第一章 設(shè)計(jì)目的及要求
1.目的
通過對電子時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行編程與Protues仿真，進(jìn)一步掌握單片機(jī)的組成，P1、P0、P2、P3口的應(yīng)用，蜂鳴器的應(yīng)用，定時(shí)中斷程序的編寫及應(yīng)用，對之前學(xué)習(xí)的單片機(jī)課程進(jìn)行回顧與應(yīng)用；初步掌握Protues仿真方法以及用keil軟件編寫程序的方法。
2.題目與要求
本次課程設(shè)計(jì)的題目為：電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，其具體要求為：
（1）能實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒的顯示；
（2）能實(shí)現(xiàn)12、24小時(shí)制的切換；
（3）能設(shè)定時(shí)間；
（4）能設(shè)定鬧鐘；
整個(gè)系統(tǒng)要設(shè)計(jì)鍵盤和顯示器，利用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘完成定時(shí)器的定時(shí)設(shè)計(jì)。
第二章 理論基礎(chǔ)
1.AT89C52芯片
AT89C52芯片的引腳圖如圖1所示。
圖1 AT89C52芯片引腳
其中主要應(yīng)用到的引腳口介紹：
(1）P0口的第一功能是作為一般I/O口使用，第二功能是在CPU訪問外部存儲器時(shí)，分時(shí)提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)。
（2）P1口是8位準(zhǔn)雙向I/O口，51子系列中P1只能用作一般I/O口，52子系列中P1.0和P1.1引腳還具有第二功能。
（3）P2口是8位準(zhǔn)雙向I/O口，第二功能是在CPU訪問外部存儲器時(shí)，作為高8位地址總線，輸出高8位地址。
（4）P3口是8位準(zhǔn)雙向I/O口，其第一功能是用作一般I/O口，第二功能是作為中斷信號和外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫控制信號。
（5）RES，復(fù)位信號高電平有效。
2.Keil的簡單介紹
Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。此處簡單介紹一下Keil 工程的建立等，以Keil μVision2界面為例。
（1）建立一個(gè)工程，選擇菜單欄中的【Project】下的【New Project】，菜單欄如圖2所示。
圖2 菜單欄
（2）選擇工程要保存的路徑并且輸入工程名，以電子時(shí)鐘工程的建立為例，如圖3所示。
圖3 “保存新工程”對話框
（3）選擇系統(tǒng)要用的單片機(jī)如圖4（a）所示，選擇添加啟動文件如圖4（b）所示。
圖4（a）“選擇單片機(jī)”對話框
圖4（b）“添加啟動文件”對話框
（4）建立文件，選擇菜單【File】下的【New】，出現(xiàn)界面如圖5所示。
圖5 新建文件界面
（5）保存文件為“*.c”文件，并且添加文件到所建的工程下，保存文件截面圖如圖6所示，添加文件顯示界面如圖7所示，右鍵點(diǎn)擊SourceGroup添加。
圖6 保存文件界面
圖7 添加文件界面
3.Protues的簡單介紹
Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。在PROTEUS繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理圖中看到模擬的實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)和過程。
（1）Keil中生成*.HEX的界面如圖8所示。
圖8 生成HEX文件界面
（2）Protues中加載HEX文件，在Protues界面中雙擊AT89C51芯片，所示界面如圖9所示。
圖9 加載HEX文件界面
第三章 設(shè)計(jì)原理以及方案
1.系統(tǒng)總體框圖
本電子時(shí)鐘主要由單片機(jī)、鍵盤、數(shù)碼管顯示接口電路、蜂鳴器電路和復(fù)位電路構(gòu)成，設(shè)計(jì)的總體方案如圖10所示：
圖10 總體方案
2.硬件電路
2.1晶振電路
晶振電路如圖11所示。
圖11 晶振電路
2.2復(fù)位電路
復(fù)位電路如圖12所示。
圖12 復(fù)位電路
2.3蜂鳴器電路
蜂鳴器電路如圖13所示。
圖13 蜂鳴器電路
2.4數(shù)碼管顯示電路
數(shù)碼管顯示電路如圖14所示。
圖14 數(shù)碼管顯示電路
2.5鍵盤電路
鍵盤電路如圖15所示。
圖15 鍵盤電路
2.6總體電路
在Protues中仿真的總體電路圖如圖16所示。
圖16 總體電路
3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1單片機(jī)的使用情況
設(shè)計(jì)電子時(shí)鐘使用單片機(jī)資源的情況如下：
P0口輸出數(shù)碼管段選信號，P2口輸出數(shù)碼管位選信號；調(diào)整功能選擇鍵kgnxz：P3.0口，通過其選擇調(diào)整時(shí)鐘還是調(diào)整鬧鐘；調(diào)整秒 ksec：P3.1口，按一次使秒加1；調(diào)整分kmin：P3.2；按一次使分加1；調(diào)整小時(shí)khour：P3.3口，按一次使時(shí)加1；12與24小時(shí)制的轉(zhuǎn)換鍵kzh：P3.4，默認(rèn)24小時(shí)制，按一次鍵之后轉(zhuǎn)換為12小時(shí)制。具體如下：
（1）實(shí)現(xiàn)基本的走時(shí)間和顯示時(shí)間的時(shí)、分、秒，上電自動顯示初始時(shí)間00-00-00。
（2）當(dāng)?shù)谝淮伟聪碌谝粋�(gè)彈性按鍵時(shí)進(jìn)入時(shí)間的調(diào)節(jié)狀態(tài)，按下第二個(gè)按鍵時(shí)實(shí)現(xiàn)秒的加一調(diào)節(jié)，按下第三個(gè)按鍵時(shí)實(shí)現(xiàn)分的加一調(diào)節(jié)，按下第四個(gè)按鍵時(shí)實(shí)現(xiàn)小時(shí)的加一調(diào)節(jié)。
（3）當(dāng)?shù)诙伟聪碌谝粋�(gè)彈性按鍵時(shí)進(jìn)入鬧鐘的調(diào)節(jié)狀態(tài)（鬧鐘初始值設(shè)定為01-00-30），按下第二個(gè)按鍵時(shí)實(shí)現(xiàn)秒的加一調(diào)節(jié)，按下第三個(gè)按鍵時(shí)實(shí)現(xiàn)分的加一調(diào)節(jié)，按下第四個(gè)按鍵時(shí)實(shí)現(xiàn)小時(shí)的加一調(diào)節(jié)。
（4）當(dāng)?shù)谌伟聪碌谝粋�(gè)彈性按鍵時(shí)進(jìn)入原顯示時(shí)間的狀態(tài)。
（5）按下第五個(gè)按鍵時(shí)實(shí)現(xiàn)24到12小時(shí)制的轉(zhuǎn)換。
（6）當(dāng)?shù)谖宕伟聪碌谝粋�(gè)彈性按鍵時(shí)返回正常的顯示時(shí)間走時(shí)狀態(tài)。
3.2軟件系統(tǒng)的各個(gè)模塊
時(shí)鐘系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要采用以下基本模塊來實(shí)現(xiàn)，主程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序、鍵盤掃描程序模塊、時(shí)鐘顯示模塊、鬧鐘顯示模塊、轉(zhuǎn)換模塊、延時(shí)模塊和蜂鳴器模塊。
主程序：對中斷程序初值進(jìn)行設(shè)定，在各種情況下對子函數(shù)的調(diào)用，保證整個(gè)程序的順序執(zhí)行。
定時(shí)中斷服務(wù)程序：用于電子時(shí)鐘的準(zhǔn)確運(yùn)行。
鍵盤掃描程序模塊：用于確定按鍵并在按鍵按下時(shí)調(diào)用相應(yīng)的程序進(jìn)行顯示。
時(shí)鐘顯示模塊：用于顯示正常走表的時(shí)間。
鬧鐘顯示模塊：用于顯示設(shè)定鬧鐘的時(shí)間。
轉(zhuǎn)換模塊：用于將默認(rèn)的24小時(shí)制轉(zhuǎn)換為12小時(shí)制。
延時(shí)模塊：程序中調(diào)用延時(shí)子程序，用于按鍵消抖動，數(shù)碼管消影等。
蜂鳴器模塊：用于在設(shè)定的鬧鐘時(shí)間與走表的時(shí)間相等時(shí)，鬧鐘響起。
3.3軟件系統(tǒng)程序流圖
主程序的順序流圖如圖17所示。
圖17 主程序順序流圖
顯示程序的順序流圖如圖18所示。
圖18 顯示程序順序流圖
中斷程序的順序流圖如圖19所示。
圖19 中斷程序順序流
第四章 仿真結(jié)果與分析
1.仿真結(jié)果
上電走表仿真結(jié)果圖如圖20所示。
圖20 上電之后走表仿真結(jié)果圖
按下一次kgnxz鍵，再分別調(diào)整時(shí)、分、秒各按鍵，使得顯示時(shí)間為15-15-15仿真結(jié)果圖如圖21所示。
圖21 調(diào)整時(shí)分秒仿真結(jié)果圖
按下kzh鍵，使得顯示時(shí)間為03-15-19仿真結(jié)果圖如圖22所示。
圖22 24小時(shí)制轉(zhuǎn)換為12小時(shí)制仿真結(jié)果圖
按下第二次kgnxz鍵，再分別調(diào)整時(shí)、分、秒各按鍵，即調(diào)整的便是鬧鐘的設(shè)定時(shí)間(初始設(shè)定為01-00-30)，仿真結(jié)果圖如圖23所示。
圖23 鬧鐘顯示仿真結(jié)果圖
調(diào)整鬧鐘的設(shè)定時(shí)間為03-20-30，仿真結(jié)果圖如圖24所示。
圖24 鬧鐘調(diào)整顯示仿真結(jié)果圖
按下第三次kgnxz鍵時(shí)，顯示走表的時(shí)間，并且在到達(dá)設(shè)定的鬧鐘時(shí)間時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音，即在蜂鳴器發(fā)聲過程中P1.0口會由原高電平變?yōu)榈碗娖剑抡娼Y(jié)果圖如圖25所示。
圖25 蜂鳴器發(fā)聲仿真圖
2.仿真結(jié)果分析
讓手機(jī)中的秒表與Protues仿真中的秒同時(shí)開始，可以發(fā)現(xiàn)他們幾乎是同步的（由于個(gè)人反應(yīng)導(dǎo)致按下手機(jī)秒表瞬間有微小誤差）。而鬧鐘設(shè)定值是完全沒有誤差的，當(dāng)時(shí)間與設(shè)定鬧鐘時(shí)間完全相等時(shí)蜂鳴器就會發(fā)聲。
第五章 總結(jié)
本次課程設(shè)計(jì)利用Keil以及Protues軟件，完成了電子時(shí)鐘系統(tǒng)的程序編寫與電路圖搭建，并對所設(shè)計(jì)的電子時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測試。
完成本次課程設(shè)計(jì)的過程，經(jīng)歷了興奮、自信、失落、奮發(fā)、所悟、完成幾個(gè)過程。剛開始做課程設(shè)計(jì)時(shí)，仔細(xì)閱讀設(shè)計(jì)的題目和要求，想到理論課學(xué)得也還差不多，以為沒什么太大困難，所用的知識書上都有，各部分程序大都可以參考課本例題完成。開始前兩天我就熟悉課本，參考課本內(nèi)容在稿紙上把自己的思路和各部分程序?qū)懥讼聛恚缓缶褪倾暯悠饋碓贙eil中編寫。經(jīng)過三天的努力，毫無結(jié)果。埋頭苦干的過程是痛苦的，尤其是在按自己覺得理論上合理的算法和程序做完，發(fā)現(xiàn)根本顯示不了的時(shí)候，是迷茫，煩躁的。在第三天下午參考別人只是顯示出來走表就可以的程序，并且接受別人建議按一步一步調(diào)試去編寫的情況下，編寫運(yùn)行找錯(cuò)地不斷循環(huán)中，終于在第五天完善了程序。
通過這次課程設(shè)計(jì)，我感覺到自己從課本上學(xué)到的理論知識和實(shí)踐仍有很大的差距。學(xué)習(xí)理論課時(shí)也是有實(shí)踐課的，但當(dāng)時(shí)自己只是追求明白課本例題的程序，幾乎很少在Protues上去畫例題中的仿真圖，導(dǎo)致自己對Protues的應(yīng)用不熟悉，而且也沒深入想過課本上那些小的程序之間的聯(lián)系應(yīng)用。所以學(xué)習(xí)知識不能太局限于理論，要與實(shí)踐結(jié)合。學(xué)會了單片機(jī)的一般設(shè)計(jì)過程，通常都要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展與配置，因此，要完成一個(gè)單片機(jī)的設(shè)計(jì)工作，必須依次做到下述工作：
- 硬件電路的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試；
- 應(yīng)用軟件的編寫、調(diào)試；
- 完整應(yīng)用軟件的調(diào)試、固化和脫機(jī)運(yùn)行。
而在進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)我們應(yīng)當(dāng)盡量做到：
- 盡可能的選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)使用方法；
- 在充分滿足系統(tǒng)功能要求前提下，留余地以便于二次開發(fā)；
- 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與軟件設(shè)計(jì)方案一并考慮；
- 整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)器件要力求性能的匹配；
- 硬件上要有可靠性與抗干擾設(shè)計(jì)；
- 充分考慮單片機(jī)的帶載驅(qū)動能力。
所以我用單片機(jī)編寫了上面的程序，因?yàn)榛A(chǔ)知識學(xué)的不怎么好，如有錯(cuò)誤之處，還望老師理解，并加以批改。通過這次設(shè)計(jì)使我對單片機(jī)有了更深入的了解。培養(yǎng)了我的動手實(shí)踐能力。
參考文獻(xiàn)
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[5] 胡漢才，《單片機(jī)原理及接口技術(shù)》，清華大學(xué)出版社.
[6] 張偉，《單片機(jī)原理及應(yīng)用》，機(jī)械工業(yè)出版社.
附錄:
PCB原理圖
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