LED点阵显示电子钟系统

本科毕业设计说明书（论文）第1页共32页1绪论1.1LED点阵显示电子钟的背景及意义在日常生活中，大家见到的都是数码管制作的电子钟，LED点阵时钟则不多见。用单片机控制的LED点阵显示电子钟具有结构简单、性能可靠、成本低廉、价格便宜和显示灵活等优点，其应用前景广阔。之所以使用LED点阵电子屏显示，是与它本身所具有的优点分不开的[1]。这些优点概括起来就是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。在实际应用中的显示屏由于成本和可靠性的因素常采用一种动态扫描的显示方法。本文设计的是一个室内用5块8×8点阵时钟显示屏，数字采用静止显示方式。电子钟是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到广泛应用。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟走时更准确、性能更稳定。由于用LED点阵显示数据，在夜晚或黑暗的场合里也可以使用，具有一定的实用性。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合都可以看到LED点阵显示电子钟。在城市的主要营业场所、车站、码头等公共场所使用LED数字电子钟已经成为一种时尚[2]。1.2设计任务及要求任务：利用AT89C52单片机结合LED点阵显示器设计一个电子小闹钟。电子时钟将在5块8×8点阵显示屏上分别显示(小时十位)、(小时个位)、(：)、(分十位)、(分个位)。时钟出现累积误差，可以人为手动进行修改。修改时间的功能可以通过独立式按键来完成。设计一种基于AT89C52单片机的LED点阵显示时钟，基本设计要求如下：(1)电子钟的基本功能，也就是计时的功能，要保证电子钟的正常工作，正常计时。(2)电子钟要有一个可以快速调整时间的电路，以防有的时间不准时可以快速，高效，准确地调整电子钟的显示时间，由按键调整。(3)时钟的显示由LED点阵构成，格式为XX:XX(时:分)，点阵为8×8点阵显示屏。(4)能正确显示时间，上电显示为12点。本科毕业设计说明书（论文）第2页共32页(5)误差小于1秒。(6)在电子钟的基础上设计加入闹钟功能。(7)闹钟要有一个快速调整时间电路，并能控制闹钟的开启，停止。(8)闹钟有自动报警功能。(9)闹钟开启停止时点阵显示状态。1.3章节安排在本文的第二章中将会对LED点阵显示电子钟的总体设计方案进行论述，并对可能用到的元器件进行介绍。同时验证方案的可行性。第三章给出LED点阵电子钟的硬件电路总体设计和各个子电路的具体设计，本章节将对显示电路和单片机最小系统电路做具体分析。第四章对软件部分的设计进行阐述，其中包括各个主要的程序，以及其他一些子程序，由于设计中加入了闹钟的功能，而此功能基本靠软件来实现，所以在第四章中会对闹钟及其子程序的的设计做相应的阐述。第五章会对设计好的硬件电路与软件用PROTUES软件进行仿真调试，更正其中出现的错误。使用PROTEL99SE绘制PCB，并且结合已经绘制好的PCB板，制作实物，在本章节中还会对制作实物过程中需要注意的问题进行阐述。本科毕业设计说明书（论文）第3页共32页2总体方案设计及论证在本章节中将对总体的方案进行阐述，并初步论证方案的可行性。同时将对可能用到的元器件进行详细介绍，以便接下来的设计工作能顺利，有效的进行打下结实的基础。2.1系统方案因为是应用AT89C52单片机来实现控制，所以系统总的方案集中在两个部分，一个是硬件结构的设计，一个是控制的总体思想。在本小节中将对这两部分内容进行简单的叙述。2.1.1硬件结构根据项目的功能和要求，可采用AT89C52单片机作为核心控制器。LED点钟电子钟系统组成包括：晶振电路模块、复位电路模块、显示电路模块、显示行驱动电路模块、蜂鸣器电路模块、按键电路模块以及电源模块。框图如图2.1所示。图2.1系统框图2.1.2控制思想LED点阵电子钟程序主要功能是屏幕显示时间稳定，精确。所以按照分块设计的方法可以把程序分为主程序、显示程序、计时程序，在后面还会加入闹钟程序。主程序主要是用来初始化系统和控制各个子程序之间执行的顺序。显示程序用来完成数字在LED点阵上的显示，时钟的显示是使用5块8×8点阵显示屏。计时程序用来完成计时，数时功能。闹钟程序用来完成时钟的闹钟功能[3]。按键电路晶振电路电路蜂鸣器AT89C52控制器显示电路行驱动电路列驱动电路电源电路复位电路本科毕业设计说明书（论文）第4页共32页2.2设计方案论证由中断产生的秒、分、小时数据，经转换子程序转换成适应LED点阵显示屏显示的数据，并通过单片机的输出功能输入到LED点阵显示屏，再通过显示扫描程序，显示出时钟的走时时间。用计时程序来完成计时，数时功能，再通过单片机综合控制将数字显示出来。由此可见，通过AT89C52单片机的控制功能，完全可以实现LED点阵显示电子钟。2.3主要元器件选择主要用到的硬件有：AT89C52单片机，8×8点阵屏，74LS373锁存器，74LS138译码器，12MHz晶振。2.3.18×8点阵显示屏图2.2为8×8点阵LED外观及引脚图，其等效电路如图2.3所示，只要其对应的DC、DR轴顺向偏压，即可使LED发亮。例如如果想使图2.3左上角LED点亮，则DC8=1，DR1=0即可。应用时限流电阻可以放在DC轴或DR轴。8×8点阵LED外观及引脚如图2.2[4]。图2.28×8LED点阵引脚图图2.3为8×8点阵LED等效电路，由此可以看出点阵是用64个LED组成的。点阵LED扫描法介绍：从图2.3中可以看出，8×8点阵共需要64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一列置1电平，某一行置0电平，则相应的二极管就亮。频率必须大于128赫兹，周期小于7.8毫秒即可符合视觉暂留要求。此外一次驱动一列或一行(8盏LED)时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。DC3DC6DR4DC8DR6DR7DC7DC5DC1DR5DR3DC4DR8DC2DR2DR18×8点阵焊接面引脚本科毕业设计说明书（论文）第5页共32页图2.38×8点阵LED等效电路2.3.2锁存器74LS37374LS373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74LS373芯片。本小节将介绍74LS373的工作原理，引脚图(管脚图)，内结构图，主要参数及在单片机系统中的典型应用电路[5]。74LS373工作原理简述:1脚是输出使能(OE)，是低电平有效，当1脚是高电平时，不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何，也不管11脚(锁存控制端，G)如何，输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态)。当1脚是低电平时，只要11脚(锁存控制端，G)上出现一个下降沿，输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态。锁存端LE由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到LE端再次有效。当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0到Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。74LS373内部逻辑结构如图2.4所示。本科毕业设计说明书（论文）第6页共32页图2.474LS373内部逻辑结构表2.1中：L表示低电平。H表示高电平。X表示不定态。Q0表示建立稳态前Q的电平，G输入端，与8031ALE连高电平，畅通无阻,低电平，关门锁存。表2.174LS373的真值表(功能表)OUTPUTCONTROLENABLEGDOUTPUTLLLHHHLXHLXXHLQ0Z图中OE表示使能端，接地。当G=“1”时，74LS373输出端1Q到8Q与输入端1D到8D相同，当G为下降沿时，将输入数据锁存。G，E功能如表2.2所示。表2.2G，E功能表EG功能00101X直通QI=DI保持(QI保持不变)输出高阻本科毕业设计说明书（论文）第7页共32页74LS373引脚(管脚)排列如图2.5。可见输出和输入是相邻排列的，所以在连接时应注意连接的引脚是否正确，避免错误。图2.574LS373引脚(管脚)排列2.3.3译码器74LS13874LS138为3线8线译码器，74LS138的工作原理如下：当一个选通端(G1)为高电平，另两个选通端(/(G2A)和/(G2B))为低电平时，可将地址端(A、B、C)的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出[6]。74LS138功能是利用S1、/S2和/S3可级联扩展成24线译码器，若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。74LS138引脚图如图2.6所示。图2.7所示的是用与非门组成的3线8线译码器74LS138的内部结构图。详细功能表如表2.3所示。图2.674LS138引脚图本科毕业设计说明书（论文）第8页共32页图2.774LS138内部电路表2.33线-8线译码器74LS138的功能表输入输出S1S_2+S_3A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y700X11111111XX100000000XXXXXXXXX0000010100111001011101111111111111111111111111110111111110111111110111111110111111110111111110111111110111111110无论从逻辑图还是功能表(表2.3)我们都可以看到74LS138的八个输出管脚，任何本科毕业设计说明书（论文）第9页共32页时刻全为高电平则芯片处于不工作状态，只有一个为低电平，其余7个输出管脚全为高电平。如果出现两个输出管脚在同一个时间为0的情况，说明该芯片已经损坏。74LS138有三个附加的控制端S1、/S2和/S3。当S1、/S2接低电平时，输出为高电平(S=1)，译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表2.3所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多片连接起来以扩展译码器的功能。带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在图2.7中如果把作为“数据”输入端(在同一个时间)，而将作为“地址”输入端，那么从送来的数据只能通过所指定的一根输出线送出去。这就不难理解为什么把叫做地址输入了。例如当S1=1、S2=0和S3=1时，门的输入端除了接至输出端的一个以外全是高电平，因此的数据以反码的形式从输出，而不会被送到其他任何一个输出端上。2.3.4AT89C52单片机微处理器采用AT89C52系列单片机，AT89C52单片机是这几年在我国非常流行的单片机，是一种带8K字节闪存器的高性能单片机，可擦除存储器可以反复擦除100次，具有低功耗，高性能的特点，并且可与工业标准的MSC-51指令集和输出管脚相兼容，对于本设计需要实现的功能，完全可胜任[7]。LED点阵电子钟的设计主要是用AT89C52单片机进行控制，用12MHz的晶振来保证计时的精准性，用具有一定驱动能力的74LS373锁存器和74LS138译码器进行I/O口扩展，并在5块8×8点阵上显示。本科毕业设计说明书（论文）第10页共32页3硬件电路设计根据项目的功能和要求，LED点钟电子钟硬件系统的主要模块包括：晶振电路模块、复位电路模块、显示电路模块、蜂鸣器电路模块、按键电路模块。其中晶振电路和复位电路构成了单片机最小系统。晶振电路与复位电路构成的单片机最小系统用来完成计时功能，以及对整个LED点阵显示电子钟的控制。显示电路用来实现LED点阵的显示。按键电路是一个必要的扩展电路，用来对电子钟时间进行调整，闹钟时间调整。蜂鸣器电路主要用来进行操作报警，闹钟报警。3.1最小系统设计最小系统的设计在任何单片机系统中都相当关键，是单片机系统不可或缺的一个电路系统。在这一小节中将对本设计所用到的单片机最小系统所涉及的