【正文】 .......................................................................................................................................... 17 單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 1 附錄 Ⅱ 程序校正 ..................................................................................................................................................錯誤 !未定義書簽。 時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當(dāng)前的時間。但是，一旦重要事情，一時的耽誤可能釀成大禍。下面是單片機的主要發(fā)展 趨勢。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。 單片機模塊中最常見的是數(shù)字鐘，數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。 背景 單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 2 本次設(shè)計 以 89C51 單片機為平臺，利用 C 語言編程，并充分利用 單片機的優(yōu)勢中斷技術(shù)，設(shè)計并研究了單片機數(shù)字鐘的設(shè)計方法。 在單片機開發(fā)板上順利實現(xiàn)之后，后期還將針對本次設(shè)計數(shù)字鐘小系統(tǒng)做 PCB 板， PCB 板的制作是利用 orCAD 開發(fā)環(huán)境， 畫出 PCB 板，通過刻板機實現(xiàn)電路板的制作。開發(fā)板上資源豐富，并且可以轉(zhuǎn)接 ARM。 AT89C51 單片機 單片機誕生于 20 世紀(jì) 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SoC 三大階段。隨著微電子技術(shù)、 IC 設(shè)計、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SoC 的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。 單片機作為微型計算機的一個重要分支，應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。 單片機是通過內(nèi)部總線把計算機的各主要部件接為一體，其內(nèi)部總線包括地單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 3 址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。 由于單片機的這種結(jié)構(gòu)形式及它所采取的半導(dǎo)體工 藝，使其具有很多顯著的特點，因而在各個領(lǐng)域都得到了迅猛的發(fā)展。 （ 2）集成度高、體積小、有很高的可靠性。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、 I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。 （ 4）低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。 （ 6）單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。它的應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： (1) 單片機在智能儀表中的應(yīng)用 單片機廣泛 地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測量的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價格比。機電一體化產(chǎn)品是指集成機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的機電產(chǎn)品，例如微機控制的車床、鉆床等。 (3) 單片機在實時控制中的應(yīng)用 單片機廣泛地用于各種實時控制系統(tǒng)中。單片機的實時數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。多機系統(tǒng)一般由若干臺功能各異單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 4 的單片機組成，各自完成特定的任務(wù)，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機的高可靠性和強抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作 。單片機將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。另一方面，單片機應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù) ，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。 數(shù)據(jù)流圖 80C51CPU 電源 8 位數(shù)碼管 蜂鳴器 復(fù)位電路 振蕩器 外部中斷對 時 /設(shè)置鬧鐘 鬧鐘 設(shè)置 及開關(guān)控制 單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 6 硬件電路設(shè)計 晶體振蕩器電路 晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的 12MHz 的方波信號 ,可保證數(shù)字鐘的走時準(zhǔn)確及穩(wěn)定 .不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路 。 蜂鳴器驅(qū)動電路 為了能在設(shè)置的鬧鐘時間很方便的提示我們，需要通過蜂鳴器的報警來提醒，由于單片機輸出的方波驅(qū)動能力太弱，要使 蜂鳴器發(fā)出的聲音更亮些，需要加上驅(qū)動電路。 上電自動復(fù)位電路是在加電瞬間電容通過充電來實現(xiàn)的，其電路圖如下所示。只要電源 VCC 的上升時間不超 過 1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。系統(tǒng)上電運行后，若需要復(fù)位，一般是通過手動復(fù)位來實現(xiàn)的。 由于設(shè)計的數(shù)字鐘無需上電復(fù)位，所以采用按鍵電平復(fù)位，如上 b 圖所示。 由于8 位數(shù)碼管的顯示是經(jīng)過一位一位顯示的，當(dāng)它的掃描頻率在 50Hz~100Hz 之間時，我們就不會看出它的位顯示，并且顯示的亮度正好合適，數(shù)碼管的位選我通過 38 譯碼器 74HC138，具體連接關(guān)系如下圖所示： 單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 8 單片機最小系統(tǒng) 單片機的最小系統(tǒng) 由 4 部分 構(gòu)成 ，分別 是：單片機、振蕩電路、復(fù)位電路、RAM 和 ROM。具體電路如下所示： 位選 鎖存驅(qū)動 單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 9 PCB 板的制作 本次設(shè)計的數(shù)字鐘系統(tǒng)中由于頻率不是特別高，所以在設(shè)計 PCB 板時不存在考慮走線之間頻率干擾問題， 但由于設(shè)計規(guī)定了 PCB 板的大小為 7*9cM，并且是單面板，所以對我們的設(shè)計帶來了一定的難度，在設(shè)計中不得不通過走飛線的方式完成 PCB 板的制作。 （ 2） 由于本次設(shè)計的單面板大小規(guī)定為 7*9Cm,所以在開始制定板框大小時，在 Global 層畫邊框時，將其設(shè)置為規(guī)定的大小，然后根據(jù)一定的規(guī)則放置元件，放置元件時應(yīng)讓元件間的走線距離最小。 （ 4） 在放置完元件之后，進 行布線時需注意一些走線時的設(shè)置，最重要的是元件過孔的孔徑設(shè)置，為了制作方便，本次制作設(shè)為 、 、當(dāng)然，設(shè)置了孔徑，還需注意焊盤的大小，軟件默認的焊盤大小一般太小，焊接時不太方便 ；其次是走線的安全間距設(shè)置， 走線間距一般默認為軟件的設(shè)置，即 ；下來就是走線的一些規(guī)則設(shè)置，如果是自動布線，則可設(shè)置布線時的一些規(guī)則，如果是手工布線，則可根據(jù)需要進行布線。為了使單面板的布線方便，飛線更少，我們將地線設(shè)為敷銅種子，在敷銅時與大面積的銅相接。 經(jīng)常選取的辦法是打過孔，這樣在加工之后可以采用飛線將其連接。有時為了減少飛線而走很遠的路，這樣帶來高頻的影響，我覺得這種方法應(yīng)該避免。 （ 2）對于一些自己制作的原件封裝，一定要測量使之合理。適當(dāng)?shù)臅r候我們可以大概的計算一下， 使之更加合理。 （ 5）首次在 PCB 板上放置 USB 接口，一定要注意正負極不能接反。為了使電源電壓穩(wěn)定，可以在電源電壓與 地之間接一個濾波電容，如果電源電壓波動較大，則可以使用穩(wěn)壓芯片來穩(wěn)壓。如果存在孤島，則需要與最近敷銅區(qū)連接起來，經(jīng)常采用打過孔走飛線的方式使其連接起來。 5． 4 制作后的 PCB 板如下 軟件模塊的設(shè)計 本次設(shè)計單片機數(shù)字鐘，供可選擇的語言有匯編語言和 C 語言兩種選擇，單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 11 從總體角度考慮，兩種語言各有其優(yōu)缺點。相反，匯編語言又是一種較為低級的語言，編寫起來難度較大，程序量也較大， 不易編寫大規(guī)模的系統(tǒng)。雖然 C 語言具有強大的功能，但也有不足之處，比如在循環(huán)延時時不易計算出相應(yīng)的機器周期，還有，采用不同的編譯器，可能以不同的方式編譯出不同的機器碼。 6． 1 數(shù)字鐘總體設(shè)計框圖 編程 設(shè)計 數(shù)字鐘大家可能最常用的就是采用單片機中的定時器定時的方法，由于定時器不能一次定時 1s，所以需采用定時一定的時間，循環(huán)疊加的方法，加到一秒后，將其顯示的秒加一，然后判斷分和時是否加一，這樣就完成了數(shù)字鐘的最基本制作。 程序設(shè)計框圖如下： 開 始 F0 = 1 設(shè)置鬧鐘的時間 =當(dāng)前時間 F0 = 0 F0 = 1 鬧鐘報警 Y Y N N 鬧鐘流程圖 單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 12 開 始 掃 描 顯示時間 I + + 總延時 1s i=0 秒加一 分 =60 秒 =00 分加一 秒 =60 分 =00 時加一 時 =24 時 =00 Y Y Y Y N N N N 正常走時流程圖 單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 13 開 始 給時分秒 6位數(shù)分配6 字節(jié)靜態(tài)存儲空間 中斷優(yōu)先級設(shè)置 開外中斷 設(shè)置鬧鐘？ 防抖延時 設(shè)置鬧鐘？ 開定時器 0，定時 50ms 定時器中斷？ 將當(dāng)前時分秒保 存到靜態(tài)空間 N 時分秒全置零 掃描顯示 是否外中斷？ N 設(shè)置鬧鐘？ Y 保存鬧鐘設(shè)置時間 中斷服務(wù)，對時及設(shè)置鬧鐘，相 應(yīng)的時分加一 Y 計數(shù)器 m++ Y 取出設(shè)鬧鐘之前保存時間 加上 m*50ms 的設(shè)置鬧鐘耗時時間，掃描顯示正常時間 Y Y 延 時 正常走時 N N N 鬧鐘設(shè)置流程圖 單片機數(shù)字鐘設(shè)計報告 14 6． 2 源程序 源程序見 附件 Ⅰ 。當(dāng)然，作為我們初學(xué)者來說，遇到問題越多收獲也就也多，這就要看我們解決問題能力及方案了。 （ 1） 由于此次設(shè)計數(shù)字鐘，主要是由軟件來完成的，所以硬件中的問題相對來說較少。 解決方案：①檢查單片機是否正常工作，我們可以使用示波器進行觀察單片機ALE（第 30 引腳）的輸出波形，如果輸出波形的頻率是晶振頻率 的 6 分頻，則證明單片機是正常工作的。 ③如果還不正常工作，說明是硬件電路的設(shè)計有問題，首先我們應(yīng)該檢查的是所有芯片的電源是否正常。 首先是怎么避免由按鍵造成的延時誤差，我們 總結(jié) 的方案有 4 種，分別是： ① 計算出按鍵延時的具體時間，按鍵一次則給定時器加上相應(yīng)的按鍵延時時間，這樣雖然可以大大的減小按鍵延時帶來的時間誤差，但還是有一定量的機器周 期的延時。 ②通過采用設(shè)置優(yōu)先級的方式可以清除按鍵防抖延時，在主程序中我們需要將定時器的中斷優(yōu)先級設(shè)為最高，別的中斷優(yōu)先級設(shè)為低，這樣我們在按鍵中斷時，如果定時器還未中斷，則響應(yīng)外部中斷，這樣對定時器的定時沒有影響；如果在響應(yīng)外部中斷的時候，有定時中斷，則優(yōu)先響應(yīng)定時中斷，這樣又對定時器的定時沒有影響；如果在響應(yīng)定時中斷時，則別的中斷不會影響到定時器的正常定時。然后按相應(yīng)的校時按鈕，則數(shù)碼管顯示被設(shè)置的相應(yīng)時間，在設(shè)置鬧鐘的這期間，是如何確保相應(yīng)時間的準(zhǔn)確性呢？我是這樣解決的，當(dāng)啟動設(shè)置鬧鐘開關(guān)之后，在程序中同時啟動另一個定時器開始定時工作，當(dāng)定到 50ms 時，發(fā)生中斷，相應(yīng)的變量加一，這樣我們就可以計算出在設(shè)置鬧鐘時所花費的時間 。這種方法有一定的缺陷，會造成一定的延時，經(jīng)過軟件處理，延時將在 0~之間隨機產(chǎn)生。 解決方案：后面在程序中發(fā)現(xiàn)，原因是由于程序中的 if 判斷語句 ，在判斷過程中 當(dāng)滿足條件時，會執(zhí)行更多的語句，這樣會有相應(yīng)的機器周期的延時，所以會出現(xiàn)時間一會走的快一會走的慢的情況。 設(shè)計總結(jié)與心得 單片機數(shù)字鐘可以說是一個較小的系統(tǒng)， 開始時我們覺得通過 C 語言較容易實現(xiàn)，確實，只實現(xiàn)一個能夠正常走時并且能夠校時的數(shù)字鐘是比較容易的。 最開始我們需要總體設(shè)計，這就是常常說的算法。 除了在編寫程序中遇到的問題之外，我對程序又有了更深一層的認識，就像王老師