基于51单片机的数字钟毕业论文

PAGEPAGE5毕业设计（论文）题目：基于51单片机的数字钟设计院（系）：专业：班级：学生姓名：导师姓名：职称：基于单片机的数字钟毕业论文摘要……………ⅠAbstract……………ⅡTOC\o"1-3"\h\z第1章绪论 31.1课题背景 31.2课题来源 31.3本章小结 4第2章MCS-51单片机的结构 52.1控制器 52.2存储器的结构 52.3并行I/O口 62.4时钟电路与时序 62.5单片机的应用领域 72.6本章小结 7第3章电路的硬件设计 83.1复位电路 83.2时钟电路 83.3按键电路 93.4相关控制电路 103.4.1控制打铃电路 103.4.2时间表显示电路 103.5数码管显示电路 113.6电源电路设计 113.7本章小结 11第4章电路的软件设计 124.1软件程序内容 124.2软件流程图 124.3定时程序设计 134.3.1实时时钟实现的基本方法 144.3.2实时时钟程序设计步骤 144.4程序说明 144.5本章小结 15第5章结论与展望 165.1结论 165.2单片机的发展趋势 16参考文献 18附录………………18RAM的存储器有很丰富的操作指令,从而使得用户在设计程序时非常方便。地址为00H-1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区,每个区含8个8位寄存器,编号为R7-R0。用户可以通过指令改变PSW中的RS1,RS0这二位来切换当前的工作寄存器区,这种功能给软件设计带来极大的方便,特别是在中断嵌套时,为实现工作寄存器现场内容保护提供了极大的方便。特殊功能寄存器(SFR-SpecialFunctionRegister)特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的状态,实际上是MCS-51单片机各功能部件的状态及控制寄存器.SFR综合的,实际的反应了整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式.SFR实质上是一些具有特殊功能的片内RAM单元,字节地址范围为80H-FFH.特殊功能寄存器的总数为21个,离散的分布在该区域中,其中]有些SFR还可以进行位寻址.128个字节的SFR块中仅有21个字节是由定义的.对于尚未定义的字节地址单元,用户不能作寄存器使用,若访问没有定义的单元,则将得到一个不确定的随机数.2.3并行I/O口MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口（Port），分别记作P0-P3，共有32根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位寻址。由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有一些差异。P0口是双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。P1口是8位准双向I/O口，可驱动4个LS型负载。P2口是8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。P3口是8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。P1口、P2口、P3口各I/O口线片内均有固定的上拉电阻，当这3个准双向I/O口做输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。2.4时钟电路与时序时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，这列信号很多。另一类用于片外存储器或I/O端口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。这也是单片机应用系统设计者普遍关心的问题。2.5单片机的应用领域单片机应用领域可以归纳为以下几个方面。1．智能仪表用单片机系统取代老式的测量、控制仪表，实现从模拟仪表向数字化、智能化仪表的转化，如各种温度仪表、压力仪表、流量仪表、电能计量仪表等。2.测控系统用单片机取代原有的复杂的模拟数字电路，完成各种工业控制、数据采集系统等工作。3．电能变换应用单片机设计变频调速控制电路。4．通信用单片机开发通信模块、通信器材等。5．机电产品应用单片机检测、控制传统的机械产品，使传统的机械产品结构简化，控制智能化，提高了机电产品的可靠性，增强了产品的功能。6．智能接口在数据传输中，用单片机实现外部设备与微机通信。2.6本章小结本章介绍了单片机的一些基本硬件结构。单片机是微计算机的一个分支，在原理和结构上，单片机与微型机之间没有根本性的差别，而且微计算机的许多技术都被单片机继承下来。单片机的基本结构依然是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。第3章电路的硬件设计3.1复位电路MCS-51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。上电复位：上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。电路图如下：上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。3.2时钟电路时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式。电路图如下：MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。3.3按键电路按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。电路图如下：P1.0口表示功能移位键，按键选择要调整的时十位、时个位、分十位或分个位。P1.1口表示数字“+“键，按一下则对应的数字加1。P1.2口表示数字“-”键，按一下则对应的数字减1。P1.3口表示时间表的切换，程序默认为日常时间表，当按下该开关，使输入为低电平时，表示当前执行的是考试时间表，并有绿发光二极管显示。再按键，使键抬起，输入维高电平时，表示当前执行的是日常作息时间表，用红发光二级管显示。3.4相关控制电路3.4.1控制打铃电路P1.5口控制继电器进而控制电铃工作。当时钟当前的时间和当前所执行的时间表的时间一致时，相应得标志位为1，P1.5口输出高电平，控制继电器闭合，从而合上开关，启动电铃进行打铃。打铃一定时间，标志位置0，P1.5输出低电平，继电器打开，电铃停止工作。电路图如下：3.4.2时间表显示电路因为该电路可以执行两个时间表，即正常作息时间表和考试时间表。为了能够从外观上看出当前正在执行的是那种时间表。为此，在电路中加上了红、绿两个不同的发光二极管，当红发光二极管接通时，表示当前正在执行日常作息时间表；当绿发光二极管接通时则表示当前正在执行的是考试时间表。有了红绿两发光二极管表示，就可以明显看出当前执行的是何种时间表，不会混淆。电路图如下：3.5数码管显示电路数码管显示器成本低，配置灵活，与单片机接口简单，在单片机应用系统中广泛应用。1.数码管的工作原理数码管是由8个发光二极管构成的显示器件。在数码管中，若将二极管的阳极连在一起，称为共阳极数码管；若将二极管的阴极连在一起，称为共阴极数码管。本文用到的6个数码管均是共阴极的。当发光二极管导通时，它就会发光。每个二极管就是一个笔划，若干个二极管发光时，就构成了一个显示字符。将单片机的I/O口控制相应的芯片与数码管的a-g相连，高电平的位对应的发光二极管亮，这样，由I/O口输出不同的代码，就可以控制数码管显示不同的字符。本文的6个数码管均采用动态显示方式，显示当前的时间。整个显示电路应用了2个164芯片，1个244芯片。第一个164芯片把从单片机传出的串行数据转换成并行数据。164只能存储8位数据，因此，当单片机输出第9-14位数据的时候，第一个164芯片中的8位数据就被传到第二个164芯片中，这8位数据就是段选信号，控制数码管将要显示的字符。第9-14位数据输出后，控制244芯片的单片机的P1.7口置为高电平，244芯片选通。这六位数据经过244芯片以后是片选信号，即控制动态显示的是哪一位数码管。在片选信号和段选信号的控制下，数码管就正确的动态显示当前的时间。3.6电源电路设计电源电路包括变压器、桥式整流器、电容和稳压器。通过变压器变压，使得220V电压变为5V，在通过桥式整流，电容的滤波作用，稳压器的稳压作用，可输出5V的稳定电压。3.7本章小结本章介绍的是本设计的硬件结构，单片机的相关I/O口输入输出就可以实现相应的控制功能。还介绍了单片机的复位电路和时钟电路。第4章电路的软件设计4.1软件程序内容本设计的软件程序包括主程序、中断子程序、打铃子程序、时钟显示子程序、查询时间表切换程序和延时子程序等等。另外由于电路中有四个按键，还另外设计了防抖动程序来防止干扰。4.2软件流程图软件程序整个流程图如下：开始开始初始化初始化是是否按时间表切换键是是否按时间表切换键切换时间表切换时间表查询功能移位键查询功能移位键否否调整时间调整时间是是否与时间表时间匹配是是否与时间表时间匹配调用打铃子程序调用打铃子程序否否4.3定时程序设计单片机的定时功能也是通过计数器的计数来实现的，此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每经过1个机器周期的时间，计数器加1。如果MCS-51采用的12MHz晶体，则计数频率为1MHz，即每过1us的时间计数器加1。这样可以根据计数值计算出定时时间，也可以根据定时时间的要求计算出计数器的初值。MCS-51单片机的定时器/计数器具有4种工作方式，其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对特殊功能寄存器的编程，可以方便的选择定时器/计数器两种工作模式和4种工作方式。定时器/计数器工作在方式0时，为13位的计数器，由TLX(X=0、1)的低5位和THX的高8位所构成。TLX低5位溢出则向THX进位，THX计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TFX.当定时器/计数器工作于方式1，为16位的计数器。本设计师单片机多功能定时器，所以MCS-51内部的定时器/计数器被选定为定时器工作模式，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1。4.3.1实时时钟实现的基本方法时钟的最小计时单位是秒，但使用定时器的方式1，最大的定时时间也只能达到131ms。我们可把定时器的定时时间定为50ms。这样，计数溢出20次即可得到时钟的最小计时单位：秒。而计数20次可以用软件实现。秒计时是采用中断方式进行溢出次数的累积，计满20次，即得到秒计时。从秒到分，从分到时是通过软件累加并进行比较的方法来实现的。要求每满1秒，则“秒”单元中的内容加1；“秒”单元满60，则“分”单元中的内容加1；“分”单元满60，则“时”单元中的内容加1；“时”单元满24，则将时、分、秒的内容全部清零。4.3.2实时时钟程序设计步骤（1）选择工作方式，计算初值；（2）采用中断方式进行溢出次数累计；（3）从秒——分——时的计时是通过累加和数值比较实现的；（4）时钟显示缓冲区：时钟时间在方位数码管上进行显示，为此在内部RAM中要设置显示缓冲区，共6个地址单元。显示缓冲区从左到右依次存放时、分、秒数值；（5）主程序：主要进行定时器/计数器的初始化编程，然后反复调用显示子程序的方法等待中断的到来。（6）中断服务程序：进行计时操作（7）加1子程序：用于完成对时、分、秒的加操作，中断服务程序在秒、分、时加1时共有三种条调用加1子程序，包括三项内容：合字、加1并进行十进制调整、分字。4.4程序说明在整个系统中，在单片机的30H、31H和32H中存储当前时间的小时、分钟和秒。由于要用数码管显示当前的时间，必须用到分字和合字，因此在33H、34H、35H、36H、37H和38H中存储当前时间的时十位、时个位、分十位、分个位、秒十位和秒个位，方便显示。本设计有由四个轻触按键组成的小键盘，这些按键可以任意改变当前的状态。按功能移位键一次，表示当前要校对小时的十位；按第二次，表示当前校对的是小时的个位；按第三次，则表示校对的是分钟的十位；第四次，表示的校对的是分钟的个位。按下数字“+”键和数字“-”键可在当前校对的数字上相应加上1或者减去1。本设计采用查表方式，在程序里预先存储两个表格，即日常作息时间表和考试时间表，可以通过手动按键来选择所要执行的时间表。并且用红、绿发光二极管来区别当前所执行的时间表。系统开机后，按功能移位键就可以调整当前的时间，整个系统操作简单，功能明确。显示数据时，先把要显示的数据送到数据缓冲区SBUF中，再从SBUF中显示。串行口缓冲寄存器SBUF器是可直接寻址的专用寄存器。在物理上，它对应着两个寄存器，一个发送寄存器，一个接收寄存器。CPU写SBUF，就是修改发送寄存器；读SBUF，就是读接收寄存器。接收器是双缓冲的，以避免在接收下一帧数据之前，CPU未能及时响应接收器的中断，没有把上一帧数据读走，而产生两帧数据重叠的问题。对于发送器，为了保持最大的传输速率，一般不需要双缓冲，因为发送时CPU是主动的，不会产生写重叠的问题。4.5本章小结这一章介绍了本设计的软件设计，所有的功能在流程图里清晰的表现了出来，体现了设计的合理性、可实现性。第5章结论与展望5.1结论单片机多功能定时系统理论上能很好的达到了学校教学要求，发挥了单片机在智能化方面的应用。该系统的设计很好的满足当前学校教学的需要，是一个理想的智能化的设计。它具有一个走时精确的实时钟，可以任意设置时间，可以控制时间表的转换，时钟的显示功能等。可以通过按键操作和数字显示。该系统规模小，但是功能较多，操作简单，造价低，应用非常广泛。该系统的设计为向家庭数字化方向发展又前进了一步。同时又扩大了单片机的应用领域。5.2单片机的发展趋势自单片机出现至今，单片机技术已走过了几十年的发展路程。纵观几十年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，拉动广泛的应用领域，表现出比微处理器更具个性的发展趋势：1.采用先进结构以实现高性能在过去的一段时间内，单片机的指令运行速度一直在10MIPS以下，这对于应用在工业控制领域内的单片机来说是足够了，但当单片机被应用在通讯及DSP领域作为高速运算、编码或解码时，就会出现因指令运行速度不够而限制单片机应用的情形，因此提高单片机指令运行速度已经成为迫切需要解决的问题。2.进一步降低功耗、基于80C51的飞利浦低功率、低系统成本微控制器51LPC系列是业界推动单片机向低功耗方向发展的主导单片机系列之一。51LPC系列单片机采用以下三种方法降低功耗：（1）使系统进入空闲模式，在空闲模式下，只有外围器件在工作，任意的复位及中断均可结束空闲模式；（2）使系统进入低功耗模式，在低功耗模式下，振荡器停止工作，是功耗降到最小（3）使系统进入低电压EPROM操作；EPROM包含了模拟电路，当Vcc高于4V时，可通过软件使这些模拟电路掉电以降低功耗，在上电情况下可使系统退出该模式。3.采用FlashMemory随着半导体工艺技术的不断进步，MPU的Flash版本逐渐替代了原有的OTP版本。FlashMPU具有以下优点：与多次可编程的窗口式EPROM相比，FlashMPU的成本要低得多；在系统编程能力以及产品生产方面提供了灵活性，因为FlashMPU可在编程后面再次以新代码重新编程；可减少已编程器件的报废和库存；有助于生产厂商缩短设计周期，使终端用户产品和、更具有竞争力。4.集成更多功能及兼容性目前单片机的另一个发展趋势是在芯片上集成更多的功能。如模拟功能，包括模拟比较器、A/D和D/A转换器等。具体表现在：兼容性作为设计的第一考虑；额外的新的特点是透明的；使用同一种编程器；OTP使器件快速提升及标准化成为可能。5.强抗干扰能力不断加强抗干扰能力是单片机进一步发展的必然趋势。STMicroelectronics公司推出的ST62系列单片机在这方面是佼佼者，其优良的抗干扰能力使得许多大公司将其应用在系统中的关键部件上。许多单片机开发商也正朝着这个方向努力。6.朝系列化、全面化方向发展各大单片机开发商在增加产品功能的同时效力于形成产品的系列化=全面化，以满足各种控制领域的要求，这也是单片机发展的趋势之一。日本TOSHBA公司开发了从4位到64位的多系列单片机，日立公司也有从4.位到32位的单片机，目前还没有哪个厂家生产的