辉光管时钟显示毕业设计剖析.docx

1、辉光管时钟显示毕业设计剖析辉光管 POV 显示时钟广州大学市政技术学院机械制造及自动化专业 曾勇金指 导 教 师：林思克0摘要：辉光管，上世纪 60-80 年代的产物，电子技术发展历史的见证之一，相信有很多朋友对其了解甚少甚至从未亲眼所见。但就是这现如今已濒临绝迹的古老器件，却让见过她的人都无法忘记那特有的显示效果，甚至开始感叹 40 年前的创造竟赋有如此的艺术气息，为了让这古老的并极富艺术气息的器件发辉余热，设计辉光管 POV 显示时钟，本设计应用 80C52 芯片作为核心，辉光管显示，使用 DS1302 实时时钟日历芯片完成时钟的基本功能。这种实现方法的优点是，性能可靠，实时性好，时间，操

2、作简单，编程容易。了解单片机的内部结构和对程序的编写与仿真烧写等，更好地掌握程序结构及模块化程序设计，为今后的单片机的开发应用奠定基 础。关键词：辉光管，单片机，编程，设计，仿真，电子时钟ABSTRACT：Glow Tube is the product of the last century 60-80s, witness thehistory of the development of electronic technology, believe that there are a lotof friends to understand its seldom or even never sa

3、w. But here it is nowendangered ancient device, it makes people who saw her could not forget the displayeffect, exclamation, 40 years ago has even started creating endowed with suchartistic breath, in order to make this ancient and very artistic devices send failwaste heat, POV clock according to gl

4、ow tube design, this design used 80c52 chip asthe core, the glow, according to the use of DS1302 real-time calendar clock chip tocomplete the basic function of the clock. This method has the advantage of reliableperformance, good real-time, time, simple operation, easy programming. Understandthe int

5、ernal structure of single-chip microcomputer and program compiling andsimulation burning, etc, to better grasp the program structure and the modularizedprogram design, for the development and application of single-chip microcomputer in the future to lay the foundation.KEY WORDS：Glow Tube, MCU, Progr

6、amming, Design, Simulation，Electronic clock1前 言 .01 辉光管简介 .12 单片机及主要芯片相关知识 .22.1 单片机的简介 .22.1.1 单片机发展历史 .22.1.2 单片机的特点 .32.1.3 AT89C52 单片机的介绍 .42.2 主要芯片简洁 .722.1 三极管 2N5551 功能及引脚图 .82.2.2 十进制解码器 HD74LS145 芯片功能及引脚 .82.2.3 时钟芯片 DS1302 功能及引脚 .102.3 PROTEUS 软件简介 .10231 keilc51 软件 .122 硬件电路设计 .133.1 辉光管时

7、钟系统硬件组成 .133.2 设计流程及顺序图 .133.2.1 电路设计 .143.2.2 仿真 .184 结论 .22参考文献 .23附件 .242前 言随着电子技术的不断发展，辉光管慢慢退去了昔日的光辉，但是辉光管是电子技术发展历史的见证之一，相信有很多朋友对其了解甚少甚至从未亲眼所见。但就是这现如今已濒临绝迹的古老器件，却让见过她的人都无法忘记那特有的显示效果，甚至开始感叹 40 年前的创造竟赋有如此的艺术气息，为了让这古老的并极富艺术气息的器件发辉余热，设计辉光管 POV 显示时钟，了解单片机的内部结构和对程序的编写与仿真烧写等，更好地掌握程序结构及模块化程序 设计，为今后的单片机的

8、开发应用奠定基础。近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因 此越来越广泛地应用各个领域.本文的电子钟系统是以单片机（AT89C52）为核心，时钟芯片 DS1302、辉光管等元器件组成。具体介绍应用 Proteus 的 ISIS 软件进行单片机系统的电子钟设计与仿真的实现方法。该方法既能准确验证所设计的系统是否满足技术要求,又能提高系统设计的效率和质量,降低开发成本,具有推广价值。随着半导体技术的飞速发展，以及移动通信、网络技术、多媒体技术在嵌入式系统设计中的应用，单片机从 4

9、 位、8 位、16 位、32 位到 64 位，其发展历程一直受到广大电子爱好者的极大关注。单片机功能越来越强大，价格却不断下降的优势无疑成为嵌入式系统方案设计的首选，同时单片机应用领域的扩大也使得更多人加入到基于单片机系统的开发行列 中，推动着单片机技术的创新进步。1 辉光管简介0辉光管-是 60 年代真空电子时代的产物，是利用辉光放电效应产生光亮来显示数字及符号的一种电子元件，诞生于上世纪 60 年代，到了 80 年代末慢慢的被其他技术所创造的新型器件所取代。古老的器件在经过设计师精心设计后赋予了非常强烈的现代感，是古典科技与现代艺术的完美结合，从而成为经典中的珍品。由于辉光管目前已经停产，

10、因此该产品的数量是及其有限，完全可以说是一种限量品。因此这些辉光管模块不但可以作为极其酷炫的装饰品也可以作为古 典科技艺术品进行收藏。本辉光管模块采用国产的 QS30-1 型号，内部气体是氖气，辉光放电效应所产生的光芒为橘红色，尤其是在夜晚，其散发出温暖的橘红色光芒给人非常温馨的感觉，其独特的字形，释放出强烈 的层次感，极具收藏价值。图 1 辉光管外观图辉光数码管需在强电场作用下才能启辉，因此，在译码器与辉光数码管之间必须配有电子开关， 如图中的 VT1-VT10 便是半导体三极管组成的开关电路。1图 2 辉光管内部引脚图2 单片机及主要芯片相关知识2.1 单片机的简介单片机是一种集成在电路芯

11、片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一 块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。2.1.1 单片机发展历史4 位单片机：1975 年，美国德克萨斯仪器公司首次推出 4 位单片机 TMS-1000；此后，各个计算机公司竞相推出四位单片机。四位单片机的主要应用领域有：PC 机的输入装置，电池充电器，运动器材，带液晶显示的音/视频产品控制器，一般家用电器的控制及遥控器，电子玩具，钟表， 计算器，多

12、功能电话等。8 位单片机：1972 年，美国 Intel 公司首先推出 8 位微处理器 8008，并于 1976 年 9 月率先推出 MCS-48 系列单片机。在这以后，8 位单片机纷纷面市。8 位单片机由于功能强，被广泛用于 自动化装置、智能仪器仪表、智能接口、过程控制、通信、家用电器等各个领域。16 位单片机：1983 年以后，集成电路的集成度可达几十万只管/片，各系列 16 位单片机纷纷面2市。16 位单片机主要用于工业控制，智能仪器仪表，便携式设备等场合。32 位单片机：随着高新技术只智能机器人，光盘驱动器，激光打印机，图像与数据实时处理，复杂实时控制，网络服务器等领域的应用与发展，2

13、0 世纪 80 年代末推出了 32 位单片机，64 位单片机：近年来，64 位单片机在引擎控制，智能机器人，磁盘控制，语音图像通信，算法密集的实时控制场合已有应用，如英国 Inmos 公司的 Transputer T800 是高性能的 64 位单片机。2.1.2 单片机的特点（1）集成度高、体积小。单片机、CPU、存储器、I/O 接口等各种功能部件集成在一块晶体芯片上，体积小，节省空间。 能灵活，方便地应用于各种智能化的控制设备和仪器，实现机电一体化。（2）可靠性高，抗干扰性强。单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力

14、，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环 境下（3）低功耗。许多单片机的工作电压只有 24 伏特，电流几百微安，功耗很低，适用于便携式系统 （4）控制功能强。其 CPU 可以对 I/O 端口直接进行操作，可以进行位操作、分支转移操作， 还能方便地实现 多机控制，使整个系统的控制效率大为提高，适用于专门的控制领域。（5）可扩展性好。单片机具有灵活方便的外部扩展总线接口，使得当片内资源不够使用时可以非常方便地进行片外扩展。另外，现在单片机具有越来越丰富的通信接口：如异步串行口 SCI、同步串行口SPI、I2C、CAN 总线、甚至有的单片机还集成了 USB 接口或以太网接口，这些丰富的通信接口

15、 使得单片机系统与外部计算机系统的通信变得非常容易。（6）性价比高单片机应用广泛，生产批量大，产品供应商的商业竞争使得单片机产品的性能越来越强而 价格低廉，有优异的性能价格比。32.1.3 AT89C52 单片机的介绍图 3 封装AT89C52 ATMEL 是一种低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机片内含 8K byTES 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准80C51 指令系统及 80C52 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器（CPU ）和 FLASH 由存储 单元，功能强大 AT89C52 单片适用于许多较为

16、复杂控制应用场合。主要性能参数：与 Mcs-51 产品指令和引脚完全兼容。8 字节可重擦写 FLASH 闪速存储器1000 次擦写周期全静态操作：0HZ-24MHZ三级加密程序存储器256X8 字节内部 RAM32 个可编程 I/0 口线3 个 16 位定时计数器8 个中断源可编程串行 UART 通道低功耗空闲和掉电模式AT89C52 提供以下标准功能：8 字节 FLASH 闪速存储器，256 字节内部 RAM , 32 个 I/O 口线，3 个 16 位定时计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89c52 可降至零赫兹的静态逻辑操作，并支持

17、两种软件可选的节电上作模式。空闲方式停止 CPU的工作，但允许 RAM，定时计数器串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件4复位。图 4 单片机内部结构功能引脚说明：5Vcc:电源电压 GND:接地P0：是一组 8 位漏极开路型双向 1/O图 5 引脚图口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。P0 口也可以配置为复低位地址/数据总线和内存数据访问外部程序。在这种模式下，P0 具 有内部上拉电阻。在 FLASH 由编程

18、时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求 外接上拉电阻。P1：是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，Pl 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。作输入口使用时，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 IIL，此外，Pl.0 和 P1.1 还可分别作为定时/计数器 2 的外部计数输入（Pl.0/T2 ）和输入（P1.1 /T2EX) 。P2：是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL

19、 逻辑电路。对端口 P2 写“l，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，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（llt ）。P3：口是一组带有内部上拉电阻的 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为输入端 口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL) .此外，P3 口一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD串 行 输 入 口P3.1 TXD串 行 输 出 口P3.2 /INT0外 部 中 断 0P3.3 /IN

20、T1外 部 中 断 1P3.4 T0记 时 器 0 外 部 输 入P3.6 /WR外 部 数 据 存 储 器 写 选 通P3.7 /RD外 部 数 据 存 储 器 读 选 通表 1 功能口RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位6。PSEN：程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问 外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器(地址为 0000H-F

21、FFFH ) , EA 端必须保持低电平(接地）需注怠的是：如果加密位 LBI 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 Vcc 端）。flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 VP P ，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 VPP 。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端XTAL1：振荡器反相放大器的输出端。特殊功能寄存器：并非所有的地址都被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的 ，读出的数位将不确定，而写入的数据也将丢失。软件使用者不应将数据1写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的

22、功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。定时/计数器 2 的控制和状态位位于 T2CON 和 T2MOD ，寄存器对（RCA02H、RCAP2L）是定 时器 2 在 16 位捕获方式或 16 位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。数据存储器AT89C52 有 256 个字节的内部 RAM , 80HFFH 高 128 个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高 128 字节的 RAM 和殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开 的。当一条指令访问 7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高 128 字节 RAM 还是访

23、问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问 特殊功能寄存器2.2 主要芯片简介主要利用 AT89C52 单片机与时钟芯片 DS1302、2N5551 三极管及十进制解码器 74LS145 芯片 组成722.1 三极管 2N5551 功能及引脚图图 6 1 基极 2 发射极 3 集电极2N5551 是一种 NPN 型高反压三极管。直流电流增益 hFE 最小值(dB)：80直流电流增益 hFE 最大值(dB)：250集电极发射集最小雪崩电压 Vceo(V)：160集电极最大电流 Ic(max)(A)：0.600最小电流增益带宽乘积 Ft(MHz)：100可以用在高压开关管、中功率功放、视频放

24、大等。 2.2.2 十进制解码器 HD74LS145 芯片功能及引脚BCD 到十进制解码器/驱动器（15 V 输出）8BCD 码（Binary-Coded Decimal）亦称二进码十进数或二-十进制代码。用 4 位二进制数来表示 1 位十进制数中的 09 这 10 个数码。是一种二进制的数字编码形式，用二进制编码的十进制代码。BCD 码这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。这种编码技巧最常用于会计系统的设计里，因为会计制度经常需要对很长的数字串作准确的计算。BCD 码也叫 8421 码就是将十进制的数以 8421 的形式展开成二进 制，大

25、家知道十进制是 09 十个数组成，这十个数每个数都有自己的 8421 码：图 7 HD74LS145 芯片引脚BCD 到十进制解码器/驱动器由 8 个逆变器和 10 个四输入与非门.成对连接的逆变器，使BCD 输入数据可用于解码由“与非”门。全解码的有效 BCD 输入逻辑,确保所有的输出保持关闭所有无效的二进制输入条件.该解码器具有高性能,NPN 输出晶体管设计用于指示灯/继电器驱动 器或集电极开路逻辑电路的驱动程序.表 2 功能表92.2.3 时钟芯片 DS1302 功能及引脚图 8 时钟芯片 DS1302 引脚图 9 时钟芯片 DS1302 功能102.3 Proteus 软件简介PROT

26、EUS 软件由 Labcenter 公司开发，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和 PCB 设计等功能，是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的 EDA 工具。微控制器系统相关的仿真需建立编译和调试环境，可选择 Keil C51uVision2软件。该软件支持众多不同公司的芯片，集编辑、编译和程序仿真等于一体，同时还支持PLM、汇编和 C 语言的程序设计。它的界面友好易学，在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能。 其革命性的功能是：将电路仿真和微处理器仿真进行协同，直接

27、在基于原理图的虚拟原型上进行处理器编程调试，并进行功能验证，通过动态器件如电机、LED、LCD、开关等，实时看到运行后的输入、输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等， Proteus 为我们建立了完备的电子设计开发环境。操作界面如下图：图 10 操作界面 111图 11 操作界面 2231 keilc51 软件软件界面如下：图 12 操作界面 1129V电源图 13 操作界面 23 硬件电路设计3.1 辉光管时钟系统硬件组成辉光管时钟系统硬件主要由 AT89C52 单片机、时钟芯片 DS1302、辉光管显示高压驱动等元器件 组成。AT89C52 是一种带 8K 字节闪烁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 机芯片 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、失电任能保证走时。13