最終生成hex文件，傳入單片機內部，從而實現(xiàn)仿真效果。 即用C語言來編寫程序，以實現(xiàn)最終的目標。 通過比較各種方案的優(yōu)缺點以及自己學習過的專業(yè)知識，最終確定按照第三種方案實施。第三種方案相比第一、第二種方案而言，不需要對單片機的各種指令

9、以及不同存儲器的尋址、寄存器分配等有所掌握，而只需用基本的C語言知識就可以實現(xiàn)設計的要求。所以此次設計采用第三種方案。2.2.2 電路設計框圖 根據(jù)本次設計的要求，在盡量要求準確精簡的條件下設計了以下電路框圖。本次設計包含有四個主要的部分：單片機的最小系統(tǒng)，即由單片機，時鐘電路，復位電路組成；蜂鳴器控制電路；數(shù)碼管顯示電路和按鍵控制電路。其整體設計框圖如下圖2-1所示。時鐘電路 STC89C52單片機 LCD1602顯示電路復位電路按鍵控制電路圖2-12.3 單片機的介紹 單片機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。

10、 單片機經(jīng)過幾代的發(fā)展，正朝著多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價位、大存儲容量、強I/O功能及較好的結構兼容性方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢不外乎以下幾個方面： 1. 多功能 單片機中盡可能地把所需要的存儲器和I/O口都集成在一塊芯片上，使得單片機可以實現(xiàn)更多的功能。比如A/D、PWM、PCA（可編程計數(shù)器陣列）、WDT（監(jiān)視定時器-看門狗）、高速I/O口及計數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。 有的單片機針對某一個應用領域，集成了相關的控制設備，以減少應用系統(tǒng)的芯片數(shù)量。例如，有的芯片以51內核為核心，集成了USB控制器、SMART CARD接口、MP3解碼器、CAN或者I*I*C總線控制器等，LED、LCD或

11、VFD顯示驅動器也開始集成在8位單片機中。2.高效率和高性能 為了提高執(zhí)行速度和執(zhí)行效率，單片機開始使用RISC、流水線和DSP的設計技術，使單片機的性能有了明顯的提高，表現(xiàn)為：單片機的時鐘頻率得到提高；同樣頻率的單片機運行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，單片機的尋址能力、片內ROM（FLASH）和RAM的容量都突破了以往的數(shù)量和限制。 由于系統(tǒng)資源和系統(tǒng)復雜程度的增加，開始使用高級語言（如C語言）來開發(fā)單片機的程序。使用高級語言可以降低開發(fā) 難度，縮短開發(fā)周期，增強軟件的可讀性和可移植性，便于改進和擴充功能。 3.低電壓和低功耗 單片機的嵌入式應用決定了低電壓和低功耗的特性。由于CM

12、OS等工藝的大量采用，很多單片機可以在更低的電壓下工作（1.2V或0.9V），功耗已經(jīng)降低到微安級。這些特性使得單片機系統(tǒng)可以在更小電源的支持下工作更長的時間。 4. 低價格 單片機應用面廣，使用數(shù)量大。目前世界各大公司為了提高競爭力，在提高單片機性能的同時，十分注意降低其產(chǎn)品的價格。 綜合考慮各種類型的單片機，本設計采用STC 公司的STC89C52類型的單片機，該單片機具有8K可擦除Flash 存儲器，具有高性能和低功耗特性的8位CMOS微控制器；單片機內部Flash允許程序存儲器具有可編程的功能，因此也可以也可以應用于常規(guī)編程器；在單芯片未處理器中，具有靈巧的的系統(tǒng)可編程Flash和8b

13、itCPU，使STC89C52成為很多控制系統(tǒng)和嵌入式控制應用系統(tǒng)主流的控制芯片。 52系列單片機具有以下標準功能：可擦除Flash存儲空間為8kb，可用內部RAM存儲空間具有256kb，同時具有32 位I/O 口線，片內具有數(shù)據(jù)指針2個，具有定時器三個計數(shù)器三個。除此之外，STC89C52具有可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，同時可使兩種軟件選擇節(jié)電模式；在掉電保護工作方式下，振蕩器將停止工作，并保存RAM中的內容，單片機停止一切工作，除非等到下一個硬件或中斷復位后才停止；在空閑工作模式下，CPU工作停止，同時允許中斷、串口、定時器/計數(shù)器和RAM繼續(xù)工作。該單片機的引腳圖如圖2-2所示 圖2-2

14、它一共有40個引腳，引腳又分為四類。包括主電源引腳Vcc和Vss；時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2；控制信號引腳RST/VPD,ALE,PSEN,EA以及并行I/O口引腳P0，P1，P2和P3。P3口除可以作為通用的I/O口使用外，其主要的功能是它的第二功能。P3.0-P3.7對應的第二功能分別為：串行口輸入，串行口輸出，外部中斷0輸入，外部中斷1輸入，定時器0的外部輸入，定時器1的外部輸入，外部數(shù)據(jù)存儲器“寫”信號輸出和外部數(shù)據(jù)存儲器“讀”信號輸出。第3章 硬件系統(tǒng)的設計3.1 最小系統(tǒng)設計單片機要正常運行，必須具備一定的硬件條件，其中最主要的就是三個條件：（1）電源正常；（2）時鐘正常；

15、（3）復位正常。AT89C51的引腳如圖3-2所示，在AT89C51單片機的40個引腳中，電源引腳兩根，晶振引腳2根，控制引腳4根，可編程輸入輸出引腳32根。(1)工作電源電源是單片機工作的動力源泉，對應的接線方法為：40引腳（VCC）電源引腳，工作是接+5電源，20引腳（GND）為接地線。(2)時鐘電路時鐘電路為單片機產(chǎn)生時序脈沖，單片機所有運算與控制過程都是在同一的時序脈沖的驅動下進行的，時鐘電路就好比人的心臟一樣重要。當采用內部時鐘時，連接方法如圖3-1所示，在晶振XTAL(19引腳)和XTAL(18引腳)之間接入一個晶振，兩個引腳對地分別再接入一個電容可產(chǎn)生所需的時鐘信號，電容的容量一

16、般取30Pf。(3)復位電路在復位引腳（9引腳）持續(xù)出現(xiàn)24個振蕩器脈沖周期（即2個機器周期）的高電平信號 將使單片機復位。如圖3-1所示，電容C和電阻R構成了單片機上電自動復位電路。復位后，單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，并初始化一些專用寄存器為復位狀態(tài)值，受影響的專用寄存器如表3-1所示。表3-1 寄存器狀態(tài)表寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)PC000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXXX00000HSBUF不確定IEOXX00000HPCON0XXX0000HTMOD00H(4)

17、控制引腳EA接法EA/VPP(31引腳)為內外程序存儲器選擇控制引腳，當EA為低電位時，單片機從外部存儲器取指令；當EA接高電平時，從單片機內部程序存儲器取指令。AT89C51單片機內部有4KB可反復擦寫1000次以上的程序存儲器，因此要把EA接+5V高電平，讓單片機運行內部的程序，這樣就可以反復燒寫來驗證程序了。這就是AT89C51單片機最小化系統(tǒng)的連接，只要把編寫好的程序燒寫到單片機內部，并接上5V電源就可以正常運行了，在17引腳上接上的發(fā)光二極管可以用來驗證系統(tǒng)是否正常。最小系統(tǒng)如圖3-1所示。圖3-13.2 LCD顯示電路液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點，現(xiàn)在字符型夜

18、晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件了。LCD1602液晶實物如圖3-2，LCD1602主要參數(shù)如表3-2所示。圖3-2該模塊也可以只用D4-D7作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。這樣的話，可以節(jié)省MCU的I/O口資源。LCD1602可以顯示2行16個字符，有8為數(shù)據(jù)總線D0-D7，和RS、R/W、EN三個控制端口，工作電壓為5V,并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{節(jié)和背光。表3-2 LCD1602液晶主要技術參數(shù)顯示容量16×2個字符芯片工作電壓4.55.5V工作電流2.0mA（5.0V）模塊最佳工作電壓5.0V字符尺寸2.95×4.35（WXH）mm該模塊也可以只用D4-D7作

19、為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。這樣的話就可以節(jié)省MCU的I/O口資源。各引腳的功能見表3-3。表3-3 LCD 1602液晶引腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2Data I/02VDD電源正極10D3Data I/03VL液晶顯示偏壓信號11D4Data I/04RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5Data I/05R/W讀/寫選擇端（H/L）13D6Data I/06E使能信號14D7Data I/07D0Data I/015BLA背光源正極8D1Data I/016BLK背光源負極從該模塊的正面看，引腳排列從右至左為：15引腳、16引腳，然后才是1至14引腳。VDD：電源

20、正極，4.55.5V，通常使用5V電壓；VO：LCD對比度調節(jié)端，電壓調節(jié)范圍為05V。接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，但對比度過高時會產(chǎn)生“重影”，因此，通常使用一個10K的電位器來調整對比度，或者直接串接一個電阻到地；RS：MCU寫入數(shù)據(jù)或指令選擇端。MCU要寫入指令時，使RS為低電平；MCU要寫入數(shù)據(jù)時，使RS為高電平；R/W：讀寫控制端。R/W為高電平時，讀寫數(shù)據(jù)；R/W為低電平，寫入數(shù)據(jù)；E：LCD模塊使能信號控制端。寫數(shù)據(jù)時，需要下降沿觸發(fā)模塊。D0-D7：8位數(shù)據(jù)總線，三態(tài)雙向。如果MCU的I/O口資源緊張的話，該模塊也可以只使用4位數(shù)據(jù)線D4-D7接口傳送數(shù)據(jù)。BG

21、 VCC：LED背光正極。需要背光時，BLA串接一個限流電阻接VDD，BLK接地，實測該模塊的背光電流為50mA左右。BG GND：LED背光地端。LCD1602液晶與單片機系統(tǒng)的連接圖如3-3所示。圖3-3 LCD1602液晶與單片機系統(tǒng)的連接圖3.3按鍵控制電路的設計鍵盤就是一組按鍵的集合，它是最常用的輸入設備。操作員通過鍵盤可以輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機通信。計算機所用的鍵盤按其結構形式可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。非編碼鍵盤有兩種形式：簡單鍵盤和矩陣式鍵盤。 1 簡單鍵盤 簡單鍵盤一般直接用I/O口線外接按鍵構成。每個按鍵單獨占用一根口線，I/O口線間的工作狀態(tài)互不影響。當某一按鍵閉

22、合時，對應口線輸入為低電平，釋放時為高電平。 2 矩陣式鍵盤 簡單鍵盤電路的每個按鍵開關占一根I/O口線，當按鍵數(shù)目較多時，就要占用較多的I/O口資源，此時應該用矩陣式鍵盤電路。矩陣鍵盤有3X3 9個鍵，4X4 16個鍵等的矩陣鍵盤。其檢測原理為：檢測時，先送一列為低電平，其余幾列全為高電平，然后立即輪流檢測一次各行是否有低電平，若檢測到某一行為低電平，則我們便可確認當前被按下的鍵是哪一行那一列的。用同樣的方法輪流送各列一次低電平，再輪流檢測一次各行是否變?yōu)榈碗娖剑@樣即可檢測完所有的按鍵。當有鍵被按下時，便可判斷出按下的鍵是哪一個鍵。 本設計由于只需要用到五個按鍵就可以實現(xiàn)全部的功能，故采用

23、五個獨立的按鍵來控制時鐘的調節(jié)和時鐘/秒表的轉換。設計的按鍵控制電路如圖3-4所示：圖3-4 獨立按鍵按鍵實際就是一種常用的按鈕開關，平時鍵的兩個觸電處于斷開狀態(tài)，按鍵被按下時兩個觸電閉合。由于鍵盤上的按鍵都是利用機械觸點來實現(xiàn)健的閉合與釋放。由于彈性作用的影響，機械觸點在閉合及斷開的瞬間均有抖動過程，從而也使按鍵輸入電壓信號也出現(xiàn)抖動，抖動時間的長短與按鍵的機械特性相關，一般為510ms。為了保證系統(tǒng)對鍵的一次閉合僅做一次鍵輸入處理，因此不需進行消抖處理。一般可用硬件或軟件的方法來消抖，具體方法有：雙穩(wěn)態(tài)消抖電路；濾波消抖電路以及軟件消抖。 本設計使用的是軟件消抖。所謂軟件消抖，就是在第一次

24、檢測到有按鍵按下時先不動作，延時一段時間（一般為510ms），再次檢測按鍵的狀態(tài)，則確認真正有鍵按下，當檢測到按鍵釋放后也需要給510ms的延時。 此次用到的五個獨立按鍵有P1.4P1.7和P3.5口控制，分別可記為K1K5。本次設計中K1、K2是小時加減，K3、K4是分鐘加減，K5是秒清零。第四章 數(shù)字式時鐘的軟件設計4.1 系統(tǒng)軟件設計內容本設計的軟件程序包括主程序、中斷子程序、時鐘顯示程序以及延時子程序等。該設計有五個彈性小按鍵組成的小鍵盤，這些鍵盤可以修改時鐘的時分秒。使用“+”鍵、“-”鍵對各個位的數(shù)字進行增加1或者減去1運算。系統(tǒng)軟件采用C語言編寫。時鐘的最小計時單位是秒，但是使用

25、定時器的方式1，最大的定時時間也只能達到131ms。我們可以把定時器的設定時間定為50ms。這樣，計數(shù)溢出20次即可得到時鐘的最小計時單位：秒。而計時20次可以用軟件實現(xiàn)。秒計時是采用中斷方式進行溢出次數(shù)的累積，記滿20次，即可得到秒計時。從秒到分，分到時都是通過軟件累加并進行比較的方法來實現(xiàn)的。要求每滿1秒，則“秒”單元中的內容加1；“秒”單元滿60，則“分”單元中的內容加1；“分”單元滿60，則“時”單元中的內容加1；“時”單元滿24，同時將時、分、秒的內容全部清零；依此類推，實時時鐘程序設計步驟：（1）選擇工作方式，計算初值；（2）采用中斷方式進行溢出次數(shù)累計；（3）從秒分時是通過累加和

26、數(shù)值比較實現(xiàn)的；（4）時鐘顯示緩沖區(qū)：時鐘時間在LCD液晶顯示器上進行顯示，為此在內部RAM中要設置顯示緩沖區(qū)，共6個地址單元。顯示緩沖區(qū)從左到右依次存放時、分、秒數(shù)值；（5）主程序：主要進行定時器/計數(shù)器的初始化編程，然后反復調用顯示子程序的方法等待中斷的到來；（6）中斷服務程序：進行計時操作；（7）加1子程序：用于完成對時、分、秒等的加操作，中斷服務程序在秒、分、時等加1時調用加1子程序。（8）減1子程序：用于完成對時、分、秒等的減操作，中斷服務程序在秒、分、時等減1時調用減1子程序。主程序流程如圖4-1所示：圖4-1主程序流程圖4.2定時器/計數(shù)器T0中斷服務程序 計數(shù)選擇定時器/計數(shù)器

27、T0.具體處理如下：定時器/計數(shù)器T0選擇方式1，重復定時，定時時間設為50ms，定時時間到則中斷，在中斷服務程序中用一個計數(shù)器對50ms計數(shù)，計20次則對秒單元加1，秒單元加到60則對分單元加1，同時秒單元清零；分單元加到60則對時單元加1，同時分單元清零；時單元加到24則對時單元清零，標志一天時間計滿，這樣就行成了時鐘關系。在對各單元計數(shù)的同時，把它們的值放到存儲單元的指定位置。定時器/計數(shù)器T0中斷服務的流程如圖4-2所示：圖4-2 定時器/計數(shù)器T0中斷服務程序流程圖 4.3按鍵處理模塊 按鍵處理設置為:如沒有按鍵，則時鐘正常走時。當按K1鍵一次，時鐘秒暫停走動，小時加一 ，按K2鍵一次，小時減一，按K3鍵一次，分鐘加一，按K4鍵一次，分鐘減一，按K5一次，秒清零，小時加到24則回到0，分加到60則回到0；按K2可對時或分