基于单片机电子时钟的设计

基于单片机电子时钟的设计PAGE1摘要单片机自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。单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习、应用，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，从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。关键词：单片机AT89S51电子时钟数码管前言时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？这就要求人们不断设计出新型时钟。现今，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。时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有：DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，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。基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第1页。基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第1页。方案论证与比较2.1数字时钟方案数字时钟是本设计的最主要的部分。根据需要，可利用两种方案实现。方案一：本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS12887A。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。方案二：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，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。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。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。基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第2页。基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第2页。系统设计3.1总体设计3.1.1系统说明利用单片机（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，一个按键用于时间调整。3.1.2系统框图显示部分显示部分控制部分单片机（AT89S51）按键S2复位电路电源部分直流电源4.5V6个七段共阴极数码管显示秒，分钟及小时位位选部分6个PNP三极管（9012）基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第3页。图3-1基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第3页。3.2模块设计3.2.1电源部分 图3-2如图3-2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。3.2.2复位电路图3-3基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第4页。如图3-3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。基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第4页。3.2.3程序下载接口 图3-4如图3-4所示，由AT89SISP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为1号引角。3.2.4位选部分图3-5基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第5页。图3-5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。基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第5页。3.2.5数码管的连接电路图3-6图3-6为数码管的引脚图，每位的段码线（a,b,c,d,e,f,g,dp）分别与1个8位的锁存器输出相连，由AT89S51控制组合0－9十个数据，如令其显示1则b,c引脚（即2，3引脚）送高电平，此时数码管显示1。由于各位的段码线并联，8位I/O口输出段码对各个显示位来说都是相同的。3.2.6控制部分基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第6页。 图3-7基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第6页。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes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。如图3-7所示，AT89S51有40引脚，双列直插（DIP）封装，所用引脚功能如下：VCC——运行时加＋4.5VGND——接地XTAL1——振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端XTAL2——振荡器反相放大器的输出端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SFTAUXR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。EA/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。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。P2.0——P2.5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。无自锁开关——（S2－P3.7）开关接相应引脚P3.7，当开关按下时，相应引脚为低电平0，断开时引脚为高电平1。基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第7页。基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第7页。原理图与PCB图图4-1基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第8页。图4-2基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第8页。软件设计5.1程序流程图基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第9页。主程序开始基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第9页。主程序开始设定定时器常数，开中断显示时间到1秒？T0中断现场保护重装定时器初值满20次否？满24小时否？满60秒否？满60分否？恢复现场时值加1时缓冲单元清零秒值加1分缓冲单元清零秒缓冲单元清零分值加1结束时钟调整程序时钟调整程序关闭显示，省电状态分钟闪烁，调时状态分值加1按键S2时间t>1时值=24？按键S2时间t<0.5按键S2时间t<0.5时钟闪烁，调时状态分值=60？分值清零时值加1时值清零返回显示S2是否按下基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第10页。基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第10页。5.2源程序表5-1P1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;; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;ORG0000H ;程序执行开始地址LJMPSTART ;跳到标号START执行ORG0003H ;外中断0中断程序入口RETI ;外中断0中断返回ORG000BH ;定时器T0中断程序入口LJMPINTT0 ;跳至INTTO执行ORG0013H ;外中断1中断程序入口RETI ;外中断1中断返回ORG001BH ;定时器T1中断程序入口LJMPINTT1 ;跳至INTT1执行ORG0023H ;串行中断程序入口地址RETI ;串行中断程序返回;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;主程序;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;START:MOVR0,#70H ;清70H-7AH共11个内存单元MOVR7,#0BH ;clrP3.7 ;CLEARDISP:MOV@R0,#00H ;INCR0;DJNZR7,CLEARDISP;基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第11页。MOV20H,#00H ;清20H（标志用）基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第11页。MOV7AH,#0AH;放入"熄灭符"数据MOV TMOD,#11H;设T0、T1为16位定时器MOVTL0,#0B0H ;50MS定时初值（T0计时用）MOVTH0,#3CH;50MS定时初值MOVTL1,#0B0H ;50MS定时初值（T1闪烁定时用）MOVTH1,#3CH ;50MS定时初值SETBEA;总中断开放SETBET0;允许T0中断SETBTR0;开启T0定时器MOVR4,#14H;1秒定时用初值（50MS×20）START1:LCALLDISPLAY;调用显示子程序JNB P3.7,SETMM1;P3.7口为0时转时间调整程序SJMPSTART1;P3.7口为1时跳回START1SETMM1:LJMPSETMM;转到时间调整程序SETMM;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;1秒计时程序;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;T0中断服务程序INTT0:PUSHACC;累加器入栈保护PUSHPSW;状态字入栈保护CLRET0;关T0中断允许CLRTR0;关闭定时器T0MOVA,#0B7H;中断响应时间同步修正ADDA,TL0;低8位初值修正MOVTL0,A;重装初值（低8位修正值）MOVA,#3CH;高8位初值修正ADDCA,TH0;MOVTH0,A;重装初值（高8位修正值）SETBTR0;开启定时器T0DJNZR4,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）ACALLADD1;调用加1程序（加1秒操作）MOVA,R3;秒数据放入A（R3为2位十进制数组合）CLR C;清进位标志CJNEA,#60H,ADDMM;ADDMM:JC OUTT0;小于60秒时中断退出ACALLCLR0;大于或等于60秒时对秒计时单元清0MOV R0,#77H;指向分计时单元（76H-77H）ACALLADD1;分计时单元加1分钟MOV A,R3;分数据放入ACLRC;清进位标志基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第12页。CJNEA,#60H,ADDHH;基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第12页。ADDHH:JC OUTT0;小于60分时中断退出ACALLCLR0;大于或等于60分时分计时单元清0MOV R0,#79H;指向小时计时单（78H-79H）ACALLADD1;小时计时单元加1小时MOVA,R3;时数据放入ACLRC;清进位标志CJNEA,#24H,HOUR;HOUR:JCOUTT0;小于24小时中断退出ACALLCLR0;大于或等于24小时小时计时单元清0OUTT0:MOV72H,76H;中断退出时将分、时计时单元数据移MOV73H,77H;入对应显示单元MOV74H,78H;MOV75H,79H;POP PSW;恢复状态字（出栈）POPACC;恢复累加器SETBET0;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:PUSHACC;中断现场保护PUSHPSW;MOVTL1,#0B0H;装定时器T1定时初值MOVTH1,#3CH ;DJNZR2,INTT1OUT ;0.3秒未到退出中断（50MS中断6次）MOVR2,#06H ;重装0.3秒定时用初值CPL02H ;0.3秒定时到对闪烁标志取反JB02H,FLASH1 ;02H位为1时显示单元"熄灭"MOV72H,76H;02H位为0时正常显示MOV73H,77H;MOV74H,78H;MOV75H,79H;INTT1OUT:POPPSW ;恢复现场POPACC;RETI;中断退出FLASH1:JB01H,FLASH2;01H位为1时，转小时熄灭控制MOV72H,7AH;01H位为0时，"熄灭符"数据放入分MOV73H,7AH;显示单元（72H-73H），将不显示分数据MOV74H,78H;MOV75H,79H;AJMPINTT1OUT;转中断退出基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第13页。FLASH2:MOV72H,76H;01H位为1时，"熄灭符"数据放入小时基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第13页。MOV73H,77H;显示单元（74H-75H），小时数据将不显示MOV74H,7AH;MOV75H,7AH;AJMPINTT1OUT;转中断退出;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;加1子程序;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;ADD1:MOV A,@R0;取当前计时单元数据到ADEC R0;指向前一地址SWAPA;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MOVR3,A;移入R3寄存器ANL A,#0FH;高四位变0MOV @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0MOV @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:CLRA;清累加器MOV@R0,A;清当前地址单元DECR0;指向前一地址MOV@R0,A;前一地址单元清0RET;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;关闭定时器T0LCALL DL1S;调用1秒延时程序JBP3.7,CLOSEDIS;键按下时间小于1秒，关闭显示（省电）基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第14页。MOV R2,#06H;进入调时状态，赋闪烁定时初值基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第14页。SETB ET1;允许T1中断SETB TR1;开启定时器T1SET2:JNBP3.7,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1SET4:JBP3.7,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MOVR0,#77H;按下时间小于0.5秒加1分钟操作LCALL ADD1;调用加1子程序MOVA,R3;取调整单元数据CLRC;清进位标志CJNE A,#60H,HHH;调整单元数据与60比较HHH:JCSET4;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0CLRC;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:JNBP3.7,SET5;等待键释放SETB01H;小时调整标志置1SET6:JBP3.7,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MOVR0,#79H;按下时间小于0.5秒加1小时操作LCALL ADD1;调加1子程序MOVA,R3;CLRC;CJNE A,#24H,HOUU;计时单元数据与24比较HOUU:JCSET6;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;清闪烁标志基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第15页。CLR TR1;关闭定时器T1基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第15页。CLR ET1;关定时器T1中断SETB TR0;开启定时器T0SETB ET0;开定时器T0中断（计时开始）LJMP START1;跳回主程序SET1:LCALLDISPLAY;键释放等待时调用显示程序（调分）AJMPSET2;防止键按下时无时钟显示SET3:LCALLDISPLAY;等待调分按键时时钟显示用AJMPSET4SET5:LCALLDISPLAY;键释放等待时调用显示程序（调小时）AJMPSETHH1;防止键按下时无时钟显示SET7:LCALLDISPLAY;等待调小时按键时时钟显示用AJMPSET6SETOUT1:LCALLDISPLAY;退出时钟调整时键释放等待AJMPSETOUT;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:MOVR1,#70H;指向显示数据首址MOVR5,#0FEH;扫描控制字初值PLAY:MOVA,R5;扫描字放入AMOVP2,A;从P2口输出MOVA,@R1;取显示数据到AMOVDPTR,#TAB;取段码表地址MOVCA,@A+DPTR;查显示数据对应段码MOVP1,A;段码放入P0口LCALL DL1MS;显示1MSINCR1;指向下一地址MOVA,R5;扫描控制字放入AJNBACC.5,ENDOUT;ACC.5=0时一次显示结束RLA;A中数据循环左移MOVR5,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MOVP1,#0FFH;P0口复位RET;子程序返回TAB:DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH;1MS延时程序，LED显示程序用DL1MS:MOVR6,#14HDL1:MOVR7,#19HDL2:DJNZR7,DL2基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第16页。DJNZR6,DL1基于单片机电子时钟的设计全文共19页，当前为第16页。RET;20MS延时程序，采用调用显示子