毕业设计基于AT89S51单片机电子时钟设计

1、 本科学年论文 第 23 页 基于单片机电子时钟设计分析 目 录第一章 引言.2 1.1 数字电子钟的背景.2 1.2 数字电子钟的意义.2第二章 设计方案.2 2.1 数字时钟方案.2 2.2 数码管显示方案.3第三章 系统设计.3 3.1总体设计.3 3.2单片机外围控制电路.3 3.2.1单片机的选择.3 3.2.2控制电路.5 3.2.3电源部分.6 3.2.4复位电路.6 3.2.5程序下载接口.7 3.2.6位选部分.7第四章 软件设计.9 4.1程序流程图.94.2源程序.11第五章 使用调试.18结论.18参考文献.18内容摘要现代社会人们对时间的观念越来越强，时间不准确会给人

2、们带来很大的麻烦，所以数码管为显示器时钟比指针式的显示器表现出了很大的优势。数码管显示的时间简单明了而且读数快、时间准确显示到秒。所以数字电子钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。而机械式的依赖于晶体震荡器，可能会导致误差。在这次设计中，我采用了led数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，以at89s51芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由4.5v直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间，调整时间，并在数码管上显示相应的时间。 关键词 单片机，at89s51，电子时钟 第一章 引 言 1.1 数字电子钟的背景 20世纪末，电子技术获得了

3、飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，而单片机模块中最常见的就是数字电子钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，本设计由单片机at89s51芯片和led数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟1.2数字电子钟的意义 数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭、车站、码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地

4、扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 第二章 设 计 方 案 2.1 数字时钟方案 本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将十字节清零。该

5、方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。 基于硬件电路的考虑，本设计采用完全用软件实现数字时钟。2.2 数码管显示方案 方案一：静态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的i/o口太多，造成了资源的浪费。 方案二：动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次

6、。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了i/o口，降低了能耗。 从节省i/o口和降低能耗出发，本设计采用方案二。 第三章 系 统 设 计 3.1 总体设计 利用单片机（at89s51）制作简易电子时钟，由六个led数码管分别显示小时十位、小时个位、分钟十位、分钟个位、秒钟十位、秒钟个位。6个pnp管（9012）分别控制六个数码管的亮灭，其中一个按键（s1）用于系统复位,另一个按键（s2）用于时间调整。3.2 单片机外围控制电路 3.2.1 单片

7、机的选择 单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和i/o接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过1、2、3、3代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强i/o功能及较好的结构兼容性方向发展。其发展趋势不外乎以下几个方面： 1、多功能 单片机中尽可能地把所需要的存储器和i/o口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。比如a/d、pwm、pca（可编程计数器阵列）、wdt（监视定时器-看家狗）、高速i/o口及计数器的捕获/比较逻辑等。 有的单片机针对某一个应用

8、领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。例如，有的芯片以51内核为核心，集成了usb控制器、smart card接口、mp3解码器、can或者i*i*c总线控制器等，led、lcd或vfd显示驱动器也开始集成在8位单片机中。 2、高效率和高性能 为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用risc、流水线和dsp的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内rom（flash）和ram的容量都突破了以往的数量和限制。 由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如

9、c语言）来开发单片机的程序。使用高级语言可以降低开发 难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩充功能。 3、低电压和低功耗 单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。由于cmos等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2v或0.9v），功耗已经降低到ua级。这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。 4.价格 价格是一个很重要的因素，如果成本过高就不能普及不能大规模的生产。那样就有很多人不能用上。目前，我国生产很多型号的单片机，在此，我们采用型号为at89c51的单片机。因为：at89c51的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置

10、的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有ram、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内ram将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。 3.2.2 控制电路 图3-2控制电路at89s51是美国atmel公司生产的低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。at89s51提供以下标准功能：4k字节flash闪速存储器，128字节内部ram，32i/o口线，看门狗（wdt），两个数据指针，两个1

11、6位定时/计数器，一个5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。 如图3-2所示，at89s51有40引脚，双列直插（dip）封装，所用引脚功能如下： 1. vcc 运行时加4.5v2. gnd 接地 3. xtal1 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端 4. xtal2 振荡器反相放大器的输出端 5. rst 复位输入，高电平有效，在晶振工作时，在rst引脚上作用2个机器周期以上的高电平，将使单片机复位。wdt溢出将使该引脚输出高电平，设置sft auxr的disrto位（地址8eh）可打开或关闭该功能。disrto位缺省为reset输出高电平打开状态。 6. e

12、a/vpp 片外程序存储器访问允许信号。欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000h-ffffh），ea端必须保持低电平（接地），如果ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器中的指令。 7. p1口,p2口p1，p2是一组带内部上拉电阻的8位双向i/o口。运行时通过p1口控制驱动电路的工作，将数据送到数码管，显示相应的段码，为了达到减少功耗或满足端口对最大电流的限制，应加上一限流电阻。p2.0p2.5口控制数码管的位选，使六个数码管轮流显示数据，等于1时位选三极管导通，等于0 时位选三极管截止。 8. 无自锁开关（s2p3.7）开关接相应引脚p3.7，当开关按下时，相应引脚

13、为低电平0，断开时引脚为高电平1。3.2.3 电源部分 图3-3电源电路 如图3-3所示，从外部引入4.5v的直流电，为单片机、复位电路提供电源。3.2.4 复位电路 图3-4复位电路如图3-4所示，复位电路主要由型号为1n4148的二极管，型号为10uf/16v的电解电容，型号为104的瓷片电容，10k的电阻以及按键s1构成，s1接芯片的相应引脚rst，当开关按下时引脚rst为高电平1，断开时引脚为低电平0。3.2.5 程序下载接口图3-5程序下载接口模块 如图3-5所示，由at89s isp构成的两排十针下载口，板图上有一个小方框，为1号引角；下载线的凸口为正方向，凸口的右侧边的第一个插孔

14、为1号引角。3.2.6 位选部分 图3-6位选电路 图3-6为位选电路，三极管的集电极接数码管的公共端，当p2口对应的引脚输出高电平时三极管导通，对应的数码管显示数据。这样，在同一时刻，6位led中只有选通的那1位显示出字符，而其他5位则是熄灭的。同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他个位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于led的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示

15、间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。 第四章软 件 设 计4.1程序流程图4.2源程序表4-1 p1口对应段码及数值：显示数字p1.7p1.6p1.5p1.4p1.3p1.2p1.1p1.016进制代码dpgfedcba0001111113fh10000011006h2010110115bh3010011114fh40110011066h5011011016dh6011111017dh70000011107h8011111117fh9011011116fh; ; 中断入口程序; ;org 0000h;程序执行开始地址ljmp start;跳到标号start执行org 0

16、003h;外中断0中断程序入口reti;外中断0中断返回org 000bh;定时器t0中断程序入口ljmp intt0;跳至intto执行org 0013h;外中断1中断程序入口reti ;外中断1中断返回org 001bh;定时器t1中断程序入口ljmp intt1;跳至intt1执行org 0023h;串行中断程序入口地址reti;串行中断程序返回; 主 程 序 ; start: mov r0,#70h ;清70h-7ah共11个内存单元 mov r7,#0bh ;clr p3.7; cleardisp: mov r0,#00h ; inc r0 ; djnz r7,cleardisp ;

17、 mov 20h,#00h ;清20h（标志用） mov 7ah,#0ah ;放入熄灭符数据 mov tmod,#11h ;设t0、t1为16位定时器 mov tl0,#0b0h ;50ms定时初值（t0计时用） mov th0,#3ch ;50ms定时初值 mov tl1,#0b0h ;50ms定时初值（t1闪烁定时用） mov th1,#3ch ;50ms定时初值 setb ea ;总中断开放 setb et0 ;允许t0中断 setb tr0 ;开启t0定时器 mov r4,#14h ;1秒定时用初值（50ms20） start1: lcall display ;调用显示子程序 jnb

18、p3.7,setmm1 ;p3.7口为0时转时间调整程序 sjmp start1 ;p3.7口为1时跳回start1 setmm1: ljmp setmm ;转到时间调整程序setmm; 1秒计时程序;t0中断服务程序 intt0: push acc ;累加器入栈保护 push psw ;状态字入栈保护 clr et0 ;关t0中断允许 clr tr0 ;关闭定时器t0 mov a,#0b7h ;中断响应时间同步修正 add a,tl0 ;低8位初值修正 mov tl0,a ;重装初值（低8位修正值） mov a,#3ch ;高8位初值修正 addc a,th0 ; mov th0,a ;重装

19、初值（高8位修正值） setb tr0 ;开启定时器t0 djnz r4, outt0 ;20次中断未到中断退出 addss: mov r4,#14h ;20次中断到（1秒）重赋初值 mov r0,#71h ;指向秒计时单元（71h-72h） acall add1 ;调用加1程序（加1秒操作） mov a,r3 ;秒数据放入a（r3为2位十进制数组合） clr c ;清进位标志 cjne a,#60h,addmm ; addmm: jc outt0 ;小于60秒时中断退出 acall clr0 ;大于或等于60秒时对秒计时单元清0 mov r0,#77h ;指向分计时单元（76h-77h） a

20、call add1 ;分计时单元加1分钟 mov a,r3 ;分数据放入a clr c ;清进位标志 cjne a,#60h,addhh ; addhh: jc outt0 ;小于60分时中断退出 acall clr0 ;大于或等于60分时分计时单元清0 mov r0,#79h ;指向小时计时单（78h-79h） acall add1 ;小时计时单元加1小时 mov a,r3 ;时数据放入a clr c ;清进位标志 cjne a,#24h,hour ; hour: jc outt0 ;小于24小时中断退出 acall clr0 ;大于或等于24小时小时计时单元清0 outt0: mov 72

21、h,76h ;中断退出时将分、时计时单元数据移 mov 73h,77h ;入对应显示单元 mov 74h,78h ; mov 75h,79h ; pop psw ;恢复状态字（出栈） pop acc ;恢复累加器 setb et0 ;开放t0中断 reti ;中断返回; 闪动调时 程 序 ;t1中断服务程序，用作时间调整时调整单元闪烁指示intt1: push acc ;中断现场保护 push psw ; mov tl1, #0b0h ;装定时器t1定时初值 mov th1, #3ch ; djnz r2,intt1out ;0.3秒未到退出中断（50ms中断6次） mov r2,#06h ;

22、重装0.3秒定时用初值 cpl 02h ;0.3秒定时到对闪烁标志取反 jb 02h,flash1 ;02h位为1时显示单元熄灭 mov 72h,76h ;02h位为0时正常显示 mov 73h,77h ; mov 74h,78h ; mov 75h,79h ;intt1out: pop psw ;恢复现场 pop acc ; reti ;中断退出flash1: jb 01h,flash2 ;01h位为1时，转小时熄灭控制 mov 72h,7ah ;01h位为0时，熄灭符数据放入分 mov 73h,7ah ;显示单元（72h-73h），将不显示分数据 mov 74h,78h ; mov 75h

23、,79h ; ajmp intt1out ;转中断退出flash2: mov 72h,76h ;01h位为1时，熄灭符数据放入小时 mov 73h,77h ;显示单元（74h-75h），小时数据将不显示 mov 74h,7ah ; mov 75h,7ah ; ajmp intt1out ;转中断退出; 加1子 程 序 ; add1: mov a,r0 ;取当前计时单元数据到a dec r0 ;指向前一地址 swap a ;a中数据高四位与低四位交换 orl a,r0 ;前一地址中数据放入a中低四位 add a,#01h ;a加1操作 da a ;十进制调整 mov r3,a ;移入r3寄存器

24、anl a,#0fh ;高四位变0 mov r0,a ;放回前一地址单元 mov a,r3 ;取回r3中暂存数据 inc r0 ;指向当前地址单元 swap a ;a中数据高四位与低四位交换 anl a,#0fh ;高四位变0 mov r0,a ;数据放入当削地址单元中 ret ;子程序返回 ; 清零程序 ;对计时单元复零用 clr0: clr a ;清累加器 mov r0,a ;清当前地址单元 dec r0 ;指向前一地址 mov r0,a ;前一地址单元清0 ret ;子程序返回; 时钟调整程序;当调时按键按下时进入此程序 setmm: clr et0 ;关定时器t0中断 clr tr0

25、;关闭定时器t0 lcall dl1s ;调用1秒延时程序 jb p3.7,closedis ;键按下时间小于1秒，关闭显示（省电） mov r2,#06h ;进入调时状态，赋闪烁定时初值 setb et1 ;允许t1中断 setb tr1 ;开启定时器t1 set2: jnb p3.7,set1 ;p3.7口为0（键未释放），等待 setb 00h ;键释放，分调整闪烁标志置1 set4: jb p3.7,set3 ;等待键按下 lcall dl05s ;有键按下，延时0.5秒 jnb p3.7,sethh ;按下时间大于0.5秒转调小时状态 mov r0,#77h ;按下时间小于0.5秒加

26、1分钟操作 lcall add1 ;调用加1子程序 mov a,r3 ;取调整单元数据 clr c ;清进位标志 cjne a,#60h,hhh ;调整单元数据与60比较 hhh: jc set4 ;调整单元数据小于60转set4循环 lcall clr0 ;调整单元数据大于或等于60时清0 clr c ;清进位标志 ajmp set4 ;跳转到set4循环 closedis: setb et0 ;省电（led不显示）状态。开t0中断 setb tr0 ;开启t0定时器（开时钟） close: jb p3.7,close ;无按键按下，等待。 lcall display ;有键按下，调显示子程

27、序延时削抖 jb p3.7,close ;是干扰返回close等待 waith: jnb p3.7,waith ;等待键释放 ljmp start1 ;返回主程序（led数据显示亮） sethh: clr 00h ;分闪烁标志清除（进入调小时状态） sethh1: jnb p3.7,set5 ;等待键释放 setb 01h ;小时调整标志置1 set6: jb p3.7,set7 ;等待按键按下 lcall dl05s ;有键按下延时0.5秒 jnb p3.7,setout ;按下时间大于0.5秒退出时间调整 mov r0,#79h ;按下时间小于0.5秒加1小时操作 lcall add1 ;

28、调加1子程序 mov a,r3 ; clr c ; cjne a,#24h,houu ;计时单元数据与24比较 houu: jc set6 ;小于24转set6循环 lcall clr0 ;大于或等于24时清0操作 ajmp set6 ;跳转到set6循环 setout: jnb p3.7,setout1 ;调时退出程序。等待键释放 lcall display ;延时削抖 jnb p3.7,setout ;是抖动，返回setout再等待 clr 01h ;清调小时标志 clr 00h ;清调分标志 clr 02h ;清闪烁标志 clr tr1 ;关闭定时器t1 clr et1 ;关定时器t1中

29、断 setb tr0 ;开启定时器t0 setb et0 ;开定时器t0中断（计时开始） ljmp start1 ;跳回主程序 set1: lcall display ;键释放等待时调用显示程序（调分） ajmp set2 ;防止键按下时无时钟显示 set3: lcall display ;等待调分按键时时钟显示用 ajmp set4 set5: lcall display ;键释放等待时调用显示程序（调小时） ajmp sethh1 ;防止键按下时无时钟显示 set7: lcall display ;等待调小时按键时时钟显示用 ajmp set6 setout1: lcall display

30、 ;退出时钟调整时键释放等待 ajmp setout ;防止键按下时无时钟显示; 显示程序 ; 显示数据在70h-75h单元内，用六位led共阳数码管显示，p0口输出段码数据，p3口作; 扫描控制，每个led数码管亮1ms时间再逐位循环。 display: mov r1,#70h ;指向显示数据首址 mov r5,#0feh ;扫描控制字初值 play: mov a,r5 ;扫描字放入a mov p2,a ;从p2口输出 mov a,r1 ;取显示数据到a mov dptr,#tab ;取段码表地址 movc a,a+dptr ;查显示数据对应段码 mov p1,a ;段码放入p0口 lcal

31、l dl1ms ;显示1ms inc r1 ;指向下一地址 mov a,r5 ;扫描控制字放入a jnb acc.5,endout ;acc.5=0时一次显示结束 rl a ;a中数据循环左移 mov r5,a ;放回r5内 ajmp play ;跳回play循环 endout: setb p2.5 ;一次显示结束，p2口复位 mov p1,#0ffh ;p0口复位 ret ;子程序返回 tab: db 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh;1ms延时程序，led显示程序用 dl1ms: mov r6,#14h dl1: mov r7,#19h dl2

32、: djnz r7,dl2 djnz r6,dl1 ret;20ms延时程序，采用调用显示子程序以改善led的显示闪烁现象 ds20ms: acall display acall display acall display ret;延时程序，用作按键时间的长短判断 dl1s: lcall dl05s lcall dl05s ret dl05s: mov r3,#20h ;8毫秒*32=0.196秒 dl05s1: lcall display djnz r3,dl05s1 ret end ;程序结束第五章 使 用 调 试 1.显示xx：xx：xx时间 2.时间可调：调整键（s2）按下时间小于1秒（t0.5s）分钟位闪亮，此时按下s2键（t0.5s）时钟位闪亮，此时按下s2键（t0.5s），返回到正常显示状态。 3.下载线和电源线插接说明：1.下载线插接说明：两排十针下载口，板图上都有一个小方框，为1号引角；下载线的凸口为正方向，凸口的右