全功能数字电子钟的设计.docx
《全功能数字电子钟的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全功能数字电子钟的设计.docx（43页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
全功能数字电子钟的设计
课程设计
课程：
单片机原理与应用
题目：
全功能数字电子钟
专业：
计算机科学与技术
班级：
座号：
姓名：
2011年12月12日
设计题目：
全功能数字电子钟
一、设计目的：
通过单片机应用产品的设计与调试过程，巩固课程所学理论知识，初步了解单片机应用系统设计与调试的方法。
二、设计要求：
设计一个以AT89S51单片机为核心的数字电子钟控制器，实现电子钟的时间、日期交替显示、闹钟功能，并可通过按钮开关或键盘切换显示内容、调整参数、设置闹钟，在单片机实验板上模拟调试实现控制器的功能。
具体设计要求如下：
1．开机自检，检查相关接口及数码管显示器、指示灯、蜂鸣器等外设是否正常。
2．8位数码管显示器平常以一定的时间间隔、合适的格式显示时间和日期信息，时间显示时、分、秒；日期显示年（2000~2099）、月、日；设置闹钟功能时显示时、分、开/关状态。
3．可通过按键设定时间、日期、闹钟等参数、手动切换显示。
按键可用独立式按键或行列式键盘实现。
设定参数过程有合适的方式指示当前可修改的内容。
4．对开关量输入进行软件消抖动处理，参数的设定有容错处理，如：
小时不能超过23，日期中每月最大天数、闰年等。
5．用Protel设计可实现上述功能的控制器的原理图（最小应用系统）。
扩展功能（选做）：
1．可设置多次闹钟。
2．显示星期功能。
3．参数设定过程中，较长时间无操作，则自动恢复为正常显示方式。
。
4．其它自选的扩展功能。
三、总体方案设计及说明
总体功能框图：
闹钟报警
LED显示
走时
键盘输入
参数设置
硬件：
8个LED采用动态扫描以节约驱动成本；
走时采用内部T0计时中断；
4x4矩阵键盘扫描采用线反转法，以中断扫描计数防止抖动；
……
软件：
采用C语言实现。
四、系统资源分配说明（接口、存储器分配）
1.接口：
89S51的P1口接8个LED小灯；
89S51的P3_2接蜂鸣器（低电平鸣响）；
外扩一片8255：
89S51单片机的P0口是低8位地址与数据复用的，现在我们用74HC373分离出地址，89S51高位地址的P2_0（A8）接8255的片选端（/CS）,低位地址Q1Q0（A1A0）与8255的A1A0连接，数据位P0_7~P0_0分别接8255的D_7~D_0。
以此得到的8255端口的地址分别为：
PA：
xxxxxxx0xxxxxx00取0x0fefc；PB：
xxxxxxx0xxxxxx01取0x0fefd；
PC：
xxxxxxx0xxxxxx10取0x0fefd；CTL：
xxxxxxx0xxxxxx11取0x0feff；
8255的PA口控制LED数码管的8个显示段；PB口分别接8个LED数码管的共阳极；
PC口分别接4x4矩阵键盘的行线和列线。
2.存储分配：
struct{//闹钟时、分、秒，共设6个闹钟（初始状态默认：
00-00-F1）
ucharhour;
ucharminute;
ucharisON;
}alarm[6]={{0,0,0}};
ucharhour=12,minute=0,second=0;//时、分、秒
uchartemp_second;//用于立即切换显示时间/日期
uintyear=2011;//年
ucharmonth=12;//月
ucharday=1;//日
ucharweek=6;//星期
ucharMdays[]={0,31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31};//各月天数
ucharalarm_isON=1;//闹钟总开关
ucharalarm_station=0;//闹钟状态
ucharano;//闹钟号（当前时间到的闹钟号）
ucharstart_minute;//开始响铃的时间（也就是所定闹钟的时间）
uintcount_ms25=0;//软件计数器（计数40个25毫秒达1s）
ucharshow_model=0;//显示模式：
[0]切换显示时间/日期[1]切换显示日期/时间
constucharfixtime=0x00;//时间修正量
ucharkey=0xff;//获得的当前键值
ucharlast_key=0xff;//最后一次扫描到的按键（非0xff）
ucharkey_count=0;//扫描到同一按键的次数
ucharEdown=0;//闹钟开关键是否按下
ucharled_buf[8]={24,24,24,24,24,24,24,24};//时间日期显示缓冲区
ucharcodeled_table1[]={0x0c0,0x0f9,0x0a4,0x0b0,0x99,0x92,0x82,0x0f8,0x80,0x90,
0x88,0x83,0x0C6,0x0a1,0x86,0x8e,0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10,
0x08,0x03,0x46,0x21,0x06,0x0e,0x7f,0x0bf,0xff};//数码管段码
ucharcodeKBTable[]={'1','2','3','F','4','5','6','E','7','8','9','C','0','A','B','D'};//键值（可有可无）
五、软件流程图及说明
1.流程图：
2.主要程序段说明：
（1）显示：
动态显示：
即各位数码管轮流点亮，对于显示器各位数码管，每隔一段延时时间循环点亮一次。
利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但须保证扫描速度足够快，人的视觉暂留功能才可察觉不到字符闪烁。
显示器的亮度与导通电流、点亮时间及间隔时间的比例有关。
调整参数可以实现较高稳定度的显示。
动态显示节省了驱动和I/O口，降低了能耗。
voidLED_show（ucharbuf[]）
{
uchari,num,pLED=0x80;
for（i=0;i<8;i++）
{
num=buf[i];
PA=led_table1[num];/*送字段码*/
PB=pLED;/*送字位码*/
pLED>>=1;/*右移一位*/
Delay
（1）;/*延时*/
}
}
（2）键盘（本次设计对下面两种扫描方式都进行了实现）：
a.行扫描法：
依次从第一至最末行线上发出低电平信号,如果该行线所连接的键没有按下的话,则列线所接的端口得到的是全“1”信号,如果有键按下的话,则得到非全“1”信号。
/*键盘扫描（行扫描法，延时消抖）********************************************************
ucharcodeKBTable[]={
0xEE,'1',0xDE,'4',0xBE,'7',0x7E,'0',
0xED,'2',0xDD,'5',0xBD,'8',0x7D,'A',
0xEB,'3',0xDB,'6',0xBB,'9',0x7B,'B',
0xE7,'F',0xD7,'E',0xB7,'C',0x77,'D',
0x00,0xff};
ucharGet_key（void）;//获取最终键值
{uchari;
ucharline,row,k_value;
staticucharlastkey=0xff;
CTL=0x88;//CH输入，CL输出10001000
PC=PC&0xf0;//PC0～PC3输出0,输入PC4～PC7（默认1无键按下）
if（（PC&0xf0）==0xf0）
{
lastkey=0xff;
return0xff;//无键按下
}
row=PC;
Delay（4）;//延时，消除抖动
if（row!
=PC）
{
lastkey=0xff;
return0xff;//判为抖动
}
line=0xFE;
for（i=0;i<4;i++）
{PC=line;//输出扫描信号
row=PC;//读键盘口
if（（row&0xf0）!
=0xf0）
break;
line=（line<<1）+1;
}
if（i==4）
{lastkey=0xff;return0xff;}
k_value=（row&0xf0）|（line&0x0f）;
for（i=0;i<32;i+=2）
if（k_value==KBTable[i]）
break;
if（lastkey==KBTable[i+1]）
return0xff;
lastkey=KBTable[i+1];
returnKBTable[i+1];
}
b.线反转法：
线反转法也是识别闭合键的一种常用方法,该法比行扫描速度快,但在硬件上要求行线与列线外接上拉电阻。
先将行线作为输出线,列线作为输入线,行线输出全“0”信号,读入列线的值,那么在闭合键所在的列线上的值必为0；然后从列线输出全“0”信号，再读取行线的输入值，闭合键所在的行线值必为0。
这样,当一个键被按下时,必定可读到一对唯一的行列值。
再由这一对行列值可以求出闭合键所在的位置。
//一次键盘扫描（线反转法，中断扫描计数去抖）*********************************************************
ucharcodeKBTable[]={'1','2','3','F','4','5','6','E','7','8','9','C','0','A','B','D'};
//key_index0123456789101112131415
ucharkey_scan（void）//返回'0','1','2'...'E','F',0xff
{ucharkey_index,temp=0;
CTL=0x88;//CH输入，CL输出10001000
PC=PC&0xf0;//将低四位置0
if（PC!
=0xF0）//判断按键是否按下如果按钮按下会拉低CH其中的一个端口
{
temp=PC;//读PC口
temp=temp&0xf0;//屏蔽低四位
temp=~（（temp>>4）|0xf0）;//高四位取反值~（1111****）
if（temp==1）//pC.4被拉低1110第一行
key_index=0;
elseif（temp==2）//PC.5被拉低1101第二行
key_index=4;
elseif（temp==4）//PC.6被拉低1011第三行
key_index=8;
elseif（temp==8）//PC.7被拉低0111第四行
key_index=12;
else//没有键按下
return0xff;
CTL=0x81;//CL输入，CH输出10000001
PC=PC&0xf0;//CH输出0000初始：
00001111若有键按下，根据低4位哪一位被拉低确定第二维坐标
temp=PC;//读PC口
temp=temp&0x0f;
temp=~（temp|0xf0）;//低四位取反值~（1111****）
if（temp==1）//PC.0被拉低1110第一列
key_index+=0;
elseif（temp==2）//PC.1被拉低1101第二列
key_index+=1;
elseif（temp==4）//PC.2被拉低1011第三列
key_index+=2;
elseif（temp==8）//PC.3被拉低0111第四列
key_index+=3;
else//没有键按下
return0xff;
returnKBTable[key_index];
}
elsereturn0xff;
}
c.消抖方法：
（1）硬件消抖法：
就是在键盘中附加去抖动电路，从根上消除抖动产生的可能性。
右图所示电路实际上是由R-S触发器构成的单脉冲电路。
当按钮开关按下时Q端输出低电平，当开关松开时Q端恢复高电平，即输出一个负脉冲，以此消除抖动。
（2）软件消抖法：
键按下的时间与操作者的按键动作有关，约为十分之几到几秒不等。
而键抖动时间与按键的机械特性有关，一般为5～10ms不等。
软件消抖法即是采用延时（一般延时10～20ms）的方法，以避开按键的抖动，即在按键已稳定地闭合或断开时才读出其状态。
（3）定时中断扫描计数消抖法：
把扫描函数放在定时中断里调用，扫描有键值则保存至kast_key并计数（key_count++），下次中断时再扫描，键值与上次相同则计数累加，若键值不同则计数从1开始，……，直到相同的键值被计数>=6，则认为该键按下。
假设1s最快可以按5下，则每下约持续200ms,每次25ms中断时就扫描一次键盘，在这8次（或更多）里若有6次以上检测到有同一键则判为有效键。
ucharGet_key（void）//返回'0','1','2'...'E','F',0xff
{
if（key_count>=6）
{
key_count=0;
returnlast_key;
}
elsereturn0xff;
}
（3）中断服务子程序
/*25ms中断子函数**********************************************************************/
voidTime_over（void）interrupt1using2
{
ucharkey_temp;
TH0=0x0A6;//晶振频率11.0592MHz下，定时25ms的计数初值
TL0=0x00+fixtime;//（2^16-X）*（12*1/11.0592）=25ms;-->X=42496=A600H
count_ms25++;
if（count_ms25>=40）//达到1秒
{
DateTime_change（）;//走时更新时分秒等
count_ms25=0;
}
//每次25ms中断就扫描一次按键
key_temp=key_scan（）;
if（（last_key==0xff）&&（key_temp!
=0xff））
{
last_key=key_temp;
key_count++;
}
else
{
if（key_temp==last_key）
{key_count++;}
else
if（key_temp!
=0xff）{last_key=key_temp;key_count=1;}
}
}
六、系统功能与操作说明；
1.系统功能：
时间、日期（包括星期）、闹钟显示及其设置；
支持6个闹钟，可设置闹钟总开关及分开关；
完善的设置容错处理；
可自动/手动切换时间/日期显示模式；
设置位闪烁标识；
设置过程30s无操作，自动恢复为正常显示方式；
4x4矩阵键盘扫描采用线反转法，以中断扫描计数去抖；
开机自检功能；
......
2.显示格式说明：
时间显示：
12-30-0212时-30分-02秒
日期显示：
11.01.01-62011年01月01日-星期六
闹钟设置显示：
-123456-等待选择要设置的闹钟号
06-00-E1定时在06:
00，闹钟1开（E开，F关）
闹钟总开关：
时间显示时最后一位小数点亮代表总开，否则为关
3.键盘操作说明：
（1）数字键“0”~“9”，用于设置时输入时间和日期，正常工作时无效。
（2）“时间设置”、“日期设置”、“闹钟设置”，用于进入相应功能的设置状态。
（3）“闹钟开关”在闹钟设置状态时，用于设置当前闹钟开或关，正常工作时，用于手动关闹铃的声音和设置闹钟总开关。
（4）“确认”用于设置参数的确认，并检查参数是否合理，如果符合要求，则参数有效；否则本次修改无效，保持原值。
正常工作情况下按该键无操作。
（5）“显示切换”用于正常工作时手动切换时间、日期的显示。
七、调试记录（主要问题及解决方法）
1.在写设置模块特别是容错处理时比较耗时，要求对各个细节都进行仔细地调试，修修改改在所难免，都是些小问题，略过；
2.在实现功能模块的相互任意跳转时，起初只是直接调用功能入口函数fun_key（），出现递归调用的警告，因为要堆栈保护现场，而在任意跳转时多次递归调用必然会空间不足（即使通过reenstrant也不妥，也是这个问题），这样就有可能会造成数据覆盖使系统不稳定。
对此，我在主函数里采用以下方法避免递归调用：
while
（1）
{
Show_control（）;
alarm_scan（）;
key=Get_key（）;
while（key=='A'||key=='B'||key=='C'）fun_key（）;//功能跳转（可避免递归调用的处理）
fun_key（）;
}
3.在键盘的实验过程中，我几乎尝试了所有的键盘处理方法，包括行扫描法、线反转法、延时消抖、定时中断扫描计数消抖……其间曾导致LED动态刷新速度不足，闪烁严重，把LED_show（）里的Delay（8）改为Delay
（1）即可；条件key_count>=6判为有效也是针对我自己的程序根据实际情况调试得出的经验值。
听说有一种类似的按键扫描，可以很方便识别出短按、短按抬起、长按、长按抬起共4种按键动作，大概思路如下：
用定时器中断2mS扫描一次，如果按键被按下则计数累加，否则计数清零并记按键抬起动作。
1、累加到5次（10mS完成消斗）认为是短按；
2、累加超过5次且小于500次（1秒），并已产生按键抬起动作，认为是短按抬起；
3、累加超过500次，认为是长按；
4、累加超过500次，并已产生按键抬起动作，认为是长按抬起。
据此方法，我小试了下牛刀，具体实现未果，有空再试。
八、课程设计总结
其实以前就用Freescale单片机写过一个带温度显示和闹钟的数字时钟，只是实现走时、温度采集和键盘的基本功能，未考虑日期、容错处理、功能的完善性等细节问题。
这次原打算尝试改用汇编实现，但后来迫于形式，时间有限，只好先用C顶着，也算是对这一类小产品的改进与完善吧。
至于时间的精确性，如果只用晶振是很难做到精确的，即使嵌入汇编精确计算或者调出一个最佳的时间偏差量、偏差函数，也难以确保其精确性，毕竟每个晶振的振荡频率与标称值存在误差也会老化。
所以这里我没有做这方面的工作，目前普遍的做法是外接一个时钟芯片，比如说DS1302，价格也不贵。
九、附录：
1.Protel绘制的最小系统板原理图：
2.程序清单及详细注释
/*****************************************************
描述:
全功能数字电子钟
作者：
2011.12.12写于福建工程学院.
平台：
Atmel89S51单片机
实现功能：
时间、日期（包括星期）、闹钟及其设置；
支持6个闹钟，可设置闹钟总开关及分开关；
完善的设置容错处理；
可自动/手动切换时间/日期显示模式；
设置位闪烁标识；
设置过程30s无操作，自动恢复为正常显示方式；
4x4矩阵键盘扫描采用线反转法，以中断扫描计数去抖；
开机自检功能；
......
******************************************************/
#include
#include
#definePAXBYTE[0x0fefc]
#definePBXBYTE[0x0fefd]
#definePCXBYTE[0x0fefe]
#defineCTLXBYTE[0x0feff]
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
//PA、PB、PC、CTL分别为8255的控制口
sbitP3_2=P3^2;//蜂鸣器引脚定义
struct{//闹钟时、分、秒，共设6个闹钟（初始状态默认：
00-00-F1）
ucharhour;
ucharminute;
ucharisON;
}alarm[6]={{0,0,0}};
ucharhour=12,minute=0,second=0;//时、分、秒
uchartemp_second;//用于立即切换显示时间/日期
uintyear=2011;//年
ucharmonth=12;//月
ucharday=1;//日
ucharweek=6;//星期
ucharMdays[]={0,31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31};//各月天数
ucharalarm_isON=1;//闹钟总开关
ucharalarm_station=0;//闹钟状态
ucharano;//闹钟号（当前时间到的闹钟号）
ucharstart_minute;//开始响铃的时间（也就是所定闹钟的时间）
uintcount_ms25=0;//软件计数器（计数40个25毫秒达1s）
ucharshow_model=0;//显示模式：
[0]切换显示时间/日期[1]切换显示日期/时间
constucharfixtime=0x00;//时间修正量
ucharkey=0xff;//获得的当前键值
ucharlast_key=0xff;//最后一次扫描到的按键（非0xff）
ucharkey_count=0;//扫描到同一按键的次数
ucharEdown=0;//闹钟开关键是否按下
ucharled_buf[8]={24,24,24,24,24,24,24,24};//时间日期显示缓冲区
ucharcodeled_table1[]={0x0c0,0x0f9,0x0a4,0x0b0,0x99,0x92,0x82,0x0f8,0x80,0x90,0x88,0x83,0x0C6,0x0a1,0x86,0x8e,0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10,0x08,0x03,0x46,0x21,0x06,0x0e,0x7f,0x0bf,0xff};
//0123456789abcdef0.1.2.3.4.5.6.7.8.9.A.B.C.D.E.F..-全灭
//10111213141516171819202
升级会员 