多功能电子钟的设计与实现课程设计说明书(编辑修改稿)

多功能电子钟的设计与实现课程设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

74164： 8位移位寄存器（串行输入，并行输出）。 当清除端（ CLEAR）为低电平时，输出端（ Q0Q7）均为低电平。 串行数据输入端（ A， B）可控制数据。 当 A、 B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（ CLOCK）脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。 当 A、 B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状态。 引出端符号 CLOCK 时钟输入端 CLEAR 同步清除输入端（低电平有效） A、 B 串行数据输入端 Q0Q7 输出端 内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书 第 10 页，共 30 页 逻辑及封装图： 1 3 1 21 11 41 09 876543217 4 L S 1 6 4V C CQ 7 Q 6Q 5Q 4C L E A RC L O C KAB Q 0Q 1Q 2Q 3 G N D 图 74LS164 逻辑引脚图 显示器件的选择 LED 数码管是单片机控制系统中最常用的显示器件之一，它在单片机应用系统中的地位类似于 CRT（阴极射线管）显示器在台式微机系 统中的地位。 在单片机系统中，常用到 LED 数码管显示 CPU 的处理结果、输入 /输出信号的状态或大小。 LED 数码管的 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g段用于显示数字或字符的笔画， dp 显示小数点，笔段及其对应引脚排列如图所示，其中 8 做为公共端使用，接地或接电源。 g fab9 8761 0abcdefed p2 3 451edd pc 图 LED 笔段引脚及其对应引脚图 内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书 第 11 页，共 30 页 根据 LED 数码管内各段 LED 发光二极管的连接方式，可以将 LED 数码管分为共阴极和共阳极两大类，在共阴极数码管中，所有的笔段的 LED 发光二极管的负极连在一起 ，而共阳极数码管中，所以的笔段的 LED 发光二极管的正极连在一起。 从 LED 数码管的结构可以看出，点亮不同笔段就可以显示出不同的字符，所以 09的笔段码如图所示： 字符 dp、 g、 f、 e、 d、 c、 b、 a 共阳极笔段码 共阴极笔段码 0 0、 0、 0、 0、 0、 0 C0H 3FH 1 0、 0、 1 F9H 06H 2 0、 0、 0、 0、 0 A4H 5BH 3 0、 0、 0、 0、 0 B0H 4FH 4 0、 0、 0、 0、 1 99H 66H 5 0、 0、 0、 0、 0 92H 6DH 6 0、 0、 0、 0、 0、 0 82H 7DH 7 0、 0、 0 F8H 07H 8 0、 0、 0、 0、 0、 0、 0 80H 7FH 9 0、 0、 0、 0、 0、 0 90H 6FH 表 LED 笔段码表 根据显示驱动方式的不同，可将 LED 数码显示驱动电路分为静态显示方式和动态显示方式。 在静态显示方式中，显示驱动程序简单， CPU 占用率低，但每一位 LED 数码管需要一个 8 位锁存器来锁存笔段码，硬件开销大（元件数目多，印制板面积 也会随之增加），仅适用于显示位数较少（ 4 位以下）的场合，当需要显示的位数为 412 位时，多采用按位扫描软件译码（在单片机系统 中一般不用硬件译码）的动态显示方式或按笔段扫描的动态显示方式。 在此设计中， 采用的是共阴极数码管，因为 显示 4 位位数， 为了在显示部分节省单片机 I/O 口，故采用静态显示方式。 看门狗 器件的选择 X25045 把四种常用的功能：上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁保护的串行 EPROM 存储器组成在一个封装之内，此组合降低系统成本、减少了电路板空间和增加了可靠性。 内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书 第 12 页，共 30 页 X25045 的工 作原理是：向器件加电时激活了上电复位电路，它 保持 RESET 有效一段时间，这样 保证电源和振荡器稳定后，微处理器再执行代码。 看门狗定时器对微控制器提供了一个独立的保护机制。 当系统出现故障时，在可选的超时时间 （ TimeOut Interval） 之后，器件将被激活 RESET 信号，用户可以从三个预制的值中选择一个超时时间，这个超时值一旦选定，就会保存起来，即使系统断电，重启电源也不会改变，除非再次对超时值进行设定 或者取消看门狗复位电路超时值。 器件的低 Vcc 检测电路，可以保护系统免受低电压影响，当 Vcc 降到 Vcc 转换 点以下时，系统复位。 复位一直持续到 Vcc 回到正常工作电平并且稳定为止。 其引脚连接图如下： C SS OW PV s sV c cR E S E TS C KS IV c cR E S E TP 1 ^ 6P 1 ^ 7P 1 ^ 5P 1 ^ 4V c cX 2 5 0 4 5 图 X25045 引脚图 电子时钟硬件电路设计 电子闹钟至少要包括秒信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电源、闹铃指示电路等几部分。 另外，本设计要求该电 子钟能够采集环境温度，所以还需要温度采集芯片。 该系统使用 AT89C51 单片机作为核心，完成此电子时钟的主要功能 —— 时钟、跑秒、闹铃。 使用比较通用的 8 段共阴数码管，做 7 位显示 ，分别显示分，秒。 A T 8 9 C 5 1闹 铃5 V7 4 L S 1 6 47 位 共 阴 极L E D 显 示 键 盘 图 功能电子时钟硬件系统框图 键盘是为了完成时钟校对显示功能。 由于此电子时钟要求具有闹铃功能，所以设计有闹铃电路，进行声音响铃。 内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书 第 13 页，共 30 页 显示电路 就时钟而言，通常可采用 LCD 显示或 LED 显示。 对于一般的段式 LCD，需要专门的驱动电路，而且 LCD 显示的可视性较差；对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块（字符或点阵），一般采用并行接口，对微处理器的接口要求较高，占用资源多。 另外， AT89C51 本身没有专门的液晶驱动 接口。 LED 结构简单，体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，寿命长，可靠性高，而且显示亮度高，价格便宜，市场上也有专门的时钟显示组合 LED。 故本设计中应用 7 位 8 段共阴 LED 实现显示部分。 LED 显示分动态显示和静态显示：动态显示方式的硬件电路简单。 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，又要保证图像稳定，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。 静态显示，是由微型计算机一次输出显示模型后，就能保持该显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。 静态显示驱动程序简单，且 CPU 占用率低，但每个 LED 数码管需要一个锁存器来锁存每一个显示位的笔段代码，硬件开销大，仅适合显示位数较少的场合。 为了在显示部分节省单片机 I/O 口，故采用静态显示方式。 电路图参见图。 74LS164 是 8 位移位寄存器，应用该芯片驱动 LED 做显示部分，其优点在于连线简单，节省单片机 I/O 口，软件编程容易。 按键 电路 根据功能需要，本时钟需 要设置以下功能键：校对选择键，加 1 操作键，减 1 操作键。 按照键盘与 CPU 的连接方式可分为独立式键盘和矩阵式键盘。 独立式键盘是各个按键相互独立，每个按键占用一个 I/O 口线，每根 I/O 口线上的按键不会影响其他 I/O口上按键工作状态。 独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根 I/O 口，在按键数量较多时， I/O 口线浪费较大，且电路结构复杂。 矩阵式键盘适合按键较多时使用。 由于本设计的电子钟最多需要 4 个按键，若采用矩阵式键盘时会有按键浪费，故采用的是独立式键盘。 键盘电路如图 所示： 内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书 第 14 页，共 30 页 P 1 . 3P 1 . 2P 1 . 1P 1 . 0K 1K 2K 3K 4+ 5 V 图 键盘电路 表 按键功能表 按键 键名 功能 属性 K1 FUN 功能选择 自动复位 K2 UP 数值加一操作 自动复位 K3 DOWN 数值减一操作 自动复位 K4 Enter 确认键 自动复位 按键操作说明如下： K1 键：该键为自动复位键，在正常显示时间状态下，第一次按下后，开始校对 秒，以后每次按下都会分别进入对分、跑秒，闹铃时、闹铃 的校对状态。 K2 键：该键为自动复位键，在校对状态下，每次按动该键，都会使相应校对位进行加 1 操作。 例如：校对小时状态，每按一下，小时位加 1，当加至小时最高值 23 时，再按 K4 键，小时位回 0。 调分、秒与皆之相同，只是各位最高值不同。 K3 键：该键为自动复位键，与 K2 键类似，不同之处是该键每次按下将使相应校对位进行减 1 操作。 K4 键：该键为 自动复位键，在校对状态下，按下该键，从校对状态返回时间显示状态。 闹铃电路 闹铃音乐可以直接采用蜂鸣器闹铃，如当前时刻与闹铃时间相同，单片机向蜂鸣器送出高电平，蜂鸣器发声。 采用蜂鸣器闹铃结构简单，控制方便，但是发出的闹铃声音单一。 也可以在编程的时候编写一段音乐程 序，待闹铃时间到时，调用该音乐程序给扬声器，便响起音乐。 不过该方法只能做一些简单音乐，并且音乐程序会占用很多单片机存储资源。 还有一种方法是采用录音放音芯片 1420 做闹铃，先对录放音设备录入一段音乐，内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书 第 15 页，共 30 页 当到设定时间时，单片机控制录放音设备放音。 采用录放音电路，铃声可以是预先设定的一段自己喜欢的音乐，符合电器设备人性化的要求。 且 1420 芯片可以分段录音，还具有语音报时功能。 另外，也可以购置一块音乐集成电路，加置在单片机和蜂鸣器之间，当单片机连接闹铃电路的管脚送出高电平时，音乐集成电路会给蜂鸣器特定脉冲，使蜂鸣 器发声。 此类集成电路体积较小，使用方便，不足的是音乐简单、单一。 闹铃的音乐不是本设计中的重点，故采用最简单的方法，占用单片机一根 I/O 口， 中间用 PNP 型三极管 S9012 连接 和蜂鸣器。 当 引脚为低电平时， S9012的发射极和集电极导通，使蜂鸣器发声。 当响铃标志位为“ 1”时， 送一定频率脉冲，使蜂鸣器 U11 发出声音。 在 引脚加上一个二极管，当 引脚为低电平时，二。