简易电子钟的设计

湖南建高等专科学校课程设计说明书课题名称:简易电子钟的设计专业名称:学生班级:学生姓名:学生学号:指导教师:《单片机技术》课程设计任务书一、设计题目：简易电子钟的设计二、适用班级：电气0401～0405三、指导教师：王韧四、任务与要求：在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以其高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器，单片机结合简单的接口电路即可构成电子钟，它可广泛应用于工业、农业、日常生活等领域，与传统钟表相比较，它具有高精度、高可靠性、操作方便、价格便宜、智能化等特点，是钟表的一个发展方向，具有一定的实用价值。1、本课题任务如下：设计一个具有特定功能的电子钟。该电子钟上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入时钟准备状态；第一次按电子钟启动/调整键，电子钟从0时0分0秒开始运行，进入时钟运行状态；再次按电子钟启动/调整键，则电子钟进入时钟调整状态，此时可利用各调整键调整时间，调整结束后可按启动/调整键再次进入时钟运行状态。2、本课题可选择设计方案如下：（1）、基于单片机并行口的电子钟的设计在AT89S52的P0口和P2口外接由六个LED数码管(LED5～LED0)构成的显示器，用P0口作LED的段码输出口（P0.0～P0.7对应于LED的a～dp），P2.5～P2.0作LED的位控输出线（P2.5～P2.0对应于LED5～LED0），P1口外接四个按键A、B、C、D（对应于P1.0～P1.3）。（2）、基于单片机串行口的电子钟的设计将AT89S52的串行口扩展成并行口,外接由六个LED数码管(LED5～LED0)构成的显示器；P1口外接四个按键A、B、C、D（对应于P1.0～P1.3）。（3）、基于Intel8279的电子钟的设计利用Intel8279芯片为AT89S52扩展并行口,通过Intel8279外接由六个LED数码管(LED5～LED0)构成的显示器和由四个按键A、B、C、D构成的键盘。（4）、基于Intel8155的电子钟的设计利用Intel8155芯片为AT89S52扩展并行口,通过Intel8155外接由六个LED数码管(LED5～LED0)构成的显示器和由四个按键A、B、C、D构成的键盘。（5）、基于Intel8255的电子钟的设计利用Intel8255芯片为AT89S52扩展并行口,通过Intel8255外接由六个LED数码管(LED5～LED0)构成的显示器和由四个按键A、B、C、D构成的键盘。3、本课题基本要求如下：（1）、六个LED显示当前时间；（2）、四个按键的功能：A键用于电子钟启动/调整；B键用于调时,范围0-23,0为24点,每按一次时加1;C键用于调分,范围0-59,0为60分,每按一次分加1;D键用于调秒,范围0-59，0为60秒,每按一次秒加1；（3）、单片机采用AT89S52，fosc=6MHZ；（4）、计算机打印《单片机技术》课程设计说明书一份；（5）、设计时间：二周；（6）、制作简易电子钟实物；（7）、人员分组：一人一组或多人一组（不超4人）。五、《单片机技术》课程设计说明书正文主要内容参照“《单片机技术》课程设计说明书正文主要内容”文件。六、《单片机技术》课程设计说明书书写格式参照“《单片机技术》课程设计说明书书写格式”文件。七、参考资料1、曹巧媛，单片机原理及应用[M]，北京：电子工业出版社，1997.7；2、赵秀珍，单永磊，单片微型计算机原理及其应用[M]，北京：中国水利水电出版社，2001.8；3、张毅刚，修林成，胡振江，MCS-51单片机应用设计[M]，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990.8；4、张洪润，兰清华，单片机应用技术教程[M]，北京：清华大学出版社，1997.11；5、李华，MCS-51系列单片机实用接口技术[M]，北京：北京航空航天大学出版社，1993.8；6、陈景初，单片机应用系统设计与实践[M]，北京：北京航空航天大学出版社；7、马家辰，MCS-51单片机原理与接口技术[M]，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社；8、刘守义，单片机应用技术[M]，西安：西安电子科技大学出版社；9、马忠梅，单片机的C语言Windows环境编程宝典[M],北京：北京航空航天大学出版社，2003.6；10、李光飞,单片机C程序设计指导[M],北京:北京航空航天大学出版社，2003.01；11、李朝青,单片机学习指导[M],北京:北京航空航天大学出版社，2005.10；12、李朝青,单片机学习辅导测验及解答讲义[M],北京:北京航空航天大学出版社，2003.7；13、李光飞,单片机课程设计实例指导[M],北京:北京航空航天大学出版社，2004.9。电气自动化教研室摘要第1章电子钟功能说明及方案介绍1.1电子钟功能说明该电子钟上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入时钟准备状态；第一次按电子钟启动/调整键，电子钟从0时0分0秒开始运行，进入时钟运行状态；再次按电子钟启动/调整键，则电子钟进入时钟调整状态，此时可利用各调整键调整时间，调整结束后可按启动/调整键再次进入时钟运行状态。1.2总体方案介绍与选择1.2.1本课题可选择设计方案如下：（1）、基于单片机并行口的电子钟的设计在AT89S52的P0口和P2口外接由六个LED数码管(LED5～LED0)构成的显示器，用P0口作LED的段码输出口（P0.0～P0.7对应于LED的a～dp），P2.5～P2.0作LED的位控输出线（P2.5～P2.0对应于LED5～LED0），P1口外接四个按键A、B、C、D（对应于P1.0～P1.3）。（2）、基于单片机串行口的电子钟的设计将AT89S52的串行口扩展成并行口,外接由六个LED数码管(LED5～LED0)构成的显示器；P1口外接四个按键A、B、C、D（对应于P1.0～P1.3）。（3）、基于Intel8279的电子钟的设计利用Intel8279芯片为AT89S52扩展并行口,通过Intel8279外接由六个LED数码管(LED5～LED0)构成的显示器和由四个按键A、B、C、D构成的键盘。（4）、基于Intel8155的电子钟的设计利用Intel8155芯片为AT89S52扩展并行口,通过Intel8155外接由六个LED数码管(LED5～LED0)构成的显示器和由四个按键A、B、C、D构成的键盘。（5）、基于Intel8255的电子钟的设计利用Intel8255芯片为AT89S52扩展并行口,通过Intel8255外接由六个LED数码管(LED5～LED0)构成的显示器和由四个按键A、B、C、D构成的键盘。1.2.2方案选择的确定在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以其高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器，单片机结合简单的接口电路即可构成电子钟，它可广泛应用于工业、农业、日常生活等领域，与传统钟表相比较，它具有高精度、高可靠性、操作方便、价格便宜、智能化等特点，是钟表的一个发展方向，具有一定的实用价值。所以我们小组选择方案二基于单片机串行口的电子钟的设计。第2章电子钟的工作原理2.1电子钟的组成框图本电子钟电路主要由振荡电路、复位电路、AT89S52、键盘电路、显示电路驱动电路构成，其具体结构功能如图2-1所示。键盘电路 ＬＥＤ 路驱动电复位电路振荡电路图2-1电子钟的组成框图2.２电子钟的工作原理2.1、实现时钟计时的基本方法：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；把定时器设为工作方式1，定时时间为125mS，则计数溢出8次即得时钟计时最小单位秒，而8次计数可用软件方法实现。假设使用T/C0，方式1，125mS定时，fosc=12MHz。则初值X满足（216-X）×2=125000X=6070→1011110110110→0BDCH(2)、采用中断方式进行溢出次数累计,计满8次为秒计时（1秒）；(3)、从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比较实现。2.2、电子钟的时间显示电子钟的时钟时间在六位数码管上进行显示，因此，在内部RAM中设置显示缓冲区共6个单元。LED5LED4LED3LED2LED1LED07EH7DH7CH7BH7AH79H显示缓冲区从左至右依次存校时，分、秒的数值。2.3、电子钟的启、停及时间调整电子钟设置4个按键通过程序控制来完成电子钟的启、停及时间调整。A键控制电子钟的启、停；B键调整时；C键调整分；D键调整秒。电子钟整机电路框图、整机电路原理图、电源电路原理图PCB图第4章、电子钟元器件清单第５章电子钟单元电路工作原理５.1单片机介绍AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。51单片机主要包括运算器、控制器、存储器、输入/输出电路、串行口电路、中断和定时电路，如下图2-2单片机系统结构框图。中断中断4KB程序存储器128B数据存储器2个16位定时/计数器64KB总线扩展控制可编程I/O口可编程串行口CPU振荡器及定时电路中断频率基准源计数器控制并行I/O口串行输入串行输出图2-2单片机系统结构图5.1.1单片机内部逻辑结构（1）中央处理器（CPU）：CPU是单片机的核心，完成运算和控制操作，中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。（2）内部数据存储器：80C51芯片中共有256个RAM单元，其中后128单元被专用寄存器占用，供用户使用只是前128个单元，用于荐放可读定的数据。（3）内部程序存储器：80C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始数据。（4）定时器/计数器：80C51共有两个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。（5）并行I/O口：80C51共有4个8位的I/O口，以实现数据的并行输入输出。（6）串行口：以实现单片机和共它数据设备之间的串行数据传送。（7）中断控制系统：80C51共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。（8）时钟电路：时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。（9）位处理器：位处理器以状态寄存器中选择进位标志位C为累加器，可进行置位、复位、取反、等于“0”转移、等于“1”转移且清“0”以及C与可寻址之间的传送、逻辑与、逻辑或等位操作。（10）总线：系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送。5.1.2引脚功能80S51是标准的40引脚双列插式集成电路芯片，其外观如图2-3。图2-3引脚排列1）、电源引脚VCC——40电源端GND——20接地端工作电压为5V，另有AT89S51工作电压则是2.7-6V,引脚功能一样。2）、外接晶体引脚：XTAL1——19XTAL2——18XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。3）、复位RST——9在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0－P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位操作不会对内部RAM有所影响。其第二功能可作为备用电源引脚，当电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。4）、输入输出引脚（1）、P0端口[P0.0～P0.7]P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个TTL。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。（2）、P1端口[P1.0～P1.7]P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。（3）、P2端口[P2.0～P2.7]P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。（4）、P3端口[P3.0－P3.7]P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接控制信息。除此之外P3端口还用于一些专门功能，具体请看表2：表2P3口线的第二功能5）、ALE——30地址锁存控制信号在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外ALE是以六分之一的晶振频率的固定频率输出的正脉冲，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。其次该引脚还可有第二功能，可作为编程时的编程脉冲。PSEN6）、——29外部程序存储器读选通信号PSENPSEN在读外部ROM时有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。PSENEA7）、——31访问程序存储器控制信号EAEA当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当EAEAEA8）、VSS——20地线5.1.3单片机内部资源分配AT89C51单片机内部有数据存储器(RAM)和程序存储器(ROM),共256个RAM存储器单元和4KBROM存储单元。对于256个RAM单元划分为两个部分,低128单元(00H～7FH)和高128单元，其中低128单元是单片机供用户使用的RAM存储单元，分为寄存器区、位寻址区、用户RAM区。通用寄存器32个单元，位寻址区16个单元，用户RAM区80个单元。高128单元为专用寄存器区。对于4KBROM区，其中0000H～0002H为启动单元，0003H～002AH共40个单元分为五段，每段8个单元为五个中断源地址区。现将本次课程设计中使用到的内部资源情况如下所述：堆椎60H5.2时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟们号，单元片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序时行工作。C2晶振XTAL2XTAL1至内部C2晶振XTAL2XTAL1至内部时钟电路8051C1图（2）振荡电路电路中的电容C1和C2为30pF左右，而晶体的振荡频率范围通常是1.2MHZ～12MHZ，晶体振荡频率高，则系统的时种频率也高，单片机运行速度就更快，本次设计晶振为6MHZ。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出.该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。定时振荡器的工作可由专用寄存器PCON的PD位进行控制，把PD位置“1”，振荡器停止工作系统进入低功耗状态。单片机振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用，而是经分频后再为系统所用，电路时钟框图如图（3）所示。P2P2P1XTAL2XTAL1ALE÷3振荡器÷2QQ状态时钟÷6机器周期图（3）时钟电路框图振荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号，在二分频的基础上再三分频产生ALE信号（ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲），再在二分频的基础上再六分频得到机器周期信号。5.3复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作使系统处于死锁状态，为摆脱困境，也需按复位健以重新启动。图3-3复位电路逻辑图RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间要达到2个机器周期以上。产生复位信号的电路逻辑如图3-3所示。图3-3复位电路逻辑图整个复位电路包括芯片内外两部分，外部电路产生的复位信号（RST）送施密特触发器，再由片内复位电路在每个周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需的信号。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，本次设计采用按键复位，其电路原理图如图3-4所示，其中按键电平是通过使复位端经电阻与VCC电源接通面实现的。图3-4按键电平复位图3-4按键电平复位5.4键盘电路图3-5键盘电接口电路由于本次电子钟需要的键盘只有4个，所以采用了独立式键盘，按键一端通过限流电阻接电源VCC，一端通过按键接地GND，在没有按键时，键盘输入单片机为高电平“1”，当有键按下时，输入单片机的为低电平“0”。电路如图3-5所示。图3-5键盘电接口电路5.5显示电路本次设计采用了LED显示，通常所说的LED显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器，其排列形状如图3-6所示。图3-6LED显示器排列图图3-6LED显示器排列图为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是为显示字形的,因此称之为字形代码。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段，因此提供给LED显示器的字形代码正好一个字节。各代码位的对应关系如表3所示。表3段码号代码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba1.共阴极接法把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不亮。2.共阳极接法把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5v，这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不亮。3.控制数码管驱动级的控制电路有静态式和动态式两类。1）静态驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管各用一个笔画译码器（如BCD码二—十进制译码器）译码驱动。2）动态驱动：动态驱动是将所有数码管使用一个专门的译码驱动器，使各位数码管逐个轮流受控显示，这就是动态驱动。5.6驱动电路驱动电路主要由同向驱动芯片74LS244和限流电阻组成，因为单片机的口线输出电流有限，不能足够点亮发光二极管，所以利用74LS244内部的2个4位的三态缓冲器，扩展成一个8位的输入口，并串接8个限流电阻，一起组成LED显示电路的驱动电路。其结构如图3-7所示。第６章单片机控制程序及流程图6.1电子钟显示“p.”主程序流程框图6.1.1电子钟显示“p.”主程序程序清单ORG0000HSTART:AJMPMAINORG0030HMAIN:MOVSP,#60H;确立堆栈区MOVPSW,#00H;MOVR0,#20H;RAM区首地址MOVR7,#5FH;RAM区单元个数ML:MOV@R0,#00HINCR0DJNZR7,MLTSF:MOVDPTR,#DISBH系统初始化后提示符“P.”字符代码表首地址MOVR5,#06HMOVR0,#79HDISPTSF:CLRAMOVCA,@A+DPTRMOV@R0,AINCR0INCDPTRDJNZR5,DISPTSFLCALLDISP;调显示子程序显示提示符“P.”LJMPTSF6.2电子钟显示子程序流程框6.2.1电子钟显示子程序显示器设定---------------------------------------------------------------------------;P0.7---P0.0段控线，接LED的显示段dp,g,f,e,d,c,b,a;P2.5---P2.0位控线,从左至右(LED5,LED4,LED3,LED2,LED1,LED0);显示子程序;入口:79H,7AH,7BH,7CH,7DH,7EHDISP:PUSH DPHPUSH DPL PUSH ACC PUSH PSWCLRRS1;改变当前寄存器组为组1SETBRS0MOVR1,#79H;显示缓冲存储单元首地址MOVR2,#01H;从右至左显示DISP1: MOV A,@R1 MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A ;送段控MOV P2,R2;送位控 ACALL DL;延时2毫秒 MOV A,R2 JB ACC.5,DISP2 RL A INC R1 MOV R2,A AJMP DISP1DISP2: POP PSW;恢复当前寄存器组的组号 POP ACC POP DPL POP DPH RET;延时2毫秒子程序DL:PUSHPSWSETBRS1SETBRS0MOV R7,#02HDL1: MOV R6,#0FFHDL2: DJNZ R6,DL2 DJNZ R7,DL1POPPSW RET;常数表格区-------------------------------------------------------------------------------;系统初始化后提示符“P.”字符代码表DISBH:DB10H,10H,10H,10H,10H,11H;提示符“P.”字符序号;显示字符段选码表(共阳极代码)TAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H;0-8DB90H,0FFH,0CH;9,灭,p.6.3电子钟加一子程序流程框图6.3.1电子钟加一子程序十进制加1子程序入口：R0,出口：R0DADD1:MOVA,@R0;十进制加1子程序，十位数1DECR0SWAPA;十位数占高4位ORLA,@R0;个位数占低4位ADDA,#01HDAAMOVR2,A;全值暂存R2中ANLA,#0FHMOV@R0,A;个位值送显示缓冲单元MOVA,R2INCR0ANLA,#0F0HSWAPAMOV@R0,A;个位值送显示缓冲单元RET6.4电子钟显示子程序定时器/计数器的使用------------------------------------------------------------------定时器/计数器0,定时功能,工作方式1,提供125毫秒的定时时间;系统中断源的使用---------------------------------------------------------------------定时器/计数器中断0,计满8次即得到秒计时单位SECGEEQU30H;秒个位存储单元SECSHEQU31H;秒十位存储单元MINGEEQU32H;分个位存储单元MINSHEQU33H;分十位存储单元HOUGEEQU34H;时个位存储单元HOUSHEQU35H;时十位存储单元INTCISHUEQU46H要求的计数溢出次数，即1秒计时的循环次数中断服务程序区-------------------------------------------------------------------------------PITO:PUSH DPL PUSH DPHPUSH PSWPUSH ACCSETBRS1;改变当前寄存器组为组3SETBRS0MOVTL0,#0DCH;装计数初值MOVTH0,#0BH;MOVA,INTCISHU;循环次数减1DECAMOVINTCISHU,AJNZRET0;不满8次，转RET0返回MOVINTCISHU,#08H;满8次，开始计时操作MOVR0,#SECSH;秒十位存储单元地址LCALLDADD1;十进制秒加1MOVA,R2XRLA,#60H;判是否到60秒JNZRET0;不到，转RET0返回LCALLCLR0;到60秒，秒显示缓冲单元清0MOVR0,#MINSH;分十位存储单元地址LCALLDADD1;十进制分加1MOVA,R2