单片机电子时钟设计

1、单片机在多功能数字电子钟中的应用已是非常普遍,人们对电子时钟的功能及工作顺序都已非常熟悉了,但是却很少知道它的内部结构以及工作原理.由单片机作为电子 时钟的核心限制器,可以通过它的时钟信号来实现计时功能,将时间数据由单片机输出, 利用显示器将时间显示出来.通过键盘可以进行时间的设定.输出设备显示器可以用液 晶显示技术或数码管来显示技术.本系统利用单片机实现具有计时、校时等功能的数字电子时钟,是以单片机AT89C51 为核心元件同时采用LE躁码管显示器动态显示“时,“分,“秒的现代计时装置. 与传统机械表相比,它具有走时精确,显示直观等特点.另外具有校时功能,利用单片 机实现的数字时钟具有编程灵

2、活,便于功能的扩充等优点.第一章概述1.1 课题研究的目的和意义数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品, 广泛用于个人家庭以及办公室等公共 场所,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便.由于电子集成电路技术的开展和 采用了先进的石英技术,使电子钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点,它还用于计时、自动报时及自动限制等各个领域,因此进行电子钟的设计是必要的. 尽管目前市场上已 有现成的电子钟集成电路芯片出售, 价格廉价、使用也方便,但鉴于单片机定时器的功能也 可以完成电子钟电路的设计,因此进行电子钟的设计是可行的. 在这里我们将已学过的比拟 零散的数字电路和单片机的知识有机的、系统的

3、联系、组织起来应用于实际,来培养我们的 综合分析和设计电路,写程序,调试电路、程序的水平.单片机具有体积小、功能强、可靠性高、 价格低廉等一系列优点,不仅已成为工业测控 领域普遍采用的智能化限制工具,而且已渗入到人们工作和和生活的各个角落, 有力地推动 了各行业的技术改造和产品的更新换代,应用前景广阔.1.2 国内外研究的现状及开展趋势从单片机电子时钟近年的开展趋势来看,正朝着多层次用户、多品种、多规格、高精度、小体积、 低能耗等方面开展. 在这种趋势下,时钟的数字化,智能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向. 带有时钟功能的电子产品和电子设备进年来广泛地出现在国内外市场中,例如奥运会倒计

4、时显示屏、铁 路平安显示屏、生产线看板、体育比赛记时屏、大型室外高亮度时钟等,这类产品覆盖银行、医院、地 铁车站、体育运动、电视台、监控系统、高大建筑物等行业.作为一种人机接口方式,语音比显示屏, 鼠标键盘等设备更易于使用.而在设计里加上语音提示、音乐或者其他语音功能,还使得设计显得既人 性化又有趣,不但能提升开发者的兴趣和积极性,同时也能让设计作品与众不同,从而得到了各界领域 的广泛应用所以对语音的研究有很大的实际意义.1.3.1 设计目的：按要求完成单片机实现电子时钟系统.通过课题的设计与实现培养系统分析、设计的水平,从而到达以下水平练习:(1)、调查研究、分析问题的水平(2)、使用设计手

5、册、技术标准的水平(3)、查阅中外文献的水平(4)、制定设计方案的水平(5)、计算机应用的水平(6)、设计、计算和绘图的水平(7)、技术经济指示的分析水平(8)、语言文字表达的水平1.3.2 设计要求：利用DJ-598K试验仪的硬件资源,设计一个电子钟,利用四个数码管,在其上显示分、 秒；用4个小键盘分别进行分+ 1、分1、秒+ 1、秒1改变时间值.根本要求：(1)、设计实验电路(要求利用试验仪的硬件资源)(2)、分析实验原理(3)、列出实验接线表(4)、采用汇编语言写实验程序(5)、通过实验验证功能的实现(6)、编写课程设计说明书第二章总体方案设计2.1 课题总体功能分析与设计2.1.1 系

6、统需求分析本课题要求设计一个电子钟,利用四个数码管进行时间显示,在其上显示分、秒；用 4 个小键盘分别进行分+ 1、分1、秒+1、秒1改变时间值.但考虑到电子钟的实用性, 这里将对其进行扩充,是利用六个数码管进行时间显示,在其上显示时、分、秒；用 6个小 键盘分别进行时+ 1、时1、分+ 1、分1、秒+ 1、秒1来改变时间值.2.1.2 系统功能分析与设计有分析可得系统功能图2-1所示：单片机系统图2-1系统功能分析设计图2.1.3 系统设定详细说明本课题设计需要六个数码管进行时间显示,刚翻开电源时,系统初始状态显示的时间为 12:00:00 ,然后电路会自动开始计时.当秒到 60时,那么分上

7、加1同时秒位清零显示00,然 后再从00自动开始计时；当分到60时,那么小时上加1同时分位清零显示00,然后再从00 开始；当小时显示变为23:59:59时,接下来的显示那么变为00:00:00 ,电路自动开始计时, 然后循环上述过程进行计时.电路中有对时、分、秒进行加/减1的各自单独的时间调整按钮,时间调整按钮每按一次,那么相应调整的显示时间值加/减1.按S1键,那么秒+ 1;按S2键,那么秒一1;按S3键,那么分+ 1;按S4键,那么分一1;按S5键,那么小时+ 1;按S6键,那么 小时一1.利用MCS-51系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现时钟计数.(1)计数初值计算：把定时

8、器设为工作方式1,定时时间为50ms那么计数溢出20次即得时钟计时最小单位1s.定时器方式1为16位定时/计数器工作方式,用于定时工作方式时,计数时间为： T=(216-T0初值)X振荡周期X 12假设使用T/C0,方式1, 50ms定时,晶振频率f osc=12MHz那么初值X满足：6、-(2 -X) X 1/12MHZX 12X1 ps = 50000 sX=15536D>0011110010110000B> 3CB0H(2)采用中断方式进行溢出次数累计,计满20次那么为秒计时(1秒)；(3)从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比拟实现.2.3 电子钟的时间显示电子钟的时钟

9、时间要在六位数码管上进行显示,那么要在内部RAMfr设置缓存地址单元.显示存放器单元位：32H31H30H时显示存放器单元位分显示存放器单元位秒显示存放器单元位2.4 电子钟的时间调整时间调整：用6个按键S1、S2、S3 S4 S5 S6,通过P1.0P1.5 口将调整信号输入 单片机,再通过程序限制来完成时间调整的功能.2.5 总体方案介绍利用AT89C5俾片机内部的定时/计数器进行中断时,配合软件延时实现时、分、秒的 计时.该方案节省硬件本钱,且能使读者在定时 /计数器的使用、中断及程序设计方面得到 锻炼与提升,对单片机的指令系统能有更深入的了解,从而对学好单片机技术这门课程起到 一定的提

10、升作用.2.5.2 限制方案AT89C51的P0 口外接6位LED显示数码管的段选信号,P2 口外接6位LED显示数码管 的位选信号,P1 口外接6个调整时、分、秒加减的按键.2.5.3 硬件介绍(1) AT89C51是一种低功耗,高性能的 CMOS的微型计算机.片内有 4KBFLASH ( EPROM 可系统编程的只读存储器,该器件采用ATME公司的高密度非易失性存储器技术制造,与工业上标准的8031、8051和8751的指令系统及引脚兼容,它集Flash程序存储器既可在线编 程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用 8位微处理器于单片芯片中,片内Flash集成在一个芯片上,可用与解决复杂的

11、问题,且本钱较低.简易电子钟的功能不复杂,可灵活 应用于各种领域.AT89C51提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器,128字节内部RAM32 个 I/O 口线,看门狗(WDT ,两个数据指针,两个16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.同时,AT89C51可降至0Hz 的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式.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复位.(2)六位LED显示数码管由于考虑到充

12、分利用DJ-598K试验仪的硬件资源,所以使用DJ-598K试验仪的六位数码 管作为显示器,其是带有驱动器的六位数码显示管,如 图2-2.9 aaaaifis图2-2显示数码管实形图轨桦口J LED 74LK34O3 4 1*1 9* a1- 2*-*4 1* *图2-3显示数码管模块电路图数据插座：JS_LEg选扫描线；JLED_LE改选码第三章系统硬件电路设计根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块:单片机模块、数码显示模块与按键模块,模块之间的关系图如下面得方框电路图3-1所小.系统数码管显示时间调整输入图3-1 硬件电路万框图3.1 单片机模块设计3.1.1 芯片分析

13、MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构,AT89C51单片机引脚图3-2所示：P 1 .0P1.1P 1.2P 1 3P1 .4P 1 .5P 1 t6P1 .7(RXO) P3 0TXD) P3 1(ENTO P3 2 i-F7TT ：73.3(TD) P3 4(T t ) P3 5(WTT| P3.6(RTT) P3 7XT息 LNXTAL 1GMO匚匚匚匚匚匚匚匚已匚匚匚匚匚匚匚匚LT匚VCCPOD (ADD)P0.1 (AD1 )P0.2 (A D2)Pa.3 (AD3)P0.4 (AD4)PO.S (AD5)P0. (AD6&g

14、t;P0.7 (AD7)TT? VPP4 Lt/PROGPSENP2.7 315)P2 5 (AU)P2.5 (A 13)P2.4 (A 1 2)P2.3 ( A 1 1)P2 2 (A t 0 )P2.1 (A9)P2.0 (AS)nnnnnnnnnnnnnnrmnrmn图 3-2 AT89C51MCS-51单片机是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片,其各引脚功能如下：VCC +5V 电源.VSS接地.RST复位信号.当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效,用完成单片机的复位初始化操作XTAL1和XTAL2外接晶体引线端.当使用芯片内部时钟时,此二引线端用于外接石英晶体和微

15、调电容；当使用外部时钟时,用于接外部时钟脉冲信号.P0 口： P0口为一个8位漏极开路双向I/O 口,当作输出口使用时,必须接上拉电阻才 能有高电平输出；当作输入口使用时,必须先向电路中的锁存器写入“1,使FET截止,以防止锁存器为“ 0状态时对引脚读入的干扰.P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向I/O 口,它不再需要多路转接电路 MUX 因此它作为输出口使用时,无需再外接上拉电阻,当作为输入口使用时,同样也需先向其锁 存器写“1,使输出驱动电路的FET截止.P2 口： P2 口电路比P1 口电路多了一个多路转接电路 MUX这又正好与P0 口一样.P2 口可以作为通用的I/O

16、 口使用,这时多路转接电路开关倒向锁丰存器 Q端.P3 口： P3 口特点在于,为适应引脚信号第二功能的需要,增加了第二功能限制逻辑.当作为I/O 口使用时,第二功能信号引线应保持高电平,与非门开通,以维持从锁存器到输 出端数据输出通路的畅通.当输出第二功能信号时,该位应应置“1,使与非门对第二功能信号的输出是畅通的,从而实现第二功能信号的输出,具体第二功能如 表所示.端口引脚第二功能P30RXD 串行输入口P3JTXD 奉行哈出口P3.2INTO 外中断.P33intT 外中断1P34To定 B17 计数 45.P35门t定时/计数器1P36丽外部数据存储器写连通P37rd 1外部数据存储谯

17、读选通3.1.2 晶振电路图3-2所示为时钟电路原理图,在AT89C515片内部有一个高增益反相放大器, 具输入 端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2而在芯片内部,XTAL1和XTAL2之间跨接晶体 振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激振荡器.时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器 进行二分频之后,才成为单片机的时钟脉.Cl匚2内部时钟方式外说时钟方式图3-2晶振电路3.1.3 复位电路单片机复位的条件是：必须使 RST/VPD或RST引9加上持续两个机器周期即 24个振荡周期的高电平.例如,假设时钟频率为12 MHz,每机器周期为1s,那么只需2s以上时间的高电平,在RST5I脚出现

18、高电平后的第二个机器周期执行复位. 单片机常见的复位如下图.电路为上电复位电路,它是利用电容充电来实现的.在接电瞬间,RESE琳的电位与VCG目同,随着充电电流的减少,RESET勺电位逐渐下P10只要保证 RESE必高电平的时间大于两个机器周期,便能正常复位V cc上电自动复位手动复位电路图3-3 复位电路3.2 数码显示模块设计系统采用动态显示方式,动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示, 即循环点亮 每一个数码管,这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮, 但由于人眼存在视觉残留效 应,只要每位数码管间隔时间足够短,就可以给人以同时显示的感觉.图3-4数码显示电路3.3 按键模块设计图

19、3-5为按键模块电路原理图,时钟调整按键,分钟调整按键,秒钟调整按键.图3-5按键模块电路图四、系统软件设计4.1系统总体流程图根本的程序流程应该是：程序执行,先通过初始化各个存放器,在主程序中经过扫描按 键来检测各个时间按键是否有动作,从而决定是否设定参数来执行相应功能的程序,进而在 数码管上显示,假设有就储存并修改相关的的时间存放器的值, 假设没有就继续检测.在计时子 程序中将各时间存放器的值逐个加 1,每加一次就要检查是否已超过显示的上限值,这样在 后面就便于处理,在扫描显示子程序中,将扫描位数指针与数字字码表首地址相加, 从而得到相应的显示数据；然后根据显示的位数将数据从 P0和P2口

20、输出到数码管上去显示,当然 还有定时中断子程序,在这里,它实现计时 1S的时间延时.力密专器好魁I撷攵L室存会玄一二L图4-1系统总体流程图4.2源程序代码S_SETBITP1.0;秒+1端口SO_SETBITP1.1;秒-1端口M_SETBITP1.2;分+1端口MO_SETBITP1.3;分-1端口H_SETBITP1.4;时+1端口HO_SETBITP1.5;时-1端口SEQU 30H秒显不存放器单兀位MEQU 31H分显示存放器单元位HEQU 32H时显示存放器单元位ORG 0000HLJMP STARTORG 000FHLJMP INT_T0 ORG 0100HSTART: MOV

21、DPTR,#TAB MOV H,#12MOV M,#0MOV S,#0MOV R0,#0MOV TMOD,#01HMOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0HSETBSETBSETBTR0ET0EAS1:ACALLDELJBS_SET,A1INCSMOV A,SCJNEA,#60,J1MOV S,#0LJMPK1S2:ACALLDELJBSO_SET,A1DEC SMOV A,SCJNEA,#00,J2MOV S,#0LJMPA1S3:ACALLDELJBM_SET,A1K1:INCMMOV A,MCJNEA,#60,J3MOV M,#0LJMPK2S4:ACALLDELJBMO_SE

22、T,A1DEC MMOV A,MCJNEA,#00,J4MOV M,#0LJMPA1S5:ACALLDELJBH_SET,A1K2:INCHMOV A,HCJNEA,#24,J5MOV S,#0MOV M,#0MOV H,#0LJMP A1S6:ACALLDELJBHO_SET,A1DEC HMOV A,HCJNEA,#00,J6MOV H,#0LJMPA1A1:ACALLDISPLAYJNBS_SET,S1JNBSO_SET,S2JNBM_SET,S3JNBMO_SET,S4JNBH_SET,S5JNBHO_SET,S6LJMPA1J1:JBS_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ

23、1J2:JBSO_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ2J3:JBM_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ3J4:JBMO_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ4J5:JBH_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ5J6:JBHO_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ650ms20次INT_T0: MOV TH0,#3CH;设置定时初值MOV TL0,#0B0HINC R0MOV A,R0CJNE A,#20,RETUNE ;设置中断INC SMOV R0,#0MOV A,SCJNE A,#60,RETUNEINC MMOV S,#0MOV A,

24、MCJNE A,#60,RETUNEINC HMOV M,#0MOV A,HCJNE A,#24,RETUNEMOV H,#0MOV M,#0MOV S,#0MOV R0,#0RETUNE:RETIDISPLAY:MOV A,SMOV B,#10DIVABCLRP2.6;秒片选H位MOVCA,A+DPTRCPLAMOV P0,A;段选信号输出口ACALLDELSETBP2.6MOV A,BCLRP2.7;秒片选L位MOVCA,A+DPTRCPLAMOV P0,AACALLDELSETBP2.7MOV A,MMOV B,#10DIVABCLRP2.3;分片选H位MOVCA,A+DPTRCPLAM

25、OV P0,AACALLDELSETBP2.3MOV A,BCLRP2.4;分片选L位MOVCA,A+DPTRCPLAMOV P0,AACALLDELSETBP2.4MOV A,HMOV B,#10DIVABCLRP2.0;时片选H位MOVC A,A+DPTRCPLAMOV P0,AACALL DELSETB P2.0MOV A,BCLRP2.1;时片选L位MOVC A,A+DPTRCPLAMOV P0,AACALL DELSETB P2.1RETTAB:DB 03H,9FH,25H,0DH,99H,49H,41H,1FH,01H,09H;数字字码表DEL:MOV R6,#10LOOP1: M

26、OV R7,#100LOOP2: DJNZ R7,LOOP2 DJNZ R6,LOOP1 RET END五、系统仿真与测试5.1 系统仿真运用proteus软件进行仿真现在proteus软件中建立一个新的文件,再根据自己的要求 选择所需的器件,把器件进行适当的排位后进行连接,连接后运行软件进行仿真.如图5-1C1KTiUi口州n FQ.1WOXM 口心 一口与1型 g部注U心-=Ham 珞 tC：13弋nnnn uuuuU2:BUUBSCPZJy.flB 降h岫 町与蝴 P23A.A 建承丸1E F2SA0 阳解 PJ.TW.'E=31'T：-0 FzaTn 崎mrF3STI

27、福丽r.P3.TiW图5-1系统仿真图5.2 实验接线此接线以在DJ-598K试验仪上为例,由于课题要求利用DJ-598K试验仪的硬件资源,又 由于DJ-598K试验仪内关于电源线、地线、晶振、复位等局部接线均以接好,且最终也要在 DJ-598K试验仪上实现系统.接线1接到接到接到秒加P1.0P0.0JLED.7P2.JS.0秒减P1.1P0.1JLED.6P2.JS.1分加P1.2P0.2JLED.5分减P1.3P0.3JLED.4P2.JS.2时加P1.4P0.4JLED.3P2.JS.3时减P1.5P0.5JLED.2P0.6JLED.1P2.JS.4P0.7JLED.0P2.JS.5接

28、线2设置开关设置设置JK外接CP叶上拨码开关K1、K8ONu Vision中的debugUSE KeilMonitor-51DriverPort :COM1 口KB651K2、K3 K4K5、K6、K7OFFBandrate :57600仿真实验接线,那么按系统仿真图进行线路的连接.5.3 实验测试电子时钟主要的设计要求是能够实现时钟的一般功能,以及包括时间的调整功能,这个基于单片机的电子时钟根本上实现了上述功能, 能够通过时间调整电路对时间进行调整以及 时间计时.图5-2为23:45:10的仿真图：图5-2 23:45:10时刻的仿真效果总结单片机作为我们主要的专业课程之一,我觉得单片机课程设计很有必要,而且很有意义. 但当拿到题目时,确实不知道怎么着手,有些迷茫,但想到谢永宁老师在上课时,给我们很详细的开发、分析过一个工业实例,在这个案例的启发、帮助下,历时一个星期,解决了一 个又一个难题,终于完本钱次课题任务.通过本课程设计培养我的系统设计水平, 使我得到了水平上的练习,培养和提升我以下 方面的水平：(1)、调查研究、分析问题的水平(2)、使用设计手册、技术标准的水平(3)、查阅中外文献的水平(4)、制定设计方案的水平(5)、计算机应用的水平(6)、设计计算和绘图的水平(7)、技术经济指示的分析水平(8)、语言文字表