基于單片機(jī)多位LED數(shù)碼管的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)報(bào)告

ID:329821 · 發(fā)表于 2018-5-19 12:52

基于多位LED數(shù)碼管的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

【中文摘要】設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是結(jié)合軟件Keil和Proteus來(lái)仿真一個(gè)由單片機(jī)AT89C51芯片和多位LED數(shù)碼管為核心的單片機(jī)數(shù)字時(shí)鐘，從而鍛煉出學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)軟、硬件的能力。設(shè)計(jì)已完成的數(shù)宇鐘的基本功能:正常走時(shí)(年、月、日、時(shí)、分、秒)、校正時(shí)間和秒表功能。且操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定。

1前言

數(shù)字鐘具有走時(shí)準(zhǔn)確，一鐘多用等特點(diǎn)，在生活中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上已有現(xiàn)成的電子鐘集成電路芯片，價(jià)格便宜、使用也方便。但是，人們對(duì)電子產(chǎn)品的應(yīng)用要求越來(lái)越高，數(shù)字鐘不但可以顯示當(dāng)前的時(shí)問(wèn)，而且可以顯示期、農(nóng)歷、以及星期等，給人們的生活帶來(lái)了方便。

時(shí)鐘電路在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是保證系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。在一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，時(shí)鐘有兩方面的含義:一是指為保障系統(tǒng)正常工作的基準(zhǔn)振蕩定時(shí)信號(hào)，主要由晶振和外圍電路組成，晶振頻率的大小決定了單片機(jī)系統(tǒng)工作的快慢。二是指系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)時(shí)鐘，即定時(shí)時(shí)間，它通常有兩種實(shí)現(xiàn)方法:一是用軟件實(shí)現(xiàn)，即用單片機(jī)內(nèi)部的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但誤差很大;二是用專門的時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)，在對(duì)時(shí)間精度要求很高的情況下，通常采用這種方法。

本文主要介紹用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能時(shí)鐘的方法，設(shè)計(jì)由單片機(jī)AT89C51芯片和和多位LED數(shù)碼管為核心，輔以必要的電路等，構(gòu)成的一個(gè)單片機(jī)數(shù)字時(shí)鐘。

2設(shè)計(jì)方案

2.1設(shè)計(jì)思路

數(shù)字鐘的功能就是顯示秒、分和小時(shí)，其算法是60秒為1分鐘，60分鐘為1小時(shí)，一天為24小時(shí)。因此需要秒計(jì)數(shù)器到59秒的時(shí)候，再加1秒時(shí)，秒計(jì)數(shù)器清0，分鐘計(jì)數(shù)器加1;秒計(jì)數(shù)器加到59秒，分鐘計(jì)數(shù)器到59分時(shí)，再加1秒時(shí)，秒計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器同時(shí)清0，小時(shí)計(jì)數(shù)器加1;當(dāng)小時(shí)計(jì)數(shù)器為23小時(shí)，分計(jì)數(shù)器為59分，秒為59秒的時(shí)候，再加1秒時(shí)，秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器和小時(shí)計(jì)數(shù)器同時(shí)清零。數(shù)字鐘的核心就是要產(chǎn)生秒信號(hào)，這里利用單片機(jī)的定時(shí)器TO產(chǎn)生。定時(shí)器TO有4種工作方式，可以采用中斷方式和查詢方式編程。

此數(shù)字時(shí)鐘由主模塊（AT89C51）、顯示模塊（多位LED數(shù)碼管）、控制模塊和計(jì)時(shí)運(yùn)算模塊四大部分組成。其中控制模塊和計(jì)時(shí)運(yùn)算模塊主要對(duì)年月日、時(shí)分秒的數(shù)值顯示和調(diào)整進(jìn)行操作,并且秒計(jì)算到60時(shí),自動(dòng)清零并向分進(jìn)1；分計(jì)算到60時(shí),自動(dòng)清零并向時(shí)進(jìn)1；時(shí)計(jì)算到24時(shí),自動(dòng)清零。這樣,就形成了循環(huán)計(jì)時(shí),顯示模塊主要用來(lái)顯示當(dāng)前計(jì)數(shù)值。AT89C51是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心,主要用來(lái)產(chǎn)生定時(shí)中斷,傳輸數(shù)據(jù)和控制各個(gè)部件工作。

數(shù)字鐘格式：XX.XX.XX ，從左向右分別為時(shí)/年、分/月、秒/日。時(shí)分秒完成由秒01一直加1至59，再恢復(fù)00；分加1，由00至01，一直加1至59，再恢復(fù)00；時(shí)加1，時(shí)由00加至23后秒分時(shí)全部清零；該鐘使用TO做定時(shí)中斷。

時(shí)鐘校正：走時(shí)過(guò)程中直接調(diào)整且不影響走時(shí)準(zhǔn)確性。按下相應(yīng)次數(shù)功能鍵S1進(jìn)入相應(yīng)數(shù)位的調(diào)整；按下S2按鍵加，相應(yīng)數(shù)位加1；按下S3按鍵減，相應(yīng)數(shù)位減1。

秒表功能：按下功能鍵S1對(duì)應(yīng)次數(shù)，進(jìn)入秒表計(jì)時(shí)功能；按下S2按鍵加，開(kāi)始計(jì)時(shí)；按下S3按鍵減，暫停計(jì)時(shí)；暫停計(jì)時(shí)時(shí)，按下S2按鍵加，繼續(xù)計(jì)時(shí)；按下S4按鍵，退出。

年月顯示：按住S4按鍵不放，顯示年月日。

2.2模塊功能說(shuō)明

（1）單片機(jī)AT89C51簡(jiǎn)介,如下圖1

圖1 AT89C51引腳圖

VCC：供電電壓。
GND：接地。
P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接口。

P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。
ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。

/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。
/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。

①TMOD定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式寄存器
定時(shí)器方式控制寄存器TMOD在特殊功能寄存器中,字節(jié)地址為89H,無(wú)位地址。

②TCON定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器
TCON在特殊功能寄存器中,字節(jié)地址為88H,位地址(由低位到高位)為88H--8FH,由于有位地址,十分便于進(jìn)行位操作。

③定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初始化

由于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的功能是由軟件編程確定的,所以一般在使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器前都要對(duì)其進(jìn)行初始化,使其按設(shè)定的功能工作.初始貨的步驟一般如下:

確定工作方式（即對(duì)TMOD賦值），預(yù)置定時(shí)或計(jì)數(shù)的初值。

2、根據(jù)需要開(kāi)放定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的中斷（直接對(duì)IE位賦值）。

3、啟動(dòng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

（2）多位LED數(shù)碼管7SEG-MPX6-CA簡(jiǎn)介如下圖2

圖2 7SEG-MPX6-CA數(shù)碼管模型圖

7SEG-MPX6-CA是7段6位共陽(yáng)級(jí)數(shù)碼管,DP為小數(shù)點(diǎn),位碼(1-6)應(yīng)輪流通高電位,段碼控制數(shù)碼管的顯示:0-e,1-d,2-p,3-c,4-g,5-b,6-f,7-a.共陽(yáng)極LED數(shù)碼管,它是將發(fā)光二極管的陽(yáng)極(正極)短接后作為公共陽(yáng)極.當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平才能發(fā)光。

本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)顯示，即節(jié)省了I/O口，又能降低能耗。

顯示過(guò)程注意消影。

（3）其余元件如下圖3

BUTTON

PNP

POWER

GROUND

RES

圖3 所需用到的其余元件

2.3系統(tǒng)總體原理圖如下圖4

圖4 基于多位LED數(shù)碼管的數(shù)字鐘總圖

2.4電路圖的接法設(shè)計(jì)

鑒于仿真的單片機(jī)數(shù)字時(shí)鐘的美觀性，取消各模塊間的可見(jiàn)連線，利用Proteus中的Edit Wire Style 按鈕來(lái)連接各個(gè)端口。

單片機(jī)P1端口接按鍵S輸入；單片機(jī)P0端口接段碼驅(qū)動(dòng)到數(shù)碼管；單片機(jī)P2端口接位碼驅(qū)動(dòng)到數(shù)碼管。

2.5按鍵功能說(shuō)明

1、功能鍵--根據(jù)按下的次數(shù)，分別調(diào)節(jié)時(shí)間和年月，按位調(diào)節(jié)，同時(shí)調(diào)整位閃爍，按下11次后進(jìn)入秒表，期間可以按退出鍵退出功能調(diào)節(jié)或秒表。

2、數(shù)字加---進(jìn)入時(shí)間或年月調(diào)節(jié)時(shí)，按此鍵閃爍位數(shù)字加一，秒表模式下為秒表開(kāi)始鍵。

3、數(shù)字減---進(jìn)入時(shí)間或年月調(diào)節(jié)時(shí)，按此鍵閃爍位數(shù)字減一，秒表模式下為秒表暫停鍵。

4、退出鍵---進(jìn)入時(shí)間或年月調(diào)節(jié)時(shí)，按此鍵保存調(diào)節(jié)并退出，沒(méi)進(jìn)入時(shí)間或年月調(diào)節(jié)時(shí)按此鍵顯示年月。

3 程序流程圖

3.1時(shí)鐘顯示程序流程圖如下圖5

圖5 時(shí)鐘顯示程序流程圖

3.2外部中斷處理流程圖如下圖6

圖6 外部中斷處理流程圖

3.3函數(shù)模塊及功能

（1）Void Time0() interrupt 1

定時(shí)器0中斷服務(wù)程序，供時(shí)鐘主程序使用

（2）Void Time1() interrupt 3

定時(shí)器1中斷服務(wù)程序，供秒表使用

（3）Void yanshi(uint z)

延時(shí)程序，供動(dòng)態(tài)掃描與按鍵去抖

（4）Void xianshi（）

動(dòng)態(tài)掃描程序

（5）Void shizhong()

時(shí)鐘主程序

（6）Void key1()

按鍵1檢測(cè)，按的次數(shù)不同進(jìn)入不同調(diào)節(jié)功能

（7）Void key2()

按鍵2檢測(cè)，數(shù)字加或秒表計(jì)時(shí)

（8）Void key3()

按鍵3檢測(cè)，數(shù)字減或秒表暫停

（9）Void key4（）

按鍵4檢測(cè)，按住不放顯示年月，退出功能

（10）Void nyr（）

年月日調(diào)節(jié)

（11）Void miaobiao（）

秒表，精確到1%秒

（12）Void init（）

初始化設(shè)置中斷

4 設(shè)計(jì)總結(jié)

這次對(duì)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)認(rèn)真地查找資料、編寫程序以及調(diào)試程序,結(jié)果達(dá)到驗(yàn)證無(wú)誤。從開(kāi)始設(shè)計(jì)到仿真實(shí)現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對(duì)我來(lái)說(shuō)都是新的嘗試與挑戰(zhàn)。從單片機(jī)模塊數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)過(guò)程中我找到了一些單片機(jī)開(kāi)發(fā)的規(guī)律：先了解所有元件的具體內(nèi)容，從而畫出其電路圖，使數(shù)字鐘從簡(jiǎn)易變成多功能的方式，雖沒(méi)有做鬧鈴功能的多功能數(shù)字鐘，卻知曉了其方法。從而更好地讓自己踏入單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的第一步。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙文博,劉文濤.單片機(jī)語(yǔ)言C51程序設(shè)計(jì)[M].人民郵電出版社,2006

[2]石從剛.MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2007

[3]張靖武.單片機(jī)系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真[M].電子工業(yè)出版社,2009

[4]李精華.基于數(shù)字鐘設(shè)計(jì)的單片機(jī)課程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)[J].桂林航天工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2010

附錄：

程序代碼及說(shuō)明