基于单片机的数字钟设计及时间校准研究

中国图象图形网基于单片机的数字钟设计及时间校准研究﹡陈姚节戴泽军（武汉科技大学计算机学院430081）摘要用单片机来设计数字钟，软件实现各种功能比较方便。但因软件的执行需要一定的时间，所以就会出现误差。对比实际的时钟，查找出误差的来源，并作出调整误差的方法，使得误差近可能的小，使得系统可以达到实际数字钟的允许误差范围内。关键词显示消影;事件触发;误差分析中图分类号：TP365.10．引言在信息技术急速发展的今天，计算机科学日新月异。而单片机作为计算机科学的一个分支，在微机控制领域得到长足发展。在计算机网络，通讯方面是微机的天下；而在微控制领域，小到电子表，大到家用电器，到处都有单片机的用武之地。1．系统原理分析系统设计中用到89C52单片机的部分功能：包括内部定时器，键盘扩展，程序中断,串口通信等。用一个四联体的共阴极八段显示器，可通过一个输入／输出口作为显示器数据发送端；另一个输入／输出口的四位作为显示器各位的片选信号，另四位作为键盘扩展口使用。采用一个频率为11.0592MHz的晶振构成时钟电路。系统原理图如图1：单片机显示器键盘P2.4-7P2.0-3P1.0-7串口图1系统原理图2．软件实现与流程2.1主程序由于系统的主要功能都是有程序中断来完成的，主程序基本上没什么事可做，但因键盘扫描是通过程序查询的方式实现的，所以主程序只循环扫描键盘。主程序流程图如图2所示：2.2定时和串口程序定时和串口都是中断响应程序，它们的调用都是系统执行过程中采用中断事件触发产生(中断部分处理如图3所示)。定时中断是周期性发生的，而串口中断则须串口有数据传输才发生中断。定时程序是整个系统的核心代码，这段代码不光涉及到显示，还涉及到系统计时,这段代码的优劣关系到整个系统的可靠性，后面还将详细讨论。为初步减小系统误差,置定时初值一定要在程序开始就设置。收稿日期：2005-01-05陈姚节28岁，男，硕士，助教，主要研究领域为数据通信和设备驱动开发﹡国家863计划项目资助（批准号：2003AA414011）中国图象图形网数据的显示与刷新更新显示器涉及到两个操作：发数据和改片选信号。但实践发现，代码中无论是先改片选信号还是先发数据信号，都会出现重影（即相邻两位显示差不多）这也是动态扫描引起的。中国图象图形网实践先该片选，则前一位的数据会在下一位显示一段时间；先发数据，则后一位的数据会在前一位显示一段时间。因而出现重影。解决这个问题的办法是先进行一个消影操作，然后再发片选，最后发数据。这样就很好地解决了重影问题。这样做的关键在于，在极短的一段时间内让显示器都不亮，等一切准备工作都做好了以后再发数据，只要显示频率足够快，是看不出显示器有闪烁的（程序用定时中断频率作为显示更新频率，在表1中，只当更新率??00赫兹时，才发现显示器有闪烁）。这段显示程序代码如下：P1=0x00;//消影P2=选择[选择];//发片选信号codetmp=acode[echoarray[选择]];如果(选择==2&&mod==0&&dotflag)//判断是否显示.codetmp|=0x80;P1=codetmp;//发数据选择=++选择%4;//片选计数器下移2.4键盘响应程序键盘处理程序流程相对简单，只是简单的判键与处理。这里不再给出流程图。所谓键盘消抖就是一次按建的多次响应问题。当然，一般一次按建只须响应一次，但有的时候需要多次响应，如系统进入修改模式，数字的增减。当出现这种问题时，用户的一次击键是作为一次还是多次处理，必须有一个标准。程序中我用到了一个标志位，相当于中断系统的中断标志。当用户按下键时，标志清零，松开键时，标志恢复；键按下超过一定时间（靠一扫描计数器判定）后，恢复标志，则经过一定的时间延迟（也靠一扫描计数器判定）可以响应一次按键（即一次按键的多次响应）。而事实上，键盘响应程序就是一个事件触发器，键盘的每一个状态（按下，松开,点击）都可能引发一段响应程序（如：重新设定键按下=准备复位；松开=系统复位）。这里的时间延迟靠的是指令计数，由于受硬件中断等不确定因素影响，这个延迟一般不准确，但通过实践测试，可以找到一些合适的值。3．系统性能测试与功能说明3.1定时计数器的初始值设置公式推导系统中所选用的晶振的频率为fosc，则机器周期为：公式1：[2]设定时器要求的中断频率为k,计数器位数为n,则定时计数器的初值X设置有如下公式：kXnt/1)(*20[2]。于是：原始公：而实验测得的数据显示，这个公式所得的结果并不可靠：（下表中的所有数据都是在计数器初始值严格按照原始公式给出的条件下测得，以个人计算机机系统时钟为标准）。从表1中的数据可知，严格按照原始公式得出的计数初值是存在极大误差的，这个误差总使系统时间变慢，而且，系统时间的误差值随着每秒中断次数的增多而增大，随计时总长的增长而增大，并且总是成比例（在误差允许的范围内）。这就是说，系统的误差跟每秒中断次数和个人计算机标准时长的乘积（即中断总次数）成正比。也就是说，每次中断计时的时间误差是一个常数。误差来源分析中国图象图形网不考虑晶振等固件的误差，则系统机器周期可以由公式1准确给出，因而系统误差不可能来自于硬件，而应该主要来自于软件方面。系统每次调用定时中断程序的过程中，硬件并没有自动进入下一个定时周期，而是在调用中断程序以后由软件置数来实现的。而在程序表1系统时间校正测试数据调用过程中，堆栈建立，参数传递等都是需要耗时的，而这些时间都被无形中加到了定时长度中去。所以，使得每次定时长度都大于理论推导值，在宏观上表现出来就是系统比理论计算出来的结果变慢了（这于表格1所得的结论恰好一致）。另外，由于系统每次调用中断处理程序所执行的操作都是相同的，也就是说，系统每次定时的时间误差应该是一个常数（这也恰好跟实验数据相吻合）。由上面的数据和分析可知，原始公式应该修改为：公式2：则由表格1，关于的计算公式如下：公式3：由表格1数据，实际中要求k最小，而又不影响显示效果，才能使误差越小，故实测中取k=160。根据表格一计算得≈20（所用晶振频率为11.0592MHz）。按表1的实验方法，得表2：表2参数优化后的计时测试数据这些数据较表1已有很大准确性，但与实际应用还有一定差距。末两行是根据前面参数规律稍做改动得到的,与公式2有一定出入,但与个人计算机系统标准时间已经相当接近。由于表1的数据本身是肉眼估出来的，本身就带有很大的误差，实际运用可用精密仪器得到表1数据，则系统参数可以更进一步接近实用值。3.2系统功能与操作说明主要功能：二十四进制时间显示(时、分),秒以.的闪烁表示；电子跑表计数功能；可通过按键修改，显示时，分，秒，复位；可通过个人计算机机串口设置时，分，设置时连中国图象图形网续发送四位十六进制数，依次为时的高，低位，分的高,低位。完成后秒自动复位。辅助功能：键盘共4个键，从左到右依次标名为向上的，向下的,组，重新设定,用来修改和设置系统时钟。同时还可以通过串口来修改和设置系统时钟。4．结论系统的功能完全符合设计任务的要求，经过大量的测试数据显示,系统的可靠性已经完全达到了实际电子钟的设计要求。同时系统具有很强的扩展性：添加A/D转换器可更改成数值仪表，而添加D/转换器则可以设计成波形发生器，同时扩充串口的功能可以道到很好的计算机控制系统。系统扩展图如下：图4系统功能扩展原理图参考文献:[1]陈姚节.基于串行通信的数字监控系统.武汉:武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2002,26(5):650-653[2]赵鸽，陈姚节.基于WDM设备驱动的虚拟仪器的研究与实现.武汉:武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2002,26(6):811-814[3]李广弟、朱月秀、王秀山.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社,2001:200-240DigitalclockdesignbasedonSCMandtimeadaptresearchChenYaojieDaiZhejun(ComputerDepartment,WuhanUniversityofScienceandtechnology,Wuhan,430081)AbstractIt’sveryconvenienttouseaSCMtodesignadigitalclockwithsoftware.Buttheerrorwilleasycomeoutwiththetimerunbysoftware.Tocontrastwiththerealclockandfindthereasonwhichbringtheerrorandgivethearithmeticwhichtomaketheerrorlow,thentheclockwillreachtheneedoftheproduction.keywordsdisplayshadowdispel、eventdriven、errorsanalysis