浙江师范大学电子技术综合实训报告
项目名称 新颖60秒旋转电子钟
班 级
姓 名
学 号
实训时间 2012年6月24日
《新颖60秒旋转电子钟》实训报告
班级: 应教091班 姓名: 何泽锋
一、 任务要求
任务:
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
一款基于AT89C2051单片机的电子钟。
要求:
1、基本要求
(1) 用4只LED数码管输出显示时和分。
(2) 可通过按键设置闹钟功能,且停闹无须手工操作。
(3) 可通过按键设置分校时。
(4) 白天整点“嘟”声报时。
(5) 写出详细的设计报告。
(6) 给出全部电路和源程序。
(8) 可设置时间和定闹时间。
2、发挥部分
(1) 用60只LED发光管旋转显示,模拟“秒针”的行走。
(2) 短暂(100毫秒)点亮LED发光管,点亮的只数与秒数吻合。
(3) 模拟“秒针”行走的“嘀哒”声(夜间无“嘀哒”声)。
(4) 可取消定闹。
(5) 增加室温检测和显示功能(每分钟与时间交替显示1次)。
二、原理与模块结构
电子钟的原理框图如图1所示。它由以下几个部件组成:单片机89C2051、电源、时分显示部件、60秒旋转译码驱动电路。
时分显示采用动态扫描,以降低对单片机端口数的要求,同时也降低系统的功耗。时分显示模块、60秒旋转译码驱动电路以及显示驱动都通过89C2051的I/O口控制。
电源部分:电源由+5V电源供电
图1 电子钟系统原理框图
三、模块电路设计
3.1 AT89C2051单片机及其引脚说明
AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员,是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器,与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中,因此,AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统,省去了外部的RAM、ROM和接口器件,减少了硬件开销,节省了成本,提高了系统的性价比。
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片,引脚配置如图2所示。与8051相比,AT89C2051减少了两个对外端口(即P0、P2口),使它最大可能地减少了对外引脚下,因而芯片尺寸有所减小。
图2 AT89C2051引脚配置
AT89C2051芯片的20个引脚功能为:
VCC 电源电压。
GND 接地。
RST 复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时,所有I/O引脚复位至“1”。
XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2 来自反向振荡放大器的输出。
P1口 8位双向I/O口。引脚P1.2~P1.7提供内部上拉,当作为输入并被外部下拉为低电平时,它们将输出电流,这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉,可用作片内精确模拟比较器的正向输入(AIN0)和反向输入(AIN1),P1口输出缓冲器能接收20mA电流,并能直接驱动LED显示器;P1口引脚写入“1” 后,可用作输入。在闪速编程与编程校验期间,P1口也可接收编码数据。
P3口 引脚P3.0~P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P3.6在内部已与片内比较器输出相连,不能作为通用I/O引脚访问。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流;P3口写入“1”后,内部上拉,可用输入。P3口也可用作特殊功能口,其功能见
表
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1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
表1 P3口特殊功能
3.2 60秒旋转译码驱动原理
按常规传统设计,需60进制译码驱动电路才能实现60秒旋转译码驱动,若用六片十进制计数译码器构成六十进制计数译码电路,则电路连线多(需要120根连线),硬件电路庞大,开销大。为此,我们巧妙地采用了两片CD4017进行六十进制计数译码,实现60秒旋转译码驱动。既减少了电路的复杂程度又可降低了成本。图3为CD4017功能引脚及时序图。
图3 CD4017引脚、时序图
CD4017集成电路是十进制计数/时序译码器,共有10个译码输出Q0~Q9;每个译码输出通常处于低电平,且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平;每个高电平输出维持1个时钟周期;每输入10个时钟脉冲,输出一个进位脉冲,因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。在清零输入端(R)加高电平或正脉冲时,只有输出端Q0为高电平,其余各输出端均为低电平“0”。
为实现对发光二极管的驱动,将每一个译码输出端口接一只发光二极管,并将二极管串联限流电阻后接地。当译码端口Q0~Q9中任一端口为高电平,则对应的发光二极管点亮,如图4(左)所示。仔细考查CD4017的功能,可发现其10个输出的高电平是相互排斥的,即任一时刻只有一只发光二极管点亮,因此可将图4(左)电路进一步简化为如图4(右)所示,从而简化电路设计。
图4 CD4017控制发光二极管原理图
在本电子钟设计中,每秒点亮一个发光二极管,循环点亮一周共需60个发光二极管,若用上述的6片CD4017实现驱动,显然电路复杂。为此我们选用两片CD4017和一片6反相器,采用“纵横双译码”技术,实现60秒旋转译码驱动,其中一片接成10进制,一片接成6进制,实现6×10=60的功能,具体连接方法如图5所示。将周期为1秒的输入脉冲作为其中一片CD4017的时钟脉冲,而此片的级联进位输出端(QC)作为另一片的时钟输入,并将Q6与复位端相连。在两片译码输出端交叉点上接入发光二极管,构成6×10矩阵。根据CD4017时序特点,在初始状态,作为高位(纵)的CD4017译码器输出端口Q0处于高平,经反相器反相后为低电平。当作为低位(横)的CD4017译码器输出端口Q0~Q9依次输出高电平后,则对应的二极管LD1~LD10依次点亮;此后由于QC端的进位,高位CD4017译码输出端口Q1输出高电平,反相后输出低电平,当低位的CD4017译码输出端口Q0~Q9依次输出高电平后,二极管LD11~LD20依次点亮。如此往复,直至高位Q6向复位端输入高电平,CD4017复位,60秒循环点亮重新开始。
图5 发光二极管“纵横双译码”循环点亮原理图
3.3时分显示部件
由于系统要显示的内容比较简单,显示量不多,所以选用数码管既方便又经济。LED有共阴极和共阳极两种。如图6所示。
二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地,而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起,接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成,其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划(段)a~g,另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时,该段笔划即亮;不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏,需外加限流电阻。
图6 LED数码管结构原理图
众所周知,LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路,完成从数字到显示码的译码驱动。本系统采用软件译码,以减小体积,降低成本和功耗,软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。所谓软件译码,即由单片机软件完成从数字到显示码的轮换。从LED数码管结构原理图可知,为了显示字符,要为LED显示数码管提供显示段码,组成一个“8”字形字符的7段,再加上1个小数点位,共计8段,因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。各段码位与显示段的对应关系如表2:
当用数据口连接LED数码管a~dp引脚时,不同的连接方法,各段码位与显示段有不同的对应关系。通常数据口的D0位与a段连接,D1位与b段连接,……D7位与dp段连接,如上表所示,LED数码管显示的十六制数和空白字符与P的显示段码。
LED显示段码
字型
共阳极段
共阴极段
字型
共阳极段
共阴极段
0
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
B
83H
7CH
3
B0H
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
84H
71H
7
F8H
07H
空白
FFH
00H
8
80H
7FH
P
8CH
73H
注:(1)本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。
(2)“空白”字符即没有任何显示。
根据AT89C2051单片机灌电流能力强,拉电流能力弱的特点,选用共阳数码管。将AT89C2051的P1.0~P1.7分别与共阳数码管的a~g及dp相连,高电平的位对应的LED数码管的段暗,低电平的位对应的LED数码管的段亮,这样,当P0口输出不同的段码,就可以控制数码管显示不同的字符。例如:当P0口输出的段码为11000000,数码管显示的字符为0。
数码管显示器有两种工作方式,即静态显示方式和动态扫描显示方式。为节省端口及降低功耗,本系统采用动态扫描显示方式。动态扫描显示方式需要解决多位LED数码管的“段控”和“位控”问题,本电路的通过P1口实现:而每一位的公共端,即LED数码管的“位控”,则由P3口控制。这种连接方式由于多位字段线连在一起,因此,要想显示不同的内容,必然要采取轮流显示的方式,即在某一瞬间,只让其中的某一位的字位线处于选通状态,其它各位的字位线处于断开状态,同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时,只有这一位在显示,其他几位则暗。在本系统中,字位线的选通与否是通过PNP三极管的导通与截止来控制,即三极管处于“开头”状态。
系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成,前两只用于时的显示,后两只用于分的显示。在设计中需要实现时与分之间的两个闪烁点,为此,将第三只LED数码管倒置摆放,这样就形成了两个自然的闪烁点。与此同时,为了能使两点显示能够形象的表示时钟“秒”的变化,设计时,将两个点由P1.7单独控制,每隔一秒使P1.7发送一个正脉冲,从而实现了两个点的闪烁显示,闪烁周期为一秒。
3.4 温度检测部件
Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。
3.4.1 DS18B20的主要特性
① 适应电压范围更宽,电压范围:3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。