單片機(jī)課程設(shè)計(jì)1新穎的60秒旋轉(zhuǎn)電子鐘數(shù)理與信息工程學(xué)院2006年5月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1新穎的60秒旋轉(zhuǎn)電子鐘任務(wù)書一、任務(wù)設(shè)計(jì)一款基于AT89C2051單片機(jī)的電子鐘。二、設(shè)計(jì)要求1、基本要求用4只LED數(shù)碼管輸出顯示時(shí)和分?？赏ㄟ^按鍵設(shè)置鬧鐘功能，且停鬧無須手工操作?？赏ㄟ^按鍵設(shè)置分校時(shí)。月計(jì)時(shí)誤差小于45秒。寫出詳細(xì)的設(shè)計(jì)報(bào)告。給出全部電路和源程序。2、發(fā)揮部分用60只LED發(fā)光管旋轉(zhuǎn)顯示，模擬“秒針”的行走。模擬“秒針”行走的“嘀噠”聲。增加室溫檢測(cè)和顯示功能（可與時(shí)間交替顯示）。增加停（掉）電保護(hù)功能。提高計(jì)時(shí)精度，使年計(jì)時(shí)誤差小于30秒。增加日自動(dòng)校準(zhǔn)功能，使得該電子鐘“永無誤差”。增加紅黃綠三色變色裝飾?？赏ㄟ^按鍵設(shè)置一天兩鬧（比如早晨、中午各一次）。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)-新穎的60秒旋轉(zhuǎn)電子鐘2新穎的60秒旋轉(zhuǎn)電子鐘目前市場(chǎng)上提供的無論是機(jī)械鐘還是石英鐘在晚上無照明的情況下都是不可見的。要知道當(dāng)前的時(shí)間，必須先開燈，故較為不便。現(xiàn)在市場(chǎng)上也出現(xiàn)了一些電子鐘，它以六只LED數(shù)碼管來顯示時(shí)分秒，與傳統(tǒng)的以指針顯示秒的方式不同，違背了人們傳統(tǒng)的習(xí)慣與理念，而且這類電子鐘一般是采用大型顯示器件，適用于銀行、車站等公共場(chǎng)所，且外觀設(shè)計(jì)欠美觀，很少進(jìn)入百姓家庭。此外，無論是機(jī)械鐘、石英鐘還是電子鐘，都存在著共同的問題：時(shí)間誤差。針對(duì)以上存在的問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款采用LED顯示器件顯示的電子時(shí)鐘，有效克服了時(shí)鐘存在的誤差問題，并能在夜間不必其它照明就能看到時(shí)間，且以60只發(fā)光管實(shí)現(xiàn)秒顯示，接近于傳統(tǒng)的秒針來顯示秒的形式，用戶容易接受，而且美觀大方。另加七只裝飾用的LED燈，使整個(gè)時(shí)鐘顯的相當(dāng)美觀新穎，故還可作為室內(nèi)裝飾用。1系統(tǒng)主要功能電子鐘的外觀如圖1所示。周邊60只發(fā)光管順時(shí)旋轉(zhuǎn)來顯示秒，中間四只LED數(shù)碼管用于顯示時(shí)間，中下方的七只LED燈順時(shí)旋轉(zhuǎn)，供裝飾用。其主要功能有：整點(diǎn)報(bào)時(shí)；四只LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前時(shí)分；每隔一秒鐘周邊的60只LED發(fā)光管旋轉(zhuǎn)一格，裝飾用的LED每隔一秒旋轉(zhuǎn)一次。當(dāng)發(fā)生停電事件時(shí)，由后備電池供電，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，所有顯示部件停止顯示，這樣即延長(zhǎng)了電池的壽命，同時(shí)又保證了CPU繼續(xù)計(jì)數(shù)，不至于因停電而時(shí)鐘停止運(yùn)行。當(dāng)恢復(fù)供電后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)工作狀態(tài)，不影響計(jì)時(shí)。圖1多功能電子鐘外觀圖2系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能電腦鐘的原理框圖如圖2所示。它由以下幾個(gè)部件組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)89C2051、電源、時(shí)分顯示部件、60秒旋轉(zhuǎn)譯碼驅(qū)動(dòng)電路。時(shí)分顯示采用動(dòng)態(tài)掃描，以降低對(duì)單片機(jī)端口數(shù)的要求，同時(shí)也降低系統(tǒng)的功耗。時(shí)分顯示模塊、60秒旋轉(zhuǎn)譯碼驅(qū)動(dòng)電路以及顯示驅(qū)動(dòng)都通過89C2051的I/O口控制。電源部分：電源部分有二部分組成。一部分是由220V的市電通過變壓、整流穩(wěn)壓來得到+5V電壓，維持系統(tǒng)的正常工作；另一部分是由3V的電池供電，以保證停電時(shí)正常單片機(jī)課程設(shè)計(jì)-新穎的60秒旋轉(zhuǎn)電子鐘3走時(shí)。正常情況下電池是不提供電能的，以保證電池的壽命。具體電路參見“新穎的60秒旋轉(zhuǎn)電子鐘參考電路原理圖”。AT89C2051時(shí)間顯示(時(shí),分)顯示驅(qū)動(dòng)60秒旋轉(zhuǎn)譯碼驅(qū)動(dòng)電路電源圖2電子鐘系統(tǒng)原理框圖21AT89C2051單片機(jī)及其引腳說明AT89C2051單片機(jī)是51系列單片機(jī)的一個(gè)成員，是8051單片機(jī)的簡(jiǎn)化版。內(nèi)部自帶2K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能COMS八位微處理器，與IntelMCS-51系列單片機(jī)的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲(chǔ)器結(jié)合在單個(gè)芯片中，因此，AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、造價(jià)最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。AT89C2051是一個(gè)有20個(gè)引腳的芯片，引腳配置如圖3所示。與8051相比，AT89C2051減少了兩個(gè)對(duì)外端口（即P0、P2口），使它最大可能地減少了對(duì)外引腳下，因而芯片尺寸有所減小。AT89C2051芯片的20個(gè)引腳功能為：圖3AT89C2051引腳配置圖4CD4017引腳圖VCC電源電壓。GND接地。RST復(fù)位輸入。當(dāng)RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?個(gè)機(jī)器周期時(shí)，所有I/O引腳復(fù)位至“1”。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來自反向振蕩放大器的輸出。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)-新穎的60秒旋轉(zhuǎn)電子鐘4P1口8位雙向I/O口。引腳P1.2P1.7提供內(nèi)部上拉，當(dāng)作為輸入并被外部下拉為低電平時(shí)，它們將輸出電流，這是因內(nèi)部上拉的緣故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片內(nèi)精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1），P1口輸出緩沖器能接收20mA電流，并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器；P1口引腳寫入“1”后，可用作輸入。在閃速編程與編程校驗(yàn)期間，P1口也可接收編碼數(shù)據(jù)。P3口引腳P3.0P3.5與P3.7為7個(gè)帶內(nèi)部上拉的雙向I/0引腳。P3.6在內(nèi)部已與片內(nèi)比較器輸出相連，不能作為通用I/O引腳訪問。P3口的輸出緩沖器能接收20mA的灌電流；P3口寫入“1”后，內(nèi)部上拉，可用輸入。P3口也可用作特殊功能口，其功能見表1。P3口同時(shí)也可為閃速存儲(chǔ)器編程和編程校驗(yàn)接收控制信號(hào)。表1P3口特殊功能P3口引腳特殊功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1外部輸入）2260秒旋轉(zhuǎn)譯碼驅(qū)動(dòng)原理按常規(guī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，需60進(jìn)制譯碼驅(qū)動(dòng)電路才能實(shí)現(xiàn)60秒旋轉(zhuǎn)譯碼驅(qū)動(dòng)，若用六片十進(jìn)制計(jì)數(shù)譯碼器構(gòu)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)譯碼電路，則電路連線多（需要120根連線），硬件電路龐大，開銷大。為此，我們巧妙地采用了兩片CD4017進(jìn)行六十進(jìn)制計(jì)數(shù)譯碼，實(shí)現(xiàn)60秒旋轉(zhuǎn)譯碼驅(qū)動(dòng)。既減少了電路的復(fù)雜程度又可降低了成本。圖4為CD4017功能引腳圖，圖5為其時(shí)序圖。圖5CD4017時(shí)序圖單片機(jī)課程設(shè)計(jì)-新穎的60秒旋轉(zhuǎn)電子鐘5CD4017集成電路是十進(jìn)制計(jì)數(shù)/時(shí)序譯碼器，共有10個(gè)譯碼輸出Q0Q9；每個(gè)譯碼輸出通常處于低電平，且在時(shí)鐘脈沖由低到高的上升沿輸出高電平；每個(gè)高電平輸出維持1個(gè)時(shí)鐘周期；每輸入10個(gè)時(shí)鐘脈沖，輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖，因此進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。在清零輸入端（R）加高電平或正脈沖時(shí)，只有輸出端Q0為高電平，其余各輸出端均為低電平“0”。為實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)，將每一個(gè)譯碼輸出端口接一只發(fā)光二極管，并將二極管串聯(lián)限流電阻后接地。當(dāng)譯碼端口Q0Q9中任一端口為高電平，則對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，如圖6（左）所示。仔細(xì)考查CD4017的功能，可發(fā)現(xiàn)其10個(gè)輸出的高電平是相互排斥的，即任一時(shí)刻只有一只發(fā)光二極管點(diǎn)亮，因此可將圖6（左）電路進(jìn)一步簡(jiǎn)化為如圖6（右）所示，從而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。圖6CD4017控制發(fā)光二極管原理圖在本電子鐘設(shè)計(jì)中，每秒點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光二極管，循環(huán)點(diǎn)亮一周共需60個(gè)發(fā)光二極管，若用上述的6片CD4017實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，顯然電路復(fù)雜。為此我們選用兩片CD4017和一片6反相器，采用“縱橫雙譯碼”技術(shù)，巧妙地實(shí)現(xiàn)60秒旋轉(zhuǎn)譯碼驅(qū)動(dòng)，其中一片接成10進(jìn)制，一片接成6進(jìn)制，實(shí)現(xiàn)610=60的功能，具體連接方法如圖7所示。圖7發(fā)光二極管“縱橫雙譯碼”循環(huán)點(diǎn)亮LED原理圖單片機(jī)課程設(shè)計(jì)-新穎的60秒旋轉(zhuǎn)電子鐘6將周期為1秒的輸入脈沖作為其中一片CD4017的時(shí)鐘脈沖，而此片的級(jí)聯(lián)進(jìn)位輸出端（QC）作為另一片的時(shí)鐘輸入，并將Q6與復(fù)位端相連。在兩片譯碼輸出端交叉點(diǎn)上接入發(fā)光二極管，構(gòu)成610矩陣。根據(jù)CD4017時(shí)序特點(diǎn)，在初始狀態(tài)，作為高位（縱）的CD4017譯碼器輸出端口Q0處于高平，經(jīng)反相器反相后為低電平。當(dāng)作為低位（橫）的CD4017譯碼器輸出端口Q0Q9依次輸出高電平后，則對(duì)應(yīng)的二極管LD1LD10依次點(diǎn)亮；此后由于QC端的進(jìn)位，高位CD4017譯碼輸出端口Q1輸出高電平，反相后輸出低電平，當(dāng)?shù)臀坏腃D4017譯碼輸出端口Q0Q9依次輸出高電平后，二極管LD11LD20依次點(diǎn)亮。如此往復(fù)，直至高位Q6向復(fù)位端輸入高電平，CD4017復(fù)位，60秒循環(huán)點(diǎn)亮重新開始。23時(shí)分顯示部件由于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容較簡(jiǎn)單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟(jì)。LED有共陰極和共陽極兩種。如圖8所示。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個(gè)筆劃（段）ag，另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時(shí)，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護(hù)各段LED不被損壞，需外加限流電阻。圖8LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理圖眾所周知，LED顯示數(shù)碼管通常由硬件7段譯碼集成電路，完成從數(shù)字到