单片机课程设计报告.docx
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单片机课程设计报告
广东工业大学课程设计任务书
题目名称
基于STC89C52的旋转LED时钟
学生学院
材料与能源学院
专业班级
微电子学2班
姓名
黄楚敏何俊鑫黄达黄树恒
学号
3110007484311000748331100074853110007486
一、课程设计的内容
用STC89C52单片机制作一测温仪旋转LED时钟：
1.设计并绘制硬件电路图；
2.焊接好元器件；
3.编写程序并将调试好的程序固化到单片机中。
二、课程设计的要求与数据
单片机采用STC89C52芯片，时钟芯片采用DS1302。
用电机带动驱动板旋转系统上电后，驱动板的LED将会在电机带动下动态扫描出时钟画面，并且可以用红外遥控调时。
三、课程设计应完成的工作
1.完成软件、硬件的设计，并进行硬件的焊接制作，并将调试成功的程序固化到单片机中，最后进行硬件与软件的调试；
2.撰写设计说明书。
四、课程设计进程安排
序号
设计各阶段内容
地点
起止日期
1
硬件、软件设计
宿舍
12月26日
2
焊接电路板
宿舍
12月27日至28日
3
软件、硬件调试
宿舍
12月29至1月2日
4
撰写说明书
宿舍
1月3日至5日
5
答辩
工3-317
1月7日
五、应收集的资料及主要参考文献
谭浩强.C语言程序设计（第二版）。
北京：
清华大学出版社，1999年12月
发出任务书日期：
年月日指导教师签名：
计划完成日期：
年月日基层教学单位责任人签章：
主管院长签章：
广东工业大学课程设计任务书·········································1
摘要·······························································4
一、课题设计的要求及目的···········································5
1.1设计要求···················································5
1.2课程设计目的···············································5
二、设计方案························································5
三、系统框图与工作原理·············································8
3.1单片机系统工作架构·········································8
3.2系统工作原理··············································10
四、设计元器件说明·················································10
4.1PLCCSTC89C52RC简介··································10
4.274HC573芯片与光电传感器简介·····························12
4.3红外简介··················································13
4.4DS1302、LM7805芯片简介··································15
4.5LED动态显示原理·········································17
五、系统硬件电路设计···············································18
六、系统软件设计···················································19
6.1单片机解码红外信号程序····································19
6.2单片机读写DS1302程序······································22
6.3自适应转速················································25
6.4数字显示模式··············································26
6.5指针显示模式··············································26
七、总结与体会·····················································27
八、参考文献·······················································27
附录A完整源程序··················································28
附录B实物图······················································41
摘要
旋转LED钟，在国外一般称为“螺旋桨时钟”（propellerclock），是利用“视觉暂留”原理制作而成。
将单片机控制的LED流水灯设备稍作改进，让它动起来，就能神奇地显示各种字符或图案，其效果如浮在空中一般。
旋转LED显示是利用机械转动动态扫描代替传统逐行扫描方式，显示屏其实质就是与机械转动配合起来的动态扫描显示技术。
本设计利用高速旋转中控制LED灯的亮灭，进行字符的显示，控制器采用STC89C52单片机，借助人的视觉暂留效果，通过LED灯的机械扫描方式来显示各种字符和图像。
LED旋转时钟正是基于机械转动动态扫描技术，以及人的视觉暂留效果做成的，它主要包括单片机STC89C52、时钟芯片DS1302、光电耦合器件等。
我们做的这个时钟具有两种显示模式：
一种是字符式数字显示模式，可在一个屏上显示年月日和时分秒信息；另一种是指针式模拟显示模式，可仿真指针式钟表显示时分秒信息。
同时还设有红外遥控功能，可通过遥控器改变显示模式和调整时钟的时值。
关键词：
视觉暂留旋转时钟动态扫描
一、课题设计的要求及目的
1.1设计要求
（1）驱动板在电机的旋转带动下能够显示时钟画面，并能够自动计时。
（2）由于电机工作电压，环境因素的影响下，电机转速不稳定使时钟画面不稳定，所以要求程序能够自适应调整转速，使时钟画面基本稳定不变。
（3）要求能够通过红外遥控实现数字时钟和指针时钟2种模式间转换
（4）要求能够通过红外遥控设置时间。
1.2课程设计目的
（1）训练正确地应用单片微机，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问题的初步能力。
（2）该设计熟悉单片微机应用系统开发、研制的过程，软硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤。
（3）提高学生理论与实践结合的能力，将理论知识运用到实践中来，能更好的掌握课本理论知识。
二、设计方案
（1）供电方式选择
1、常见的供电方式
根据调查的结果，指针板的供电方式一般有以下三种：
1）自感应发电
这种方法，就是从驱动板上引出导线，接入到电机内部绕在转子上，电机旋转时该导线切割磁场产生感应电动势，经过整流后作为指针板上的电源。
A、这种方式的优点是：
设计很巧妙，无机械磨损。
更巧妙的是，由于感应出来的电动势是交流的，所以可以利用该过零信号来定位，不必另外准备定位信号了。
B、这种方式的缺点是：
提供的电流有限，只能适合LED较少的旋转时钟，当LED数量较多时，需要更多的电流，这种方式就不能满足了。
其次，这种方式要对电机本身进行改造，也有一定的难度。
并不是所有的电机都适合这种改造。
而且这种改造可能会给电机带来损害。
另外还有一个问题，就是这种方式，只有在电机旋转时才能发电给驱动板供电，一旦停止转动，供电也就无以为继了，这样要实现旋转时钟的不间断走时，还得另加备用电池并采用低功耗设计。
2）自备电池
这种方式，就是在驱动板上安装电池，由电池供电。
一般是用两到三节7号电池。
A、这种方式的优点是：
Ⅰ.不用担心电压波动。
Ⅱ.也不存在机械磨损，不用担心接触不良之类问题的困扰。
B、这种方式的缺点是：
Ⅰ.很费电池，三天两头换电池，既不经济也不环保，还很麻烦！
Ⅱ.电池很重，一般的电机带不动，必须用很大很大的电机哦。
这也意味了成本的上升。
3）机械传导供电
也就是采用滑环和电刷，通过机械接触传导电流。
A、这种方式的优点是：
能够提供比较大的工作电流。
B、这种方式的缺点是：
Ⅰ.有机械摩擦，会产生磨损。
因此要求滑环和电刷材料要耐磨，经得起折腾。
另外，还得有足够的弹性，并且要耐锈，否则会导致接触不良。
Ⅱ.有机械阻力，因此要求电机有比较大一点的功率。
Ⅲ.有机械噪音。
4）感应供电
原理和变压器原理相当，就是在2个相距很近的线圈中，一只线圈作为电能发送端，另一只线圈作为电能接收端，发送端接入交变电流，在相距很近的接收端就能同时感应到交变电流。
A、这种方式的优点是：
无机械噪音。
B、这种方式的缺点是：
Ⅰ.线圈耦合度低，供电效率低。
Ⅱ.制作难度大。
Ⅲ.需增加震荡电路和滤波整流电路。
综合以上三种：
第一种，虽然优点多，但难度很大，并且成本很高；第二种，没有太多的担心，可是使用起来相当的麻烦，可能还会因为更换电池不及时而导致其中其他的零件受损；第三种，虽然会产生些摩擦，但是能提供较大电流，而摩擦的问题可以采用其他方法来弥补。
第四种，虽不产生机械噪音，但是需要在驱动板上加上滤波整流电路，增加驱动板重量。
所以我们采用的是第三种机械传导供电。
（2）过零信号产生电路选择
1）霍尔传感器
霍尔传感器处于工作状态时输出总是处于高电平状态，当磁钢N极接近传感器正面的有效距离，输出端变为低电平。
当磁钢撤离传感器有效距离。
输出端又显示低电平，从而产生下降沿，是单片机中断口接收到下降沿，从而产生中断。
2）光电开关
光电开关处于工作状态时输出总是处于高电平状态，当光电开关经过挡片时，输出端变为低电平。
当光电开关离开挡片时，输出端又显示低电平，从而产生下降沿，是单片机中断口接收到下降沿，从而产生中断。
光电开关利用光敏二极管对光的敏感性原理制作的，反应较灵敏，且低电平时间由挡片的宽度决定，控制方便。
而霍尔传感器利用磁场对电场的作用原理制作的，反应较迟缓，且感应磁钢的距离远，当转速较快时难以控制。
故该设计采用光电开关。
（3）LED选择
由于旋转LED要求时钟的分辨率高且重量轻，长度短，故该设计选用贴片LED发光二极管
（4）单片机选择
由于旋转LED驱动板上包括较多元器件和芯片，空间不足，所以该设计选用PLCC封装的单片机，这种封装的单片机为正方形，面积小，质量轻。
三、系统框图与工作原理
3.1单片机系统工作架构
图3.1.1系统框图
图3.1.2外部中断1流程图
图3.1.3定时器1流程图
3.3系统工作原理
通过光耦和外部中断控制单片机从DS1302中读取时钟数据并在旋转LED中的显示位置，通过红外遥控外部中断读取控制旋转LED时钟的显示模式和时值的加减调控。
四、设计元器件说明
4.1PLCCSTC89C52RC简介
图4.1.1PLCCSTC89C52RC管脚图图4.1.2STC89C52RC单片机结构
STC89C52RC是一种带4KB可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC89C52RC是一种高效微控制器，STC89C52RC是它的一种精简版本。
STC89C52RC单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
STC89C52RC引脚即外观如图4.1.1所示，内部结构如图4.1.2所示。
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复制用口，作为输入口时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写入“1可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，PO口接收指令节，而在程序校检时，输出指令字节，校检时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。
Flash编程和程序校检期间，P1接收低8位地址。
P2口:
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。
在访问外部数据存储器或16位地址的外部数据存储（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程和校检时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。
P3口：
P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作输入端口，作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻，输出电流I。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校检的控制信号。
RST:
复位输入，当震荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于所存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE乃以时钟振动频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
4.274HC573芯片与光电传感器简介
4.2.174HC573芯片
图4.2.174HC573
芯片74HC573为八进制3态非反转透明锁存器，是高性能硅门cmos器件。
当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。
当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
4.2.2光电传感器
对射式U型槽光耦管具有，响应块，驱动简单，容易安装，易于与单片机通信等特点如上图。
上电之后光耦的光敏三极管的集电极输出低电平，当有物体挡住了光敏三极管的红外光线时，光敏三极管的集电极和发射极处于高阻态，所以集电极输出高电平，当光敏三极管再次感应到红外光源时，集电极再次输出低电平，从而给单片机一个中断信号。
图4.2.2光电开关，ITR9608-F中间宽5MM
槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。
槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。
4.3红外简介
4.3.1一体化红外遥控接收头
图4.3.1HS0038BSIP3一体化红外遥控接收头
红外遥控信号是一连串的二进制脉冲码。
为了使其在无线传输过程中免受其他红外信号的干扰,通常都是先将其调制在特定的载波频率上,然后再经红外发射二极管发射出去,而红外线接收装置则要滤除其他杂波,只接收该特定频率的信号并将其还原成二进制脉冲码,也就是解调。
目前,对于这种进行了调制的红外遥控信号，通常是采用一体化红外线接收头进行调解。
一体化红外线接收头将低噪音放大器,限幅器,带通滤波器,解调器,,以及整形驱动电路等集成在一起。
一体化红外线接收头体积小,灵敏度高,外接元件少,抗干扰能力强,使用十分方便。
4.3.2遥控发射器
图4.3.2红外遥控器
遥控发射器及其编码
遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的一类来加以说明，现以日本NEC的uPD6121G组成发射电路为例说明编码原理。
当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。
这种遥控码具有以下特征：
采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔
1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图2所示。
上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。
然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射，如图3所示，连发波形如图4所示。
4.4DS1302、LM317、LM7805芯片简介
4.4.1DS1302
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～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内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
引脚功能及结构
DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。
在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。
当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能：
首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。
上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
I/O为串行数据输入输出端（双向），后面有详细说明。
SCLK为时钟输入端。
下图为DS1302的引脚功能图：
图4.4.1DS1302管脚定义图
数据输入输出（I/O）
在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。
同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。
图4.4.2数据输入输出
DS1302的控制字节
DS1302的控制字如图2所示。
控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;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，控制字节总是从最低位开始输出。
4.4.2LM7805
三端稳压集成电路lm7805，组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
lm7805输出电压为正5V。
图1LM7805封装图图2LM7805引脚图
图3LM7805典型应用电路
4.5LED动态显示原理
LED具有低功耗，接口控制方便等优点，而且与模块的接口信号和操作指令具有广泛的兼容性，能直接与单片机接口，方便实现各种不同的操作。
旋转LED是一种通过同步控制发光二极管的位置和点亮状态来实现图文显示，可视角能达360度，本设计采用32个发光二级管，利用人眼的“视觉暂留效应”显示时间和温度。
图4.5Led显示模块
五、系统硬件电路设计
硬件电路原理图如下：
LED灯为8*4组共32颗
六、系统软件设计
6.1单片机解码红外信号程序
图6.1.1红外解码流程图
以下为单片机解码红外的程序：
#include
#defineucharunsignedchar
ucharcodetable[]={
0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,
0x99,0x92,0x82,0xf8,
0x80,0x90,0x88,0x83,
0xc6,0xa1,0x86,0x8e};
#defineImax14000//此处为晶振为11.0592时的取值,
#defineImin8000//如用其它频率的晶振时,
#defineInum11450//要改变相应的取值。
#defineInum2700
#defineInum33000
ucharIm[4]={0x00,0x00,0x00,0x00};//存放4个字节32位编码
ucharshow[2]={0,0};//存储数据码
unsignedlongm,Tc;//两脉冲间隔
ucharflag,IrOK;
voiddelay（uchari）
{
ucharj,k;
for（j=i;j>0;j--）
for（k=125;k>0;k--）;
}
voiddisplay（）
{
P1=6;
P0=table[show[0]];
delay（5）;
P1=5;
P0=table[show[1]];
delay（5）;
}
//外部中断解码程序
voidINT_1（void）interrupt2using1
{
Tc=TH0*256+TL0;//提取中断时间间隔时长
TH0=0;
TL0=0;//定时中断重新置零
if（（Tc>Imin）&&（Tc{
m=0;
flag=1;
return;
}//找到启始码
if（flag==1）
{
if（Tc>Inum1&&Tc{
Im[m/8]=Im[m/8]>>1|0x80;m++;//1取码
}
if（Tc>Inum2&&Tc{
Im[m/8]=Im[m/8]>>1;m++;//0取码
}
if（m==32）
{
m=0;
flag=0;
if
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