项目二 电子时钟设计（课件）- 《单片机技术及应用——项目化教程》同步教学（清华大学版）

项目二 电子时钟设计 项目任务描述： 1、利用数码管显示器实时显示年、月、日、时、分、秒； 2、年份显示格式为年份-月份-日期，时间显示格式为小时.分钟.秒； 3、具有掉电继续走时功能，具有后备电源，在主电源电压不够时候自动切换后备电源； 4、具有闹钟功能，闹钟时间精确到分钟，具有查询闹钟，设置闹钟功能。 6、闹钟时间到，蜂鸣器发声，数码管闪烁，持续时间一分钟，期间按任意按键，退出闹钟。 项目二 电子时钟设计 项目一单片机流水灯控制器设计 2.1 仿真电路设计学习 2.2 程序设计学习 2.3 电路PCB设计及制作 知识拓展 小结 项目二 电子时钟设计 3.1 LED数码管显示器认知 项目二 电子时钟设计 3.1.1 LED数码管显示器的结构 在我们的日常生活中有很多场合需要进行信息的显示，而在单片机应用系统中常用的显示器主要有LED（Light Emiting Diode）数码管显示器以及LCD液晶显示器。LED数码管显示器由LED发光二极管构成，包括7个细长型的LED和一个点状的LED，分别为a、b、c、d、e、f、g、h八段，其中h表示小数点，通过发光二极管的不同组合可以显示数字0~9，字符A~F、H、L、P、R、U、Y等符号。 项目二 电子时钟设计 3.1.1 LED数码管显示器的结构 项目二 电子时钟设计 3.1.1 LED数码管显示器的结构 项目二 电子时钟设计 3.1.1 LED数码管显示器的结构 项目二 电子时钟设计 从图3-3可以看到每一只发光二极管都有一根电极引到外部引脚，而另外一只引脚就连接在一起接到一个公共端。当公共端接地时候，在其他引脚接高电平则点亮相应的发光二极管，接低电平则熄灭相应的发光二极管，进而显示不同的字符或数字。共阳极LED数码管显示器的工作原理与之类似。 3.1.2 LED数码管显示器的工作原理 项目二 电子时钟设计 3.1.1 LED数码管显示器的结构 项目二 电子时钟设计 3.1.1 LED数码管显示器的结构 项目二 电子时钟设计 3.2 LED数码管显示器显示控制 项目二 电子时钟设计 3.2.1 LED数码管显示器静态显示控制 静态显示方式是将所有LED数码管显示器的公共端一起接地，或者接电源Vcc，各LED数码管显示器段选线分别与一个并行口相连，当要显示某一个字符的时候，相应的发光二极管恒定导通或者截止。因此可见，静态显示时，各LED数码管显示器是相互独立的，互不影响，只要段选线有字符码输出，则LED数码管显示器立即显示相应的字符，并保持不变，直到有新的字符码输出。与动态显示方式相比，静态显示方式具有显示稳定、无闪烁、占用CPU时间少，编程简单的优点，但同时，由于静态显示方式每个LED数码管显示器都需要自己的独立的并行口与段选线相连，占用的端口线比较多，因此只有在显示位数较少的应用场合采用。或者通过外接锁存器等芯片来扩展并行I/O口，以节约单片机资源。 项目二 电子时钟设计 3.2.1 LED数码管显示器静态显示控制 例3.1 单只数码管显示字符“0” 如图3-4所示，共阴极数码管（在Proteus中元件为7SEG-COM-CAT-GRN）作为显示器，用P0口作为LED数码管显示器的段选线。如表3-3所示，共阴极数码管字符“0”的字符码为“3FH”，因此只需向P0口写入字符码“3FH”便可以实现字符“0”的显示。 项目二 电子时钟设计 3.2.1 LED数码管显示器静态显示控制 项目二 电子时钟设计 3.2.1 LED数码管显示器静态显示控制 例3.2 单只数码管显示字符“0”~“9” 如图3-4所示，利用单只共阴极数码管显示器循环显示0~9，时间间隔大概为1秒。 项目二 电子时钟设计 3.2.2 LED数码管显示器动态显示控制 动态显示，又称动态扫描显示，是LED数码管显示器应用最多的一种显示方式，与静态显示方式比起来具有占用端口少，可以大大降低硬件成本和电源的消耗，但是占用CPU的时间比较多，而且数据具有闪烁感。动态显示的工作原理是将所有LED数码管显示器的段选线接在一起，通过一个8位的字段输出口控制，而各数码管显示器的位选线（公共端）通过另外的I/O口独立控制，即某一时刻只选通某一数码管显示器，然后延时一段时间，再选通另一位数码管显示器，并通过8位字段输出口输出相应的字符码，更新显示字符，如此逐位依次点亮各位数码管显示器。由于每一位数码管的显示间隔时间很短，人眼存在视觉暂留效应，从而给人以各位数码管同时显示的感觉。 项目二 电子时钟设计 3.2.2 LED数码管显示器动态显示控制 例3.3 在6位LED数码管显示器动态显示“123456” 仿真电路如图3-5所示，采用6位共阳极数码管（在Proteus中元件为7SEG-MPX6-CA）作为显示器，用P0口作为LED数码管显示器的段选线，P2口的低6位作为位选线，采用6个NPN三极管（Q1~Q6）构成驱动电路，每只数码管显示器的显示时间为1毫秒，然后熄灭，点亮另一只数码管显示器，则每只数码管显示器的显示时间间隔为5毫秒，由于5毫秒的时间间隔对于人眼来说并不能够感觉到数码管显示器的闪烁，而是觉得每只数码管显示器都在显示。 项目二 电子时钟设计 3.2.1 LED数码管显示器静态显示控制 项目二 电子时钟设计 3.2.1 LED数码管显示器静态显示控制 项目二 电子时钟设计 3.2.2 LED数码管显示器动态显示控制 例3.4 在6位LED数码管显示器动态显示小数“356.789” 本例采用例3.3一样的仿真电路图，本例与例3.3唯一的区别是多了小数点显示，而要显示小数点，只需要点亮相应的数码管的小数点段选线。在表3-3所示LED数码显示器字型编码中字符0~H的字符码实际只采用了D0~D6共7位，其中D7恒为高电平或地电平，因此如果需要在数字后面跟着显示小数点，对应共阴极数码管显示器，则只需要将相应的字符码加上0x80之后送段选线；而对应共阳极数码管显示器，则只需要将相应的字符码按位与0x7f之后送段选线。在本例中，我们利用两个一维数组分别用于存放数码管显示器位选信号控制码表和相应的显示字符，其中字符6后面要跟着显示小数点，由于是共阳极数码管显示器，所以字符码=0x82&0x7f=0x02。 项目二 电子时钟设计 3.2.2 LED数码管显示器动态显示控制 项目二 电子时钟设计 3.2.3 74HC573显示电路设计 由于静态显示占用单片机的端口资源太多，而动态显示由于要不断的扫描，占用的CPU时间太多，因此在实际单片机应用中往往采用外扩端口，采用驱动芯片的方式控制LED数码管显示器的显示，进而节约CUP的资源，并保证显示效果。74HC573锁存器便是其中一款应用广泛的显示器驱动芯片。 项目二 电子时钟设计 3.2.3 74HC573显示电路设计 74HC573芯片是八进制3态非反转透明锁存器，当锁存使能端LE为高电平时候，74HC573锁存器的锁存对于数据是透明的（输入与输出同步），而当锁存使能端LE为低电平时候，输入的数据被锁存，输出保持不变。74HC573锁存器电路图如图3-8所示，功能表如表3-4所示。 项目二 电子时钟设计 3.2.3 74HC573显示电路设计 项目二 电子时钟设计 3.2.3 74HC573显示电路设计 例3.5 利用74HC573动态显示“2011.06.02”。 仿真电路如图3-9所示，本电路采用1只8位共阳极数码管显示器（在Proteus中元件为7SEG-MPX8-CA-BLUE）作为显示器。U2锁存器和U3锁存器的数据输入端接P0口，U2锁存器输出端接8位共阳极数码管显示器的段选线（A~DP），U3锁存器输出端接8位共阳极数码管显示器的位选控制线（SEG1~SEG8）。U2锁存器和U3锁存器锁存使能分别接P2.0和P2.1。如图3-9所示，由于选用了74HC573进行I/0口扩展，与位选端直接与单片机I/O口相连相比节约了单片机的6个I/0口。 项目二 电子时钟设计 3.2.3 74HC573显示电路设计 项目二 电子时钟设计 3.2.3 74HC573显示电路设计 项目二 电子时钟设计 3.3 DS1302时钟芯片认知 项目二 电子时钟设计 3.3.1 引脚功能表及内部结构图 DS1302是美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片，外接备用电池和晶振，标准频率为32.768KHz，可对年、月、日、星期、时、分、秒精确计时，并具有闰年补偿掉电继续走时功能，是一款高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，工作电压为2.5~5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302时钟芯片的引脚排列如图3-11所示。各引脚功能如表3-4所示。 项目二 电子时钟设计 3.3.1 引脚功能表及内部结构图 项目二 电子时钟设计 3.3.1 引脚功能表及内部结构图 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 DS1302时钟芯片共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD(又称8421码，即用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这个10个数码)码形式。此为，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。日历、时间寄存器及控制字节如表3-5所示。 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 各位含义如下： D7：读写使能位。必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。 D6：日历时钟/RAM选择位。如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据。 D5~D1：寄存器操作单元地址。 D0：读写操作控制位。最低有效位（位0）如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作。 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 DS1302时钟芯片的数据读写时序如图3-12所示。如图3-12所示，在向DS1302时钟芯片读写数据之前必须置第7脚SCLK为低电平，然后置为高电平，此后一直保持高电平，直到本次数据读写操作完成。之后在串口时钟信号SCLK发生每一次电平跳变（1->0），将控制字从低位（低0位）到高位（高7位）依次通过I/O口送入DS1302时钟芯片，控制字写入DS1302时钟芯片之后读取/写入数据操作与读取/写入控制字操作类似。数据读写完成，置和SCLK为高电平。DS1302时钟芯片在测量系统中与单片机的典型连接电路如图3-13所示。 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 例3.6 实时读取DS1302时钟芯片时间并显示 本例利用时钟芯片DS1302获得小时、分钟、秒时间信息，并利用一只8位共阳极数码显示器（在Proteus中元件为7SEG-MPX8-CA-BLUE）进行时间信息显示，小时、分钟、秒之间用字符“:”进行间隔。8位共阳极数码显示器采用动态扫描方式进行显示，为了节约单片机I/O口资源，采用两个74H573锁存器进行I/O口扩展，单片机的P1.1接DS1302的SCLK管脚，提供串行数据读写时钟，P1.0接DS1302的I/O口，用于读写数据信息，P1.2接DS1302的管脚，控制数据的读写操作。仿真电路如图3-14所示。 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 运行程序，仿真效果如图3-15所示（当前时间为10点35分09秒）。 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 例3.7读取DS1302时钟芯片时间和日期信息并显示 仿真电路图如图3-16所示，采用8位LED数码管显示器和6位LED数码管显示器分别显示日期和时间信息，显示格式为年-月-日，时.分.秒，动态扫描显示，段选信号和位选信号共用P0口，U2、U3、U5锁存器锁存使能端分别接P20、P21、P22，并标注为DLE、WLE1、WLE2。 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 项目二 电子时钟设计 3.3.2 DS1302的寄存器及数据读写时序 仿真效果如图3-17所示。 项目二 电子时钟设计 3.4 电子时钟设计 项目功能描述： 1、利用数码管显示器实时显示年、月、日、时、分、秒； 2、年份显示格式为年份-月份-日期，时间显示格式为小时.分钟.秒； 3、具有掉电继续走时功能，具有后备电源，在主电源电压不够时候自动切换后备电源； 4、具有闹钟功能，闹钟时间精确到分钟，具有查询闹钟，设置闹钟功能。 6、闹钟时间到，蜂鸣器发声，数码管闪烁，持续时间一分钟，期间按任意按键，退出闹钟。 项目二 电子时钟设计 3.4.1 仿真电路设计 根据项目功能要求，我们采用AT89C51单片机为核心，一只6位共阳极LED数码管显示器显示时间信息，另一只8位共阳极LED数码管显示器显示日期信息，采用蜂鸣器作为闹钟发声，采用两个按键完成闹钟设置和查询，系统总体框图如图所示3-18所示。 项目二 电子时钟设计 3.4.1 仿真电路设计 项目二 电子时钟设计 3.4.1 仿真电路设计 项目二 电子时钟设计 3.4.2 程序设计 电子时钟程序流程图如图3-20所示 项目二 电子时钟设计 小结： 1、LED数码管具有友好的人机界面，设计简单、价格便宜，可显示字符数字0~9，字符A~F、H、L、P、R、U、Y等符号。 2、按LED发光二极管的段数可分为七段数码管显示器和八段数码管显示器，八段数码管显示器比七段数码管多了一个发光二极管，用于显示小数点。按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位、6位、8位等数码管显示器；按发光二极管单元的连接方式的不同，又可分为共阳极LED数码管显示器和共阴极LED数码管显示器。 3、LED数码管通过程序控制，拥有静态显示和动态显示两种方式。与动态显示方式相比静态显示方式具有显示稳定、无闪烁、占用CPU时间少，编程简单的优点；与静态显示方式比起来具有占用端口少，可以大大降低硬件成本和电源的消耗，但是占用CPU的时间比较多，而且数据具有闪烁感。 4、DS1302是一种低功耗实时时钟芯片，可对年、月、日、星期、时、分、秒精确计时，并具有闰年补偿掉电继续走时功能。 项目二 电子时钟设计 $$