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2.2单片机的应用4
2.3单片机的输入输出口4
2.3.1P0口5
2.3.2P1口7
2.3.3P2口8
2.3.4P3口9
2.4复位状态9
2.5单片机应用系统的一般调试方法10
2.5.1硬件调试10
2.5.2软件调试10
2.5.3系统联调11
第三章多功能电子时钟设计方案分析12
3.1芯片的选择12
3.2显示模块选择12
3.3时钟信号的选择12
3.4温度采集模块的选择13
3.5电路设计最终方案决定13
第四章多功能电子时钟的硬件设计14
4.1电子时钟设计框图14
4.2时钟电路设计14
4.3环境温度采集电路设计16
4.4显示电路设计17
4.5按键电路设计19
4.6晶振、复位电路设计19
第五章多功能电子时钟的软件设计21
5.1液晶显示子程序21
5.2实时时钟日历芯片子程序22
5.3时间设置子程序22
5.4主程序流程23
第六章多功能电子时钟的系统仿真25
6.1Keil简介25
6.2Proteus简介27
6.3多功能电子时钟的详细仿真过程32
第七章样机制作与调试34
7.1元器件清单34
7.2线路板焊接及其检查34
7.3样机调试、运行结果35
第八章总结与展望37
致谢38
参考文献39
附录A40
第一章绪论
1.1引言
20世纪末,单片机技术获得了飞速的发展,在其推动下,现在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的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现在电子产品性能进一步提高,产品跟新换代越快越快。
平时我们要求上班准时,约会或召开会议必然要提及时间;
火车要准点到达,航班要准点起飞;
工业生产中,很多环节都需要时间来确定工序替换时刻所以说能随时准确知道时间并利用时间。
时间对于我们来说总是那么宝贵。
是我们生活和工作中必不可少的。
1.2选题背景与意义
电子钟是采用电子电路实现时、分、秒进行数字显示的计时装置,广泛应用于个人,家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活必不可少的必需品。
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带来了极大的方便,而且扩大了原先表的功能。
诸如定时报警、0按时自动打铃,定时开关,各种定时电气的自动启用等,所有这些都是以数字化为基础的。
因此研究数字钟的扩大及其应用,有着非常现实的意义。
另外,温度实时显示系统应用同样越来越广泛,比如空调遥控器上当前温度显示、热水器温度的显示等等。
医药卫生、工业生产也有很多场合需要测量环境温度。
如果能够在电子钟上附加温度采集功能,将使电子钟的应用更加广泛。
1.3论文主要研究内容
本次主要设计的是多功能电子钟。
利用PROTEUS,KEIL,PROTEL三个设计平台,以单片机为核心,采用软、硬件相结合设计所得。
以AT89C52单片机为核心,LCD显示,使用DS1302时钟芯片完成时钟、日历的基本功能,同时利用DS18B20温度传感器测量环境温度。
1.4电子时钟的功能
电子钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化,拥有时间精确、体积小,可扩展性好等特点,被广泛应用于生活和工作中。
人们根据不同场合的要求,在时钟上加之其他功能,比如定时闹铃,万年历,环境温度,环境空气检测,USB扩展功能等。
本设计电子钟主要功能为:
1.具有时间显示和手动校对功能:
2.具有年、月、日显示和手动校对功能;
3.具有环境温度采集和显示功能;
4.掉电后无需重新设置时间和日期;
1.5主要章节安排
第一章介绍了毕业设计的主要内容;
第二章介绍了多功能电子钟的设计方案;
第三章介绍了单片机;
第四章介绍了多功能电子钟的硬件设计部分;
第五章介绍了软件部分设计;
第六章介绍了系统仿真,用Keil与proteus结合,第七章介绍了进行样机制作与调试;
第八章介绍了总结与展望。
第二章单片机简介
2.1单片机概述
本次设计的核心器件我们选用51系列单片机,单片机的全称为单片微型计算机,从应用领域来看,单片机主要用于控制,所以又称为微控制器,或嵌入式控制器,单片机将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上。
单片机源于微型计算机,属于计算机的一个应用分支,但其所走的路线又和通用微处理器不同,微处理器向着高速运算,数据分析与数据处理,大规模,大容量存储器方向发展,以提高通用计算机的性能,而单片机则是从工业测控对象,环境,接口特点出发,向着增强控制功能,提高工业环境下的可靠性,灵活方便地构成计算机应用系统的界面接口的方向发展,因此,单片机既有与通用微型计算机相同的功能结构特征,又有其独特的特点。
功能上,它把微机的三大组成部分(CPU+存储器+I/O接口)和一些实时控制需要的功能集成在一块芯片上。
结构上,它是一个有效的数据处理机,也是一个功能很强的过程控制机,从某意义上讲,一块单片机就具有一台微型计算机的功能,只需要加上所需的输入输出设备,就可以构成一个完整的系统。
随着超大规模集成电路的发展,单片机先后经历了4位机、8位机、16位机、32位机、和64位机的发展阶段。
从体系结构上看,单片机自诞生以来,经历了从SCM到MCU再到SOC的发展过程。
SCM(SingleChipMicrocomputer)单片微型计算机。
其主要是寻求单片形态的嵌入式系统的最佳体系结构,开创了单片机与通用计算机完全不同的发展道路。
MCS-51奠定了SCM的经典体系结构。
MCU(MicroControllerUnit)微控制器。
随着SCM在技术上,体系结构上不断扩展嵌入式对象要求的各种控制功能,增加对象系统要求的外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力,使单片机迅速进入MCU阶段。
一块单片机芯片就是一个比较完整的小型控制系统。
SOC(SystemOnChip)片上系统。
片上系统是寻求应用系统在芯片上的最大化解决。
单片机不仅包括完整的硬件系统,并且嵌入软件的全部内容。
单片机芯片的内部功能越来越强大,目前除了具有ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断、串行口等传统的内容外,一些新型的单片机还扩充了许多功能。
如内置多通道模/数转换器,数/模转换器,电压比较器等,有的专用单片机甚至还内置了USB,IRDA红外和无线电技术,并且具有在线编程,调试,仿真功能。
2.2单片机的应用
单片机的应用范围十分广泛,其主要的应用领域有:
1、工业控制,单片机可以构成各种工业控制系统,数据采集系统等,如数控机床,自动生产线控制,电机控制,温度控制等。
2、仪器仪表,如智能仪器,医疗器械,数字示波器等。
3、计算机外部设备与智能接口,如图形终端机,传真机,复印机,打印机,绘图仪,磁盘/磁带机,智能终端机等。
4、商用产品,如自动售货机,电子收款机,电子秤等。
5、家用电器,如微波炉,电视机,空调,洗衣机,录像机,音响设备等。
2.3单片机的输入输出口
89C51单片机由运算器和控制器组成的微处理器、片内存储器RAM/ROM、P0~P3组成的I/O端口以及各种存储器组成的特殊功能寄存器SFR和串行接口、定时/计数器、中断系统、振荡器等构成。
AT89C51单片机有4个8位并行输入/输出接口;
P0、P1、P3和P4口。
这4个口既可以并行输入或输出8位数据,又可以按位使用,即每1位均能独立作输入或输出用。
每个口的功能虽有所不同,但都具有1个锁存器(即特殊功能寄存器P0~P3)、1个输出驱动器和2个(P3口为3个)三态缓冲器。
下面分别介绍各口的结构、原理及功能。
图2-151单片机内部结构框图
2.3.1P0口
1.P0口结构
P0口是一个三台双向口,可作为地址/数据分时复用口,也可作为通用I/O图2-251单片机P0口内部结构框图接口。
其1位的结构原理如图2-2所示,P0口由8个这样的电路组成。
锁存器起输出锁存作用,8个锁存器构成了特殊功能寄存器P0;
场效应管(FET)V1、V2组成输出驱动器,以增大带负载能力;
三态门1是引脚输入缓冲器;
三态门2用于读锁存器端口;
与门3、反相器4及模拟转换开关构成了输出控制电路。
2.地址/数据分时复用功能
当P0口作为地址/数据分时复用总线时,可分为两种情况:
一种是从P0口输出地址或数据,另一种是从P0口输入数据。
在访问片外存储器而需从P0口输出地址或数据信号时,控制信号应为高电平“1”,通过转换开关MUX把反相器4的输出端与V1接通,同时把与门3打开。
当地址或数据为“1”时,经反相器4的输出端是V1截止,而经与门3使V2导通,P0.x引脚上出现相应的高电平“1”;
当地址或数据为“0”时,经反相器4反相使V1导通而V2截止,引脚上出现相应的低电平“0”.这样即可将地址/数据的信号输出。
3.通用I/O接口功能
当P0口作为通用I/0口使用,在CPU向端口输出数据时,对应的控制信号为0,转换开关把输出级与锁存器Q端接通,同时因与门3输出为0使V2截止,此时,输出级是漏极开路电路。
当写脉冲加在锁存器时钟端CLK上时,与内部总线相连的D端数据取反后出现在Q端,又经输出V1反相,在P0引脚上出现的数据正好是内部总线的数据。
当要从P0口输入数据时,引脚信息仍经输入缓冲器进入内部总线。
当P0口作为通用I/O接口时,要注意一下两点:
(1)在输出数据时,由于V2截止,输出级是漏极开路电路,要使“1”
信号正常输出,必须外接上拉电阻。
(2)P0口作为通用I/O口使用时,是准双向口。
其特点是在输入数据时,
应先把口置1(写1),此时锁存器的Q端为0,使输出级的两个场效应管V1、V2均截止,引脚处于悬浮状态,才可作高阻输入。
因为从P0口引脚输入数据时,V2一只处于截止状态,引脚上的外部信号既加在三态缓冲器1的输入端,又加在V1的漏极。
假定在此之前曾输出锁存过数据0,则V1是导通的,这样引脚上的电位就时钟被钳位在低电平,使输入高电平无法读。
因此,在输入数据时,应人为地先向口写1,使V1、V2均截止,方可高阻输入。
所以说,P0口作为通用I/O口使用时,是准双向口。
但在P0用作地址/数据分时复用功能连接外部存储器时,由于访问外部存储器期间,CPU会自动向P0口的锁存器写入0FFH,因此对用户而言,P0口此时则是真正的三态双向口。
4.端口操作
51对单片机有不少指令可直接进行端口操作,例如:
ANLP0,A;
(P0)<
-(P0)^(A)
ORLP0,#data;
-(P0)ˇdata
DECP0;
-(P0)-1
这些指令的执行过程分成“读-修改-写”三步:
先将P0口的数据读入CPU,在ALU中进行运算,运算结果再送回P0。
执行“读-修改-写”类指令时,从CPU是通过三态门2读回锁存器Q端的数据来代表引脚状态的。
如果直接通过三态门1从引脚都会数据,则有时会发生错误。
例如,用1根口鲜去驱动一个晶体管的基极,当向此口线输出1时,锁存器Q=1,V2导通驱动晶体管。
当晶体管导通后,引脚上的电平被拉到低电平(0.7V),因而,若从引脚只见诶读回数据,原为1的状态则会错读为0.所以,要从锁存器Q段读取数据。
综上所述,P0口在有外部扩展存储器时被作为地址/数据总线口,此时是一个真正的双向口;
在没有外部扩展存储器时,P0口也可作为通用的I/O接口,但此时只是一个准双向口。
另外,P0口的输出级具有驱动8个LSTTL负载的能力,即输出电流不小于800µ
A。
2.3.2P1口
图2-351单片机P1内部结构框图
P1口为准双向口,其1位的内部结构如图3.3所示。
它在结构上与P0口的区别在于输出驱动部分。
其输出驱动部分由场效应管V1的内部上拉电阻组成。
当其某位输出高电平时,可以提供拉电流负载,不必像P0口那样需要外接电阻。
P1口只有通用I/O接口一种功能(对51子系列),其输入输出原理特性与P0口作为通用I/0接口使用时一样,请读者自己分析。
P1口具有驱动4个LSTTL负载的能力。
另外,对于52字系列单片机P1口的P1.0与P1.1,除作为通用I/O接口线外,还具有第二功能,即P1.0可作为定时器/计数器2的外部控制输入端T2EX。
2.3.3P2口
图2-451单片机P2口结构框图
P2口也是准双向口,其1位的内部结构如图2-4所示。
它具有通用I/O接口或高8位地址总线输出两种功能,所以其输出驱动结构比P1口输出驱动结构多了一个模拟转换开关MUX和反相器3。
当作为准双向通用I/O口使用时,控制信号使转换开关接向左侧,锁存器Q端经反相器3接V1,其工作原理与P1相同,也具有输入、输出、端口操作三种工作方式,负载能力也与P1相同。
当作为外部扩展存储器的高8位地址PCH或数据指针DPTR来的高8位地址DPH经反相器3和V1原样呈现在P2口的引脚上,输出高8位地址A8~A15.在上述情况下,口锁存器的内容不受影响,所以,取指或访问外部存储器结束后,由于转换开关又接至左侧,使输出驱动器与锁存器Q相连,因而引脚上将回复原来的数据。
2.3.4P3口
P3口的1位结构如图所示。
它的输出驱动由与非门3、V1组成,比P0、P1、P2口多了一个缓冲器4。
P3口除了可作为通用准双先I/O接口外,每一根口线还具有第二功能。
当P3口作为通用I/O接口时,第二功能输出线为高电平,使与非门3的
图2-551单片机P3内部结构框图
输出取决于口锁存器的状态。
在这种情况下,P3口仍是一个准双向口,它的工作方式、负载能力均与P1、P2口相同。
当P3口作为第二功能使用时,其锁存器Q端必须为高电平,否则V1管导通,引脚将被钳位在低电平,无法输入或输出第二功能信号。
当Q端为高电平时,P3口的口线状态就取决于第二功能输出线的状态。
单片机复位时,锁存器输出端为高电平。
P3口的引脚信号输入通道中有2个缓冲期,第二功能输入信号RxD、INT0、INT1、T0、T1经缓冲器4输入,通用输入信号仍经缓冲器1输入。
2.4复位状态
51系列单片机的复位引脚RST上只要出现10ms以上的高电平,单片机就会实现复位。
单片机在RST引脚高电平的控制下,特殊功能寄存器和程序计数器PC复位后的状态如下表所示:
51单片机复位状态表
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
A
T2CON
B
TH0
PSW
OOH
TLO
SP
O7H
TH1
DPTR
TL1
PO-P3
FFH
SCON
(PC)=0000H:
程序的初始入口地址为0000H。
(PSW)=00H:
由于RS1=0,RS0=0,复位后单片机选择工作寄存器0组。
(SP)=07H:
复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立。
(TMOD)=00H:
复位后定时器/计数器T0、T1定时方式0,非门控制方式。
(TCON)=00H:
复位后串行口工作在移位寄存器方式,且禁止串行口接收。
(IE)=00H:
复位后屏蔽所有中断。
(IP)=00H:
复位后所有中断源都设置为低优先级。
P0-P3:
锁存器都是全1状态,说明复位后4个并行接口设置为输入口。
2.5单片机应用系统的一般调试方法
2.5.1硬件调试
硬件调试是指利用开发系统,基本测试仪器(万用表、示波器等),通过执行开发系统的有关命令或运行适当的测试程序(也可以是与硬件有关的部分用户程序段),来检查用户系统硬件中存在的故障。
硬件调试可分静态调试与动态调试两步进行。
静态调试第一步为目测,第二步为万用表测试,第三步为加电检查,第四步是联机检查。
调试完成后,接着进行动态调试。
动态调试是在用户系统工作地情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障,器件间连接逻辑错误等情况的一种硬件检查。
一般方法是由近及远、由分到合。
2.5.2软件调试
软件调试时是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误,并加以纠正的过程。
软件调试的一般方法是先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续。
2.5.3系统联调
系统调联是指让用户系统的软件在其硬件上实际运行,进行软、硬件联合调试,从中发现硬件故障或软、硬件设计错误。
这是对用户系统检验的重要一关。
其主要解决以下问题:
软、硬件能否按预定要求配合工作,如果不能,那么问题出在哪里?
如何解决?
系统运行中是否有潜在的、设计时难以预料的错误?
系统的动态性能指标是否满足设计要求?
系统联调时,首先采用单步、断点、连续运行方式调试与硬件相关的各程序段,即可以检验这些用户程序段的正确性,又可以在各功能独立的情况下,检验软、硬件的配合情况。
然后,将软、硬件按系统工作要求进行综合运行,采用全速断点、连续运行方式进行总调试,以解决在系统总体运行情况下软、硬件的协调与提高系统的动态性能。
在具体操作中,用户系统在开发环境下,先借用仿真器的单片机、存储器等资源进行工作,若发现问题,刚按上述软、硬件调试方法准确定位错误,分析错误原因,找出解决办法。
用户系统调试完后,将用户程序固化到用户系统的程序存储器中,再借用单片机运行。
第三章多功能电子时钟设计方案分析
3.1芯片的选择
方案一:
采用AT89C51芯片,其为高性能CMOS8位单片机,该芯片含有4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)、128bytes的随机存取数据存储器(RAM)、32位课编程I/O口线、2个16位定时/计数器、6个中断源、课编程串行UART通道及低功耗空闲和掉电模式,但是由于AT89C51芯片可擦写的空间不够大,且中断源提供的较小,为防止运行过程中出现不必要的问题,我们不选用AT89C51。
方案二:
采用AT89C52芯片,它除了具备AT89C51的所有功能外,其最大的优势就是它提供8k字节的可擦写Flash闪速存储器空间、8个中断源、及256*8字节的内部存储器(RAM),解决了我们对可反复擦写的Flash闪速存储器空间大小与中断源的不够问题的担心。
3.2显示模块选择
采用LED数码管显示显示较为清楚,但是由于设计要求时钟功能比较重要,因此用如LED进行显示会使得硬件电路较为复杂,且在软件实现上也较难,为实现功能带来了一定的困难。
方案二:
采用LCD,电路比较简单,且在软件设计也相对简单,具有低功耗功能,能够满足设计最优的要求。
因此,在设计中我采用色是LCD显示。
3.3时钟信号的选择
直接采用单片机定计数器提供的秒信号,使用程序年、月、日周、分、秒计数。
采用此种方案课减少芯片的使用,节约成本,实现的时间误差较小,但程序设计较为复杂。
采用DS1302时钟芯片实现时钟,DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片,可自动对秒分时日周月年以及闰年补偿的年进行计数,而且精度高,256位的RAM作为数据暂存区,工作电压2.5~5.5V范围内,2.5V时耗电小于300nA。
且硬件电路连接较为简单,程序设计容易实现。
3.4温度采集模块的选择
采用AD590,AD590测量到不同温度之后,把应温度转化为线性电流输出,为1uA/K,正比与热力学温度。
该传感器宽量程,为-55~+150°
C;
精度高,但是由于它只能将采集来的温度转化为电流输出,所以在实际应用中,需要先将电流转化为电压,再利用A/D转换元件进行模/数,将模拟量转化为数字量,最后送入单片机。
采用DS18B20数字温度传感器能直接将被测温度转化为串行数字信号,供单片机处理,既节省了硬件,又避免了模拟方式的干扰问题。
还具有微型化、低功耗、高性能、等优点。
3.5电路设计最终方案决定
综上各方案所述,对此数字时钟的方案选定为:
采用AT89C52作为主控系统。
并由DS1302作为时钟芯片,DS18B20数字温度传感器测量温度,LCD作为显示电路来实现功能。
四章多功能电子时钟的硬件设计
4.1电子时钟设计框图
图4-1电子时钟设计框图
该系统使用AT89C52单片机为核心,通过读取时钟日历芯片DS1302和温度传感器DS18B20的数据,完成电子钟的主要功能,然后在LCD液晶显示器上显示年、月、日、分、秒、以及环境温度。
整个电路使用了两种电源,+5V电源为整个电路供电。
而+3V电源仅作为DS1302的备用电源。
当+5V电源被切断后,DS1302启用+3V电源,可以保持DS1302继续工作。
+5V电源恢复供电,LCD显示当前时间,而不会因为断电使系统复位到初始化时间,避免了重新校时的麻烦。
4.2时钟电路设计
系统时钟应用了实时时钟芯片DS1302,该电路设计简单,抗干扰能力强。
管脚描述
X1X2——32.768KHz晶振管脚
GND——地
RST——复位脚
I/O——数据输入/输出引脚
SCLK——串行时钟
Vcc1,Vcc2——电源供电管脚
图4-2DS1302管脚排列图
特征
实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力,还有闰
- 配套讲稿:
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