第一篇:《单片机原理及应用课程设计》节日彩灯控制器的设计
《单片机原理及应用课程设计》报告
——节日彩灯控制器的设计
专
业:
班
级:
姓
名:
学
号:
2014年2月
1.课程设计目的
1.1巩固和加深对单片机原理和接口技术知识的理解;
1.2培养根据课题需要选学参考书籍、查阅手册和文献资料的能力; 1.3学会方案论证的比较方法,拓宽知识,初步掌握工程设计的基本方法; 1.4掌握常用仪器、仪表的正确使用方法,学会软、硬件的设计和调试方法; 1.5能按课程设计的要求编写课程设计报告,能正确反映设计和实验成果,能用计算机绘制电路图和流程图。
2.课程设计要求
以单片机为核心,设计一个节日彩灯控制器: P1.2(S0)—开始,按此键则灯开始流动(由上而下)。P1.3(S1)—停止,按此键则停止流动,所有灯为暗。P1.4(S2)—上,按此键则灯由上向下流动。P1.5(S3)—下,按此键则灯由下向上流动。实验原理
本题目本质上是由按键控制功能的流水灯,LED工作的方式通过键盘的扫描实现。其中的LED采取共阳极接法,通过依次向连接LED的I/O口送出低电平,可实现题目要求的功能。
3.硬件设计
3.1 控制器中AT89C51单片机硬件结构
AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的八位CMOS单片机,片内有一个4KB的FLASH可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory),它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统都与MSC—51兼容。片内置通用8位中央处理器(CPU)和FLASH存储单元,片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程。因此,AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机,可方便的应用于各种控制领域。
3.2主要元器件
1)电阻:10KΩ(1个)、200Ω(8个)、500Ω(2个)2)电容:10μF(1个)、30pF(2个)3)LED灯(8个)、按钮(4个)、晶振
3.3 原理图
4.软件设计
4.1 设计思想
程序设计(Programming)是指设计、编制、调试程序的方法和过程。它是目标明确的智力活动。在进行微机控制系统设计时,除了系统硬件设计外,大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此,软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统,软件也占有重要的地位。
在单片机控制系统中,大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括:数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算,然后再输出,以便控制生产。4.2软件流程图
4.3 源程序 ORG
0000H AJMP START ORG START: MOV
0030H P0,#0FFH A,#0FEH P1.2,LOOP P1.3,LOOP1 P1.4,LOOP2 P1.5,LOOP3
START MOV JNB JNB JNB JNB AJMP LOOP: MOV
P0,A
DEL LCALL JNB RL AJMP LOOP1: MOV
JNB
JNB AJMP LOOP2: JNB
JNB
JNB
MOV
LCALL
RL AJMP LOOP3: JNB
JNB
JNB
MOV
LCALL
RR AJMP DEL: MOV DEL1: MOV DEL2: MOV DEL3: DJNZ
DJNZ DJNZ RET END
P1.3,LOOP1 A
LOOP
P0,#0FFH P1.4,LOOP2 P1.5,LOOP3
LOOP1
P1.2,LOOP P1.3,LOOP1 P1.5,LOOP3 P0,A
DEL A
LOOP2
P1.2,LOOP P1.3,LOOP1 P1.4,LOOP2 P0,A
DEL A
LOOP3
R5,#02H R6,#0F0H R7,#0F0H R7, DEL3 R6, DEL2
R5, DEL1
5.调试运行
启动仿真如下图所示:(1)P1.2(S0)—开始,按此键则灯开始流动(由上而下)。
(2)P1.3(S1)—停止,按此键则停止流动,所有灯为暗。
(3)P1.4(S2)—上,按此键则灯由上向下流动。
(4)P1.5(S3)—下,按此键则灯由下向上流动。
6.设计心得体会
经过几天的努力,终于完成了本学期的单片机课程设计,过程虽是辛苦的,但从中我学到了很多东西。首先巩固了课上学习的理论知识,对于计算机汇编语言的系统化整体化有了更深的认识。在编写程序的过程中遇到了很多困难经过反复修改不断修正最终才能得以执行。再次是经过搜集资料基本了解了软件的使用。整个设计过程最大的收获就是意识到理论知识扎实的重要性,实践是建立在理论之上的。
参考书目:
[1] 肖金球.单片机原理与接口技术.[M].北京:清华大学出版社,2004.12 [2] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社.[3] 李全利.单片机原理及应用技术[J].北京:高等教育出版社.[4] 周航慈.单片机程序设计基础[M].北京:北京航空航天大学出版社.[5] 何立民.单片机初级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社
第二篇:EDA课程设计彩灯控制器
沈阳理工大学EDA技术课程设计报告
1设计目的
熟练掌握EDA技术利用计算机方面的课程解决专业课程方面点具体问题,达到解决问题,完成课程设计任务,培养实践的目的。
2设计要求和任务
利用所学的EDA设计方法设计彩灯控制器,熟练使用使用QUARTUSII应用软件,进一步学习使用VHDL语言、原理图等EDA设计方法进行综合题目的方法。
功能要求: 1.要有多种花型变化(至少4种).2.多种花型可以自动变换,循环往复.3.彩灯变换的快慢节拍可以选择.4.具有清零开关.总体设计思路及原理描述
3.1功能描述
在电路中以 1 代表灯亮,以 0 代表灯灭,由 0,1按不同的规律组合代表不同的灯光图案,同时使其选择不同的频率,从而实现多种图案多种频率的花样功能显示。在该电路中只需简单的修改程序就可以灵活地调整彩灯图案和变化方式。下面就以一个十六路彩灯控制系统的实现为例进行简单说明。此十六路彩灯控制系统设定有六种花样变化 ,这六种花样可以进行自动切换 ,并且每种花样可以选择不同的频率。
3.2设计原理
用VHDL进行设计 ,首先应该了解 ,VHDL语言一种全方位硬件描述语言 ,包括系统行为级 ,寄存传输级和逻辑门级多个设计层次。应充分利用DL “自顶向下” 的设计优点以及层次化的设计概层次概念对于设计复杂的数字系统是非常
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有用它使得人们可以从简单的单元入手 ,逐渐构成庞大而复杂的系统。首先应进行系统模块的划分 ,规定每一模块的功能以及各个模块之间的接口。最终设计方案为:以一个十六路彩灯花样控制器、一个四频率输出分频器 ,一个四选一控制器和一个时间选择器总共四部分来完成设计。四选一控制器从分频器选择不同频率的时钟信号输送到彩灯花样控制器 ,从而达到控制彩灯闪烁速度的快慢 ,时间选择器控制每种速度维持的时间长短。整个十六路彩灯控制系统设计的模块图如图 1所示
图一
4分层次方案设计及代码描述
4.1子模块及其功能
本次设计分为四个子模块 ,即十六路彩灯花样控制器、四频率输出分频器 ,四选一控制器和时间选择器 ,其子模块及其功能如下: 2
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4.1.1四频率输出分频器
在本次设计中 ,设计了六种花样 ,要求这六种花样以不同的频率显示 ,而只有一个输入的时钟信号 ,所以对所输入的时钟信号进行 2 分频 ,4 分频 ,8分频 ,16分频 ,得到四种频率信号 ,CLKDIV模块用来完成此功能。
4.1.2时间选择器
时间选择器实际上是两个分频器 ,其中一个频率是另一个频率的两倍。本来这两个分频器是可以在上述的四频率输出器中实现的 ,但为了方便地为四选一控制器提供不同的时间选择条件 ,就将这两个分频器独立开来。这两个输出的时钟信号组合起来就可以为四选一控制器提供 00,01,10,11 四个时间选择条件 ,如
下图三所示。
图二
4.1.3四选一控制器
四选一控制器功能是从分频器中选择不同频率的时钟信号送给彩灯控制器 ,实现彩灯闪烁的频率变化。
4.1.4彩灯控制器
彩灯控制电路是整个设计的核心 ,它负责整个设计的输出效果即各种彩灯图案的样式变化。该程序充分地说明了用 VHDL设计电路的 “弹” 性 ,即可通过改变程序中输出变量 Q 的位数来改变彩灯的数目。其中 ,P1进程对灯闪的速度控制有两种方式可改变灯闪的速度:一是改变外部时钟的赋值 ,二是改变信号U 的位数。P2进程能进行彩灯的图案控制 ,改变 s的位数即可改变要控制图案的数目 ,改变输出变量 Q 的组合即可变幻彩灯图案。
最后 ,当各个模块均完成上述操作之后 ,即可利用MAXPLUS2的原理图输
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入 ,调用各个元器件(底层文件),以原理图的形式形成最后的十六路彩灯显示系统(顶层文件),并且进行仿真。仿真通过 ,即可下载到指定的 CPLD芯片里面 ,并进行实际连线 ,进行最后的硬件测试。当然 ,可以将各个模块所生成的元件符号存放在元件库中 ,用以被其它人或其它的设计所重复调用 ,以简化后面的设计。
4.2 代码描述
4.2.1 时序控制电路部分
程序如下: library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity timecontrol is--定义实体 port(clk: in std_logic;--时钟信号 clr: in std_logic;--复位信号 opt: in std_logic;--快慢控制信号 clkout: out std_logic--输出时钟信号);end timecontrol;architecture one of timecontrol is signal clk_tmp: std_logic;signal counter: std_logic_vector(1 downto 0);--定义计数器 begin process(clk,clr,opt)begin 4
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if clr='0' then--清零 clk_tmp<='0';counter<=“00”;elsif clk'event and clk='1' then if opt='0' then--四分频 if counter=“01” then counter<=“00”;clk_tmp<=not clk_tmp;else counter<=counter+'1';end if;else--八分频 if counter=“11” then counter<=“00”;clk_tmp<=not clk_tmp;else counter<=counter+'1';end if;end if;end if;end process;clkout<=clk_tmp;--输出分频后的信号 end architecture one;
4.2.2显示控制电路部分
程序如下: library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;
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entity showcontrol is port(clk: in std_logic;--输入时钟信号 clr: in std_logic;--复位信号
led: out std_logic_vector(15 downto 0));--彩灯输出
end showcontrol;architecture one1 of showcontrol is type states is--状态机状态列举(s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10,s11,s12,s13,s14,s15);signal state: states;begin process(clk,clr)begin
if clr='0'then state<=s0;led<=“***0”;elsif clk'event and clk='1'then case state is when s0=>state<=s1;led<= “***1”;when s1=> state<=s2;led<=“***1”;when s2=> state<=s3;led<=“***0”;when s3=> state<=s4;led<=“***1”;when s4=> state<=s5;6
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led<=“***0”;when s5=>state<=s6;led<=“***1”;when s6=>state<=s7;led<=“***0”;when s7=>state<=s8;led<=“***1”;when s8=>state<=s9;led<=“***0”;when s9=>state<=s10;led<=“***1”;when s10=>state<=s11;led<=“***0”;when s11=>state<=s12;led<=“***1”;when s12=>state<=s13;led<=“***0”;when s13=>state<=s14;led<=“***1”;when s14=>state<=s15;led<=“***0”;when s15=>state<=s0;led<=“***1”;when others=>null;end case;end if;end process;end architecture one1;
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4.2.3顶层电路部分
程序如下:
library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity root is port(clk: in std_logic;clr: in std_logic;opt:in std_logic;led: out std_logic_vector(15 downto 0));--八路彩灯输出 end colorled;architecture one3 of root is component timecontrol is--定义元件:时序控制电路 port(clk: in std_logic;clr: in std_logic;opt:in std_logic;clkout: out std_logic);end component timecontrol;component showcontrol is--定义元件:显示电路
port(clk: in std_logic;clr: in std_logic;led: out std_logic_vector(15 downto 0));end component showcontrol;signal clk_tmp: std_logic;begin u1: timecontrol port map(clk=>clk,clr=>clr,opt=>opt,clkout=>clk_tmp);--例化时序控制模块
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u2: showcontrol port map(clk=>clk_tmp,clr=>clr,led=>led);--例化显示电路模块 end architecture one3;
5各模块的时序仿真图
5.1时序控制电路timecontrol的仿真图如下:
图三
功能:时序控制电路metronome的功能是,用OPT控制输入信号CKL_IN的快慢节拍。而CLR是控制开关。且从图中可以看出,当复位信号为高电平时,电路时钟输出清零,当快慢信号OPT为低电平时,时序控制电路四分频起作用,当快慢信号OPT为高电平时,时序控制电路八分频起作用,仿真结果符合电路要求。
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5.2 显示控制电路showcontrol的仿真图如下:
图四
功能:显示控制电路showcontrol的功能是控制花形的。且从图中可以看出,当复位信号有效时彩灯输出为零,否则,显示电路在十六种不同状态间转换。
5.3 顶层电路root系统的仿真图如下:
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图五
功能:整个电路root系统是把showcontrol与timecontrol综合成一个电路。且从图中可以看出,从图中可以看出当OPT为高电平时彩灯状态转换慢,为低电平时转换要快,当复位信号有效时,所用输出都清零。
6总结
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,通过这次的课程设计,发现自己的实践经验还是不足的,以后多应该以理论为基础,然后应用到实践中来,从理论中得出结论,才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在这次的课程设计里深入的接触了运用电子集成元器件制作多路彩灯的过程,并和同学一起讨论用软件制作出了这一个多路彩灯控制系统。正所谓“纸上谈兵终觉浅,觉知此事要躬行。”学习任何知识,都要进行实践,只有那样才能达到事半功倍的效果。
沈阳理工大学EDA技术课程设计报告 参考文献
《EDA技术与数字系统设计》
邹彦主编
电子工业出版社
《EDA技术实用教程》,潘松、黄继业,科学出版社 《数字电子技术基础》(第五版),阎石,高等教育出版社
《电子设计自动化(EDA)手册》,王丹、童如松,电子工业出版社 《EDA技术程设计》,刘江海,华中科技大学出版社
第三篇:eda课程设计-彩灯控制器
1.设计目的
学习EDA开发软件和MAX+plus Ⅱ的使用方法,熟悉可编程逻辑器件的使用,通过制作来了解彩灯控制系统。2.设计题目描述和要求
1)设计一个彩灯控制器,使彩灯(LED管)能连续发出四种以上不同的显示形式;
2)随着彩灯显示图案的变化,发出不同的音响声。3)扩充其它功能。3.设计原理 3.1 方案论证
这次的彩灯设计采用的是分模块来完成的,包括分频器、计数器、选择器、彩灯控制器。其中彩灯控制器是用来输出不同的花样,彩灯控制器的输出则是用一个32进制的计数器来控制,扬声器的输出时用不同的频率来控制,所以用了一个集成分频器来使输入的频率被分为几种不同的频率,不同频率的选择性的输出则是用一个4选一的选择器来控制。基于上述的介绍本次的彩灯控制采用的模式6来进行显示。
图3-1-1 模式6结构图
3.2 模块设计
1)集成分频器模块
设计要求显示不同的彩灯的时候要伴随不同的音乐,所以设计分频器来用不同的频率控制不同的音乐输出。模块说明:
Rst:输入信号 复位信号 用来复位集成分频器的输出使输出为“0”,及没有音乐输出。
Clk:输入信号 模块的功能即为分频输入的频率信号。
Clk_
4、clk_
6、clk_
8、clk_10:输出信号 即为分频模块对输入信号clk的分频,分别为1/4分频输出、1/6分频输出、1/8分频输出、1/10分频输出。
图3-2-1 集成分频器
2)32进制计数器模块
32进制模块用来控制彩灯输出模块,即确定彩灯控制器的不同的输出。Rst:输入信号 复位信号 用来复位32进制使其输出为“00000”。Clk:输入信号 用来给模块提供工作频率。
Count_out[4..0]:输出信号 即为32进制计数器的输出。
图3-2-2 32进制计数器
3)彩灯控制模块
彩灯控制模块用来直接控制彩灯的输出,使彩灯表现出不同的花样。Rst:输入信号 使彩灯控制模块的输出为“00000000”,即让彩灯无输出。Input[4..0]:输入信号 不同的输入使彩灯控制模块有不同的输出即彩灯显示出不同的花样。
Output[7..0]:输出信号 直接与彩灯相连来控制彩灯。
图3-2-3 彩灯控制模块 4)4选1选择器模块
Rst:输入信号 复位信号 使选择器的输出为“0”。In1、in2、in3、in4:输入信号 接分频器的输出。
Inp[1..0]:输入信号 接4进制计数器的输出用来控制选择器的选择不同的输入选择不同的输出。
Output:输出信号 直接接扬声器即输出的是不同的频率来控制扬声器播放音乐。
图3-2-4 4选1选择器
5)4进制计数器模块
4进制计数器作为选择器的输入来控制选择器选择不同的频率作为输出控制扬声器工作。
Clk:输入信号 来为计数器提供工作频率。
Rst:输入信号 复位信号 使计数器的输出为“00”。
图3-2-5 4进制计数器
3.3 系统结构
整个系统就是各个分模块组成来实现最后的彩灯控制功能,系统又两个时钟来控制一个是控制32进制计数器即控制彩灯控制模块来实现彩灯的不同输出,另一个时钟为分频器的输入来进行分频处理,最后用来控制扬声器发出不同的音乐,具体分频处理的时钟的频率比实现彩灯控制的时钟频率要高。
图 3-3-1 系统功能模块
4.总结
这次的EDA课程设计有一周的时间,在这一周的时间里我们充分合理的安排了自己的时间来使本次的课程设计能够顺利的完成,当然我们在本次的设计中并不是一帆风顺的,我们遇到了一些的问题,例如我们开始时用的文本的方式用一个总的程序来完成,可以在设计的过程中我们发现程序编到后面变量越到很容易搞混淆同时各个进程间的联系也越来越模糊以至于后面我们自己都不知道程序的整体框图是什么,导致后面不能够继续下去,后面我们再一次对我们这次的设计题目进行了分析和整理,最后我和我的同伴决定采用分模块的方式来完成本次的课题设计,当然最重要的是分析各个模块间的关系。最后我们采用上面分析的结构框图。最后我们的设计很成功,仿真和硬件测试都是正确的,实现了我们的设计要求和目的。
在这次设计中我们收获了很多,首先最直接的收获就是我们巩固了这门课程所学过的知识,把它运用到了实践当中,并且学到了很多在书本撒和那个所没有学到的知识,通过查阅相关资料进一步加深了对EDA的了。总的来说,通过这次课程设计不仅锻炼了我们的动手和动脑能力,也使我懂得了理论与实际相结合的重要性,只有理论知识是远远不够的,要把所学的理论知识与实践相结合起来,才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在我们的共同努力和指导老师的指引下我们圆满的完成了彩灯控制器的设计,实现了设计目的。
6附录一 程序:
---------------分频器模块----------LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY fenpinqi IS
PORT(clk,rst : IN std_logic;
clk_10,clk_4,clk_6,clk_8 : OUT std_logic);
END fenpinqi;
ARCHITECTURE cd OF fenpinqi IS begin p1:process(clk,rst)
variable a:integer range 0 to 20;
begin if rst='1' then
clk_4<='0';
-----
复位信号控制部分 else if clk'event and clk='1'then
if a>=3 then
a:=0;
clk_4<='1';
else
a:=a+1;
clk_4<='0';
end if;
end if;
end if;end process p1;
p2:process(clk,rst)
variable b:integer range 0 to 20;
begin if rst='1' then
clk_6<='0';
-----
复位信号控制部分
else if clk'event and clk='1'then
if b>=5 then
b:=0;
clk_6<='1';
else
b:=b+1;
clk_6<='0';
end if;
end if;
end if;end process p2;
p3:process(clk,rst)
variable c:integer range 0 to 20;
begin if rst='1' then
clk_8<='0';
-----else if clk'event and clk='1'then
if c>=7 then
c:=0;
clk_8<='1';
else
c:=c+1;
clk_8<='0';
end if;
end if;
end if;end process p3;
p4:process(clk,rst)
variable d:integer range 0 to 20;
begin if rst='1' then
clk_10<='0';
-----else if clk'event and clk='1'then
if d>=9 then
d:=0;
clk_10<='1';
else
复位信号控制部分7
复位信号控制部分
d:=d+1;
clk_10<='0';
end if;
end if;
end if;end process p4;end cd;
---------------4选1选择器--------LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY xzq4_1 IS
PORT(rst:in std_logic;
inp:in integer range 0 to 3;
in1,in2,in3,in4 : In std_logic;
output : OUT std_logic);
END xzq4_1;
ARCHITECTURE a OF xzq4_1 IS
BEGIN
PROCESS(rst,inp)BEGIN
if(rst='1')then output<='0';
else
case inp is
when 0=>output<=in1;
when 1=>output<=in2;
when 2=>output<=in3;
when 3=>output<=in4;
when others=>null;
end case;
end if;
END PROCESS;END a;
------------彩灯控制模块---------LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY caideng IS
PORT(input : IN INTEGER RANGE 0 TO 31;
rst:in std_logic;
output : OUT std_logic_vector(7 downto 0);
sm :out std_logic_vector(6 downto 0));
END caideng;
ARCHITECTURE a OF caideng IS
BEGIN
PROCESS(input)BEGIN
if rst='1' then output<=“00000000”;sm<=“0000000”;
else
case input is
when 0=>output<=“10000000”;sm<=“0000110”;
when 1=>output<=“01000000”;sm<=“0000110”;
when 2=>output<=“00100000”;sm<=“0000110”;
when 3=>output<=“00010000”;sm<=“0000110”;
when 4=>output<=“00001000”;sm<=“0000110”;
when 5=>output<=“00000100”;sm<=“0000110”;
when 6=>output<=“00000010”;sm<=“0000110”;
when 7=>output<=“00000001”;sm<=“0000110”;
when 8=>output<=“00010000”;sm<=“0011011”;
when 9=>output<=“00110000”;sm<=“0011011”;
when 10=>output<=“00111000”;sm<=“0011011”;
when 11=>output<=“01111000”;sm<=“0011011”;
when 12=>output<=“01111100”;sm<=“0011011”;
when 13=>output<=“01111110”;sm<=“0011011”;
when 14=>output<=“11111110”;sm<=“0011011”;
when 15=>output<=“11111111”;sm<=“0011011”;
when 16=>output<=“10000001”;sm<=“1001111”;
when 17=>output<=“11000001”;sm<=“1001111”;
when 18=>output<=“11000011”;sm<=“1001111”;
when 19=>output<=“11100011”;sm<=“0011011”;
when 20=>output<=“11100111”;sm<=“1001111”;
when 21=>output<=“11110111”;sm<=“1001111”;
when 22=>output<=“11111111”;sm<=“1001111”;
when 23=>output<=“00001000”;sm<=“1001111”;
when 24=>output<=“00000001”;sm<=“0100110”;
when 25=>output<=“00000010”;sm<=“0100110”;
when 26=>output<=“00000100”;sm<=“0100110”;
when 27=>output<=“00001000”;sm<=“0100110”;
when 28=>output<=“00010000”;sm<=“0100110”;
when 29=>output<=“00100000”;sm<=“0100110”;
when 30=>output<=“01000000”;sm<=“0100110”;
when 31=>output<=“10000000”;sm<=“0100110”;
when others=>null;
end case;
end if;
end process;end a;
-------------32进制计数器模块----
LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY counter_32 IS
PORT(clk,rst : IN std_logic;
count_out : OUT integer range 0 to 31);
END counter_32;
ARCHITECTURE a OF counter_32 IS BEGIN PROCESS(rst,clk)
variable temp:integer range 0 to 32;BEGIN
IF rst='1' THEN
temp:=0;
ELSIF(clk'event and clk='1')THEN
temp:=temp+1;
if(temp=32)then
temp:=0;
end if;
END IF;
count_out<=temp;END PROCESS;
END a;
------------4进制计数器模块---LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY counter_4 IS
PORT(clk,rst : IN std_logic;
count_out : OUT integer range 0 to 3);
END counter_4;
ARCHITECTURE a OF counter_4 IS BEGIN
PROCESS(rst,clk)
variable temp:integer range 0 to 32;BEGIN
IF rst='1' THEN
temp:=0;
ELSIF(clk'event and clk='1')THEN
temp:=temp+1;
if(temp=4)then
temp:=0;
end if;
END IF;
count_out<=temp;END PROCESS;END a;
7附录二 编译
7附录三 时序仿真
第四篇:彩灯控制器eda课程设计(定稿)
目录
1.引言..............................................................3 2.EDA技术.........................................................5 2.1 EDA技术介绍..................................................5 2.2硬件描述语言..................................................5 3 Quartus II介绍..................................................8 3.1 Quartus II软件介绍..........................................8 3.2 Quartus II软件界面介绍......................................9 3.2.1 代码输入界面..............................................9 3.2.2 编译界面..................................................9 3.2.3 波形仿真界面.............................................10 4 系统设计.........................................................12 4.1 设计过程.....................................................12 4.1.1 设计内容及要求...........................................12 4.1.2 输入与输出说明...........................................12 4.1.3 设计过程思路分析.........................................12 4.2 程序分析及仿真...............................................13 4.2.1花型控制电路模块.........................................13 4.2.2 显示电路模块...........................................14 4.2.3 发声电路模块...........................................17 4.3 程序仿真图...................................................17 5 下载.............................................................19 5.1 芯片选定.....................................................19 5.2引脚设定.....................................................19 5.3 程序下载.....................................................20 5.4 结果显示.....................................................20
课程设计说明书 设计总结.........................................................22 参考文献...........................................................23 附录:源代码程序...................................................24
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1.引言
伴随着计算机、集成电路和电子设计技术的发展,当今社会是数字化的社会,也是数字集成电路广泛应用的社会,数字本身在不断的进行更新换代。它由早起的电子管、晶体管、小中规模集成电路发展到超大规模集成电路以及许多具有特定功能的专用集成电路。EDA技术在过去的几十年里取得了巨大的进步。EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式,即利用硬件描述语言和EDA软件便可完成对系统硬件功能的实现。如今,EDA软件工具已经成为电子信息类产品的支柱产业。从高性能的微处理器、数字信号处理器一直到彩电、音响和电子玩具电路等,EDA技术不单是应用于前期的计算机模拟仿真、产品调试,而且也在P哪的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、朋比的制作过程等有重要作用。可以说电子EDA技术已经成为电子工业领域不可缺少的技术支持。相比传统的电路系统的设计方法,VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力,支持自顶向下(Top to Down)和基于库(LibraryBased)的设计的特点。因此设计者可以不必了解硬件结构。从系统设计入手,在顶层进行系统方框图的划分和结构设计,在方框图一级用VHDL对电路的行为进行描述,并进行仿真和纠错,然后在系统一级进行验证,最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表,下载到具体的CPLD器件中去,从而实现可编程的专用集成电路(ASIC)的设计。
而EDA技术就是以微电子技术为物理层面,现代电子设计为灵魂,计算机软件技术为手段,最终形成集成电子系统或专用集成电路ASIC为目的的一门新兴技术。
VHDL的英文全名是VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Descriptiong Language, 翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言,诞生于1982年。1987年底,VHDL被美国国防部确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本,IEEE-1076之后,各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境,或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。1993年,IEEE对VHDL进行了修订,从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容,公布了新版本的VHDL,即IEEE标准的1076-1993版本。
现在,VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言,又得到众多EDA公司的支持,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为,在新的世纪中,VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。目前,它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位,它也被用来设计ASIC。
随着EDA技术的高速发展,电子系统的设计技术和工具发生了深刻的变化,大规
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模可编程逻辑器件CPLD/FPGA的出现,给设计人员带来了诸多方便。利用它进行产品开发,不仅成本低、周期短、可靠性高,而且具有完全的知识产权。利用VHDL语言设计彩灯控制器设计,使其实现彩灯控制器变形,发声等功能,突出了其作为硬件描述语言的良好的可读性、可移植性和易读性等优点。此程序通过下载到特定芯片后,可应用于实际的控制器系统中。
本文基于FPGA开发系统,在QuartusII 7.2软件平台上,完成了自动售货机控制器的设计和与仿真,并下载到试验箱进行硬件实现。首先,本文介绍了QuartusII 7.2软件的基本使用方法和VHDL硬件描述语言的特点,采用VHDL 硬件描述语言描述自动售货机控制器,完成对电路的功能仿真;在设计过程中,重点探讨了彩灯控制器设计的设计思路和功能模块划分;然后,初步探讨了电路逻辑综合的原理,该软件对彩灯控制器设计电路进行了逻辑综合;最后,使用EDA实验开发系统进行电路的下载和验证,验证结果表明设计的彩灯控制器设计完成了预期的功能。
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2.EDA技术
2.1EDA技术介绍
EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)缩写,是90年代初从CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)和CAE(计算机辅助工程)的概念发展而来的。EDA技术是以计算机为工具,根据硬件描述语言HDL(Hardware Description language)完成的设计文件,自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。EDA技术(即Electronic Design Automation技术)就是依赖强大的计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL(Hardware DdscriptionLangurage)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试,直至实现既定的电子线路系统功能。它在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、IC版图设计、ASIC测试和封装、FPGA(GieldPeogrammable Gate Array)/CPLD(Complex Programmable Logic Device)编程下载和自动测试等技术;在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计(CAD),计算机辅助制造(CAM),计算机辅助测试(CAT),计算机辅助工程(CAE)技术以及多种计算机语言的设计概念;而在现代电子学方面则容纳了更多的内容,如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等。
2.2硬件描述语言
硬件描述语言HDL是EDA技术的重要组成部分,常见的HDL主要有VHDL、Verilog HDL、ABEL、AHDL、System Verilog和SystemC。其中VHDL、Verilog和现在的EDA设计中使用最多,并且我们学习的是VHDL的编程方法和实用技术。VHDL的英文全名是VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language,由IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineets)进一步发展,并在1987年作为“IEEE标准1076”公布。从此VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。VHDL技术与传统的数字电子系统或IC设计相比之下有很大的优势,主要表现在: 第一,VHDL语言具有很强的电路描述和建模能力,能从多个层次对数字系统进行建 模和描述,从而大大简化了硬件设计任务,提高了设计效率和可靠性。第二,VHDL具有也具体硬件电路武官和与设计平台无关的特性,并且具有良好的电 路行为描述和系统描述的能力,课程设计说明书
并在语言易读性和层次化,结构化设计方面,表现了强大的生命力和应用潜力。
当今社会是数字化的社会,也是数字集成电路广泛应用的社会,数字本身在不断的进行更新换VHDL的英文全名是VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Descriptiong Language, 翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言,诞生于1982年。1987年底,VHDL被美国国防部确认为标准硬件描述语言。
自IEEE公布了VHDL的标准版本,IEEE-1076之后,各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境,或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。1993年,IEEE对VHDL进行了修订,从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容,公布了新版本的VHDL,即IEEE标准的1076-1993版本。
现在,VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言,又得到众多EDA公司的支持,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为,在新的世纪中,VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。目前,它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位,它也被用来设计ASIC。
传统的硬件电路设计方法是采用自下而上的设计方法,即根据系统对硬件的要求,详细编制技术规格书,并画出系统控制流图;然后根据技术规格书和系统控制流图,对系统的功能进行细化,合理地划分功能模块,并画出系统的功能框图;接着就进行各功能模块的细化和电路设计;各功能模块电路设计、调试完成后,将各功能模块的硬件电路连接起来再进行系统的调试,最后完成整个系统的硬件设计。采用传统方法设计数字系统,特别是当电路系统非常庞大时,设计者必须具备较好的设计经验,而且繁杂多样的原理图的阅读和修改也给设计者带来诸多的不便。为了提高开发的效率,增加已有开发成果的可继承性以及缩短开发周期,各ASIC研制和生产厂家相继开发了具有自己特色的电路硬件描述语言(Hardware Description Language,简称HDL)。但这些硬件描述语言差异很大,各自只能在自己的特定设计环境中使用,这给设计者之间的相互交流带来了极大的困难。因此,开发一种强大的、标准化的硬件描述语言作为可相互交流的设计环境已势在必行。于是,美国于1981年提出了一种新的、标准化的HDL,称之为VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language,简称VHDL。这是一种用形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。设计者可以利用这种语言来描述自己的设计思想,然后利用电子设计自动化工具进行仿真,再自动综合到门电路,最后用PLD实现其功能。
VHDL是一种全方位的硬件描述语言,包括系统行为级。寄存器传输级和逻辑门多个设计层次,支持结构、数据流和行为三种描述形式的混合描述,因此
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VHDL几乎覆盖了以往各种硬件语言的功能,整个自顶向下或由下向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。VHDL还具有以下优点:
1.VHDL的宽范围描述能力使它成为高层进设计的核心,将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试,而花较少的精力于物理实现。
2.VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑设计,灵活且方便,而且也便于设计结果的交流、保存和重用。
3.VHDL的设计不依赖于特定的器件,方便了工艺的转换。
4.VHDL是一个标准语言,为众多的EDA厂商支持,因此移植性好。关于VHDL语言,最后需要说明的是:与常规的顺序执行的计算机程序不同,VHDL从根本上讲是并发执行的。因此,我们通常称之为代码,而不是程序。在VHDL中,只有在进程(PROCESS)、函数(FUNCTION)和过程(PROCEDURE)内部的语句才是顺序执行的。
VHDL语言具有良好的可读性,即容易被计算机接受,也容易被读者理解。使用期长,不会因工艺变化而使描述过时。因为VHDL的硬件描述与工艺无关,当工艺改变时,只需修改相应程序中的属性参数即可。
课程设计说明书 Quartus II介绍
3.1 Quartus II软件介绍
Quartus II 是Altera公司单芯片可编程系统(SOPC)设计的综合性环境,也是适合SOPC的最全面的设计环境。拥有现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计的所有解决方案。Altera的Quartus II可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台,该平台支持一个工作组环境下的设计要求,其中包括支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL(Altera Hardware Description Language)等多种设计输入形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
Quartus II也支持第三方的仿真工具,对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。Quartus II还支持层次化设计,可以在一个新的编辑环境中对使用不同输入设计方式完成的模块进行调用,从而解决了原理图与HDL混合输入设计的问题,并且在输入之后,Quartus II的编译器将给出设计输入的错误报告。
Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用,除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外,提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快,界面统一,功能集中,易学易用等特点。
Quartus II支持Altera的IP核,包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库,使用户可以充分利用成熟的模块,简化了设计的复杂性、加快了设计速度。
Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件,由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前Altera已经停止了对Maxplus II 的更新支持,Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。Altera在Quartus II 中包含了许多诸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的设计辅助工具,集成了SOPC和HardCopy设计流程,并且继承了Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法。
Altera 公司的Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口,越来越受到数字系统设计者的欢迎。
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3.2 Quartus II软件界面介绍
3.2.1 代码输入界面
新建一个工程,选择File→New Project Wizard,在出现的对话框中输入工作路径和工程名称(应与实体名称相同),新建完工程后,选择File→New→VHDL File,然后新出现的空白窗口中输入代码,代码输入界面如图3-1所示:
图3-1 代码输入界面
3.2.2 编译界面
代码输入完毕后,选择Processing→Start Compilation或直接单击(Start Compilation)进行编译,编译界面如图3-2所示:
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图3-2 编译界面
3.2.3 波形仿真界面
编译没有错误后,选择File→New→Vector Waveform File,自己设置输入的值,设置好后单击 进行波形仿真,仿真前界面如图3-3所示:
图3-3波形仿真前界面
仿真后界面如图3-4所示:
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3-4波形仿真后界面
课程设计说明书 系统设计
4.1 设计过程
4.1.1 设计内容及要求
1.设计内容:
(1)设计一个彩灯控制器,使8个彩灯(发光二极管)能连续发出六种种以上不同的花型,花型自拟(全亮,全灭除外),每种花型持续的时间为10秒钟。
(2)使用数码管显示当前的花型序号(分别为A、B、C,D,E,F)以及该花型的显示时间。
(3)每种花型显示时对应发出不用的声音(4)系统要有整体复位信号 2.设计要求:
(1)根据任务要求确定电路各功能模块;(2)写出设计程序;(3)给出时序仿真结果;(4)实现硬件调试;
4.1.2 输入与输出说明
1.输入:
rst,clk,clker分别为彩灯控制器的整体复位,时钟脉冲发生以及发声器分频时钟脉冲;
2.输出:
x表示彩灯控制器六种种以上不同的花型,y表示每种花型持续的时间(10秒钟),M表示数码管显示的当前的花型序号(分别为A、B、C,D,E,F),Z为每种花型显示时对应发出不用的声音。
4.1.3 设计过程思路分析
如图4.1整个系统有需要三个输入信号,分别为彩灯控制器的整体复位,计时时钟脉冲以及发声器分频时钟脉冲,输出信号要能表示彩灯控制器六种种以上不同的花型,表示每种花型持续的时间(10秒钟)和花型序号以及每种花型对
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应发出不用的声音。系统框图如下:主要模块组成:花型控制模块和显示电路模块以及蜂鸣器发声模块。时序电路是根据时钟脉冲信号的设置得到相应的输出信号,并将此信号作为花型控制模块和显示电路时钟信号。显示电路输入时钟信号的周期,有规律的输出设定的六种彩灯变化类型以及数码管显示花型序号和持续时间。时序电路是根据另一时钟脉冲信号的设置得到相应的输出信号,并将此信号作为发声模块的时钟信号的输入时钟信号的周期,进行有规律的输出设定蜂鸣器对应花型变化发出的各种声音。该程序采用层次设计法,顶层采用原理图设计,底层采用VHDL 设计。以下是它的方框图。底层分为三个子电路模块,分别是时序控制电路模块和显示电路模块以及蜂鸣器发声模块。
图 4.1 模块组成
4.2 程序分析及仿真
4.2.1花型控制电路模块
花型控制电路模块是8 路彩灯电路的核心部分。它主控着8 路彩灯的花型种类。模块主要采用状态机如图4.2来实现,用状态机来设计灵活性很强。按设计要求要实现六种花型01100110、010000010、1000001、00011000、00100100、11100111,用S0、S1、S2、S3、S4、S5 来表示6 种循环,以1表示灯亮,以0表示灯灭状态的状态。仿真图如图4.2:
图 4.2 状态转换图
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a7:process(pr_state)begin casepr_state is when a=> x<=“01100110”;nx_state<=b;when b=> x<=“01000010”;nx_state<=c;when c=> x<=“1000001”;z<=clk2;when d=> x<=“00011000”;nx_state<=e;when e=> x<=“00100100”;nx_state<=f;when f=> x<=“11100111”;nx_state<=a;end case;end process;
图 4.3 花型控制电路模块仿真
4.2.2
显示电路模块
显示电路模块的要求是使用数码管显示当前的花型序号(分别为A、B、C,D,E,F)以及该花型的显示时间。花型控制电路模块采用状态机实现,在状态机的
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时序逻辑电路部分已经采用计数器计时的方法直到计数器计时达到时才进入下一个状态,如下为状态机时序逻辑电路程序:
process(clk,rst)variablecount:integer range 0 to 10;begin if(rst='1')then pr_state<=a;count:=0;elsif(clk'event and clk='1')then count:=count+1;if(count=10)then pr_state<=nx_state;count:=0;end if;end if;y<=count;end process;为用数码管显示当前的花型序号(分别为A、B、C,D,E,F)以及该花型的显示时间,只需要将显示当前的花型序号程序二进制代码以及该花型的显示的时间的二进制代码添加到状态中即可,程序如下:
a7:process(pr_state)begin casepr_state is when a=> x<=“01100110”;m<=“1110111”;nx_state<=b;z<=clker;when b=> x<=“01000010”;m<=“1111100”;nx_state<=c;z<=clk1;when c=>
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x<=“1000001”;m<=“0111001”;nx_state<=d;z<=clk2;when d=> x<=“00011000”;m<=“1011110”;nx_state<=e;z<=clk3;when e=> x<=“00100100”;m<=“1111001”;nx_state<=f;z<=clk4;when f=> x<=“11100111”;m<=“1110001”;nx_state<=a;z<=clk5;end case;end process;仿真图如下:
图4.4 显示电路模块
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4.2.3发声电路模块
发生电路采用蜂鸣器,而蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、电话机、定时器等电子产品中作发声器件,它分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种,有源蜂鸣器直接接上额定电源就可连续发声,而无源蜂鸣器工作需要加入其理想信号方波,该课程设计采用无源蜂鸣器。对于每种花型显示时对应发出不用的声音,这里就需要对其中输入的时钟信号进行分频,改变temp的值能产生出不同频率的声音。在程序中添加不同的进程(process),来产生不同频率的方波。程序如下:
a1:process(clker)variable temp1:integer range 0 to 15;begin ifclker'event and clker='1'then temp1:=temp1+1;if temp1=2 then clk1<=not clk1;temp1:=0;end if;end if;end process;发声电路模块输出信号z同样可以反映在状态机的组合逻辑电路中,程序4.2.1中的组合逻辑电路
图4.5 发声电路模块
4.3 程序仿真图
综合以上各模块程序仿真图如下:
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图4.6 程序仿真图
课程设计说明书 下载
5.1 芯片选定
选择Assignments→devives然后选择芯片,芯片设定界面如图5-1所示:
图5.1 芯片选定
5.2引脚设定
选择Assignments→Pins然后设定引脚,引脚设定界面如图5-2所示:
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图5.2 引脚设定
5.3 程序下载
引脚设定好后,将下载盒子插到USB接口,点击,选择Hardward和start当下载到100%时,就可以通过试验箱进行验证,下载验证如图5-3所示:
图5.3 程序下载
5.4 结果显示
程序下载到实验板上完成后,程序运行结果在实验板上得到实现,八个LED发光二极管变换产生六种不同的花型样式,七段译码管显示与之对应的变换的花
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型序号A,B,C,D,E,F,同时LED译码管也开始计时,到达10秒后变换到下一个花型,蜂鸣器也对应不同花型发出不同的声音,程序运行结果显示正确。如下图:
图 5.4 实验板
课程设计说明书 设计总结
通过这次课程设计对EDA技术有了更进一步的熟悉,VHDL 语言和C语言等其他语言还是有很大的区别。VHDL是EDA技术的重要组成部分,其具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性,并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力,并在语言易读性和层次化、结构化设计方面,表现了强大的生命力和应用潜力。其主要的也是最大的优点就在于设计者可以专心致力于其功能的实现,而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。在实际操作中发现设计和课本上的知识有很大联系,但又高于课本,一个简单的原理要把它应用以及和其他功能综合起来就有些困难。通过设计也巩固了我们的书本知识以及通过借阅书籍和上网查找资料,也丰富了自己对EDA的了解。不过本次设计也存在一些不足,暴露了自己对EDA的掌握还有所欠缺。在设计过程中,分频分的太大,频率太小的话,扬声器的声音体现不出显示不同花型时的区别;频率太大的话,数码管显示速度太快,尝试分频时使用不同的脉冲信号,但没有成功。在反复调试中,最后还是成功了,但原理还不是很清楚。同时,在课程设计过程中通过与老师、同学的交流,也了解了他们对于这门技术的看法和今后这门技术的发展方向,也感谢老师对我设计的指导和同学对我的帮助。总的来说,这次设计还是有所收获的。
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参考文献
[1] VokneiA.Pedroni.《VHDL数字电路设计教程》.电子工业出版社,2008.5
[2] 潘松,黄继业.《EDA技术实用教程》(第二版).科学出版社,2005.2 [3] 焦素敏.《EDA应用技术》.清华大学出版社,2002.4 [4] 曾繁泰,陈美金.VHDL程序设计[M].北京:清华大学出版社,2001 [5] 张昌凡等.可编程逻辑器件及VHDL设计技术[M].广州:华南理工大学出版社,2001
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附录:源代码程序
libraryieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity led is port(rst,clk,clker:instd_logic;x:out std_logic_vector(7 downto 0);y:out integer range 0 to 10;m:out std_logic_vector(6 downto 0);z:out std_logic);end led;architecturebhv of led is signal clk1,clk2,clk3,clk4,clk5:std_logic;type state is(a,b,c,d,e,f);signalpr_state,nx_state:state;begin a1:process(clker)variable temp1:integer range 0 to 15;begin ifclker'event and clker='1'then temp1:=temp1+1;if temp1=2 then clk1<=not clk1;temp1:=0;end if;end if;end process;a2:process(clker)variable temp2:integer range 0 to 15;begin ifclker'event and clker='1'then temp2:=temp2+1;if temp2=4 then clk2<=not clk2;
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temp2:=0;end if;end if;end process;a3:process(clker)variable temp3:integer range 0 to 15;begin ifclker'event and clker='1'then temp3:=temp3+1;if temp3=8 then clk3<=not clk3;temp3:=0;end if;end if;end process;a4:process(clker)variable temp4:integer range 0 to 16;begin ifclker'event and clker='1'then temp4:=temp4+1;if temp4=16 then clk4<=not clk4;temp4:=0;end if;end if;end process;a5:process(clker)variable temp5:integer range 0 to 33;begin ifclker'event and clker='1'then temp5:=temp5+1;if temp5=32 then clk5<=not clk5;temp5:=0;
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end if;end if;end process;a6: process(clk,rst)variablecount:integer range 0 to 10;begin if(rst='1')then pr_state<=a;count:=0;elsif(clk'event and clk='1')then count:=count+1;if(count=10)then pr_state<=nx_state;count:=0;end if;end if;y<=count;end process;a7:process(pr_state)begin casepr_state is when a=> x<=“01100110”;m<=“1110111”;nx_state<=b;z<=clker;when b=> x<=“01000010”;m<=“1111100”;nx_state<=c;z<=clk1;when c=> x<=“10000001”;m<=“0111001”;
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nx_state<=d;z<=clk2;when d=> x<=“00011000”;m<=“1011110”;nx_state<=e;z<=clk3;when e=> x<=“00100100”;m<=“1111001”;nx_state<=f;z<=clk4;when f=> x<=“11100111”;m<=“1110001”;nx_state<=a;z<=clk5;end case;end process;endbhv;
第五篇:单片机原理及应用课程设计
智能电子钟(LCD显示)
1、设计内容及要求...............................................................................................2 1.1、设计内容..............................................................................................2 1.2、设计要求..............................................................................................2 1.3、撰写设计报告......................................................................................2
2、总体方案设计...................................................................................................2 2.1、方案图................................................................................................2 2.2、面板布置图.........................................................................................2 2.3、方案讨论.............................................................................................3 2.4、明晰任务.............................................................................................4
3、电路原理图......................................................................................................4
4、程序框图.........................................................................................................5 4.1、显示子程序流程图............................................................................5 4.2、实时时钟芯片 1302 读/写数据流程图............................................6
5、编程序................................................................................................................6
6、调试....................................................................................................................6 6.1、软件调试.............................................................................................6 6.2、仿真调试..............................................................................................7
7、自我感想............................................................................................................7
8、参考书目............................................................................................................8 附录:C 语言编程源程序.......................................................................................8 1.设计内容及要求 1.1、设计内容:
以AT89C51 单片机为核心,制作一个 LCD 显示的智能电子钟。1.2、设计要求:
(1)计时:秒、分、时、天、周、月、年。(2)闰年自动判别。
(3)五路定时输出,可任意关断(最大可到16路)。(4)时间、月、日交替显示。(5)自定任意时刻自动开/关屏
(6)计时精度:误差≤1秒/月(具有微调设置)
(7)键盘采用动态扫描方式查询。所有的查询、设置功能均由功能键K1、K2完成 1.3、撰写设计报告
单片机课程设计是以课题或项目设计方式开展的一门课程,具有较强的综合性、实践性,是工科、工程类院校或职业类院校电类专业在校生的必修课,是将单片机原理与应用课程的理论知识转变为应用技术的重要教学环节。这一环节不但能加深对单片机原理的理解,而且还能培养学生的实践动手能力,开发学生的分析、解决问题的能力。单片机课程设计环节的训练能够让学生知道单片机工程项目的制作过程,使学生尽早了解单片机系统的开发过程。
2.总体方案设计 2.1、方案图
2.2、面板布置图
2.3、方案讨论
方案一:采用实时时钟芯片
实时时钟芯片具备年、月、日、时、分、秒计时功能和多点计时功能,计时数据的更新每秒自动进行一次,不需程序干预。计算机可通过中断或查询方式读取计时数据进行显示,因此计时功能的实现无需占用 CPU 的时间,程序简单。此外,实时时钟芯片多数带有锂电池做后备电源,具备永不停止的计时功能;具有可编程方波输出功能,可用做实时测控系统的采样信号等;有的实时时钟芯片内部还带有非易失性 RAM,可用来存放需长期保存但有时也需变更的数据,由于功能完善,精度高,软件程序设计相对简单,且计时不占用 CPU 时间,因此,在工业实时测控系统中多采用这一类专用芯片来实现实时时钟功能。
方案二:软件控制
利用单片机内部的定时/计数器进行中断定时,配合软件延时实现时、分、秒的计时及秒表计时。该方案节省硬件成本,且能使设计者对单片机的指令系统能有更深入的了解,从而掌握单片机应用技术 MCS-51 汇编语言程序设计方法,因此,本系统设计采用此种软件控制方法来实现计时。而由于 Atmel 公司 的AT89C51 是一种自带 4KB Flash 存储器的低电压、高性能的 CMOS 8 位微处理器。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 指令集和输出引脚相兼容。AT89C51 将多功能 8 位 CPU 和闪存集成在单个芯片中,是一种高效的微控制器,使用也更方便,寿命更长,可以反复擦除 1000 次。形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能价格比的微控制器。它的功能强大而且也比较容易购买,故本设计中所选的单片机为 AT89C51 单片机。2.4、明晰任务
采用 AT89C51 单片机作为系统的控制核心。时钟数据通过市场上流行的时钟芯片 DS1302 来获取。DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片,内含一个实时时钟/日历和 31 字节静态 RAM,可以通过串行接口与计算机进行通信,使得管脚数量减少。实时时钟/日历电路能够计算 2100 年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的,具有闰年自动判断调整的能力。定时电路能够实现自定任意时刻自动开/关屏,采用 LCD LM016L 显示年、月、周、天、时、分、秒。通过按键开关实现微调,确保计时精度:误差≤1 秒/月。DS1302 时钟芯片的主要功能特性:
(1)能计算 2100 年之前的年、月、日、星期、时、分、秒的信息;每月的天数
和闰年的天数可自动调整;时钟可设置为 24 或 12 小时格式。(2)31B 的 8 位暂存数据存储 RAM。(3)串行 I/O 口方式使得引脚数量最少。
(4)DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需 3 根线。
(5)宽范围工作电压 2.0-5.5V。
(6)工作电流为 2.0A 时,小于 300nA。
(7)功耗很低,保持数据和时钟信息时功率小于 1mW。
3.电路原理图
4.程序框图
4.1、显示子程序流程图
4.2、实时时钟芯片 1302 读/写数据流程图
5.编程序 源程序见附录部分 6.调试 6.1、软件调试
目前设计过程中容易造成元件和仪器仪表的损坏,而借助 Keil 和 Proteus进行单片机系统的开发,可以节省设计成本,提高设计速度。Keil 软件包是一个功能强大的开发平台,它包括项目管理器、CX51 编译器、AX51 宏汇编器、BL51/LX51 连接定位器、RTX51 实时操作系统、Simulator 软件模拟器及 Monitor51 硬件目标调试器。它是一种集成化程度高的文件管理编译环境,主要功能为编译 C 语言源程序,汇编程序或混合语言源程序,连接和定位目标文件和库,创建 HEX 文件,调试目标程序等。Keil 是目前最好的 51 单片机开
发工具之一。Keil 支持软件模拟仿真(Simulator)和用户目标调试(Monitor51)两种工作模式。前者不需要任何单片机硬件即可完成用户程序仿真、调试,后者利用硬件目标板中的监控程序可以直接调试目标硬件系统。Proteus 是一个完整的嵌入式系统软件、硬件设计仿真平台,它包括原理图输入系统 ISIS、带扩展的 Prospice 混合模型仿真器、动态元件库、高级图形分析模块和处理器虚拟系统仿真模型 VSM。ISIS 是 Proteus 系统的中心,具有超强的控制原理设计环境。ProteusVSM 最重要的特点是能把微处理器软件作用在处理器上,并和该处理器的任何模拟和数字元件协同仿真,仿真执行目标码就像在真正的单片机系统上运行一样,VSM CPU 模型能完整仿真 I/O 接口、中断、定时器、通用外部设备口及其他与 CPU 有关的外部设备,甚至能仿真多个处理器。6.2、仿真调试 Proteus 仿真
7.自我感想
经历过这么多天不间断的课程设计,我们有挺多感触的,从最基本上说我们看到了,也意识到了自己的不足,对于不断克服的各种阻碍也让我们体会到了课程设计的意义所在。对于只接触课本只动笔杆的我们,面临实际的设计尺寸,让我们很是尴尬,都说理论联系实际,真正到联系的时候才发现挺困难的,不过正是理论知识的各种补充才让我们能最终完成任务,然后深深地体会到理论对现实的指导作用。我们现在最缺乏的就是实际工作经验,而理论联系实践并不像我们想象的那么简单,他需要坚实的理论基础和实际工作经验。坚实的理论基础决定了我必须坚持学习新的知识新的理论,完善了自己的知识结构,才能在以后的实际中轻松面对,才能设计出更好的更有益于人们生活与工作的机械,才能跟上时代的步伐,不被淘汰。在这个一边忙着复习忙着考试又要准备课程设计的日子里,真真正正的体会到了时间的宝贵,有点像高中忙忙碌碌的生活,不过能按时完成课程设计对我们来说也是一个莫大的安慰。严谨和细心是做机械设计的必要态度,要想做好一件事,就必须一丝不苟、态度认真。俗话说:“失之毫厘,谬之千里。”在机械设计上尤其应该注意。在以后的工作中,你的很小的一个疏忽将会造成一个公司很大的损失,甚至给用户带去生命危险,而自己也会为自己的不负责任行为付出代价。再者就是设计中要严谨和细心,对于机械是不能出差错的,任何的微小误差都可能产生不可预计的后果,当然对于我们来说就是设计中要走一些弯路,而且在这个严重缺少时间又惦记回家问题的我们来说也是一个很严重的后果。不过,困难虽是难免的,但我们有信心就能并且已经战胜了困难,完成了这个无比揪心的课程设计。因为时间等各种关系设计中难免有些不足还请老师助教给予批评和帮助。
8.参考文献
《MCS-51 系列单片机原理及应用》 孙涵芳 主编 《新概念 51 单片机 C 语言教程》 郭天祥 主编 《51 单片机课程设计》 周向红 主编 《单片机原理及其应用教程》 张元良 主编 附录:C 语言编程源程序
#include
uint year_data,t;//-----sbit SCLK=P3^5;//DS1302 通讯线定义 sbit DIO=P3^6;sbit RST=P3^7;sbit speak=P0^0;sbit DS=P2^0;//595 通讯线定义 sbit SH_CP=P2^1;sbit ST_CP1=P2^2;sbit ST_CP2=P2^3;sbit ST_CP3=P2^4;sbit ST_CP4=P2^5;sbit ST_CP5=P2^6;sbit ST_CP6=P2^7;sbit ST_CP7=P3^0;sbit ST_CP8=P3^1;sbit OE1=P1^0;sbit OE2=P1^1;sbit OE3=P1^2;sbit OE4=P1^3;sbit OE5=P1^4;sbit OE6=P1^5;sbit OE7=P1^6;sbit OE8=P1^7;sbit K1=P3^2;//按键接口定义 sbit K2=P3^3;sbit K3=P3^4;sbit K4=P0^1;sbit K5=P0^2;//-----void write_595(uchar temp)//写 74HC595 一个字节 { uchar temp_595,i;temp_595=temp;for(i=0;i<8;i++)
{
SH_CP=0;
_nop_();_nop_();_nop_();if(temp_595&0x80){ DS=1;} else { DS=0;} _nop_();_nop_();_nop_();SH_CP=1;temp_595<<=1;} } //--------------void delay(uint z)//Nms 延时 { uint x,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=112;y>0;y--);} //-------------void delaynus(uint z)//ums 延时 { uint x,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=10;y>0;y--);} //---------------void write(uchar date)//写入 DS1302 一个字节 { uchar temp,i;RST=1;SCLK=0;temp=date;for(i=0;i<8;i++){ SCLK=0;if(temp&0x01)DIO=1;else DIO=0;SCLK=1;temp>>=1;} } //-----uchar read()//读出 DS1302 一个字节 { uchar a,temp;RST=1;for(a=8;a>0;a--){ temp>>=1;SCLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SCLK=0;if(DIO){ temp=temp|0x80;} else { temp=temp|0x00;} } return(temp);} //---void write_1302(uchar add,uchar dat)//写 DS1302 数据 { RST=0;SCLK=0;RST=1;write(add);write(dat);SCLK=1;RST=0;} //----------uchar read_1302(uchar add)// 读 DS1302 数据 { uchar temp;RST=0;SCLK=0;RST=1;write(add);temp=read();SCLK=1;RST=0;return(temp);} //------------void display()//显示子程序 { miao=read_1302(0x81);//读秒 fen=read_1302(0x83);//读分
shi=read_1302(0x85)&0x3f;//读时 date=read_1302(0x87);//读日 month=read_1302(0x89);//读月 year=read_1302(0x8d);//读年 day=read_1302(0x8B);//读星期 write_595(miao);//显示秒 ST_CP1=0;ST_CP1=1;ST_CP1=0;delaynus(10);write_595(fen);//显示分 ST_CP2=0;ST_CP2=1;ST_CP2=0;delaynus(10);write_595(shi);//显示时 ST_CP3=0;ST_CP3=1;ST_CP3=0;delaynus(10);write_595(date);//显示日 ST_CP4=0;ST_CP4=1;ST_CP4=0;delaynus(10);write_595(month);//显示月 读 ST_CP5=0;ST_CP5=1;ST_CP5=0;delaynus(10);write_595(year);//显示年 ST_CP6=0;ST_CP6=1;ST_CP6=0;delaynus(10);write_595(xingqi[day]);//显示星期 ST_CP7=0;ST_CP7=1;ST_CP7=0;delaynus(10);} //----------void ds1302_init()//1302 初始化 { RST=0;SCLK=0;/* write_1302(0x80,0x00);//设置初始值 SEC write_1302(0x82,0x00);//设置初始值 MIN write_1302(0x84,0x00);//设置初始值 HR write_1302(0x86,0x00);//设置初始值 DATE write_1302(0x88,0x00);//设置初始值 MONTH write_1302(0x8A,0x00);//设置初始值 DAY */ write_1302(0x8C,0x10);//设置初始值 YEAR } //--------------void PORT_INIT()//端口初始化 { P0=0XFE;P1=0X00;P2=0X00;P3=0XFC;} void time_init()//定时器初始化 { TMOD=0x11;//设置定时 器 01 都为工作方式 1 TH0=(65536-50000)/256;//装入初值 TL0=(65536-50000)%256;TH1=(65536-10000)/256;//装入初值 TL1=(65536-10000)%256;PT0=1;//T0 定时器优先级最高 EA=1;//开总中断
ET0=1;//开定时器 0 中断 ET1=1;//开定时器 1 中断 TR0=1;//启动定时器 0 TR1=1;// 启动定时器 1 } //--------------void main(void)//主程序 { PORT_INIT();ds1302_init();time_init();year=read_1302(0x8d);//读年数据 year_data=0x2000|year;write_595(year_data>>8);//显示 2010 年的 20 字样 ST_CP8=0;ST_CP8=1;ST_CP8=0;set_shi=0x09;//闹钟初始值设定 set_fen=0x39;time_flag=0;//标志位 set=0;while(1){ switch(set){ case 0: //设置秒 { display();// 显 示 子 程 序
if((shi==set_shi)&&(fen==set_fen)&&(time_flag==0))小时和分钟 { speak=~speak;if((K2==0)&&(time_flag==0))//按键 K2 停 止闹钟响 { P0&=0XFE;time_flag=1;} delay(10);} } break;} if(fen==set_fen+1)// 当 不 按 下 闹 钟 停止按键,一分钟后自动停止闹 钟 { P0&=0XFE;time_flag=0;} } } //--------void time0()interrupt 1 // 定时 器 0 中断 { TR0=0;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;mun++;if(mun==15){ mun=0;switch(set){ case 1: //设置秒闪烁 {OE1=1;delay(300);OE1=0;} break;case 2: //设置分闪烁 { OE2=1;delay(300);OE2=0;} break;case 3: //设置时闪烁 { OE3=1;delay(300);OE3=0;} break;case 4: //设置日闪烁 { OE4=1;delay(300);OE4=0;} break;case 5: //设置月闪烁 { OE5=1;delay(300);OE5=0;} break;case 6: //设置年闪烁 { OE6=1;OE8=1;delay(300);OE6=0;OE8=0;} break;case 7: //设置星期闪烁 { OE7=1;delay(200);OE7=0;} break;case 8: //设置闹钟闪烁 { OE2=1;OE3=1;delay(200);OE2=0;OE3=0;} break;} } TR0=1;} //-----------void time1()interrupt 3 // 定时器 1 中断 { TR1=0;//先关定时器 TH1=(65536-20000)/256;TL1=(65536-20000)%256;//-if(K1==0){ delay(10);if(K1==0){ set++;if(set==9){ set=0;write_1302(0x80,miao);//设置初始值 SEC write_1302(0x82,fen);//设置初始值 MIN write_1302(0x84,shi);//设置初始值 HR write_1302(0x86,date);//设置初始值 DATE write_1302(0x88,month);// 设置初始值 MONTH write_1302(0x8A,day);//设置初始值 DAY write_1302(0x8C,year_data);//设置初始值 YEAR } t=50000;while((!K1)&&t){ t--;} } } //-------if(K2==0){ delay(10);if(K2==0){ switch(set){ case 1: { miao++;if((miao&0x0f)>0x09){ miao+=0x10;miao&=0xf0;} if(miao==0x60){ miao=0x00;} write_595(miao);ST_CP1=0;ST_CP1=1;ST_CP1=0;} break;case 2: { fen++;if((fen&0x0f)>0x09){ fen+=0x10;fen&=0xf0;} if(fen==0x60){ fen=0x00;} ST_CP2=0;ST_CP2=1;ST_CP2=0;} break;case 3: { if((read_1302(0x85)&0x80)==0x00){ shi++;if((shi&0x0f)>0x09){ shi+=0x10;shi&=0xf0;} if(shi==0x24)//24 小时制 { shi=0x00;} } else { shi=(shi|0x80)+1;if((shi&0x0f)>0x09){ shi+=0x10;shi&=0xf0;} if(shi==0x12)//12 小时制 { shi=0X80;} } write_595(shi);//显示时 ST_CP3=0;ST_CP3=1;ST_CP3=0;} break;case 4: { date++;if((date&0x0f)>0x09){ date+=0x10;date&=0xf0;} if((date==0x32)&&((month==0x01)||(month==0x03)||(month==0x05)||(month ==0x07)||(month==0x08)||(month==0x10)||(month==0x12))){ date=0x01;} else if((date==0x31)&&((month==0x04)||(month==0x06)||(month==0x09)||(month ==0x11))){ date=0x01;} else if((date==0x29)&&(month==0x02)&&((year_data|read_1302(0x8d))%100!=0)& &((year_data|read_1302(0x8d))%400!=0)){ date=0x01;} else if((date==0x30)&&(month==0x02)&&((year_data|read_1302(0x8d))%100==0)& &((year_data|read_1302(0x8d))%400==0)){ date=0x01;} write_595(date);ST_CP4=0;ST_CP4=1;ST_CP4=0;} break;case 5: { month++;if((month&0x0f)>0x09){ month+=0x10;month&=0xf0;} if(month==0x13){ month=0x01;} write_595(month);ST_CP5=0;ST_CP5=1;ST_CP5=0;} break;case 6: { year_data++;if((year_data&0x000f)==0x0a){ year_data+=0x0010;year_data&=0xfff0;} if((year_data&0x00ff)==0xa0){ year_data+=0x0100;//向前进 1 year_data&=0xff00;//后面尾数归 0 } write_595(year_data);ST_CP6=0;ST_CP6=1;ST_CP6=0;write_595(year_data>>8);ST_CP8=0;ST_CP8=1;ST_CP8=0;} break;case 7: { day++;if((day&0x0f)==0x08){ day=0x01;} write_595(xingqi[day]);ST_CP7=0;ST_CP7=1;ST_CP7=0;} break;} t=50000;while((!K2)&&t){ t--;} } } //-------------------------if(K3==0){ delay(10);if(K3==0){ switch(set){ case 1: { miao--;if((miao&0x0f)==0x0F){ miao&=0xf9;//减到 0 后,再减一次就归 0, } if(miao==0xF9)//当全部减到 00 时,再 减一次就为 59 { miao=0x59;} write_595(miao);ST_CP1=0;ST_CP1=1;ST_CP1=0;} break;case 2: { fen--;if((fen&0x0f)==0x0F){ fen&=0xf9;} if(fen==0xF9){ fen=0x59;} write_595(fen);ST_CP2=0;ST_CP2=1;ST_CP2=0;} break;case 3: { if((read_1302(0x85)&0x80)==0x00){ shi--;if((shi&0x0f)==0x0F){ shi&=0xf9;} if(shi==0xF9)//24 小时制 { shi=0x23;} } else { shi=(shi|0x80)-1;if((shi&0x0f)==0x0F){ shi&=0xf9;} ST_CP4=0;} break;case 5: { month--;if((month&0x0f)==0x0F){ month&=0xf9;} if(month==0x00){ month=0x12;} write_595(month);ST_CP5=0;ST_CP5=1;ST_CP5=0;} break;case 6: { year_data--;if((year_data&0x000f)==0x0F){ year_data&=0xfff9;} if((year_data&0x00f0)==0xF0){ year_data&=0xf999;} write_595(year_data);ST_CP6=0;ST_CP6=1;ST_CP6=0;write_595(year_data>>8);ST_CP8=0;ST_CP8=1;ST_CP8=0;} break;case 7: { day--;if((day&0x0f)==0x00){ day=0x07;} write_595(xingqi[day]);ST_CP7=0;ST_CP7=1;ST_CP7=0;} break;} t=50000;while((!K3)&&t)//松手检测 { t--;} } } //---switch(set){ case 8: { if(K4==0){ delay(10);if(K4==0){ if((read_1302(0x85)&0x80)==0x00){ set_shi++;if((set_shi&0x0f)>0x09){ set_shi+=0x10;set_shi&=0xf0;} if(set_shi==0x24)//24 小时制 { set_shi=0x00;} } else { set_shi=(set_shi|0x80)+1;if((set_shi&0x0f)>0x09){ set_shi+=0x10;set_shi&=0xf0;} if(set_shi==0x12)//12 小时制 { set_shi=0X80;} write_595(set_shi);// 显示闹 钟的时 ST_CP3=0;ST_CP3=1;ST_CP3=0;t=50000;while((!K4)&&t){ t--;} } } //----if(K5==0){ delay(10);if(K5==0){ set_fen++;if((set_fen&0x0f)>0x09){ set_fen+=0x10;set_fen&=0xf0;}
if(set_fen==0x60)
{
set_fen=0x00;
} write_595(set_fen);ST_CP2=0;ST_CP2=1;ST_CP2=0;t=50000;while((!K5)&&t){ t--;} } set_shi+=0x10;set_shi&=0xf0;} if(set_shi==0x12)//12 小时制 { set_shi=0X80;} write_595(set_shi);// 显示闹 钟的时 ST_CP3=0;ST_CP3=1;ST_CP3=0;t=50000;while((!K4)&&t){ t--;} } } //----if(K5==0){ delay(10);if(K5==0){ set_fen++;if((set_fen&0x0f)>0x09){ set_fen+=0x10;set_fen&=0xf0;}
if(set_fen==0x60)
{
set_fen=0x00;
} write_595(set_fen);ST_CP2=0;ST_CP2=1;ST_CP2=0;t=50000;while((!K5)&&t){ t--;} } } } } //------------------------if(((K4==0)||(K5==0))&&(set==0)){ delay(10);if(((K4==0)||(K5==0))&&(set==0)){ write_595(set_shi);//显示闹钟的时 ST_CP3=0;ST_CP3=1;ST_CP3=0;write_595(set_fen);ST_CP2=0;ST_CP2=1;ST_CP2=0;P1=0XF9;while((!K4)||(!K5));P1=0X00;} } //----------TR1=1;//退出时开定时器 } } //----------