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1、武汉大学电子信息学院电子系统综合设计课程论文基于51单片机的电子时钟的设计与实现专 业： 年 级： 作 者：指导教师： 2012年 6月 26日目 录1 课题背景与立项缘由12 实验方案设计22.1设计要求22.2数字钟的构成22.3系统总体框图33 软件系统方案设计与选择43.1主程序流程图43.2定时器子程序流程图63.3方案选择74 硬件系统方案设计与选择74.1单片机的结构74.2开发板的结构和使用方法.84.3方案选择.105 系统测试115.1测试环境115.2测试过程115.3测试结果.126 实验心得12参考文献13附录1 系统电路图13附录2 系统软件代码14附录3 系统器件
2、清单381 课题背景及立项缘由所谓单片机,就是把中央处理器CPU(Central Processing Unit)、存储器(Memory)、定时器、I/0(Input/Output)接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。虽然单片机只是一个芯片,但从组成和功能上看,它已具有了微型计算机系统的含义。中文“单片机”的称呼由英文名称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来。单片机把微型计算机的各主要部分集成在一块芯片上,大大缩短了系统内信号传送距离,从而提高了系统的可靠性及运行速度。因而在工业测控领域中,单片机系统是最理想的控制系统。所以,单
3、片机是典型的嵌人式系统,是嵌入式系统低端应用的最佳选择。单片机的发展经历了以下4个阶段：1、芯片化探索阶段20世纪70午代,美国的Fairchild(仙童)公司首先推出了第一款单片机F-8,随后Intel公司推出了影响面大、应用更广的MCS48单片机系列。MCS48单片机系列的推出标志着在工业控制领域,进入到智能化嵌入式应用的芯片形态计算机的探索阶段。参与这一探索阶段的还有Motorola、Zilog和TI等大公司,它们都取得了满意的探索效果,确立了在SCMC的嵌入式应用中的地位。2、结构体系的完善阶段在MCS-48探索成功的基础上很快推出了完善的、典型的单片机系列MCS-5l。MCS-51系
4、列单片机的推出,标着Single Chip Microcomputer体系结构的完善。3、从SCMC向MCU化过渡阶段Intel公司推出的MCS96单片机,将一些用于测控系统的模数转换器(ADC)、程序运行监视器(WDT)、脉宽调制器(PWM)、高速I/O口纳入片中,体现了单片机的微控制器特征。MCS-51单片机系列向各大电气商的广泛扩散,许多电气商竞相使用80C51为核,将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、可靠性技术应用到单片机中；随着单片机内外围功能电路的增强,强化了智能控制器特征。微控制器(Microcontrollers)成为单片机较为准确表达的名词。4、MCU的百花齐放阶段单片
5、机发展到这一阶段,表明单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具-小到玩具、家电行业,大到车载、舰船电子系统,遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等领域。为满足不同的要求,出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的8位、16位、32位通用型单片机,小型廉价型、外围系统集成的专用型单片机,以及形形色色各具特色的现代单片机。可以说,单片机的发展进人了百花齐放的时代,为用户的选择提供了空间。在日常生活和工作中，我们常常使用到定时控制。早起常用的一些时间控制单元都是使用模拟电路设计和制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，
6、现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程的控制系统，完成复杂的控制功能。小则用于家电控制，大则用于工业和科学研究中的精确时间定位，配以适当的接口芯片，可以构造各式各样的微电子产品。我们专业在本学期的数字逻辑电路实验中已经能使用脉冲信号发生器、相关芯片、数码管和导线在实验箱上实现基于基本门电路的数字时钟；在电子系统综合设计（2）这门课上，我们学习了单片机的相关知识，了解了其低功耗、可靠性和稳定性强、可以在内部的EPROM上写入和擦除程序的相对先进的特点与功能。因此，我们希望在有单片机芯片的开发板上通过编程实现数字
7、钟，并期望它能有更多的功能和更好的稳定性。2 实验方案设计2.1 设计要求u 实现时、分、秒的计时功能u 实现年、月、日的日历功能u 体现平闰年的区别，各时间单位之间进制准确u 实现闹钟报警功能2.2 数字钟的构成数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路.由于计数的起始时间不可能与标准时间一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1MHZ时间信号必须做到准确稳定.通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的12MHz的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定.不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
8、时间计数器电路 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器电路构成,秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器。译码驱动电路 译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。数码管 数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管,本设计提供的为LED数码管。2.3 系统总体框图开始系统初始化显示计时判断按键是否有按下年、月、日调整时分秒调整定时调整星期3 软件系统方案设计与选择3.1 主程序流程图3.1主程序流程图（续）3.2 定时器子程序流程图3.3方案选择与相关技术方案一：基本门电
9、路搭肩，用基本门电路来实现数字钟，电路结构复杂，鼓掌系数大，不易调试。方案二：单片机编程，用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式，所以电路结构简单，调试也相对方便。与第一种方案比较优点的是非常明显的。我们选择了第二种方案。4 硬件系统方案设计与选择4.1 单片机的结构4.1.1 结构框图 4.2 开发板结构与使用方法4.2.1开发板的结构4.2.2 通过SST51实现开发板只读模式和程序烧写的切换打开SSTEasyIAP11F.exe程序，选择串口选择芯片型号和内部程序存储器选择PC串口，MCU晶振和波特率先选择确定在复位MCU通讯成功后窗口右上角显示芯片信息和版本信息点击Download
10、 SoftICE选项，将MCU中的BOOT LOADER监控程序替换为Soft ICE监控程序选择确认更换打开Keil C51程序，新建一个工程保存在自己新建的文件夹中点击保存出现CPU选择对话框，选择SST系列的89X516RD2出现是否添加标准51初始代码对话框，选“否”工程建立之后新建源程序文件，点击”File”菜单下“New”选项保存在工程文件夹内，C程序文件后缀为“.C”，汇编程序文件后缀为“.ASM”在文本编辑区编写源程序并保存；在Source Group上右击选择“Add Files To Group”选项添加源文件至工程选择编写好的源程序文件，点击Add添加所选文件点击编译按钮
11、，编译工程进入目标板调试选项设置，点击“Project”菜单下“Options for Target”选项选择为硬件仿真功能点击Setting进入通讯参数设定菜单，去掉所有Cache选项。至此设置完毕，进入仿真调试阶段点击DEBUG下的“Start/Stop Debug Session”选项进入DEBUG界面进入后可以看到信息栏中由显示连接成功信息。在此仿真界面可以进行单步、全速、断点等调试方式由Soft ICE监控程序转换回SST Boot-Strap Loader监控程序打开编辑器SUPERPRO程序进入SUPERPRO程序界面，单击“选择器件选项”进入器件选择对话框，在器件类型处选择“M
12、CU/MPU”在查找处输入要器件名称，找到之后选择“确定”单击“装入文件”选项进入下载文件选择对话框，选择要下载的Soft ICE监控程序，文件格式一般为“.hex”或“.bin”格式因为SST单片机的监控程序存储在Block1中，Block1的地址为10000h，故数据缓冲区起始地址改为“10000”，下载一般执行程序则直接默认具体步骤为：Erase=Program=Verify；打开SST BOOT-STRAP LOADER软件工具，并按之前的步骤与单片机通讯连接成功。在界面的右下方IAP Function菜单中有下载选项，选择“Download”选项下载程序进入了下载文件选择界面在文件查
13、找对话框中找到要下载的用户程序，一般为.Hex或.bin格式文件选择好用户程序后，单击步骤二中的OK选项开始下载，界面最下面的状态栏显示下载进度，当显示为Done时表示程序下载已经完成，单片机上电执行用户程序了4.3 方案选择与相关技术4.3.1显示模块显示模块是本次单片机课程设计最核心的部分。方案一：采用LCD1602。LCD1602为工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。其采用标准的16脚接口，该液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，所以可分容易的实现数字钟数码显示。方案二：采用LED共阴极数码管。共阴数码管在应用时将公共极COM接到
14、地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。基于以上分析，我们考虑到现实经济因素，所以选择了方案二。共阴极数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类：方案一：静态显示驱动。就是每一个数码管显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种办法单片机中CPU的占用较小。但对于静态显示方式,所需的数据锁存装置很多,引线多而
15、复杂,且可靠性也较低。方案二：动态显示驱动。通过单片机对数码管位选通COM端电路的控制，只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。动态显示可以大幅度地降低硬件成本和电源的功耗，因为某一时刻只有一个数码管工作，也就是所谓的分时显示，故显示所需要的硬件电路可分时复用。动态显示方式,可以避免静态显示的问题。但设计上如果处理不当,易造成亮度低,闪烁问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证显示后的数据稳定,无闪烁。动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式, 复用的程度不是无限增加的, 因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短, 发光的亮度等因素. 我们通过实验发现, 当
