第一章 设计目的及要求
1.目的
通过对电子时钟系统进行编程与Protues仿真,进一步掌握单片机的组成,P1、P0、P2、P3口的应用,蜂鸣器的应用,定时中断程序的编写及应用,对之前学习的单片机课程进行回顾与应用;初步掌握Protues仿真方法以及用keil软件编写程序的方法。
2.题目与要求
本次课程设计的题目为:电子时钟的设计,其具体要求为:
(1)能实现时、分、秒的显示;
(2)能实现12、24小时制的切换;
(3)能设定时间;
(4)能设定闹钟;
整个系统要设计键盘和显示器,利用单片机内部时钟完成定时器的定时设计。
第二章 理论基础
1.AT89C52芯片
AT89C52芯片的引脚图如图1所示。
图1 AT89C52芯片引脚
其中主要应用到的引脚口介绍:
(1)P0口的第一功能是作为一般I/O口使用,第二功能是在CPU访问外部存储器时,分时提供低8位地址和8位双向数据。
(2)P1口是8位准双向I/O口,51子系列中P1只能用作一般I/O口,52子系列中P1.0和P1.1引脚还具有第二功能。
(3)P2口是8位准双向I/O口,第二功能是在CPU访问外部存储器时,作为高8位地址总线,输出高8位地址。
(4)P3口是8位准双向I/O口,其第一功能是用作一般I/O口,第二功能是作为中断信号和外部数据存储器的读写控制信号。
(5)RES,复位信号高电平有效。
2.Keil的简单介绍
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(μVision)将这些部分组合在一起。此处简单介绍一下Keil 工程的建立等,以Keil μVision2界面为例。
(1)建立一个工程,选择菜单栏中的【Project】下的【New Project】,菜单栏如图2所示。
图2 菜单栏
(2)选择工程要保存的路径并且输入工程名,以电子时钟工程的建立为例,如图3所示。
图3 “保存新工程”对话框
(3)选择系统要用的单片机如图4(a)所示,选择添加启动文件如图4(b)所示。
图4(a)“选择单片机”对话框
图4(b)“添加启动文件”对话框
(4)建立文件,选择菜单【File】下的【New】,出现界面如图5所示。
图5 新建文件界面
(5)保存文件为“*.c”文件,并且添加文件到所建的工程下,保存文件截面图如图6所示,添加文件显示界面如图7所示,右键点击SourceGroup添加。
图6 保存文件界面
图7 添加文件界面
3.Protues的简单介绍
Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件,它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具,可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。在PROTEUS绘制好原理图后,调入已编译好的目标代码文件:*.HEX,可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
(1)Keil中生成*.HEX的界面如图8所示。
图8 生成HEX文件界面
(2)Protues中加载HEX文件,在Protues界面中双击AT89C51芯片,所示界面如图9所示。
图9 加载HEX文件界面
第三章 设计原理以及方案
1.系统总体框图
本电子时钟主要由单片机、键盘、数码管显示接口电路、蜂鸣器电路和复位电路构成,设计的总体方案如图10所示:
图10 总体方案
2.硬件电路
2.1晶振电路
晶振电路如图11所示。
图11 晶振电路
2.2复位电路
复位电路如图12所示。
图12 复位电路
2.3蜂鸣器电路
蜂鸣器电路如图13所示。
图13 蜂鸣器电路
2.4数码管显示电路
数码管显示电路如图14所示。
图14 数码管显示电路
2.5键盘电路
键盘电路如图15所示。
图15 键盘电路
2.6总体电路
在Protues中仿真的总体电路图如图16所示。
图16 总体电路
3.软件系统设计
3.1单片机的使用情况
设计电子时钟使用单片机资源的情况如下:
P0口输出数码管段选信号,P2口输出数码管位选信号;调整功能选择键kgnxz:P3.0口,通过其选择调整时钟还是调整闹钟;调整秒 ksec:P3.1口,按一次使秒加1;调整分kmin:P3.2;按一次使分加1;调整小时khour:P3.3口,按一次使时加1;12与24小时制的转换键kzh:P3.4,默认24小时制,按一次键之后转换为12小时制。具体如下:
(1)实现基本的走时间和显示时间的时、分、秒,上电自动显示初始时间00-00-00。
(2)当第一次按下第一个弹性按键时进入时间的调节状态,按下第二个按键时实现秒的加一调节,按下第三个按键时实现分的加一调节,按下第四个按键时实现小时的加一调节。
(3)当第二次按下第一个弹性按键时进入闹钟的调节状态(闹钟初始值设定为01-00-30),按下第二个按键时实现秒的加一调节,按下第三个按键时实现分的加一调节,按下第四个按键时实现小时的加一调节。
(4)当第三次按下第一个弹性按键时进入原显示时间的状态。
(5)按下第五个按键时实现24到12小时制的转换。
(6)当第五次按下第一个弹性按键时返回正常的显示时间走时状态。
3.2软件系统的各个模块
时钟系统的软件设计主要采用以下基本模块来实现,主程序、定时中断服务程序、键盘扫描程序模块、时钟显示模块、闹钟显示模块、转换模块、延时模块和蜂鸣器模块。
主程序:对中断程序初值进行设定,在各种情况下对子函数的调用,保证整个程序的顺序执行。
定时中断服务程序:用于电子时钟的准确运行。
键盘扫描程序模块:用于确定按键并在按键按下时调用相应的程序进行显示。
时钟显示模块:用于显示正常走表的时间。
闹钟显示模块:用于显示设定闹钟的时间。
转换模块:用于将默认的24小时制转换为12小时制。
延时模块:程序中调用延时子程序,用于按键消抖动,数码管消影等。
蜂鸣器模块:用于在设定的闹钟时间与走表的时间相等时,闹钟响起。
3.3软件系统程序流图
主程序的顺序流图如图17所示。
图17 主程序顺序流图
显示程序的顺序流图如图18所示。
图18 显示程序顺序流图
中断程序的顺序流图如图19所示。
图19 中断程序顺序流
第四章 仿真结果与分析
1.仿真结果
上电走表仿真结果图如图20所示。
图20 上电之后走表仿真结果图
按下一次kgnxz键,再分别调整时、分、秒各按键,使得显示时间为15-15-15仿真结果图如图21所示。
图21 调整时分秒仿真结果图
按下kzh键,使得显示时间为03-15-19仿真结果图如图22所示。
图22 24小时制转换为12小时制仿真结果图
按下第二次kgnxz键,再分别调整时、分、秒各按键,即调整的便是闹钟的设定时间(初始设定为01-00-30),仿真结果图如图23所示。
图23 闹钟显示仿真结果图
调整闹钟的设定时间为03-20-30,仿真结果图如图24所示。
图24 闹钟调整显示仿真结果图
按下第三次kgnxz键时,显示走表的时间,并且在到达设定的闹钟时间时蜂鸣器发出声音,即在蜂鸣器发声过程中P1.0口会由原高电平变为低电平,仿真结果图如图25所示。
图25 蜂鸣器发声仿真图
2.仿真结果分析
让手机中的秒表与Protues仿真中的秒同时开始,可以发现他们几乎是同步的(由于个人反应导致按下手机秒表瞬间有微小误差)。而闹钟设定值是完全没有误差的,当时间与设定闹钟时间完全相等时蜂鸣器就会发声。
第五章 总结
本次课程设计利用Keil以及Protues软件,完成了电子时钟系统的程序编写与电路图搭建,并对所设计的电子时钟系统进行了仿真测试。
完成本次课程设计的过程,经历了兴奋、自信、失落、奋发、所悟、完成几个过程。刚开始做课程设计时,仔细阅读设计的题目和要求,想到理论课学得也还差不多,以为没什么太大困难,所用的知识书上都有,各部分程序大都可以参考课本例题完成。开始前两天我就熟悉课本,参考课本内容在稿纸上把自己的思路和各部分程序写了下来,然后就是衔接起来在Keil中编写。经过三天的努力,毫无结果。埋头苦干的过程是痛苦的,尤其是在按自己觉得理论上合理的算法和程序做完,发现根本显示不了的时候,是迷茫,烦躁的。在第三天下午参考别人只是显示出来走表就可以的程序,并且接受别人建议按一步一步调试去编写的情况下,编写运行找错地不断循环中,终于在第五天完善了程序。
通过这次课程设计,我感觉到自己从课本上学到的理论知识和实践仍有很大的差距。学习理论课时也是有实践课的,但当时自己只是追求明白课本例题的程序,几乎很少在Protues上去画例题中的仿真图,导致自己对Protues的应用不熟悉,而且也没深入想过课本上那些小的程序之间的联系应用。所以学习知识不能太局限于理论,要与实践结合。学会了单片机的一般设计过程,通常都要进行系统扩展与配置,因此,要完成一个单片机的设计工作,必须依次做到下述工作:
- 硬件电路的设计、组装与调试;
- 应用软件的编写、调试;
- 完整应用软件的调试、固化和脱机运行。
而在进行硬件系统设计时我们应当尽量做到:
- 尽可能的选择典型电路,并符合单片机的常规使用方法;
- 在充分满足系统功能要求前提下,留余地以便于二次开发;
- 硬件结构设计应与软件设计方案一并考虑;
- 整个系统相关器件要力求性能的匹配;
- 硬件上要有可靠性与抗干扰设计;
- 充分考虑单片机的带载驱动能力。
所以我用单片机编写了上面的程序,因为基础知识学的不怎么好,如有错误之处,还望老师理解,并加以批改。通过这次设计使我对单片机有了更深入的了解。培养了我的动手实践能力。
参考文献
[1] 郭文川,MCS-51单片机原理、接口及应用,电子工业出版社,2014.
[2] 朱永金,《单片机应用技术》,中国劳动社会保障出版社.
[3] 彭冬明.韦友春,《单片机实验教程》,理工大学出版社.
[4] 朱家建,《单片机原理及应用》,机械工业出版社.
[5] 胡汉才,《单片机原理及接口技术》,清华大学出版社.
[6] 张伟,《单片机原理及应用》,机械工业出版社.
附录:
PCB原理图