数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的数字电路。振荡器产生的时钟信号经过分频器形成秒脉冲信号,秒脉冲信号输入计数器进行计数,并把累计结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。秒计数器电路计满60后触发分计数器电路,分计数器电路计满60后触发时计数器电路,当计满24小时后又开始下一轮的循环计数。一般由振荡器、分频器、计数器、译码器、数码显示器等几部分组成。 振荡电路:主要用来产生时间标准信号,因为时钟的精度主要取决于时间标准信号的频率及稳定度,所以采用石英晶体振荡器。 分频器:因为振荡器产生的标准信号频率很高,要是要得到“秒”信号,需一定级数的分频器进行分频。 计数器:有了“秒”信号,则可以根据60秒为1分,24小时为1天的进制,分别设定“时”、“分”、“秒”的计数器,分别为60进制,60进制,24进制计数器,并输出一分,一小时,一天的进位信号。 译码显示:将“时”“分”“秒”显示出来。将计数器输入状态,输入到译码器,产生驱动数码显示器信号,呈现出对应的进位数字字型。 由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路可以对分和时进行校时。另外,计时过程要具有报时功能,当时间到达整点前10秒开始,蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。 为了使数字钟使用方便,在设计上使用了一个变压器和一个整流桥来实现数字钟电能的输入,使得可以方便地直接插入220V的交流电就可以正常地使用了。
目 录
1 设计目的
2 设计任务
3 总体方案设计
4 单元电路设计、参数计算和元器件选择
5 仿真结果
6 结 束 语 20
参考文献 21
附 录 22
附录1 电路原理图 2
附录2 系统仿真图 24
数字钟系统 1 设计目的 随着科学技术的不断发展,人们对时间计量的精度要求越来越高。高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器,由于电子钟 石晶表 石英钟 都采用了石英技术,因此走时精度高,稳定性好,使用方便;另一方面《数字电子技术》是一门实践性很强的的,只靠短短的课堂教学,学生只能略懂一些肤浅的表面知识,通过设计,学生亲自动手去做,在发现问题和解决问题中,才能够更好的理解《数字电子技术》的理论知识,提干我们的知识运用能力和实验技术,增强实践能力,为我们将来在技术领域的发展奠定了一定的实践基础。 本次电子技术基础设计选题是数字钟的设计。主要原理是由晶体振荡电路产生多谐振荡,经过分频器分频后输出稳定的秒脉冲,作为时间基准。秒计数器满60向分计数器进位,分计数器满60向小时计数器进位,小时计数器以24为一个周期,并实现小时高位具有零熄灭的功能。计数器的输出经译码器送到显示器,可在相应位置正确显示时、分、秒。计时出现误差或者调整时间可以用校时电路进行时、分的调整。 2 设计任务2.1 电子钟设计内容 利用STC89C51单片机和LCD1602电子显示屏实现电子时钟,可由按键进行调时和12/24小时切换。 2.2 电子钟设计要求 1.能实现年、月、日、星期、时、分、秒的显示; 2.能实现调时功能; 3.能实现12/24小时制切换; 4.能实现8:00—22:00整点报时功能。 2.3 系统运行流程 程序首先进行初始化,在主程序的循环程序中首先调用数据处理程序,然后调用显示程序,在判断是否有按键按下。若有按键按下则转到相应的功能程序执行,没有按键按下则调用时间程序。若没到则循环执行。计时中断服务程序完成秒的计时及向分钟、小时的进位和星期、年、月、日的进位。调时闪烁中断服务程序用于被调单元的闪烁显示。调时程序用于调整分钟、小时、星期、日、月、年,主要由主函数组成通过对相关子程序的调用,如图所示。实现了对时间的设置和修改、LCD显示数值等主要功能。相关的调整是靠对功能键的判断来实现的。
3总体方案设计数电方案一: 如图所示,数字时钟系统的结构可分为六个部分,由振荡电路、分频电路、计数电路(分为秒计数电路、分计数电路、时计数电路)、译码显示电路以及附加功能电路(校时校分电路、整点报时电路)组成。
用数电进行设计结构复杂,易于出错。
单片机方案二: 3.1 程序设计及调试根据单片机设计内容和要求,完成Protues仿真电路的设计和用Keil软件编写程序,并进行仿真模拟调试。 对设计过程进行总结,完成设计文档。 3.2 数字钟系统方框图 3-1 总体图 3.3数字钟系统流程图
3-2主流图 3-3 键盘扫描流程图 3-4时钟流程图 4 单元电路设计、参数计算和元器件选择 4.1 主要器件 1. STC89C51单片机; 2.LCD1602液晶显示屏 4.2主要器件简介 1.STC89C51单片机简介 STC89C51是采用8051核的ISP(In System Programming)在系统可编程芯片,最高工作时钟频率为80MHz,片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,具有在系统可编程(ISP)特性,配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部,省去了购买通用编程器,而且速度更快。
2.LCD1602液晶显示屏简介 LCD1602可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0—D7,和RS、R/W、EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光。 LCD1602引脚说明如下表所示: LCD液晶显示器各引脚功能及结构 VDD:电源正极,4.5V—5.5V,通常使用5V电压; VL:LCD对比度调节端,电压调节范围为0—5V。接正极时对比度最弱,接地电源时对比度最高,但对比度过高会产生“鬼影”,因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度,或者直接串接一个电阻到地; RS:MCU写入数据或者指令选择端。MCU要写入指令时,使RS为低电平;MCU要写入数据时,使RS为高电平; R/W:读写控制端。R/W为高电平时,读取数据;R/W为低电平时,写入数据; EN:LCD模块使能信号控制端。写数据时,需要下降沿触发模块。 D0—D7:8为数据总线,三态双向。如果MCU的I/O口资源紧张的话,该模块也可以只使用4位数据线D4—D7接口传送数据。 A:LED背光正极。需要背光时, A串接一个限流电阻接VDD, K接地。 K:LED背光地端。 4.3 最小系统 复位时单片机的初始化操作,只要给RST引脚加上两个机器周期以上的高电平信号,就可以使STC89C51单片机复位。本次采用的是12M晶振,按钮复位电路。 图4-1 最小系统
4.4 LCD显示电路 LCD显示屏的D0到D7与单片机P0口相连,LCD显示屏EN口与单片机P3.4口相连,RS与P3.5相连。通过滑动变阻器改变LCD显示屏的显示对比度。 图4-2 LCD显示电路 4.5 键盘输入电路 本次设计采用独立键盘,键盘按下时,相应的I/O口电平由高变低,一次检测按键是否被按下。4个独立按键与单片机P3.0—P3.3口相连。 图4-3 键盘输入电路 4.6 蜂鸣器和LED灯电路 蜂鸣器的作用为准点报时产生报警声,LED在秒钟为偶数时或者功能键被按下时亮。蜂鸣器与单片机P2.2口相连,LED灯与单片机P2.3口相连。
5 仿真结果 用Keil和Protues进行仿真调试,仿真结果完全达到预期目的 图5-1总体电路图
6 结束语 本次设计,即将告一段落,但收获却是弥足珍贵。一分耕耘,一分收获。部亲自去尝试,你很难去体验那份开心。我们经过了这半年对单片机由一无所知到逐步了解,现在开始了一些小的制作。设计是一项好的方向,让我们去自我提高,很有裨益。 实验开始前,同组的同伴就开始了收集资料,尝试着去努力实现一些功能。起初,我对单片机知道很少,还是经过看看细节性的东西,才渐渐有些入门。当然,实验的过程中也遇到了许多的难题。在设计过程中,从仿真电路的设计,源程序的书写和修改以及实物电路的焊接中都遇到了不少问题,但在我们的共同努力下解决了,并且从中学到了不少知识。我们在设计过程中还不断提出自己的疑点以及新的想法,联系实际应用,将课本上学习的东西运用到实际中,这些都令我们受益匪浅。 在这一过程中,显示部分总是会出现这样那样的问题。 2、按键问题 我的设计中,大部分功能选择是通过按键开关实现的。在仿真中发现,调整数值时,有时按键反应太快,按一次,跳了几下,使设置时间很不方便。但是仿真多了之后,找到了按键(实际上是按鼠标)的节奏,对按键的掌控力提高了不少,不怎么会出现跳变的情况了。有些开关我采用了长按键的方式来防抖,效果不错,但是每次都要长按键,调整效率太低,我没有普及。本来想把所有的按键都加延时防抖电路,但仿真中感觉对键盘的控制力没提高多少。
参考文献[1] 《单片机原理及应用(第二版)》 高等教育出版社 [2] 《新概念51单片机C语言教程》 电子工业出版社 附 录
附录1 系统仿真图
附录2 系统源程序
- #include<reg51.h>
- #define uchar unsigned char
- #define uint unsigned int
- sbit lcdrs=P3^5; //定义1602液晶RS端
- sbit lcden=P3^4;//定义1602液晶LCDEN端
- sbit s1=P3^0; //定义按键--功能键
- sbit s2=P3^1; //定义按键--增加键
- sbit s3=P3^2; //定义按键--减小键
- sbit s4=P3^3; //定义按键--闹钟键
- sbit beep=P2^2; //定义蜂鸣器端
- sbit led=P2^3; //定义LED灯端
- uchar count,s1num,s4num;
- char year,month,day,week,miao,shi,fen,pshi;
- uchar code table[]=" 20 - - ";//定义初始上电时液晶默认显示状态
- void delay(uint z) //延时函数
- {
- uint x,y;
- for(x=z;x>0;x--)
- for(y=110;y>0;y--);
- }
- void zhuanhuan()
- {
- if(shi==0)
- pshi=12;
- if(shi<=12&&shi>=1)
- pshi=shi;
- if(shi>12)
- pshi=shi-12;
- }
- void di()//蜂鸣器发声函数
- {
- beep=0;
- delay(300);
- beep=1;
- delay(300);
- }
- void write_com(uchar com)//液晶写命令函数
- {
- lcdrs=0;
- lcden=0;
- P0=com;
- delay(5);
- lcden=1;
- delay(5);
- lcden=0;
- }
- void write_date(uchar date)//液晶写数据函数
- {
- lcdrs=1;
- lcden=0;
- P0=date;
- delay(5);
- lcden=1;
- delay(5);
- lcden=0;
- }
- void _shi() //写"AM"、"PM"函数
- {
- if(shi>=12)
- {
- write_com(0x80+0x40+1);//写出"PM"
- write_date('P');
- write_date('M');
- }
- else
- {
- write_com(0x80+0x40+1);//写出"AM"
- write_date('A');
- write_date('M');
- }
- }
- void write_ymd(uchar add1,uchar date1)//写年月日函数
- {
- uchar shi,ge;
- shi=date1/10;//分解一个2位数的十位和个位
- ge=date1%10;
- write_com(0x80+add1);//设置显示位置
- write_date(0x30+shi);//送去液晶显示十位
- write_date(0x30+ge); //送去液晶显示个位
- }
- void write_sfm(uchar add,uchar date)//写时分秒函数
- {
- uchar shi,ge;
- shi=date/10;//分解一个2位数的十位和个位
- ge=date%10;
- write_com(0x80+0x40+add);//设置显示位置
- write_date(0x30+shi);//送去液晶显示十位
- write_date(0x30+ge); //送去液晶显示个位
- }
- void write_week(char week) //写液晶星期显示函数
- {
- write_com(0x80+12);
- switch(week)
- {
- case 1: write_date('M');delay(5);
- write_date('O');delay(5);
- write_date('N');
- break;
- case 2: write_date('T');delay(5);
- write_date('U');delay(5);
- write_date('E');
- break;
- case 3: write_date('W');delay(5);
- write_date('E');delay(5);
- write_date('D');
- break;
- case 4: write_date('T');delay(5);
- write_date('H');delay(5);
- write_date('U');
- break;
- case 5: write_date('F');delay(5);
- write_date('R');delay(5);
- write_date('I');
- break;
- case 6: write_date('S');delay(5);
- write_date('A');delay(5);
- write_date('T');
- break;
- case 7: write_date('S');delay(5);
- write_date('U');delay(5);
- write_date('N');
- break;
- }
- }
- void writeym()
- {
- day=1;
- month++;
- if(month==13)
- {
- month=1;
- year++;
- if(year==100)
- year=0;
- write_ymd(3,year);//年若变化则重新写入
- }
- write_ymd(6,month);//月若变化则重新写入
- }
- void init()//初始化函数
- {
- uchar num;
- lcden=0;
- year=13;//初始化种变量值
- month=6;
- day=21;
- week=5;
- shi=13;
- fen=59;
- miao=58;
- count=0;
- s1num=0;
- s4num=0;
- write_com(0x38);//初始化1602液晶
- write_com(0x0c);
- write_com(0x06);
- write_com(0x01);
- write_com(0x80);//设置显示初始坐标
- for(num=0;num<15;num++)//显示年月日星期
- {
- write_date(table[num]);
- delay(5);
- }
- delay(5);
- write_com(0x80+0x40+6);//写出时间显示部分的两个":"
- write_date(':');
- delay(5);
- write_com(0x80+0x40+9);
- write_date(':');
- delay(5);
- write_week(week);
- write_ymd(3,year);//分别送去液晶显示
- write_ymd(6,month);
- write_ymd(9,day);
- write_sfm(10,miao);//分别送去液晶显示
- write_sfm(7,fen);
- write_sfm(4,shi);
- TMOD=0x01;//设置定时器0工作模式1
- TH0=(65536-50000)/256;//定时器装初值
- TL0=(65536-50000)%256;
- EA=1; //开总中断
- ET0=1; //开定时器0中断
- TR0=1; //启动定时器0
- }
- void keyscan()//按键扫描函数
- {
- if(s1==0)
- {
- delay(5);
- if(s1==0)//确认功能键被按下
- {
- s1num++;//功能键按下次数记录
- while(!s1);//释放确认
- if(s1num==1)//第一次被按下时
- {
- TR0=0; //关闭定时器
- write_com(0x80+3);//光标定位到年位置
- write_com(0x0f); //光标开始闪烁
- }
- if(s1num==2)//第二次按下光标闪烁定位到月位置
- {
- write_com(0x80+6);
- }
- if(s1num==3)//第三次按下光标闪烁定位到日位置
- {
- write_com(0x80+9);
- }
- if(s1num==4)//第四次按下光标闪烁定位到星期位置
- {
- write_com(0x80+12);
- }
- if(s1num==7)//第七次被按下时光标定位到秒位置
- {
- write_com(0x80+0x40+10);
- }
- if(s1num==6)//第六次按下光标闪烁定位到分位置
- {
- write_com(0x80+0x40+7);
- }
- if(s1num==5)//第五次按下光标闪烁定位到时位置
- {
- write_com(0x80+0x40+4);
- }
- if(s1num==8)//第七次按下
- {
- s1num=0;//记录按键数清零
- write_com(0x0c);//取消光标闪烁
- TR0=1; //启动定时器使时钟开始走
- }
- }
- }
- if(s1num!=0)//只有功能键被按下后,增加和减小键才有效
- {
- if(s2==0)
- {
- delay(5);
- if(s2==0)//增加键确认被按下
- {
- while(!s2);//按键释放
- if(s1num==1)//若功能键第一次按下
- {
- year++; //则调整年加1
- if(year==100)//若满100后将清零
- year=0;
- write_ymd(3,year);//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+3);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==2)//若功能键第二次按下
- {
- month++;//则调整月加1
- if(month==13)//若满12后将置一
- month=1;
- write_ymd(6,month);//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+6);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==3)//若功能键第三次按下
- {
- day++;//则调整日加1
- if(year%4==0&&month==2)
- {
- if(day==30)//若满29后将置一
- day=1;
- }
- if(year%4!=0&&month==2)
- {
- if(day==29)//若满28后将置一
- day=1;
- }
- if(month!=2&&month!=4&&month!=6&&month!=9&&month!=11)
- {
- if(day==32)//若满31后将置一
- day=1;
- }
- if(month==4||month==6||month==9||month==11)
- {
- if(day==31)//若满30后将置一
- day=1;
- }
- write_ymd(9,day);;//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+9);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==4)//若功能键第四次按下
- {
- week++;//则调整星期加1
- if(week==8)//若满8后将置一
- week=1;
- write_week(week);//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+12);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==7)//若功能键第七次按下
- {
- miao++; //则调整秒加1
- if(miao==60)//若满60后将清零
- miao=0;
- write_sfm(10,miao);//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+0x40+10);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==6)//若功能键第二次按下
- {
- fen++;//则调整分钟加1
- if(fen==60)//若满60后将清零
- fen=0;
- write_sfm(7,fen);//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+0x40+7);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==5)//若功能键第五次按下
- {
- shi++;
- if(shi==24)//若满24后将清零
- {
- shi=0;
- }
- if(s4num==0)
- {
- write_sfm(4,shi);;//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+0x40+4);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s4num==1)
- {
- zhuanhuan();
- _shi();
- write_sfm(4,pshi);;//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+0x40+4);//显示位置重新回到调节处
- }
- }
- }
- }
- }
- if(s3==0)
- {
- delay(5);
- if(s3==0)//确认减小键被按下
- {
- while(!s3);//按键释放
- if(s1num==1)//若功能键第一次按下
- {
- year--;//则调整秒减1
- if(year==-1)//若减到负数则将其重新设置为99
- year=99;
- write_ymd(3,year);//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+3);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==2)//若功能键第二次按下
- {
- month--;//则调整分钟减1
- if(month==0)//若减到负数则将其重新设置为59
- month=12;
- write_ymd(6,month);//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+6);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==3)//若功能键第二次按下
- {
- day--;//则调整日加1
- if(year%4==0&&month==2)
- {
- if(day==0)//若满29后将置一
- day=29;
- }
- if(year%4!=0&&month==2)
- {
- if(day==0)//若满28后将置一
- day=28;
- }
- if(month!=2&&month!=4&&month!=6&&month!=9&&month!=11)
- {
- if(day==0)//若满31后将置一
- day=31;
- }
- if(month==4||month==6||month==9||month==11)
- {
- if(day==0)//若满30后将置一
- day=30;
- }
- write_ymd(9,day);;//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+9);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==4)//若功能键第二次按下
- {
- week--;//则调整小时减1
- if(week==0)//若减到负数则将其重新设置为23
- week=7;
- write_week(week);//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+12);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==7)//若功能键第一次按下
- {
- miao--;//则调整秒减1
- if(miao==-1)//若减到负数则将其重新设置为59
- miao=59;
- write_sfm(10,miao);//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+0x40+10);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==6)//若功能键第二次按下
- {
- fen--;//则调整分钟减1
- if(fen==-1)//若减到负数则将其重新设置为59
- fen=59;
- write_sfm(7,fen);//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+0x40+7);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s1num==5)//若功能键第二次按下
- {
- shi--;
- if(shi==-1)//若满24后将清零
- shi=23;
- if(s4num==0)
- {
- write_sfm(4,shi);;//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+0x40+4);//显示位置重新回到调节处
- }
- if(s4num==1)
- {
- zhuanhuan();
- _shi();
- write_sfm(4,pshi);;//每调节一次送液晶显示一下
- write_com(0x80+0x40+4);//显示位置重新回到调节处
- }
- }
- }
- }
- if(s1num==0)
- {
- if(s4==0)
- {
- delay(5);
- if(s4==0)//确认功能键被按下
- {
- s4num++;//功能键按下次数记录
- while(!s4);//释放确认
- if(s4num==1)//第一次被按下时
- {
- zhuanhuan();
- _shi();
- write_sfm(4,pshi);
- }
- if(s4num==2)//第二次按下
- {
- s4num=0;//记录按键数清零
- write_com(0x80+0x40+1);
- write_date(' ');
- write_date(' ');
- write_sfm(4,shi);
- }
- }
- }
- }
- }
- void main()//主函数
- {
- init();//首先初始化各数据
- while(1)//进入主程序大循环
- {
- keyscan();//不停的检测按键是否被按下
- if(s1num!=0)
- led=0;
- else
- led=miao%2;
- if((shi>7&&shi<23)&&(fen==0)&&(miao==0))
- {
- di();
- }
- }
- }
- void timer0() interrupt 1//定时器0中断服务程序
- {
- TH0=(65536-50000)/256;//再次装定时器初值
- TL0=(65536-50000)%256;
- count++; //中断次数累加
- if(count==20) //20次50毫秒为1秒
- {
- count=0;
- miao++;
- if(miao==60)//秒加到60则进位分钟
- {
- miao=0;//同时秒数清零
- fen++;
- if(fen==60)//分钟加到60则进位小时
- {
- fen=0;//同时分钟数清零
- shi++;
- if(shi==24)//小时加到24则小时清零
- {
- shi=0;
- week++;
- if(week==8)
- {
- week=1;
- }
- write_week(week);//星期若变化则重新写入
- day++;
- if(year%4==0&&month==2)//判断是否为闰年的2月
- {
- if(day==30)
- {
- writeym();
- }
- write_ymd(9,day);//日若变化则重新写入
- }
- if(year%4!=0&&month==2)//判断是否为平年的2月
- {
- if(day==29)
- {
- writeym();
- }
- write_ymd(9,day);//日若变化则重新写入
- }
- if(month!=2&&month!=4&&month!=6&&month!=9&&month!=11)
- {
- if(day==32)
- {
- writeym();
- }
- write_ymd(9,day);//日若变化则重新写入
- }
- if(month==4||month==6||month==9||month==11)
- {
- if(day==31)
- {
- writeym();
- }
- write_ymd(9,day);//日若变化则重新写入
- }
- }
- if(s4num==1)
- {
- zhuanhuan();
- _shi();
- write_sfm(4,pshi);//12小时制小时若变化则重新写入
- }
- else write_sfm(4,shi);//24小时制小时若变化则重新写入
- }
- write_sfm(7,fen);//分钟若变化则重新写入
- }
- write_sfm(10,miao);//秒若变化则重新写入
- }
- }
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