单片机课程设计报告定时闹钟设计

1、燕山 大学单片机课程设计报告定时闹钟设计姓 名：学 号：专业班级：指导老师：所在学院：电气工程与自动化学院2010年12月15日摘要本设计是定时闹钟的设计,由单片机AT89C51芯片和LED数码管为核心，辅 以必要的电路，构成的一个单片机电子定时闹钟。 电子钟设计可采用数字电路实 现，也可以采用单片机来完成。数字电子钟是用数字集成电路构成的，用数码管显示“时”，“分”，“秒”的现代计时装置。若用数字电路完成，所设计的电路相当复杂，大概需要十几片数字集成块，其功能也主要依赖于数字电路的各功 能模块的组合来实现，焊接的过程比较复杂，成本也非常高。若用单片机来设计制 作完成，由于其功能的实现主要通过

2、软件编程来完成，那么就降低了硬件电路的 复杂性,而且其成本也有所降低,所以在该设计中采用单片机利用 AT89C51它是 低功耗、高性能的CMO型 8位单片机。片内带有4KB的Flash存储器,且允许在 系统内改写或用编程器编程。另外,AT89C51的指令系统和引脚与8051完全兼 容,片内有128B的RAM 32条I/O 口线、2个16位定时计数器、5个中断源、 一个全双工串行口等。AT89C51单片机结合七段显示器设计的简易定时闹铃时 钟，可以设置现在的时间及显示闹铃设置时间，若时间到则发出一阵声响，进一步可以扩充控制电器的启停。设计内容包括了秒信号发生器、 时间显示电路、按键电路、供电电源

3、以及闹 铃指示电路等几部分的设计。采用四个开关来控制定时闹钟的工作状态，分别为： K1、设置时间和闹钟的小时；K2、设置小时以及设置闹钟的开关；K3设置分钟 和闹钟的分钟；K4设置完成退出。课设准备中我根据具体的要求，查找资料，然后按要求根据已学过的时钟程 序编写定时闹钟的程序，依据程序利用proteus软件进行了仿真试验，对出现的 问题进行分析和反复修改源程序，最终得到正确并符合要求的结果。设计完成的定时闹钟达到课程设计的要求，在到达定时的时间便立即发出蜂 鸣声音，持续一分钟。显示采用的六位数码管电路，如果亮度感觉不够，可以通 过提升电阻来调节，控制程序中延迟时间的长短，可以获得不同的效果。

4、也可以 改蜂鸣器为继电器，通过控制继电器从而进一步扩展的来控制一些家电开关。目录1概述 42系统总体方案及硬件设计 52.1总体设计 52.2系统时钟电路设计 52.3系统复位电路的设计 52.4 闹钟指示电路设计 62.5电子闹钟的显示电路设计 63软件设计 73.1概述 73.2主模块的设计 73.3基本显示模块设计 83.4时间设定模块设计 83.5闹铃功能的实现 94.PR0TEU软件仿真 125课程设计体会 14参考文献 15附1:源程序代码 16附2:系统原理图 261概述本设计是定时闹钟的设计,由单片机AT89C51芯片和LED数码管为核心， 辅以必要的电路，构成的一个单片机电子

5、定时闹钟。定时闹钟设计可采用数字电路实现，也可以采用单片机来完成。定时闹 钟是用数字集成电路构成的，用数码管显示“时”，“分”，“秒”的现代计 时装置。单片机具有集成度高、功能强、通用性好、特别是它能耗低、价格 便宜、可靠性高、抗干扰能力强和使用方便等独特的优点，所以单片机现在 广泛的应用到家用电器、机电产品、儿童玩具、机器人、办公自动化产品等 领域。所以在该设计中采用单片机利用 AT89C51 它是低功耗、高性能的CMOS 型8位单片机。片内带有4KB的Flash存储器,且允许在系统内改写或用编程 器编程。另外,AT89C51的指令系统和引脚与8051完全兼容,片内有128B的 RAM 32

6、条I/O 口线、2个16位定时计数器、5个中断源、一个全双工串行 口等。AT89C51单片机结合七段显示器设计的简易定时闹铃时钟，可以设置 现在的时间及显示闹铃设置时间，若时间到则发出一阵声响，进一步可以扩 充控制电器的启停。设计内容包括了秒信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电源以 及闹铃指示电路等几部分的设计。采用四个开关来控制定时闹钟的工作状态， 分别为：K1、设置时间和闹钟的小时；K2、设置小时以及设置闹钟的开关； K3、设置分钟和闹钟的分钟；K4、设置完成退出。课设准备中根据具体的要求，查找资料，然后按要求根据已学过的时钟 程序编写定时闹钟的程序，依据程序利用proteus软件进

7、行了仿真试验，对出现的问题进行分析和反复修改源程序，最终得到正确并符合要求的结果。设计完成的定时闹钟达到课程设计的要求，在到达定时的时间便立即发 出蜂鸣声音，持续一分钟。显示采用的六位数码管电路，如果亮度感觉不够， 可以通过提升电阻来调节，控制程序中延迟时间的长短，可以获得不同的效 果。也可以改蜂鸣器为继电器，通过控制继电器从而进一步扩展的来控制一 些家电开关。2系统总体方案及硬件设计2.1总体设计电子闹钟应包括秒信号发生器、 时间显示电路、按键电路、供电电源以及闹 铃指示电路等几部分。按键功能说明：K1，设置时间和闹钟的小时；K2,设置小时以及设置闹钟的 开关；K3,设置分钟和闹钟的分钟；K

8、4;设置完成退出。电子闹钟的系统框图如下所示：图1电子闹钟的主电路指的是图1中虚线框内部分， 主要涉及到CPU电路和按键 按钮电路。主机的设计具体地说有：1）系统时钟电路设计；2）系统复位电路设 计；3）按键与按钮电路设计；4）闹铃声指示电路设计。2.2系统时钟电路设计对于时间要求不是很高的系统，只要按图进行设计就能使系统可靠起振并稳 定运行。但由于原理图中的 C1、C2电容起着系统时钟频率微调和稳定的作用， 因此，在本闹钟系统的实际应用中一定要注意正确选择参数（30 10 PF），并保证对称性（尽可能匹配），选用正牌厂家生产的瓷片或云母电容，如果可能的 话，温度系数要尽可能低。实验表明，这2

9、个电容元件对闹钟的走时误差有较大 关系。2.3系统复位电路的设计智能系统一般应有手动或上电复位电路。复位电路的实现通常有两种方式：1） RC复位电路；2）专用yP监控电路。前者实现简单，成本低，但复位可靠 性相对较低；后者成本较高，但复位可靠性高，尤其是高可靠重复复位。对于复位要求高、并对电源电压进行监视的场合，大多采用这种方式。本次课程设计采用了上电按钮电平复位电路。2.4 闹钟指示电路设计闹铃指示可以有声或光两种形式。本系统采用声音指示。关键元件是蜂鸣器。蜂鸣器有无源和有源两种，前者需要输入声音频率信号才能正常发声，后者则只需外加适当直流电源电压即可， 元件内部已封装了音频振荡电路，在得电

10、状 态下即起振发声。市场上的有源蜂鸣器分为 3V、5V、6V等系列，以适应不同 的应用需要。闹钟电路是用比较器来比较计时系统和定时系统的输出状态，如果计时系统和定时系统的输出状态相同，则发出一个脉冲信号，再和一个高频信号 混合，送到放大电路驱动扬声器发声， 从而实现定时闹响的功能。其电路设计参 见系统原理图。2.5电子闹钟的显示电路设计本次课程设计采用了 6位数码管显示电路。在6位LED显示时,为了简化电 路，降低成本,采用动态显示的方式，6个LED显示器共用一个8位的I/O, 6位 LED数码管的位选线分别由相应的 P2. 0P2. 5控制,而将其相应的段选线并联 在一起，由一个8位的I/O

11、 口控制，即P0 口。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态菁七段显示译码器译码，通过6位LED七段显示器显示 出来。到达定时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号， 然后去触发一 音频发生器实现闹铃。校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行 校对调整的。3软件设计3.1概述软件设计的重点在于秒脉冲信号的产生、 显示的实现、以及按键的处理等方 面。基于软件的秒脉冲信号通常有延时法和定时中断法。延时法一般采用查询方式，在延时子程序前后必然需要查询和处理的程序，导致误差的产生，因此其秒脉冲的精度不高；中断法的原理是，禾U用单片机内部的定时器溢出中断来实现。 例如，设定某

12、定时器每100ms中断1次，则10次的周期为1s。本系统中所使用 的晶振频率为12MHZ3.2主模块的设计主模块是系统软件的主框架。结构化程序设计一般有“自上而下”和“自下 而上”两种方式，“自上而下”法的核心就是主框架的构建。它的合理与否关系 到程序最终的功能的多少和性能的好坏。本系统的主模块的程序框图如下图2所示:3.3基本显示模块设计基本显示模块设计的重点是由显示代码取得相应的段码，显示段码数据的并行发送，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要 经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时， 译码代替

13、机械式传动，用LED显示 器代替显示器代替指针显示进而显示时间， 减小了计时误差，这种表具有时，分, 秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。程序流程如图3所示。将16进制时分秒数据转化为BCD显示代码关显示以免显示抖动通过串口将时分秒数据传入数码管打开显示图33.4时间设定模块设计时间设定模块的设计要点是按键的去抖处理与“一键多态”的处理。即只涉及4个键完成了 6位时间参数的设定。软件法去抖动的实质是软件延时，即检测 到某一键状态变化后延时一段时间，再检测该按键的状态是否还保持着，如是则 作为按键处理，否则，视为抖动，不予理睬。去抖中的延时时间一般参考资料多 描述为10ms

14、左右，实际应用中，应大于20ms否则，会导致按一次作多次处理， 影响程序正常执行。“一键多态”即多功能键的实现思想是，根据按键时刻的系 统状态，决定按键采取何种动作，即何种功能。其流程图如下图4所示:图43.5闹铃功能的实现闹铃功能的实现涉及到两个方面：闹铃时间设定和是否闹铃判别与相应处 理。闹铃时间设定模块的设计可参照时间设定模块， 这里着重阐述闹铃判别与处 理模块的设计问题。闹铃判别与闹铃处理的关键在于判别何时要进行闹铃。当时十位、时个位、分十位、分个位中任一位发生改变（进位）时，就必须进行闹铃 判别。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出送到七段显示译码 驱动器译码驱动，通过六

15、个七段LED显示器显示出来。闹铃电路根据计时系统的 输出状态产生一脉冲信号，然后加上一个高频或低频信号送到放大电路驱动蜂鸣 器发声实现报时。校时电路是直接加一个脉冲信号到时计数器或者分计数器或者 秒计数器来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整。其流程图如下所示:闹铃判别处理1F时十位、个位，分十位、个位改变了是否设置了闹铃彳中断返回YY1r判当前时间是设定时间一；N1设置闹铃标志清除闹铃标志1 r中断返回1 r图5.1图5.2考虑到实用性，在该电子钟的设计中修改定时或调整时间时采用了闪烁，而且以定时20组闹钟。在编程上，首先进行了初始化定义了程序的入口地址以及中 断的入口地址，在主程序

16、的开始定义了一组固定单元用来存储计数的秒 ，分,时以 及定时时间的序号等。在显示程序段中主要进行了闪烁的处理，采用定时器中断置标志位，再与位 选相互结合的方法来控制调时或定时中的闪烁。 时,分,秒显示则是用了软件译码 （查表）的方式,再用了一段固定的程序段进行进制转化。初始化之后，用中断方式 对其计数，计数的同时采用了定时器比较的方法，比较当前计数时间与定时时间 是否相等，若相等则将闹铃标志位置数。由于定义了定时闹钟组，在这里采用中断 组次,每中断一次比较一组闹钟，避免了一次比较中断时间过长，影响下次中断时 间。显示之后查询闹铃标志位是否与前面所置数相等 ，若相等则响铃。为了避免响铃影响显示，

17、采用了每显示几屏以后在显示程序中出现脉冲 ，驱 动喇叭,不会影响显示。之后用查询方式对按键进行判断 ，若有键按下，则进行软 件延时消抖，避免了抖动引起的干扰，执行相应的定时，选时或调时程序段。对当 前时间或定时时间修改后又返回到最初的显示程序段 ，如此循环下去。4.Proteus软件仿真本次课程设计所采用的程序调试软件为wave6000集成调试软件，所采用的仿真软件为protus 6 professional 软件。本次试验的效果图如下所示：RP19T5-RE SPACK-8C2X1CRYSTAL0D0 1 2 3 4 5 6U1AT89C51AAAAAAAAPPPPPPPP0 1 2 3 4

18、 5 6 7 1 1111111 P P P P P P P PC3Mb45pK4K3性能及误差分析该电子钟有三个按键：K1, K2和K3键。按K1键进行校时,可以分别对时及 分进行单独校时，使其校正到标准时间，校时时需要校正哪一位哪一位就闪烁。按 K2键是对闪烁位进行加一或返回的操作。按K3键调整定时时间和定时组数,需要调整哪一位哪一位就闪烁，该电子钟最多可定时20组闹钟。经测试该电子钟在 一天的累计误差约为0. 1秒。该电子钟的误差主要由晶振自身的误差所造成，晶振的误差约为0. 00010. 000001。在软件的编程过程中所产生的误差比较 小,在重装初值的过程中大概需要约 8个机器周期，

19、但在程序开始对定时器赋初 值时，多加了 8个机器周期，减小了这方面的误差。另外在中断的过程中，只会在 第一次计时时产生时间的偏移，而它所产生累计误差很小，可以忽略。结构化软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一 环。软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式。前者不需要硬件仿真器， 可借助于软件仿真器即可；后者一般需要仿真系统的支持。本次课设，采用 wave6000集成调试软件来调试程序，通过各个模块程序的单步或跟踪调试，使 程序逐渐趋于正确，最后统调程序。仿真部分采用protus 6 professional软件，此软件功能强大且操作较为简 单，可以很容易的实现各种系统的仿

20、真。首先打开protus 6 professional软件，在元件库中找到要选用的所有元件，然 后进行原理图的绘制；绘制好后再选择wave6000已经编译好的*.hex文件，选择运行，观察显示结果，根据显示的结果和课设的要求再修改程序，再运行查， 直到满足要求。5课程设计体会单片机是一门应用性很强的学科，课程设计是培养我们综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。虽然在做课程设计以前已经系统的把单片机课本 认真的学习了一下，但是在刚拿到设计任务书时还是有点一头雾水， 不知道该从 哪里下手。令人欣慰的是经过一周的学习，虽然

21、过程很艰辛，但是总算实现了定 时闹钟的功能，所有的努力都很值得。这一周的大部分时间都在研究程序怎么处 理，在这个过程中加深了我对汇编语言命令的应用， 而且也更加了解到软硬件配 套的重要性。通过这次课程设计，使我对这们功课有了更深刻的认识和了解。 首先对于硬 件电路的工作原理有了进一步系统的学习，同样就有了进一步的认识，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，只有把所学的理论 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。 其次 软件在这次设计中也有不足之处，比如音乐的响声不连续，但又不知道从哪个地 方入手解决这个问题，这要求在以后的学习中，拓宽自己的

22、知识面，解决设计的 不足之处。总之，通过这次课程设计不仅使我巩固了本课程所学的基本知识，还使我具有了撰写科研报告的初步训练能力，我相信这些能力在我以后的工作或者是再学 习中一定会起到不小的作用，一切的辛苦和艰难都是值得的。参考文献1 余发山 单片机原理及应用技术，徐州：中国矿业大学出版社，20032 杨刚，周群.电子系统设计与实践.电子工业出版社.2004:18-23 341-347 118-1223 何立民.单片机高级教程（应用与设计）.北京：北京航空航天大学出版社， 2000年.53984 涂时亮，张友德.单片微机控制技术.清华大学出版社.1994:86-87 146-147 融会贯通 P

23、rotel99 电路设计弘道工作室 北京 人民交通出版设，2000. 单片机原理及接口技术实验朱定华 北京 北方交通大学出版社2002.11附1:源程序代码K1 EQU P1.0 ;在程序开始前定义变量K2 EQU P1.1K3 EQU P1.2K4 EQU P1.3ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP TIMEORG 0100HMAIN:MOV SP,#50HMOV 20H,#00H；时间BIN SECONDMOV 21H,#00H5BIN MINUTEMOV 22H,#00H5BIN HOURMOV 23H,#01H;闹铃BIN MINUTEMOV 24H,#01

24、H5BIN HOURMOV 25H,#00H;定义一个标志位MOV 30H,#00H;时间BCD SECONDMOV 31H,#00H5MOV 32H,#00H5BCD MINUTEMOV 33H,#00H5MOV 34H,#00H5BCD HOURMOV 35H,#00H5MOV 36H,#01H;闹铃BCD MINUTEMOV 37H,#00H5MOV 38H,#01H5BCD HOURMOV 39H,#00H5MOV TMOD,#O1H;16位计数器TO,方式1MOV TH0,#03CH;赋初值MOV TL0,#0B0HMOV IE,#10000111B;开中断T0，EA=1SETB T

25、R0;T0启动计数MOV R2,#14H;计数器MOV P2,#0FFHLOOP:LCALL TIMEPRO;调用现在时间与闹铃时间比较程序LCALL DISPLAY1;调用现在时间显示子程序JB K1,M15判断按键是否按下LCALL XIA0ZHEN1MOV C,25H.OJC A1A1:CLR 25H.0LCALL SETTIMELJMP LOOPM1:JB K2,M2LCALL XIAOZHEN2MOV C,25H.0JC A2A2:CLR 25H.0LCALL SETATIMELJMP LOOPM2:JB K4,M3A3:LCALL XIAOZHEN3MOV C,25H.0JC A4

26、A4:CLR 25H.0M3:LJMP LOOPSETTIME:L0:LCALL DISPLAY1JB K2,L1LCALL XIAOZHEN4MOV C,25H.0JC A5A5:CLR 25H.0INC 22HMOV A,22HCJNE A,#18H,GO12MOV 22H,#00HMOV 34H,#00HMOV 35H,#00HLJMP L0L1:JB K3,L2LCALL XIAOZHEN5MOV C,25H.0JC A6;调用消抖程序调用设置现在时间子程序调用设置闹钟的程序INC 21HMOV A,21HCJNE A,#3CH,GO11MOV 21H,#00HMOV 32H,#00H

27、MOV 33H,#00HLJMP L0GO11:MOV B,#0AHDIV ABMOV 32H,BMOV 33H,ALJMP L0GO12:MOV B,#0AHDIV ABMOV 34H,BMOV 35H,ALJMP L0L2:JB K4,L0LCALL XIAOZHEN3MOV C,25H.OJC AXAX:CLR 25H.0RETSETATIME:LCALL DISPLAY2;调用闹钟设置，闹铃响时的显示程序N0:LCALL DISPLAY2JB K3,N1LCALL XIAOZHEN6MOV C,25H.0JC A7A7:CLR 25H.0INC 24HMOV A,24HCJNE A,#

28、24,GO22MOV 24H,#00HMOV 38H,#00HMOV 39H,#00HLJMP N0N1:JB K1,N2LCALL XIA0ZHEN7MOV C,25H.OJC A8A8:CLR 25H.0INC 23HMOV A,23HCJNE A,#60,GO21MOV 23H,#00HMOV 36H,#00HMOV 37H,#00HLJMP N0GO21:MOV B,#0AHDIV ABMOV 36H,BMOV 37H,ALJMP N0GO22:MOV B,#0AHDIV ABMOV 38H,BMOV 39H,ALJMP N0N2:JB K4,N0LCALL XIAOZHEN3MOV

29、C,25H.0JC A9A9:CLR 25H.0RETTIMEPRO:MOV A,21HMOV B,23HCJNE A,B,BKMOV A,22HMOV B,24HCJNE A,B,BKSETB 25H.0MOV C,25H.0JC XXXX:LCALL TIMEOUTBK:RETTIMEOUT:X1:LCALL BZLCALL DISPLAY2CLR 25H.0JB K4, X1RETBZ:CLR P3.7MOV R7,#250T2:MOV R6,#124T3:DJNZ R6,T3DJNZ R7,T2SETB P3.7JB K4,XYLCALL XIAOZHEN3MOV C,25H.0JC

30、XY1XY:RETXY1:LJMP LOOPXIAOZHEN1:LCALL DISPLAY1JB K1,XIAOZHEN1MOV C,K1JC XIAOZHEN1LCALL DELAYMOV C,K1JC XIAOZHEN1STOP1:MOV C,K1JNC STOP1LCALL DELAYMOV C,K1JNC STOP1SETB 25H.0RETXIAOZHEN2:LCALL DISPLAY2JB K2,XIAOZHEN2MOV C,K2JC XIAOZHEN2LCALL DELAYMOV C,K2JC XIAOZHEN2STOP2:MOV C,K2JNC STOP2LCALL DELAY

31、MOV C,K2JNC STOP2SETB 25H.0RETXIAOZHEN3:LCALL DISPLAY1JB K4,XIAOZHEN3MOV C,K4JC XIAOZHEN3LCALL DELAYMOV C,K4JC XIAOZHEN3STOP3:MOV C,K4JNC STOP3LCALL DELAYMOV C,K4JNC STOP3SETB 25H.0RETXIAOZHEN4:LCALL DISPLAY1JB K2,XIAOZHEN4MOV C,K2JC XIAOZHEN4LCALL DELAYMOV C,K2JC XIAOZHEN4STOP4:MOV C,K2JNC STOP4LCA

32、LL DELAYMOV C,K2JNC STOP4SETB 25H.0RETXIA0ZHEN5:LCALL DISPLAY1JB K3,XIAOZHEN5MOV C,K3JC XIAOZHEN5LCALL DELAYMOV C,K3JC XIAOZHEN5STOP5:MOV C,K3JNC STOP5LCALL DELAYMOV C,K3JNC STOP5SETB 25H.0RETXIAOZHEN6:LCALL DISPLAY2JB K3,XIAOZHEN6MOV C,K3JC XIAOZHEN6LCALL DELAYMOV C,K3JC XIAOZHEN6STOP6:MOV C,K3JNC

33、STOP6LCALL DELAYMOV C,K3JNC STOP6SETB 25H.0RETXIAOZHEN7:LCALL DISPLAY2JB K1,XIAOZHEN7MOV C,K1JC XIAOZHEN7LCALL DELAYJC XIA0ZHEN7ST0P7:M0V C,K1JNC ST0P7LCALL DELAYMOV C,K1JNC STOP7SETB 25H.0RETDELAY:MOV R4,#14HDLOO:MOV R5,#0FFHDL11:DJNZ R5,DL11DJNZ R4,DL00RETTIME:PUSH ACCPUSH PSWMOV TH0,#03CHMOV TL0,#0B0HDJNZ R2,RET0MOV R2,#14HMOV A,20HCLR CINC ACJNE A,#3CH,GO1MOV 20H,#0MOV 30H,#0MOV 31H,#0MOV A,21HINC ACJNE A,#3CH,GO2MOV 21H,#0HMOV 32H,#0MOV 33H,#0MOV A,22HINC ACJN