通信工程毕业论文-基于单片机的电子时钟设计.doc

电子信息工程学院毕业论文论文题目基于单片机的电子时钟设计学号姓名班级通信指导老师专业通信工程完成时间年月日摘要世纪末电子技术获得了飞速的发展在其推动下现代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力的发展和社会信息化程度的提高同时也使现代电子产品性能进一步提高产品更新换代的节奏也越来越快现代生活的人们越来越重视起了时间观念可以说是时间和金钱划上了等号对于那些对时间把握非常严格和准确的人或事来说时间的不准确会带来非常大的麻烦所以以数码管为显示器的时钟比指针式的时钟表现出了很大的优势数码管显示的时间简单明了而且读数快时间准确显示到秒而机械式的依赖于晶体震荡器可能会导致误差数字钟是采用数字电路实现对时分秒数字显示的计时装置数字钟的精度稳定度远远超过老式机械钟在这次设计中我们采用数码管显示时分秒以小时计时方式根据数码管动态显示原理来进行显示用的晶振产生振荡脉冲定时器计数在此次设计中电路具有显示时间的其本功能还可以实现对时间的调整数字钟是其小巧价格低廉走时精度高使用方便功能多便于集成化而受广大消费的喜爱因此得到了广泛的使用关键字数字电子钟单片机目录第一章绪论数字电子钟的背景数字电子钟的意义数字电子钟的应用第二章数字钟的硬件设计最小系统设计显示电路第三章数字钟的软件设计系统软件设计流程图数字电子钟的原理图设计主程序第四章系统仿真软件介绍电子钟系统仿真第五章调试与功能说明硬盘调试系统性能测试与功能说明系统时钟误差分析软件调试问题及解决结束语参考文献致谢第一章绪论数字电子钟的背景世纪末电子技术获得了飞速的发展在其推动下现代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力的发展和社会信息化程度的提高同时也使现代电子产品性能进一步提高产品更新换代的节奏也越来越快时间对人们来说总是那么宝贵工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间忘记了要做的事情当事情不是很重要的时候这种遗忘无伤大雅但是一旦重要事情一时的耽误可能酿成大祸目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着化低功耗小体积大容量高性能低价格和外围电路内装化等几个方面发展下面是单片机的主要发展趋势单片机应用的重要意义还在于它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能现在已能用单片机通过软件方法来实现了这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术是传统控制技术的一次革命单片机模块中最常见的是数字钟数字钟是一种用数字电路技术实现时分秒计时的装置与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性且无机械装置具有更更长的使用寿命因此得到了广泛的使用数字电子钟的意义数字钟是采用数字电路实现对时分秒数字显示的计时装置广泛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中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生活带来了极大的方便而且大大地扩展了钟表原先的报时功能诸如定时自动报警按时自动打铃时间程序自动控制定时广播自动起闭路灯定时开关烘箱通断动力设备甚至各种定时电气的自动启用等所有这些都是以钟表数字化为基础的因此研究数字钟及扩大其应用有着非常现实的意义数字电子钟的应用数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品广泛用于个人家庭以及车站码头剧场办公室等公共场所给人们的生活学习工作娱乐带来极大的方便由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术使数字钟具有走时准确性能稳定携带方便等优点它还用于计时自动报时及自动控制等各个领域第二章数字钟的硬件设计最小系统设计图单片机最小系统的结构图单片机的最小系统是由电源复位晶振组成下面介绍一下每一个组成部分电源引脚电源端接地端工作电压为另有工作电压则是引脚功能一样外接晶体引脚图晶振连接的内部外部方式图是片内振荡器的反相放大器输入端则是输出端使用外部振荡器时外部振荡信号应直接加到而悬空内部方式时时钟发生器对振荡脉冲二分频如晶振为时钟频率就为晶振的频率可以在内选择电容取左右系统的时钟电路设计是采用的内部方式即利用芯片内部的振荡电路单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器引脚和分别是此放大器的输入端和输出端这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器外接晶体谐振器以及电容和构成并联谐振电路接在放大器的反馈回路中对外接电容的值虽然没有严格的要求但电容的大小会影响震荡器频率的高低震荡器的稳定性起振的快速性和温度的稳定性因此此系统电路的晶体振荡器的值为电容应尽可能的选择陶瓷电容电容值约为在焊接刷电路板时晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近以减少寄生电容更好地保证震荡器稳定和可靠地工作复位在振荡器运行时有两个机器周期个振荡周期以上的高电平出现在此引腿时将使单片机复位只要这个脚保持高电平芯片便循环复位复位后口均置引脚表现为高电平程序计数器和特殊功能寄存器全部清零当复位脚由高电平变为低电平时芯片为的处开始运行程序复位是由外部的复位电路来实现的片内复位电路是复位引脚通过一个斯密特触发器与复位电路相连斯密特触发器用来抑制噪声它的输出在每个机器周期的由复位电路采样一次复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式此电路系统采用的是上电与按钮复位电路当时钟频率选用时取约为约为复位操作不会对内部有所影响常用的复位电路如下图所示图常用复位电路图输入输出引脚端口是一个位漏极开路型双向端口端口置对端口写时作高阻抗输入端作为输出口时能驱动个对内部程序存储器编程时接收指令字节校验程序时输出指令字节要求外接上拉电阻在访问外部程序和外部数据存储器时口是分时转换的地址低位数据总线访问期间内部的上拉电阻起作用端口是一个带有内部上拉电阻的位双向端口输出时可驱动个端口置时内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用对内部程序存储器编程时接收低位地址信息端口是一个带有内部上拉电阻的位双向端口输出时可驱动个端口置时内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用对内部程序存储器编程时接收高位地址和控制信息在访问外部程序和位外部数据存储器时口送出高位地址而在访问位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变端口是一个带有内部上拉电阻的位双向端口输出时可驱动个端口置时内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用对内部程序存储器编程时接控制信息除此之外端口还用于一些专门功能具体请看下表引脚兼用功能串行通讯输入串行通讯输出外部中断外部中断定时器输入定时器输入外部数据存储器写选通外部数据存储器写选通表端口引脚兼用功能表显示电路显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据按照材料及产品工艺单片机应用系统中常用的显示器有发光二极管显示器液晶显示器显示器等显示器是现在最常用的显示器之一如下图所示图显示器的符号图发光二极管由特殊的半导体材料砷化镓磷砷化镓等制成可以单独使用也可以组装成分段式或点阵式显示器件半导体显示器分段式显示器数码管由条线段围成字型每一段包含一个发光二极管外加正向电压时二极管导通发出清晰的光只要按规律控制各发光段亮灭就可以显示各种字形或符号数码管有共阳共阴之分图是共阳式共阴式数码管的原理图和符号图共阳式共阴式数码管的原理图和数码管的符号图显示电路显示模块需要实时显示当前的时间即时分秒因此需要个数码管另需两个数码管来显示横采用动态显示方式显示时间硬件连接如下图所示时的十位和个位分别显示在第一个和第二个数码管分的十位和个位分别显示在第四个和第五个数码管秒的十位和个位分别显示在第七个和第八个数码管其余数码管显示横线显示器的显示控制方式按驱动方式可分成静态显示方式和动态显示方式两种对于多位显示器通常都是采用动态扫描的方法进行显示其硬件连接方式如下图所示图数码管的硬件连接示意图数码管使用条件段及小数点上加限流电阻使用电压段根据发光颜色决定小数点根据发光颜色决定使用电流静态总电流每段动态平均电流峰值电流数码管使用注意事项说明数码管表面不要用手触摸不要用手去弄引角焊接温度度焊接时间表面有保护膜的产品可以在使用前撕下来第三章数字钟的软件设计系统的软件设计也是工具系统功能的设计单片机软件的设计主要包括执行软件完成各种实质性功能的设计和监控软件的设计单片机的软件设计通常要考虑以下几个方面的问题根据软件功能要求将系统软件划分为若干个相对独立的部分设计出合理的总体结构使软件开发清晰简洁和流程合理培养良好的编程风格如考虑结构化程序设计实行模块化子程序化既便于调试链接又便于移植和修改建立正确的数学模型通过仿真提高系统的性能并选取合适的参数绘制程序流程图合理分配系统资源为程序加入注释提高可读性实施软件工程注意软件的抗干扰设计提高系统的可靠性系统软件设计流程图这次的数字电子钟设计用到很多子程序它们的流程图如下所示主程序是先开始然后启动定时器定时器启动后在进行按键检测检测完后就可以显示时间图主程序流程图按键处理是先检测秒按键是否按下秒按键如果按下秒就加如果没有按下就检测分按键是否按下分按键如果按下分就加如果没有按下就检测时按键是否按下时按键如果按下时就加如果没有按下就把时间显示出来图按键处理流程图定时器中断时是先检测秒是否到秒如果到秒单元就加如果没到就检测分钟是否到分钟如果到分单元就加如果没到就检测小时是否到小时如果到时单元就加如果没到就显示时间图定时器中断流程图时间显示是先秒个位计算显示然后是秒十位计算显示再是分个位计算显示再然后是分十位显示再就是时个位计算显示最后是时十位显示图时间显示流程图数字钟的原理图用软件根据要求画出数字电子钟的原理图如下所示图数字钟的原理图在此有必要介绍一下数字电子钟的工作原理工作原理数字电子钟是一个将时分秒显示于人的视觉器官的计时装置它的计时周期为小时显示满刻度为时分秒另外还有校时功能因此一个基本的数字钟电路主要由显示器时分秒和单片机还有校时电路组成个数码管的段选接到单片机的口位选接到单片机的口数码管按照数码管动态显示的工作原理工作将标准秒信号送入秒单元秒单元采用进制计数器每累计秒发出一个分脉冲信号该信号将作为分单元的时钟脉冲分单元也采用进制计数器每累计分钟发出一个时脉冲信号该信号将被送到时单元时单元采用进制计时器可实现对一天小时的累计显示电路将时分秒通过七段显示器显示出来设计主程序本次设计我们采用汇编语言编写程序简单明了口为数码管段选采用共阳显示管为数码管位选秒计时和显示单元分显示单元注意放个位数放十位数小时显示单元分计时单元小时计时单元中断入口程序程序执行开始地址跳到标号执行外中断中断程序入口外中断中断返回定时器中断程序入口跳至执行外中断中断程序入口外中断中断返回定时器中断程序入口跳至执行串行中断程序入口地址串行中断程序返回主程序清共个内存单元清标志用放入熄灭符数据设为位定时器用初值是用初值是定时初值计时用定时初值定时初值闪烁定时用定时初值总中断开放允许中断开启定时器秒定时用初值调用显示子程序此按键是小时加此按键是分钟加口为时跳回秒计时程序中断服务程序累加器入栈保护状态字入栈保护关中断允许关闭定时器用初值是用初值是中断响应时间同步修正要精确调整在这里低位初值修正重装初值低位修正值高位初值修正重装初值高位修正值开启定时器次中断未到中断退出次中断到秒重赋初值指向秒计时单元调用加程序加秒操作秒数据放入为位十进制数组合清进位标志小于秒时中断退出大于或等于秒时对秒计时单元清指向分计时单元分计时单元加分钟分数据放入清进位标志小于分时中断退出大于或等于分时分计时单元清指向小时计时单元小时计时单元加小时时数据放入清进位标志小于小时中断退出大于或等于小时小时计时单元清中断退出时将分时计时单元数据移入对应显示单元恢复状态字出栈恢复累加器开放中断中断返回加子程序取当前计时单元数据到指向前一地址中数据高四位与低四位交换前一地址中数据放入中低四位加操作十进制调整移入寄存器高四位变放回前一地址单元取回中暂存数据指向当前地址单元中数据高四位与低四位交换高四位变数据放入当削地址单元中子程序返回清零程序对计时单元复零用清累加器清当前地址单元指向前一地址前一地址单元清子程序返回显示程序显示数据在单元内用六位共阳数码管显示口输出段码数据口作扫描控制每个数码管亮时间再逐位循环指向显示数据首址扫描控制字初值从口输出取显示数据到取段码表地址查显示数据对应段码不是秒低位则转移是则点亮分低位时低位将要显示的字型码送段码放入口显示指向下一地址扫描控制字放入时一次显示结束中数据循环左移放回内跳回循环一次显示结束口复位口复位子程序返回共阳段码表不亮延时程序延时程序显示程序用延时程序采用调用显示子程序以改善的显示闪烁现象延时程序用作按键时间的长短判断毫秒秒闪动调时程序中断服务程序用作时间调整时调整单元闪烁指示中断现场保护装定时器定时初值秒未到退出中断中断次重装秒定时用初值秒定时到对闪烁标志取反位为时显示单元熄灭位为时正常显示恢复现场中断退出位为时转小时熄灭控制位为时熄灭符数据放入分显示单元将不显示分数据转中断退出位为时熄灭符数据放入小时显示单元小时数据将不显示转中断退出小时加调整程序当调小时时按键按下时进入此程序关定时器中断关闭定时器进入调时间的状态赋闪烁定时初值允许中断开启定时器等待键释放清调分标志小时调整标志置等待按键按下有键按下延时秒按下时间大于秒退出时间调整按下时间小于秒加小时操作调加子程序取调整单元数据清进位标志计时单元数据与比较小于转循环大于或等于时清操作跳转到循环调时退出程序等待键释放延时削抖是抖动返回再等待清调小时标志清调分标志清闪烁标志关闭定时器关定时器中断开启定时器开定时器中断计时开始跳回主程序键释放等待时调用显示程序调小时防止键按下时无时钟显示等待调小时按键时时钟显示用退出时钟调整时键释放等待防止键按下时无时钟显示分钟加调整程序当调分钟时按键按下时进入此程序关定时器中断关闭定时器进入调时间的状态赋闪烁定时初值允许中断开启定时器口为键未释放等待键释放分调整闪烁标志置等待键按下有键按下延时秒按下时间大于秒转退出程序按下时间小于秒加分钟操作调用加子程序取调整单元数据清进位标志调整单元数据与比较调整单元数据小于转循环调整单元数据大于或等于时清清进位标志跳转到循环调时退出程序等待键释放延时削抖是抖动返回再等待清调小时标志清调分标志清闪烁标志关闭定时器关定时器中断开启定时器开定时器中断计时开始跳回主程序键释放等待时调用显示程序调分防止键按下时无时钟显示等待调分按键时时钟显示用退出分钟调整时键释放等待防止键按下时无时钟显示程序结束在这里我们有必要介绍一下单片机的中断系统以利于我们的学习中断技术在单片系统中有着十分重要的作用它不仅可以提高单片机的效率也可以对突发事件处理所谓中断就是当正在执行程序时发生了另一个急需处理的事件这是暂停当前执行的程序立即转去执行处理事件的程序处理完事件后再返回到程序继续执行这个过程被叫做中断关于中断的概念有下列几个名词程序称为主程序处理事件的程序称为中断服务程序主程序中转向中断服务程序的地方称为断点引起中断的原因即事件称为中断源转去执行中断服务程序称为中断响应关于中断的概念可以打个如下的比喻领导在自己的房间办公执行主程序下属外设有问题打电话来请示中断源领导停下正在进行的工作通过电话给下属做指示执行中断服务程序指示完后领导挂断电话继续做自己的工作返回主程序继续执行中断是一个过程当中央处理器在处理某件事情时外部又发生了另一紧急事件请求暂停当前的工作而去迅速处理该紧急事件处理结束后再回到原来被中断的地方继续原来的工作引起中断的原因或发出中断请求的来源称为中断源单片机一般允许有多个中断源当几个中断源同时向请求中断时就存在优先响应哪一个中断请求源的问题优先级问题一般根据中断源的轻重缓急排队优先处理最紧急事件的中断请求于是便规定每一个中断源都有一个中断优先级别并且总是响应级别最高的中断请求当正在处理一个中断源请求的时候又发生了另一个优先级比它高的中断源请求如果能够暂时中止对原来中断处理程序的执行转而去处理优先级更高的中断源请求待处理完以后再继续执行原来的低级中断处理程序这样的过程称为中断嵌套第四章系统仿真软件介绍软件是公司的一款电路设计与仿真软件它包括等软件模块模块主要用来完成的设计而模块用来完成电路原理图的布图与仿真的软件仿真基于技术它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片比如系列系列等等以及单片机外围电路比如键盘等等通过软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全实用方便的单片机实验室电子钟系统仿真用软件根据数字电子钟的原理图画出仿真图得到的图如下所示图数字钟的仿真第五章调试与功能说明单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分但是他们并不能完全分开一般的方法是排除明显的硬件故障再进行综合调试排除可能的软硬件故障硬盘调试拿到电路板后首先要检查加工质量并确保没有任何方面的错误如短路和断路尤其要避免电源短路元器件在安装前要逐一检查用万用表测其数值看是否与所用相同完成焊接后应先空载上电芯片座上不插芯片并检查各引脚的电位是否正确若一切正常方可在断电的情况下将芯片插入再次检查各引脚的电位及其逻辑关系将万用表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下看是否符合要求系统性能测试与功能说明走时默认为走时状态按小时制分别显示时时分分秒秒有个动态显示时间会按实际时间以秒为最少单位变化走时调整按对秒进行调整按一下加一秒按对分进行调整按一下加一分按对时进行调整按一下加一小时从而达到快速设定时间的目的系统时钟误差分析时间是一个基本物理量具有连续自动流逝不重复等特性我国时间基准来自国家授时中心人们日常使用的时钟就是以一定的精度与该基准保持同步的结合时间概念和误差理论可以定义电子钟的走时误差表示程序实际运行计算所得的秒表示客观时间的标准秒时表示电子钟秒单元数值刷新滞后即走时误差为慢反之表示秒单元数值的刷新超前即走时误差为快本次设计的单片机电子钟系统中其误差主要来源包括晶体频率误差定时器溢出误差延迟误差晶体频率产生震荡容易产生走时误差定时器溢出的时间误差本应这一秒溢出但却在下一秒溢出造成走时误差延迟时间过长或过短都会造成与基准时间产生偏差造成走时误差软件调试问题及解决软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上统调是最后一环软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式前者不需要硬件仿真器可借助于软件仿真器即可后者一般需要仿真系统的支持本次课题软件来调试程序通过各个模块程序的单步或跟踪调试使程序逐渐趋于正确最后统调程序仿真部分采用软件此软件功能强大且操作较为简单可以很容易的实现各种系统的仿真首先打开软件在元件库中找到要选用的所有元件然后进行原理图的绘制绘制好后再选择已经编译好的文件选择运行观察显示结果根据显示的结果和课题的要求再修改程序再运行查直到满足要求结束语我在这一次数字电子钟的设计过程中很是受益匪浅通过对自己在大学三年时间里所学的知识的回顾并充分发挥对所学知识的理解和对毕业设计的思考及书面表达能力最终完成了这为自己今后进一步深化学习积累了一定宝贵的经验撰写论文的过程也是专业知识的学习过程它使我运用已有的专业基础知识对其进行设计分析和解决一个理论问题或实际问题把知识转化为能力的实际训练培养了我运用所学知识解决实际问题的能力通过这次课程设计我发现只有理论水平提高了才能够将课本知识与实践相整合理论知识服务于教学实践以增强自己的动手能力这个实验十分有意义我获得很深刻的经验通过这次课程设计我们知道了理论和实际的距离也知道了理论和实际想结合的重要性也从中得知了很多书本上无法得知的知识我们的学习不但要立足于书本以解决理论和实际教学中的实际问题为目的还要以实践相结合理论问题即实践课题解决问题即课程研究学生自己就是一个专家通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻学习就应该采取理论与实践结合的方式理论的问题也就是实践性的课题这种做法既有助于完成理论知识的巩固又有助于带动实践解决实际问题加强我们的动手能力和解决问题的能力参考文献资料索引文献资料名称编著者出版单位系列单片机高级实例开发指南系列单片机原理及应用系列单片机原理与接口技术单片机原理及应用程序设计单片机原理与实用技术电子技术基础电路基础电路与电子技术电路基本分析李军孙涵芳王幸之欧阳斌林潭浩强付晓光邹寿彬许熙文卢尔健石生北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社中国水利水电出版社北京航空航天出版社清华大学出版社清华大学出版社高等教育出版社科学技术出版社高等教育出版社致谢首先衷心地感谢我的指导老师陈海文老师本文从选题到完成从理论上的探讨到实际问题的解决无处不饱含着董老师的心血陈老师的悉心指导和建议给了我极大的帮助和支持使我受益匪浅在此论文完成之际谨向陈老师致以深深的谢意和崇高的敬意