08奥运开幕式倒计时钟的设计与制作

明达职业技术学院毕业生毕业论文（设计）108奥运开幕式倒计时钟的设计与制作作者：秦健【摘要】:本文介绍的是以89系列单片机为核心，结合译码芯片、时钟芯片以及用LED数码显示管来达到显示功能的倒计时钟。该倒计时钟能显示当前日期（年、月、日、时、分），以及距离北京奥运开幕式所剩下的时间（天数）,倒计时天数可任意由按键调整。它具有成本低，简携轻便，耗电量小，操控简易，稳定性强，误差小的特点，投入使用后，也有商业价值【关键词】：倒计时单片机时钟芯片LED数码显示明达职业技术学院毕业生毕业论文（设计）2前言本文主要的宗旨就是如何通过89系列单片机来控制LED显示屏，从而达到所要求的设计目的.该装置要能显示当前日期（年、月、日、时、分），以及距离北京奥运会开幕式所剩下的时间（天数）。其中倒计天数可任意调整。该装置完成后的产品雏形如图0-1所示。距离08奥运会开幕式还有天今天是年月日现在时间为时分复位设定+10+1明达学院设计工作室制作图0-1倒计时装置的产品雏形该装置的设计任务需要很多的逻辑运算、控制及传输功能的芯片，运用模拟和数字电路也可完成此项任务，但这需要很多芯片的连线组合，因此选用单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）无疑是个不错的选择，单片机面向控制，特别适用于控制应用领域。具有体积小，可靠性高，控制功能强，使用方便，性能价格比高，易产品化等特点。因此该装置的设计我准备采用以处理器89C52为核心集合译码器、时钟芯片、地址锁存器、LED数码显示管、按键等来完成。明达职业技术学院毕业生毕业论文（设计）3第一章系统的硬件电路的设计1.1设计方案论证与选择方案一：利用大量的数字逻辑器件来实现简单的计时和倒计时功能，其原理是利用计数器进行计时和倒计时，用数字逻辑器件设计电路，没有程序，完全通过硬件设施来完成，电路的结构很复杂，成本很高，且没有什么实际的运用价值。方案二：利用AT89C52单片机自身带有的晶振来确定基准时间，通过程序进行时间的确定，所有的功能全部用单片机来实现，这样一来，使得这个系统在硬件上变得简单，从而使得设计成本降低，能达到大量生产的目的。但对设计者来说，软件编程能力要求过高，对我们在短短一个月的毕业设计时间来说是远远不够的。方案三：利用AT89C52单片机和实时时钟芯片DS12C887来实现倒计时钟的设计，该设计时钟可以用DS12C887来实现，设计者无需考虑大小月、2月、闰年等问题的影响，电路简单、程序设计较为容易，功能扩展方便。这样可以尽可能用已知的元件来完善和简化系统，同时也能灵活运用已知知识达到设计要求。由上比较，方案三最适合我们在短时间内的设计与制作，它既能够满足实际需要又更容易实现设计功能。1.2系统功能分析对当前国内外倒计时钟的现状调查分析，设计一个倒计时钟系统应具备三个功能：时钟功能、倒计时功能、倒计时间调整功能。本系统在尽量达到功能、完成设计的同时又尽可能减小硬件成本，所以在时钟功能上只选择了对当前年、月、日、时、分的显示，而放弃了对当秒的显示，在倒计时功能上只选择了对倒计天数的四位显示，而放弃了对到达的时间（北京奥运会开幕式2008年8月8日）的显示。倒计时间调整功能则是可以将倒计天数调整，来完成对处理系统断电等意外问题。1.3系统的结构框图明达职业技术学院毕业生毕业论文（设计）4图1-1倒计时系统结构框图通过机构图我们可以看出：通过读时钟信息产生单元的数据，用单片机对其进行适当处理，通过显示单元展现给用户。至于对倒计时间的设定可由倒计时间调整控制单元来实现。1.4各功能部件单元电路设计1.4.1单片机的选择及其基本外围电路的设计AT89C52单片机是89系列中的标准型产品，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性技术，其输出引脚和指令系统都与MCS-51系统兼容，因此AT89C52单片机是一种功能强、灵活性高的单片机。其引脚图如图1-2所示。图1-2AT89C52引脚图倒计时调整控制单元处理器时钟信息产生单元显示单元明达职业技术学院毕业生毕业论文（设计）5AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS－51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。图1-3单片机的基本外围电路图1-3中电容的大小为10uF，电阻为8.2KΩ，晶振为12MHz。每个机器周期的时间为1us，复位的条件为：1）振荡器要工作；2）必须使RES引脚至少保持两个机器周期（即2us）的高电平。复位电路中的RC参数通常由实验调整，若C采用10uF，R采用8.2K，时间常数为只要Vcc的上升时间不超过1ms，振荡器建立时间不超过10ms，这个时间常数足以保证完成复位操作1．4.2时钟信息产生单元的电路设计时钟芯片的选择无疑是本设计的重点所在，在本设计中我们选择了DS12C887作为时钟信息产生单元的主要芯片。时钟芯片DS12C887S是实时时钟芯片，能自动记录当前时、分、秒和年、月、日等时钟日历信息，所需工作电流极微，在外部电源停电情况下，依靠电池，仍能进行计时，并能在正常工作时可保证时钟数据十年内不会丢失。虽然89C52也可以用编程计算的方法来获得时间信息，但既然已经有实时时钟芯片，只需从DS12C887内部RAM02H、04H、07H、08H、09H处直接读取分、时、日、月、年信息即明达职业技术学院毕业生毕业论文（设计）6可，简化了程序。同时其内部还包含：秒、秒报警、分报警、时报警、星期等信息。DS12C887芯片采用24引脚双列直插式封装，其引脚接口逻辑和内部操作方式与MC146818B基本一致，不同的是晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池等封装成一个加厚的集成电路模块。DS12C887通电时会自动对电池充电。DS12C887内部有专门的接口电路，使用时无需任何外围电路即可和计算机总线连接，是一个真正的全自动日历时钟单元电路模块。是本设计的时钟模块的最佳芯片。DS12C887主要技术特点：（1）具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时制或24小时制计时，有上午（AM）和下午（PM）、星期、夏令时操作、闰年自动补偿等功能。精度可达到每月误差±1分钟。（2）具有可编程选择的周期中断方式和方波发生器功能。（3）DS12C887内部有15个时钟控制寄存器，其中，11个为时钟日历寄存器，4个为控制和状态寄存器，113个字节的低功耗用户RAM，可用作掉电保护的数据存放区，故DS12C887还可以兼作掉电保护电路。（4）时钟日历可选择二进制或BCD码表示。（5）工作电压范围为4.5-5.5V。（6）工作电流范围为7-15mA。（7）工作温度范围为0-70度。DS12C887共有24个引脚，如图1-4所示。图1-4DS12C887的引脚图外围电路的接线方法是：AD0---AD7接单片机的P0口；为选通号，接单片机第15脚；接单片机第17脚；接单片机第16脚；接单片机的第30脚。明达职业技术学院毕业生毕业论文（设计）71.4.3显示单元电路的设计时钟及倒计时装置显然要应用具有显示功能的器件，我们采用了LED（LightEmittingDiode）发光二极管，由于其结构简单，价格便宜，在单片机系统中得到了广泛的应用。LED是发光二极管的简称。其应用形式有多种，例如：单个LED显示管，八段LED数码显示管以及点阵式LED字符显示器等。LED显示器具有结构简单、体积小、功耗较低、响应速度较快、可靠性高以及价格低廉等特点，因此，本设计选取八段双位共阳LED数码显示管作为输出设备。LED显示管的基本单元均为LED。LED的基本特点是：①工作电压为1.5V左右；②功耗约为150mW左右；③响应时间大致为1.0μs；④正向工作电流为2～20mA时发光，在此电流范围内，LED的发光强度基本上与正向工作电流成比例。LED数码显示管是单片机系统中最常用的显示器，它由若干个发光二极管组成。常用的八段LED数码显示管如图所示，它有共阳和共阴两种结构。发光二极管的正极连在一起的称共阳极显示管（CA），负极连在一起的称共阴极显示管（CC）。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔段发光。控制不同组合的笔段，就能显示数字、若干字母及符号，如下图1-5所示。ngfabdhecm图1-5八段LED共阳数码显示管原理和结构1)LED采用动态显示方式的原因单片机系统中的显示装置一般由N个LED数码显示管组成。常把每个数码显示管中并接的引出线称为位选线，而把组成显示内容的各段LED的引出线称为段选线。因此，由N个LED数码显示管组成的显示装置共有N根位选线和8×N根段选线。单片机系统中的CPU通过相应的硬件接口使这N个LED数码显示管工作在静态或动态两种显示方式。LED数码显示管工作在静态显示方式时，各显示管的公共阴极或公共阳极连在一起（接地或+5V）；每位的段选线与一个八位并行口相连。CPU只要送一次与需显示的字符所对应的段选码到各I/O口锁存，经驱动后显示将一直保留到下一次CPU重新送段选码为止。显然，显示控制方便，占用CPU的工作时间少。但是，由于N位显示器要有N×8根I/O口明达职业技术学院毕业生毕业论文（设计）8线，因此，当位数较多时，占用I/O资源较多，此时往往采用动态显示方式。LED数码显示管工作在动态显示方式时，所有位的段选码并联在一起由一个八位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由另外的I/O口控制。这样，八位LED动态显示电路只须两个八位I/O口，一个控制位选码。由于所有的段选码皆由一个八位I/O口控制，因此，要想每位显示不同的字符，必须采用扫描方式。即在每一瞬间，段选控制I/O口输出与显示字符相对应的段选码，位选控制I/O口在该显示位送出选通电平（共阴极送低电平，共阳极送高电平）。通过一位一位的轮流，使每位显示该位应显示的字符并保持一段时间。只要对每个显示管来说，选通频率大于50Hz，就可造成视觉暂留效果（即人的眼睛并不会感觉显示器是闪动的）。由于动态显示时每个LED显示管点亮的时间不大于扫描周期的1/N，因此，为保证动态显示时每个LED显示管仍能达到其单独亮点的亮度，每段驱动电流的大小应不小于静态显示方式的N倍。动态显示方式的特点是节省硬件，缺点是CPU须周期性的对各显示管进行扫描。由以上分析，动态显示和静态显示都有自己的优缺点。在时钟及倒计时装置的设计中由于要显示现在的时间（年、月、日、时、分）和距北京奥运会开幕式还剩余的时间（天），这样需要16位LED数码显示管，这样全采用静态方式是不行的，因为采用静态显示每一个八段双位LED数码显示管要用10个引脚（包括两个控制端）来控制的，这样以来10位LED需要不少的I/O引脚。对于系统硬件设计而言很复杂，对硬件资源造成极大浪费，硬件选择方面要本着成本低，性能高，操作方便等原则，因此不全选用静态显示。相对而言采用动态显示要好的多，可以共用段驱动和位驱动，这样不仅可以减少硬件成本而且也是满足系统设计所必须的。所以16个LED数码显示管都采用动态显示，但牵扯到位数较多，我们在字型码输出时又是通过CD4514来驱动。2)LED显示字型代码编制系统设计中我采用的八段共阳LED数码显示管字型代码编制如下表1-7：显示内容共阳极代码显示内容共阳极代码00C0H592H10F9H682H20A4H70FH30B0H880H499H990H表1-7八段共阳极LED显示字型代码编制明达职业技术学院毕业生毕业论文（设计）9系统设计中LED数码显示管接线为：abcdefgph（字形口）是由：74LS373芯片直接提供的，m、n片选端（字位口）是由CD4514芯片经三极管电路提供的。具体电路如图1-8所示：图1-8显示模块电路图1.4.4倒计时间调