简单控制系统设计与实现学年设计任务书
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简单控制系统设计与实现学年设计说明书
学院名称：计算机与信息工程学院
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班级名称：
学生姓名：
学号：
题目：LCD显示的电子时钟设计
指导教师
姓名：
起止日期：
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第一部分：正文部分
一、选题背景
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当今时代是一个知识爆炸的时代，新科技、新技术、新产品层出不穷，电子技术的发展尤为迅速，它充斥在我们的日常生活中。随着科学技术的发展和社会的进步，单片机已成为当今计算机应用中空前活跃的领域，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已经不能满足人们的需求。数字电子时钟是采用数字电路实现对时，分，秒数字显示的装置，广泛应用于车站，码头和办公室等公共场所，成为人们生活中不可或缺的必需品，研究数字时钟及扩大其应用，对现实生活有极其重要的意义。
单片机的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路和数字电路实现的大部分功能，现在单片机通过软件就可以实现了，这种软件代替硬件的控制技术又叫做微控制技术，是传统控制技术的一次革命。而单片机模块中最常见的数字时钟相对机械时钟来说，有更高的准确性和直观性，且更方便更快捷，使用寿命也远远大于机械时钟，所以得到广泛的应用。
二、设计理念
本次设计以AT89C51单片机为核心，通过编写时钟程序，实现在LCD上的
显示。此编程的核心在于定时器中断及循环往复判断是否有按键操作，而且每个按键的操作都会在LCD显示器上做出相应的反应。
本次设计采用的方案完全用软件实现数字时钟，原理：在单片机内部存储器设三个字节分别时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节加1；若分值达到60，则将其清零，并将相应的时字节加1；若时值达到24，则将其清零。该方案的特点是硬件电路简单，缺点是在每次执行程序时，都要对定时器重新赋值，因此该时钟精度不高。并且程序的执行与时钟的显示是同步进行的，当程序不执行时，时钟也会停止工作。
三、电路硬件设计部分
基于单片机的电子时钟基本框图
基于单片机电子时钟总体框图，如下图3-1所示，总体结构包括单片机主控电路，按键电路，LCD显示电路，晶振与复位电路，蜂鸣器电路电路，还有电源。
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图3-1电子时钟基本框图
单片机AT89C51
AT89C51[1]有以下标准功能：32可编程I/O线，片内振荡器和时钟电路，可编程串行通道，5个中断源，低功耗的闲置和掉电模式，4K字节可编程闪烁存储器，128*8位内部RAM两个16位定时器/计数器。
AT89C5１具有如下特性：全静态工作：0Hz-24Hz,具有128*8位内部RAM，数据保留时间10年，具有4k自节可编程FLASH存储器，可编程串行通道，具有
5个中断源。
AT89C5１部分引脚功能：
（１）P0口（- ）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。
（２）P1口（- ）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。
（３）P2口（- ）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。
（４）P3口（- ）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。
LCD1602
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1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD[2]是指显示的内见下方容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
3.４晶振电路
基于单片机的电子时钟晶振电路，如图3-2所示。
图3-2晶振电路
晶体振荡器电路[3]给数字钟提供一个频率稳定在12Hz的方波信号，它可以保证数字时钟的走时准确及稳定，无论什么样式的电子时钟都会使用晶体振荡器电路电路，是单片机最小系统的重要组成部分。
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按键电路
基于单片机的电子时钟按键功能电路，如图3-3所示。
图3-3按键电路
按键电路跟显示电路一样，采用扫描方式，并巧妙利用显示时的数码管驱动的位置信号，也就是在显示的同时，判断相应按键的状态。判断的方法是在显示某一数码管时，判断U1的的状态，如果为高电平，说明没有按键按下，如果为低电平，则说明相应的按键按下，这时，通过读回U1的P3口中—的值，就可判断是那个按键按下，然后调用相应的处理程序进行处理。
按键需要四个，它们分别实现的功能是K1——进入设置现在的时间。K2——设置小时。K3——设置分钟。K4——确认完成设置。程序执行后工作指示灯LED 闪动，表示程序开始执行，LCD显示“00：00：00”，然后开始计时，时间的调整按递增的方式增加，且调整时不对其他时间的显示产生干扰，用单片机的4个I/O 接收控制信号。
显示电路
电子时钟显示电路，如图3-4所示。
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图3-4显示电路
单片机的—与 LCD的D0－D7相连，通过单片机的将要显示的字符输入译码器，经译码器编译后在LCD输出相应的字符，LCD的显示采用扫描方式。
蜂鸣器电路
其硬件原理图如下图3-5所示。此电路用于整时提示。SPEAKER与口相连，当SPEAKER输出高电平时蜂鸣器不响，而SPEAKER输出低电平时蜂鸣器发出响声。只需控制SPEAKER输出高低电平的时间和变化频率，就可以让蜂鸣器发出不同的声音。
图3-5蜂鸣器电路
四、软件设计
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软件需要完成的功能：
（1）显示时间，通过对程序的调节，在LCD上显示时间。
（2）调节时间，通过对按键的调节，实现对时钟的调节。具体为按下K1，进入设置现在的时间；按下K2，调节小时；按下K3，设置分钟；按下K4，确认完成设置。
系统总流程图
软件程序从开始到执行，先初始化各个寄存器，通过扫描按键来决定是否设定参数来执行相应的功能程序[4]，进而在LCD上显示，如图4-1所示。
图4-1系统流程图
中断程序
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时钟的最小计时单位是秒，使用定时器的方式1，最大的定时时间也只能达到131ｍｓ。在这里把定时器的定时时间定为50ｍｓ，这样，计数溢出20次即可得到时钟的最小计时单位─秒。计数20次可以用软件实现，对定时器溢出次数进行计数，计满20次即为1秒。从秒到分，从分到时，以及从时到天都是通过软件累加并进行比较的方法实现的。
void timer0(void) interrupt 1 ex”[4]文件导入到单片机中，点击仿真按钮，程序开始运行，电路开始正常工作，LCD数字时钟显示如下图5-1所示。
图5-1数字时钟
程序执行后工作指示灯LED[2] 闪动，当出现整点时，蜂鸣器开始整点报时。开始进入设置时间，按下K1，工作指示灯LED 一直亮，说明可以设置时间；按下K2时，小时的个位数加１，当加到９时，十位数加１，当十位数加到２时，十位数清零；按下K３时，分钟的个位数加１，当加到９时，十位数加１，当十位数加到６时，十位数清零；按下K4时，工作指示灯LED 闪动，说明设置结束，返回到正常显示的状态。
仿真结果如下图5-２所示。
图５-２总体仿真图
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六、总结
这次课程设计采用的是AT89C51单片机，而接口电路则是一个数字时钟，经过反反复复的修改、调试，程序终于达到预期功能。通过PROTEUS仿真演示也达到预期的功能。该设计采用了多种芯片，程序虽然不是很长但有很多接口需要定义，而且实现起来也比较麻烦。虽然关于LCD的显示实验在之前做过，但只是在屏幕上显示时间并没有按键调节，所以在做实验的过程中遇到很多问题，通过上网查询，请教同学和老师都顺利解决了
通过本次单片机课程设计，系统的了解了电子时钟的设计过程，尤其是软、硬件的设计方法，掌握了按键显示电路的基本功能及编程方法，了解了按键电路和显示电路的一般原理，还掌握了有定时器的使用和中断程序的编程方法，提高了自身的实践能力。还积累了很多宝贵的经验，比如说，在I/O口要保证标准的高电平，不能用悬空来模拟，连接电路图很重要，尤其是两条线之间的节点不能忘记。只有通过实际动手才能发现自己的不足。
第二部分：参考文献
[1]刘同法，陈忠平. 单片机基础与最小系统[M]. 北京航空航天大学出版社，
2007.
[2]张毅刚. 单片机原理与应用[M]. 高等教育出版社，2009.
[3]马忠梅等. 单片机的C语言应用程序设计[M]. 北京航空航天大学出版社，
2003.
[4]李全利，迟荣强. 单片机原理及接口技术[M]. 高等教育出版社，2004.
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学生签名：填表日期：年月日第三部分：指导教师评语
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第四部分：成绩评定
指导教师签名：填表日期：年月日