基于单片机定时闹钟设计

前言本设计是基于单片机的定时闹钟设计。单片机是在一块半导体芯片上集成了CPU、存储器以及输入和输出接口电路的微型计算机；其集成度高、功能强、通用性好，特别是它具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜、抗扰、能力强和使用方便,软硬件结合、灵活稳定、软件硬化、硬件软化，适合应用于多种环境、可在恶劣环境中工作等特点。它不仅仅是一项技术性上的突破，同时也是对能源方面的有效节约与有效利用，因此深受国家有关技术部门和能源部门的重视和支持。其组合而成的配件产品在日常生活的使用过程中非常方便、简单且实用，深受着广大消费者的喜爱，从而使单片机技术在社会中得到了广泛的发展和应用。目前，已成为测量控制应用系统中的优选机种和新电子产品的关键部件。特别是20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快，推广率高，市场利润率高。而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。

本次设计的定时闹钟在硬件方面就采用了AT89C51芯片，用2个LED数码管来进行显示。第一个LED用P0口进行驱动，第二个LED用P2口进行驱动，能够比较准确显示分钟数。通过S1、S2、S3、和S4四个功能按键可以实现对定时闹钟的启动、复位和定时，定时时间到喇叭可以发出闹铃声。在软件方面采用汇编语言编程。整个定时闹钟系统能完成时间的显示，调时和定时闹钟、复位等功能，并经过系统仿真后得到了正确的结果目录前言第一章设计目的及要求 41.1、设计目的 41.2、设计要求 41.2.1、课程设计要求 41.2.2、基本设计功能要求主要分为以下几个部分： 4第二章方案设计 52.1、几种常见的定时闹钟 52.1.1、普通机械闹钟 52.1.2、晶体管闹钟 52.1.3、石英电子闹钟 52.2、研究背景 52.3、本文研究的主要内容 52.4、方案论证 62.4.1、方案 6第三章主要元器件介绍 73.1、AT89C51单片机介绍 73.1.1、AT89C51芯片简介 73.1.2、引脚说明 73.2、时钟电路 93.3、7SEG-BCD 9第四章硬件电路设计 104.1、晶振时钟电路设计 104.2、复位电路设计 104.3、定时输入电路设计 104.4、显示电路设计 114.5、启动和复位计时电路 124.6、闹钟响铃电路设计 12第五章软件设计及主要子程序 135.1、软件设计思路 135.2、主程序模块 135.3、定时输入子程序设计 145.4、显示子程序设计 145.5、启动和复位子程序设计 145.6、计时响铃子程序设计 14第六章系统仿真与调试 156.1、Keil编译 156.2、Protues仿真平台 156.2.1、Protues仿真简介及部分模块仿真 156.2.2、硬件电路总图与仿真 16第七章操作方法及效果 17第八章课程设计总结 20参考文献 21附录1 22汇编程序 22附录2 25PCB生成图 25附录3 26定时闹钟原理图 26

第一章设计目的及要求1.1、设计目的本次课程设计目的在于真正的把所学单片机理论知识应用于实际，更加熟悉51单片机的硬件与软件。能灵活运用Keil进行软件编程调试以及用proteus软件仿真。本次设计组成定时闹钟系统，画出系统硬件电路图，设计编写开关控制定时、LED显示、声响铃、定时启动及复位等子程序。在调试程序时，要求整个系统工作正常、显示正确、结果满意，掌握该芯片的工作原理并完成读、写程序的设计、编写和调试。1.2、设计要求1.2.1、课程设计要求能熟练运用51单片机实现硬件与软件结合完成电子产品的设计，把理论真正运用于实践，会用Keil等软件编程调试运行，熟悉应用Proteus软件仿真。强化编程练习，注意查询方式与中断方式的区别等等。1.2.2、基本设计功能要求主要分为以下几个部分：1）由于要显示数字时间，所以需要2个数码管。

2）时间的定时用时钟电路，修改时间和定时用手动按键控制，闹铃声通过喇叭发出3）记时完成后，通过复位键将整个闹钟变为初始状态

4)AT89C51单片机加上外围器件（数字显示器7SEG-MPX6-CC-BLUE，RESPACK-8排阻和SPEAKER喇叭）和应用程序（ISIS

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Professional软件和WAVE6000编译软件），构成相应的应用系统。

第二章方案设计2.1、几种常见的定时闹钟2.1.1、普通机械闹钟这种机械闹钟结构简单、使用方便、价格便宜，其中的原动系以发条为贮能元件，机械式音乐闹钟上还带有以闹发条驱动的带拨针的滚轮，拨针按曲谱排列，拨动音簧，演奏出音乐，但在使用中暴露了很多缺点：机械闹钟的发条是靠金属制成的，经过较长时间的磨损会影响到计时的精度。2.1.2、晶体管闹钟一种电机械钟。又称摆轮游丝式电子钟。它采用机械式钟的摆轮游丝振动系统，但以电池为能源。电池的能量通过一个晶体管开关电路直接传递给摆轮游丝系统，从而维持摆轮的不衰减振动。通过\o"快慢针"快慢针调节游丝的工作长度，可调节振动周期。摆轮通过计数机构驱动齿轮传动系统和指针系统，以指示时间。晶体管钟可带闹时机构和日历机构,并可与收音机结合构成钟控收音机。但是这种闹钟在实际应用中的计时很不准确，并且耗电量也比较大，现在基本上已经很少有人使用2.1.3、石英电子闹钟该类定时闹钟采用单片机作为基础，通过将程序写入单片机中，来对闹钟进行多功能的控制，所需要的硬件电路很少，采用这种闹钟具有极大的优势，它的结构简单，维修方便，并且造价低，功耗低，可以长时间工作，并且计时准确，误差很小，在现在的生产和生活中的到了广泛的应用。2.2、研究背景电子闹钟是采用数字电路实现对时间数字显示的机械装置，广泛应用于个人家庭，车站，码头，办公室等公共场合，称为人们日常生活中不可或缺的的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，是的数字钟的精度远远超于老式钟表，钟表的数字化给人们生产和生活带来了极大的方便，而且大大地拓展了钟表的报时功能。诸如定时自动报警、自动按时打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动启闭路灯、定慧寺开关烘箱、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。数字钟已经成为人们日常生活中必不可少的必需品，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的技术，是数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优势，它还用于计时自动报时及自动控制领域。因此，研究定时数字闹钟及扩大其应用有着非常现实的意义。2.3、本文研究的主要内容设计内容完全按照前面的设计要求完成，完全满足前面的设计要求。2.4、方案论证2.4.1、方案方案：设计选用单片机AT89C51作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的电子闹钟功能。方案完全按照第1章的基本设计要求设计。AT89C51显示模块启动电路AT89C51显示模块启动电路闹钟响铃复位电路置数分钟数闹钟响铃复位电路置数分钟数图2.1单片机控制方案

第三章主要元器件介绍3.1、AT89C51单片机介绍3.1.1、AT89C51芯片简介AT89C51是MCS—51系列单片机中的一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。主要性能：与MCS-51微控制器产品系列兼容。片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器存储数据保存时间为10年。宽工作电压范围：Vcc可为2.7V到6V全静态工作；可从0Hz至16MHz程序存储器具有3级加密保护128*8位内部RAM32条可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、中断结构具有5个中断源和2个优先级、可编程全双工串行通道、空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统各部分功能及说明类似于8051单片机内部结构说明。特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的各功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见，89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个1位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机设计的精美之处。3.1.2、引脚说明图3.1是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。图3.1AT89C51引脚图P00～P07P0口8位双向口线（在引脚的39～32号端子）。P10～P17P1口8位双向口线（在引脚的1～8号端子）。P20～P27P2口8位双向口线（在引脚的21～28号端子）。P30～P37P3口8位双向口线（在引脚的10～17号端子）。1、P0口有三个功能：(1)外部扩展存储器时，用作数据总线（如图中的D0～D7为数据总线接口）(2)外部扩展存储器时，用作地址总线（如图中的A0～A7为地址总线接口）(3)不扩展时，可做一般的I/O口使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。2、P1口功能：P1口只做I/O口使用，其内部有上拉电阻。3、P2口有两个功能：(1)扩展外部存储器时，当作地址总线使用；(2)做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。4、P3口有两个功能：除了作为I/O口使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。5、ALE/PROG地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。PROG为编程脉冲的输入端，在89C51单片机内部有一个4KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。6、PSEN外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作:(1)内部ROM读取时，PSEN不动作；(2)外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；(3)外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；(4)外接ROM时，与ROM的EA脚相接。7、EA/VPP访问程序存储器控制信号：(1)接高电平时：CPU读取内部程序存储器（ROM）(2)接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。8、RST复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。9、XTAL1和XTAL2：外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。10、VCC：电源端接+5V电压输入。11、GND：接地端。3.2、时钟电路单片机的时钟产生方法有两种:内部时钟方式和外部时钟方式。本系统中AT89C51单片机采用内部时钟方式。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体为12MHz。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小和振荡电路起振速度有少许影响，一般可在20pF～100pF之间取值。

上拉电阻：RESPACK－8

控制按键：BUTTON

本系统要进行时间的调整和定时，因此用4个手动按键对其进行控制。3.3、7SEG-BCD7SEG-BCD是1位4段共阴数码管，显示为红色。它共有四个引脚，自带译码器，只要将要输入的二进制编码输入这四个引脚，就会显示数输入的二进制数对应的数。这里使用了两个7SEG-BCD，一个接在P0口，显示分钟数的十位，一个接在P2口，显示分钟数的个位。

第四章硬件电路设计硬件电路的设计主要包括、晶振时钟电路设计、复位电路设计、定时输入电路设计、显示电路设计、启动和复位计时电路以及闹钟响铃电路的设计。4.1、晶振时钟电路设计单片机XTAL1和XTAL2分别接30pF的电容，中间再并一个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路。图4.1晶振电路4.2、复位电路设计图4.2复位电路4.3、定时输入电路设计定时输入电路由两个按键构成，一个按键接在外部中断0上，每次按下这个键，定时的分钟数的十位数就加一，另一个按键接在外部中断1上，每次按下这个键，定时分钟数的个位数就加一。由这两个键来控制定时的置数功能。图4.3定时输入电路4.4、显示电路设计7SEG-BCD是1位4段共阴数码管，显示为红色。它共有四个引脚，自带译码器，只要将要输入的二进制编码输入这四个引脚，就会显示出输入的二进制数对应的数。这里使用了两个7SEG-BCD，一个接在P0口，显示分钟数的十位，一个接在P2口，显示分钟数的个位。如下图所示：图4.4.1显示电路同时P0口作为输入输出口使用时需要用到上拉电阻，这里用RESPACK－8

图4.4.2上拉电阻4.5、启动和复位计时电路定时输入电路由两个按键构成，一个按键是启动计时电路按钮，接在P1.0上，每次按下这个键，定时就开始了，另一个按键是复位计时按钮，接在P1.1上，每次按下这个键，整个定时闹钟系统就恢复到开机时的初始状态。由这两个键来控制定时闹钟的启动和复位功能。图4.5启动和复位计时电路4.6、闹钟响铃电路设计图4.6闹钟响铃电路第五章软件设计及主要子程序5.1、软件设计思路定时闹钟工作的主要过程是LED数码管显示初始化的时间分钟数的值为59，通过按键输入定时的分钟数，同时LED实时显示时间分钟数，按下启动计时键后，定时闹钟开始计时，每计时一分钟，LED显示的分钟数减一，当时间减到0后，蜂鸣器发出声音表示闹钟已响，并且此时的LED显示为0F，并停止继续计数，当按下复位键后，定时闹钟恢复到初始化后的值。5.2、主程序模块主程序主要完成初始化、设置中断向量、检查有无按键以及调用显示等，当初始化后就会自动等待有无定时操作、启动操作和复位操作。主程序流程图如下，（此模块程序见附录）。开始开始初始化显示时间复位操作有误？启动按键键？键？各位恢复到初始状态NYNY计时响铃程序开定时/计数器0中断开外部中断0和1图5.1主程序流程图5.3、定时输入子程序设计定时输入程序采用中断的方式，一个按键接在外部中断0上，每次按下这个键，定时的分钟数的十位数就加一，当加到6时自动跳变到0；另一个按键接在外部中断1上，每次按下这个键，定时分钟数的个位数就加一，当加到10，也就是0AH时自动跳变到0。由这两个键来控制定时的置数功能，完成了从0~60min的定时置数。（此模块程序见附录）5.4、显示子程序设计由于是采用两个7SEG-BCD分别做分钟数的十位和各位，并且这两个7SEG-BCD分别接在P0口和P2口上，因此直接将要输出的数据输入到P0口和P2口上即可。（此模块程序见附录）5.5、启动和复位子程序设计启动和复位子程序都采用查询的方式，先检测P1.1口是否为1，当复位键按下时，P1.1口的值为0，若为0，则跳转到复位子程序，将各个寄存器的值恢复成开机时的状态；若为1，则跳转到M0子程序，检测P1.0口是否为1，当启动键按下后，P1.0口的值为0，若为0，则跳转到启动子程序，打开定时/计数器中断，并开启计数器；若为1，则跳回主程序的开始部分循环。（此模块程序见附录）5.6、计时响铃子程序设计给计数器计入的处置为3CB0H，也就是说每计时50ms，定时/计数器产生一次中断，每执行一次中断，在中断中对寄存器R5中的值减一，因此给R5中写入20，当R5减到0时，正好计时为一秒钟，R5每次减到0，就给它重新赋值20，并且将R4中的值减1，给R4中计入60，当R4减为0时正好计时一分钟，此时给R4重新赋值60，并将P2口的输出值减1，当该口也减到0后，给他重新赋值10，并且给P0口输出值减1，当这些寄存器中的值均为0时，给P1.7位置1，此时蜂鸣器发出响声，并且把定时/计数器中断关闭。（此模块程序见附录）

第六章系统仿真与调试6.1、Keil编译KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。如果使用C语言编程，那么Keil几乎就是不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。本次设计采用汇编语言编程，生成.hex文件以供装载到Protues中的单片机进行仿真。图6.1程序代码编写6.2、Protues仿真平台 6.2.1、Protues仿真简介及部分模块仿真Protues软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。迄今为止是世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译。目标代码的加载方法为，在Protues编辑环境双击AT89C51，弹出下图所示的对话框，在PROGRAMFILM一栏中单击打开按钮，选中Keil中生成的naozhong.hex文件，在CLOCKFREQUENCY栏中设置系统工作频率为12MHZ，单击OK完成目标代码的加载。图6.2程序代码加载6.2.2、硬件电路总图与仿真点击运行按钮启动系统仿真，初始状态显示的分钟数为59。硬件总图如下：图6.2总图

第七章操作方法及效果点击运行后，开机是自动显示的分钟数是59图7.1定时闹钟开机通过对定时输入电路的两个按键，一个按键接在外部中断0上，每次按下这个键，定时的分钟数的十位数就加一，另一个按键接在外部中断1上，每次按下这个键，定时分钟数的个位数就加一。由这两个键来控制定时的置数功能。图7.2定时闹钟定时置数之后如果按下启动计时键，则开始计时，如果按下复位键，则进行复位操作，将各个寄存器的值变为初始化时的值，并将P1.7位清0，即关闭蜂鸣器。图7.3定时闹钟启动计时

图7.4定时闹钟复位

第八章课程设计总结通过本次单片机原理及应用课程设计使我充分认认到了课程设计的理要性和必要性，本次设计使我对已学过的基础知识有了更深入的理解。单片机课程设计，从理论到实践，对所学的课本知识有了更深一步的认识，掌握的更加全面、深入。实验过程中，遇到了不少困难的问题：对单片机汇编语言的理解不够深刻，对于简短的程序可以明白，但是，到一个大的程序中，理解掌握就有一定的难度了，这样就需要更近一步地理解其中的知识点。

实验的设计当中有很多的程序调用，这就需要认真处理好内部的程序之间的使用。通过这次的课程设计加深了对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去。

实验过程的细节让我更加地确定做什么事情都要细心、仔细，不放过任何一个小小的点，只有这样，我们才以最高的效率完成任务。同时，不要忽视了同伴的作用，当自己在一个问题上悬而未决，这时同伴的一句话提醒，就可以让你豁然开朗，柳暗花明。很多实验当中遇到的问题让我明白：1.

在设计程序之前,务必要对所学单片机课程的内容有一个系统的了解,知道单片机片内片外的内容及其功能。

2.

设计程序关键要有一个清晰的思路和一个完整的软件流程图。模块化的设计思想在程序设计中的作用是重大的，它可以为你提供一个比较清晰的思路，并且很容易找到头绪，不至于在编写一个程序时感觉到无从下手。

3.

在设计程序时,不能妄想一次就将整个程序设计好,"反复修改,不断改进"是程序设计的必经之路。程序刚开始编好时，一般情况下会存在很多错误，要不断地修改，不断的改进才能达到预期的目的，编写程序的时间并不是很长，主要是花很多时间去修改程序。

4.

要养成注释程序的好习惯,让人一看就能明白你的思路,这样也为资料的保存和交流提供了方便。刚开始我在编写程序时，很不习惯于写注释，感觉很麻烦，而且没用，但是在修改的过程中我就遇到了较大的麻烦，以至于不得不重新的作了注释，以增加程序的易读性，从而使修改过程变得容易一些。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].郭文川主编.MCS-51单片机原理、接口及应用.北京：电子工业出版社，2012

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单片机原理及接口技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990

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[5].谭浩强.单片机课程设计.

北京：清华大学出版社，1989

[6].李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，1992

附录1汇编程序;*******************************************************ORG0000HLJMPMAINORG0003HLJMPSETTIME1ORG000BHLJMPTIMEORG0013HLJMPSETTIME2ORG0100HMAIN:MOVSP,#30HMOVR0,#05HMOVR1,#09HMOVR4,#3CHMOVR5,#14HMOVTMOD,#01H；采用定时/计数器0，方式1MOVTH0,#3CHMOV