《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)--基于at89c2051多功能六位數(shù)數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

1、<p>　　《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題 目 基于AT89C2051多功能</p><p><b>　　六位數(shù)數(shù)字鐘設(shè)計(jì)</b></p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 11級(jí)通信工程二班 </p><

2、;p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　院 （系） 信息工程學(xué)院 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　完成時(shí)間 2013年11月29日 </p><p><b>　　目 錄</b></p>

3、;<p>　　1 數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方案及任務(wù)要求1</p><p>　　1.1 總體方案設(shè)計(jì)1</p><p>　　1.2 數(shù)字鐘的任務(wù)要求2</p><p>　　2 AT89C2051集成芯片及其引腳說(shuō)明2</p><p>　　2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)2</p><p>　　2.2 引腳說(shuō)明

4、3</p><p>　　3 電路的硬件設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.1 復(fù)位電路4</p><p>　　3.2 時(shí)鐘電路4</p><p>　　3.3 按鍵電路5</p><p>　　3.4 迅響電路及輸入、輸出電路5</p><p>　　3.5 數(shù)碼管顯示電路6<

5、;/p><p>　　3.5.1 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及工作原理6</p><p>　　3.5. 2 顯示原理7</p><p>　　3.6 穩(wěn)壓電路7</p><p>　　4 安裝與調(diào)試8</p><p>　　4.1 安裝、焊接元件到電路板上8</p><p><b>　　

6、4.2 調(diào)試9</b></p><p>　　5 仿真電路圖10</p><p><b>　　6 總結(jié)10</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><p>　　附錄1：總體電路原理圖12</p><p>　　附錄2：元器件清

7、單13</p><p>　　1 數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方案及任務(wù)要求 </p><p>　　1.1 總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)字電子鐘是用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)“時(shí)”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置，主要由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示器、校時(shí)電路等部分組成。而數(shù)字鐘想準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)則是由振蕩器產(chǎn)生的時(shí)脈沖送到分頻器，分頻電路將時(shí)標(biāo)信號(hào)分成每秒一次的方波信號(hào)。秒脈沖發(fā)生

8、器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定很高的秒脈沖，秒脈沖被送到一個(gè)六十進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果送至秒個(gè)位和十位譯碼器，譯碼結(jié)果分別由兩只七段數(shù)碼管以十進(jìn)制數(shù)形式顯示來(lái)。當(dāng)秒六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器累計(jì)到第59秒時(shí)，若再來(lái)一個(gè)秒脈沖，秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出就產(chǎn)生進(jìn)位脈沖（分計(jì)數(shù)脈沖），同時(shí)，秒計(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位都復(fù)位到零。分計(jì)數(shù)脈沖又被送到分六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，經(jīng)譯碼電路譯碼后數(shù)碼管顯示相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。當(dāng)計(jì)滿59分59秒時(shí)，若再來(lái)一個(gè)秒脈沖，則分計(jì)數(shù)器便向時(shí)計(jì)數(shù)器送出時(shí)計(jì)數(shù)

9、脈沖，同時(shí)，分、秒計(jì)數(shù)器均復(fù)位到零。時(shí)計(jì)數(shù)器是一個(gè)二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)顯示23時(shí)59分59秒時(shí)，若再來(lái)一個(gè)秒脈沖，則時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器都應(yīng)回到零，并顯示（00:00:00）表示已到達(dá)午夜零點(diǎn)，第二天開(kāi)始繼續(xù)計(jì)數(shù)。其主要的功能模塊如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　1.2 數(shù)字鐘的任務(wù)要求</p><p>　　1.

10、 上電后即顯示時(shí)鐘功能10：10：00，實(shí)現(xiàn)校對(duì)功能先短按一次S1,按動(dòng)S2小時(shí)位加1，按動(dòng)S3分鐘位加1。</p><p>　　2. 短按二次S1實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能，顯示狀態(tài)為22：10：00。按動(dòng)S2則小時(shí)位加1，按動(dòng)S3則分鐘位加1。當(dāng)按動(dòng)小時(shí)位超過(guò)23時(shí)關(guān)閉鬧鐘功能。鬧鈴聲為蜂鳴器長(zhǎng)鳴3秒鐘。短按三次S1實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)功能, 按動(dòng)S2則從低位依此顯示高位，按動(dòng)S3則相應(yīng)位加1。</p><p

11、>　　3. 短按四次實(shí)現(xiàn)秒表功能，按動(dòng) S2 則開(kāi)始秒表計(jì)時(shí)，再次按動(dòng)S2則停止計(jì)時(shí)。短按五次實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器功能按動(dòng)S2則計(jì)數(shù)器加1，按動(dòng)S3則計(jì)數(shù)器清零。</p><p>　　2 AT89C2051集成芯片及其引腳說(shuō)明</p><p>　　AT89C2051是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位集成芯片，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）

12、和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C2051集成芯片在電子類產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　圖2-1 AT89C2051</p><p><b>　　2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)</b></p><

13、p>　　AT89C2051是一帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）的低電壓，高性能8位CMOS微處理器。它采用ATMEL的高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。AT89C2051是一強(qiáng)勁的微型處理器，它對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供一定高度靈活和成本低的解決辦法。</p><p><b>　　2.2 引腳說(shuō)明</b></p>&

14、lt;p>　　圖2-2 AT89C2051</p><p>　　1.VCC：電源電壓。</p><p><b>　　2．GND：地。</b></p><p>　　3．P1口：P1口是一個(gè)8位雙向I/O口?？谝_P1.2~P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入

15、(ANI0)和反相輸入(AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示。</p><p>　　4．P3口：P3口的P3.0~P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻 的七個(gè)雙向I/O口引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問(wèn)。P3品緩沖器可吸收20mA電流。</p><p>　　5．RST：復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/

16、O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，持續(xù)給出RST引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個(gè)機(jī)器周期需12個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。 </p><p>　　6．XTAL1：作為振蕩器反相器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 </p><p>　　7．XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。</p><p>　　3 電路的硬件設(shè)計(jì)</p><p&g

17、t;<b>　　3.1 復(fù)位電路</b></p><p>　　AT89C2051集成芯片的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。</p><p>　　圖3-1 復(fù)位電路</p><p><b>　　3.2 時(shí)鐘電路</b></p>

18、;<p>　　時(shí)鐘是集成芯片的心臟，集成芯片各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響集成芯片的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響集成芯片系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式：一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式。本文用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。</p><p>　　圖3-2 時(shí)鐘電路</p><p>　　AT89C2051集成芯片內(nèi)部

19、有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。</p><p><b>　　3.3 按鍵電路</b></p><p>　　按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)一定的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)。按鍵閉合過(guò)程在相應(yīng)的I/O端口形成一個(gè)負(fù)脈沖。閉合和釋放過(guò)程都

20、要經(jīng)過(guò)一定的過(guò)程才能達(dá)到穩(wěn)定，這一過(guò)程是處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動(dòng)。抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間的常長(zhǎng)短與開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般在5-10ms之間。為了避免CPU多次處理按鍵的一次閉合，應(yīng)采用措施消除抖動(dòng)。本文采用的是獨(dú)立式按鍵，直接用I/O口線構(gòu)成單個(gè)按鍵電路，每個(gè)按鍵占用一條I/O口線，每個(gè)按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生互相影響。按鍵 S1～S3 采用復(fù)用的方式與顯示部分的 P3.5、P3.4、P3.2 口復(fù)用。</p>

21、<p>　　圖3-3 按鍵電路</p><p>　　3.4 迅響電路及輸入、輸出電路</p><p>　　迅響電路由有源蜂鳴器和 PNP 型三極管組成。其工作是當(dāng) PNP 型三極管導(dǎo)通后有源蜂鳴器立即發(fā)出定頻聲響。驅(qū)動(dòng)方式為獨(dú)立端口驅(qū)動(dòng)，占用P3.7端口。</p><p>　　輸出電路是與迅響電路復(fù)合作用的，其電路結(jié)構(gòu)為有源蜂鳴器，5.1K定值電阻R6

22、，排針J3并聯(lián)。當(dāng)有源蜂鳴器無(wú)迅響時(shí)J3輸出低電平，當(dāng)有源蜂鳴器發(fā)出聲響時(shí)J3輸出高電平，J3可接入數(shù)字電路等各種需要。驅(qū)動(dòng)方式為迅響復(fù)合輸出，不占端口。</p><p>　　輸入電路是與迅響電路復(fù)合作用的，其電路結(jié)構(gòu)是在迅響電路的 PNP 型三極管的基極電路中接入排針J2。引腳排針可改變集成芯片I/O口的電平狀態(tài)，從而達(dá)到輸入的目的。驅(qū)動(dòng)方式為復(fù)合端口驅(qū)動(dòng)，占用P3.7端口。</p><p&

23、gt;　　圖3-4 迅響電路及輸入、輸出電路</p><p>　　3.5 數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　3.5.1 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　LED數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。每一筆劃都是對(duì)應(yīng)一個(gè)字母表示

24、DP是小數(shù)點(diǎn)。下圖為常用LED數(shù)碼管內(nèi)部引腳圖。</p><p>　　圖3-5-1 LED數(shù)碼管正面?zhèn)€字段引腳</p><p>　　共陽(yáng)極LED數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖：</p><p>　　圖3-5-2 共陽(yáng)極LED數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　3.5. 2 顯示原理</p><p>　　顯示部分主

25、要器件為3只兩位一體共陽(yáng)極數(shù)碼管，驅(qū)動(dòng)采用 PNP 型三極管驅(qū)動(dòng)，各端口配有限流電阻，驅(qū)動(dòng)方式為動(dòng)態(tài)掃描，占用 P3.0～P3.5 端口，段碼由P1.0～P1.6輸出。冒號(hào)部分采用 4 個(gè) Φ3.0的紅色發(fā)光二極管，驅(qū)動(dòng)方式為獨(dú)立端口P1.7驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　圖3-5-3 數(shù)碼管電路</p><p><b>　　3.6 穩(wěn)壓電路</b></p&g

26、t;<p>　　78L05是一個(gè)線性的穩(wěn)壓器，不論其輸入端接多少伏電源，其輸出是固定的5伏，主要給小容量的器件提供電源。因?yàn)槭蔷€性穩(wěn)壓，所以其輸出波形雜波比較嚴(yán)重，而且其輸出會(huì)復(fù)制輸入的波形出來(lái)。所以前后都要濾波，在輸入端加電容時(shí)相當(dāng)于平滑電容。起到一個(gè)濾波的作用，提高IC工作穩(wěn)定性。輸出端加電容是為本地器件提供能量的存儲(chǔ)器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。</p><p>　　圖3-6

27、 穩(wěn)壓電路</p><p><b>　　4 安裝與調(diào)試</b></p><p>　　4.1 安裝、焊接元件到電路板上</p><p>　　按照先低后高，先小后大，先臥式后立式的順序，正確插入元件，其高低、極性要符合規(guī)定。</p><p>　　1.先從最低元件安裝。應(yīng)先安裝、焊接跳線機(jī)及電阻，用電阻多余的腳做跳線，電阻

28、引腳不分正負(fù)，焊接時(shí)間最好控制在2-3秒。</p><p>　　2.安裝、焊接瓷片電容。瓷片電容部分正負(fù)極。</p><p>　　3.安裝、焊接輕觸開(kāi)關(guān)</p><p>　　4.安裝、焊接三極管。三極管的外形基本一樣，注意分青，且方向要和電路板上的方向一致。</p><p>　　5.安裝、焊接12MHZ晶振。晶振沒(méi)有正負(fù)極。</p>

29、;<p>　　6.安裝、焊接電解電容，裝的時(shí)候要躺著安裝，立著會(huì)影響發(fā)光二極管的顯示不整齊。</p><p>　　7.安裝、焊接20腳IC插座，從用一小缺口或小圓點(diǎn)標(biāo)記的地方以逆時(shí)針數(shù)依次為1-20腳，安裝時(shí)要注意缺口和電路上的缺口相一致。</p><p>　　8.安裝、焊接蜂鳴器。</p><p>　　9.安裝、焊接LED。LED和普通二極管一樣，有

30、正負(fù)極之分。</p><p><b>　　4.2 調(diào)試</b></p><p><b>　　1.功能按鍵</b></p><p>　　S1為功能選擇按鍵，S2為功能擴(kuò)展按鍵，S3為數(shù)值加一按鍵。</p><p><b>　　2.功能及操作</b></p><

31、;p>　　操作時(shí)，連續(xù)短時(shí)間(小于1秒)按動(dòng)S1，即可在以上的6個(gè)功能中連續(xù)循環(huán)。中途如果長(zhǎng)按(大于2秒)S1，則立即回到時(shí)鐘功能的狀態(tài)。</p><p>　　2.1時(shí)鐘功能：上電后即顯示10：10：00 ，寓意十全十美。</p><p>　　2.2校時(shí)功能：短按一次 S1，即當(dāng)前時(shí)間和冒號(hào)為閃爍狀態(tài)，按動(dòng) S2 則小時(shí)位加 1，按動(dòng) S3則分鐘位加1，秒時(shí)不可調(diào)。</p>

32、;<p>　　2.3鬧鐘功能：短按二次S1，顯示狀態(tài)為22：10：00，冒號(hào)為長(zhǎng)亮。按動(dòng)S2則小時(shí)位加1，按動(dòng)S3則分鐘位加1，秒時(shí)不可調(diào)。當(dāng)按動(dòng)小時(shí)位超過(guò)23時(shí)則會(huì)顯示--：--：--，這個(gè)表示關(guān)閉鬧鐘功能。鬧鈴聲為蜂鳴器長(zhǎng)鳴3秒鐘。</p><p>　　2.4倒計(jì)時(shí)功能：短按三次S1，顯示狀態(tài)為 0，冒號(hào)為長(zhǎng)滅。按動(dòng)S2則從低位依此顯示高位，按動(dòng)S3則相應(yīng)位加1，當(dāng)S2按到第6次時(shí)會(huì)在所設(shè)定的時(shí)

33、間狀態(tài)下開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，再次按動(dòng)S2將再次進(jìn)入調(diào)整功能，并且停止倒計(jì)時(shí)。</p><p>　　2.5秒表功能：短按四次 S1，顯示狀態(tài)為 00：00：00，冒號(hào)為長(zhǎng)亮。按動(dòng) S2 則開(kāi)始秒表計(jì)時(shí)，再次按動(dòng)S2則停止計(jì)時(shí)，當(dāng)停止計(jì)時(shí)的時(shí)候按動(dòng)S3則秒表清零。</p><p>　　2.6計(jì)數(shù)器功能：短按五次S1，顯示狀態(tài)為00：00：00，冒號(hào)為長(zhǎng)滅，按動(dòng)S2則計(jì)數(shù)器加1，按動(dòng)S3則計(jì)數(shù)器清零。&

34、lt;/p><p><b>　　5 仿真電路圖</b></p><p>　　圖5-1 仿真電路圖</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p>　　在兩個(gè)星期的設(shè)計(jì)，一個(gè)基本完整AT89C2051六位數(shù)字鐘完成了。設(shè)計(jì)完此數(shù)字鐘設(shè)計(jì)，首先讓自己對(duì)AT89C2051六位數(shù)字鐘設(shè)計(jì)的掌

35、握有了進(jìn)一步的加深和鞏固，能夠更熟練的應(yīng)用各種元件功能。還要掌握了解AT89C2051六位數(shù)字鐘設(shè)計(jì)的元件分布和電路分布，還有它的效能和其他。AT89C2051六位數(shù)字鐘是以集成芯片（AT89C2051）為核心的數(shù)字時(shí)鐘，結(jié)合相關(guān)的元器件，再配以相應(yīng)的軟件，達(dá)到制作簡(jiǎn)易數(shù)字時(shí)鐘的目的，其硬件部分難點(diǎn)在于元器件的選擇、分布及焊接，程序的調(diào)試。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b><

36、;/p><p>　　[1] 石生，電路基本分析[M]高等教育出版社. 2008,9：64～66．</p><p>　　[2] 何立民，高級(jí)集成芯片教程[M]北航出版社. 2009,6:218～220.</p><p>　　[3] 李振聲，實(shí)驗(yàn)電子技術(shù)[M]國(guó)防工業(yè)出版社. 2007,7:73～75.</p><p>　　[4] 李全利，集成芯片原

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