單片機電子時鐘設(shè)計

1、緒 論單片機在多功能數(shù)字電子鐘中的應(yīng)用已是非常普遍，人們對電子時鐘的功能及工作順序都已非常熟悉了，但是卻很少知道它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理。由單片機作為電子時鐘的核心控制器，可以通過它的時鐘信號來實現(xiàn)計時功能，將時間數(shù)據(jù)由單片機輸出，利用顯示器將時間顯示出來。通過鍵盤可以進行時間的設(shè)定。輸出設(shè)備顯示器可以用液晶顯示技術(shù)或數(shù)碼管來顯示技術(shù)。本系統(tǒng)利用單片機實現(xiàn)具有計時、校時等功能的數(shù)字電子時鐘，是以單片機AT89C51為核心元件同時采用LED數(shù)碼管顯示器動態(tài)顯示“時”，“分”，“秒”的現(xiàn)代計時裝置。與傳統(tǒng)機械表相比，它具有走時精確,顯示直觀等特點。另外具有校時功能，利用單片機實現(xiàn)的數(shù)字時鐘具有編程

2、靈活，便于功能的擴充等優(yōu)點。第一章 概述1.1課題研究的目的和意義數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵?，廣泛用于個人家庭以及辦公室等公共場所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來極大的方便。由于電子集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進的石英技術(shù)，使電子鐘具有走時準確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點，它還用于計時、自動報時及自動控制等各個領(lǐng)域，因此進行電子鐘的設(shè)計是必要的。盡管目前市場上已有現(xiàn)成的電子鐘集成電路芯片出售，價格便宜、使用也方便，但鑒于單片機定時器的功能也可以完成電子鐘電路的設(shè)計，因此進行電子鐘的設(shè)計是可行的。在這里我們將已學(xué)過的比較零散的數(shù)字電路和單片機的知識有機的、系統(tǒng)的聯(lián)系、組織起來應(yīng)

3、用于實際，來培養(yǎng)我們的綜合分析和設(shè)計電路，寫程序，調(diào)試電路、程序的能力。單片機具有體積小、功能強、可靠性高、價格低廉等一系列優(yōu)點，不僅已成為工業(yè)測控領(lǐng)域普遍采用的智能化控制工具，而且已滲入到人們工作和和生活的各個角落，有力地推動了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，應(yīng)用前景廣闊。1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢從單片機電子時鐘近年的發(fā)展趨勢來看，正朝著多層次用戶、多品種、多規(guī)格、高精度、小體積、低能耗等方面發(fā)展。在這種趨勢下，時鐘的數(shù)字化，智能化已經(jīng)成為現(xiàn)代時鐘生產(chǎn)研究的主導(dǎo)設(shè)計方向。帶有時鐘功能的電子產(chǎn)品和電子設(shè)備進年來廣泛地出現(xiàn)在國內(nèi)外市場中，例如奧運會倒計時顯示屏、鐵路安全顯示屏、生產(chǎn)線看

4、板、體育比賽記時屏、大型室外高亮度時鐘等，這類產(chǎn)品覆蓋銀行、醫(yī)院、地鐵車站、體育運動、電視臺、監(jiān)控系統(tǒng)、高大建筑物等行業(yè)。作為一種人機接口方式，語音比顯示屏，鼠標鍵盤等設(shè)備更易于使用。而在設(shè)計里加上語音提示、音樂或者其他語音功能，還使得設(shè)計顯得既人性化又有趣，不但能提高開發(fā)者的興趣和積極性，同時也能讓設(shè)計作品與眾不同，從而得到了各界領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用所以對語音的研究有很大的實際意義。1.3課題設(shè)計目的與要求設(shè)計目的：按要求完成單片機實現(xiàn)電子時鐘系統(tǒng)。通過課題的設(shè)計與實現(xiàn)培養(yǎng)系統(tǒng)分析、設(shè)計的能力，從而達到以下能力訓(xùn)練：(1)、調(diào)查研究、分析問題的能力(2)、使用設(shè)計手冊、技術(shù)規(guī)范的能力(3)、查閱中

5、外文獻的能力(4)、制定設(shè)計方案的能力(5)、計算機應(yīng)用的能力(6)、設(shè)計、計算和繪圖的能力(7)、技術(shù)經(jīng)濟指示的分析能力(8)、語言文字表達的能力設(shè)計要求： 利用DJ-598K試驗儀的硬件資源，設(shè)計一個電子鐘，利用四個數(shù)碼管，在其上顯示分、秒；用4個小鍵盤分別進行分1、分1、秒1、秒1改變時間值。基本要求：(1)、設(shè)計實驗電路(要求利用試驗儀的硬件資源)(2)、分析實驗原理(3)、列出實驗接線表(4)、采用匯編語言寫實驗程序(5)、通過實驗驗證功能的實現(xiàn)(6)、編寫課程設(shè)計說明書第二章 總體方案設(shè)計2.1課題總體功能分析與設(shè)計系統(tǒng)需求分析本課題要求設(shè)計一個電子鐘，利用四個數(shù)碼管進行時間顯示，

6、在其上顯示分、秒；用4個小鍵盤分別進行分1、分1、秒1、秒1改變時間值。但考慮到電子鐘的實用性，這里將對其進行擴充，是利用六個數(shù)碼管進行時間顯示，在其上顯示時、分、秒；用6個小鍵盤分別進行時1、時1、分1、分1、秒1、秒1來改變時間值。系統(tǒng)功能分析與設(shè)計有分析可得系統(tǒng)功能圖2-1所示：時間調(diào)整輸入單片機系統(tǒng)時間輸出顯示顯示器圖2-1系統(tǒng)功能分析設(shè)計圖系統(tǒng)設(shè)定詳細說明本課題設(shè)計需要六個數(shù)碼管進行時間顯示，剛打開電源時，系統(tǒng)初始狀態(tài)顯示的時間為12:00:00，然后電路會自動開始計時。當秒到60時，則分上加1同時秒位清零顯示00，然后再從00自動開始計時；當分到60時，則小時上加1同時分位清零顯示

7、00，然后再從00開始；當小時顯示變?yōu)?3:59:59時，接下來的顯示則變?yōu)?0:00:00，電路自動開始計時，然后循環(huán)上述過程進行計時。電路中有對時、分、秒進行加/減1的各自單獨的時間調(diào)整按鈕，時間調(diào)整按鈕每按一次，則相應(yīng)調(diào)整的顯示時間值加/減1。按S1鍵，則秒1；按S2鍵，則秒1；按S3鍵，則分1；按S4鍵，則分1；按S5鍵，則小時1；按S6鍵，則小時1。2.2實現(xiàn)時鐘計時的基本方法利用MCS-51系列單片機的可編程定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)來實現(xiàn)時鐘計數(shù)。(1) 計數(shù)初值計算:把定時器設(shè)為工作方式1，定時時間為50ms，則計數(shù)溢出20次即得時鐘計時最小單位1s。定時器方式1為16位定時/計數(shù)

8、器工作方式，用于定時工作方式時，計數(shù)時間為：T=(216-T0初值)×振蕩周期×12假設(shè)使用T/C0，方式1，50ms定時，晶振頻率fosc=12MHz。則初值X滿足：（216-X）×1/12MHz×12×1s = 50000sX=15536DB3CB0H(2) 采用中斷方式進行溢出次數(shù)累計,計滿20次則為秒計時（1秒）；(3) 從秒到分和從分到時的計時是通過累加和數(shù)值比較實現(xiàn)。2.3電子鐘的時間顯示電子鐘的時鐘時間要在六位數(shù)碼管上進行顯示，則要在內(nèi)部RAM中設(shè)置緩存地址單元。顯示寄存器單元位：32H31H30H時顯示寄存器單元位分顯示寄存器單

9、元位秒顯示寄存器單元位2.4電子鐘的時間調(diào)整時間調(diào)整：用6個按鍵S1、S2、S3、S4、S5、S6，通過P1.0 P1.5口將調(diào)整信號輸入單片機，再通過程序控制來完成時間調(diào)整的功能。2.5總體方案介紹2.5.1計時方案利用AT89C51單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器進行中斷時，配合軟件延時實現(xiàn)時、分、秒的計時。該方案節(jié)省硬件成本，且能使讀者在定時/計數(shù)器的使用、中斷及程序設(shè)計方面得到鍛煉與提高，對單片機的指令系統(tǒng)能有更深入的了解，從而對學(xué)好單片機技術(shù)這門課程起到一定的提升作用。2.5.2控制方案AT89C51的P0口外接6位LED顯示數(shù)碼管的段選信號，P2口外接6位LED顯示數(shù)碼管的位選信號，P1口

10、外接6個調(diào)整時、分、秒加減的按鍵。2.5.3硬件介紹（1）AT89C51 是一種低功耗，高性能的CMOS 8位微型計算機。片內(nèi)有4KB FLASH（EPROM）可系統(tǒng)編程的只讀存儲器，該器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)上標準的8031、8051和8751的指令系統(tǒng)及引腳兼容，它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8 位微處理器于單片芯片中， 片內(nèi)Flash 集成在一個芯片上，可用與解決復(fù)雜的問題，且成本較低。簡易電子鐘的功能不復(fù)雜，可靈活應(yīng)用于各種領(lǐng)域。AT89C51 提供以下標準功能：4k 

11、;字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個IO 口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16 位定時計數(shù)器，一個5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51 可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。（2）六位LED顯示數(shù)碼管由于考慮到充分利用DJ-598K試驗儀的

12、硬件資源，所以使用DJ-598K試驗儀的六位數(shù)碼管作為顯示器，其是帶有驅(qū)動器的六位數(shù)碼顯示管，如圖2-2。圖2-2顯示數(shù)碼管實形圖圖2-3顯示數(shù)碼管模塊電路圖數(shù)據(jù)插座：JS_LED位選掃描線；JLED_LED段選碼。第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計根據(jù)以上的電子時鐘的設(shè)計要求可以分為以下的幾個硬件電路模塊：單片機模塊、數(shù)碼顯示模塊與按鍵模塊，模塊之間的關(guān)系圖如下面得方框電路圖3-1所示。圖3-1 硬件電路方框圖3.1單片機模塊設(shè)計芯片分析MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，AT89C51單片機引腳圖3-2所示：圖3-2 AT89C51MCS-

13、51單片機是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，其各引腳功能如下：VCC：+5V電源。VSS：接地。RST：復(fù)位信號。當輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用完成單片機的復(fù)位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，當作輸出口使用時，必須接上拉電阻才能有高電平輸出；當作輸入口使用時，必須先向電路中的鎖存器寫入“1”，使FET截止，以避免鎖存器為“0”狀態(tài)時對引腳讀入的干擾。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向

14、I/O口，它不再需要多路轉(zhuǎn)接電路MUX；因此它作為輸出口使用時，無需再外接上拉電阻，當作為輸入口使用時，同樣也需先向其鎖存器寫“1”，使輸出驅(qū)動電路的FET截止。P2口：P2口電路比P1口電路多了一個多路轉(zhuǎn)接電路MUX，這又正好與P0口一樣。P2口可以作為通用的I/O口使用，這時多路轉(zhuǎn)接電路開關(guān)倒向鎖豐存器Q端。P3口：P3口特點在于，為適應(yīng)引腳信號第二功能的需要，增加了第二功能控制邏輯。當作為I/O口使用時，第二功能信號引線應(yīng)保持高電平，與非門開通，以維持從鎖存器到輸出端數(shù)據(jù)輸出通路的暢通。當輸出第二功能信號時，該位應(yīng)應(yīng)置“1”，使與非門對第二功能信號的輸出是暢通的，從而實現(xiàn)第二功能信號的輸

15、出，具體第二功能如表所示。晶振電路圖3-2所示為時鐘電路原理圖，在AT89C51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。而在芯片內(nèi)部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈。 圖3-2 晶振電路3.1.3復(fù)位電路單片機復(fù)位的條件是：必須使RST/VPD 或RST引（9）加上持續(xù)兩個機器周期（即24個振蕩周期）的高電平。例如，若時鐘頻率為12 MHz，每機器周期為1s，則只需2s以上時間的高電平，在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機器周期執(zhí)行

16、復(fù)位。單片機常見的復(fù)位如圖所示。電路為上電復(fù)位電路，它是利用電容充電來實現(xiàn)的。在接電瞬間，RESET端的電位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RESET的電位逐漸下降。只要保證RESET為高電平的時間大于兩個機器周期，便能正常復(fù)位。圖3-3 復(fù)位電路3.2數(shù)碼顯示模塊設(shè)計 系統(tǒng)采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示通常都是采用動態(tài)掃描的方法進行顯示，即循環(huán)點亮每一個數(shù)碼管，這樣雖然在任何時刻都只有一位數(shù)碼管被點亮，但由于人眼存在視覺殘留效應(yīng)，只要每位數(shù)碼管間隔時間足夠短，就可以給人以同時顯示的感覺。圖3-4 數(shù)碼顯示電路3.3按鍵模塊設(shè)計圖3-5為按鍵模塊電路原理圖，時鐘調(diào)整按鍵，分鐘調(diào)整按鍵，秒鐘調(diào)整按

17、鍵。圖3-5 按鍵模塊電路圖四、系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)總體流程圖基本的程序流程應(yīng)該是：程序執(zhí)行，先通過初始化各個寄存器，在主程序中經(jīng)過掃描按鍵來檢測各個時間按鍵是否有動作，從而決定是否設(shè)定參數(shù)來執(zhí)行相應(yīng)功能的程序，進而在數(shù)碼管上顯示，若有就儲存并修改相關(guān)的的時間寄存器的值，若沒有就繼續(xù)檢測。在計時子程序中將各時間寄存器的值逐個加1，每加一次就要檢查是否已超過顯示的上限值，這樣在后面就便于處理，在掃描顯示子程序中，將掃描位數(shù)指針與數(shù)字字碼表首地址相加，從而得到相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)；然后按照顯示的位數(shù)將數(shù)據(jù)從P0和P2口輸出到數(shù)碼管上去顯示，當然還有定時中斷子程序，在這里，它實現(xiàn)計時1S的時間延時。圖4

18、-1 系統(tǒng)總體流程圖4.2源程序代碼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;時+1端口HO_SETBITP1.5;時-1端口SEQU30H;秒顯示寄存器單元位MEQU31H;分顯示寄存器單元位HEQU32H;時顯示寄存器單元位ORG0000HLJMPSTARTORG000FHLJMPINT_T0ORG0100HSTART:MOVDPTR,#TABMOVH,#12 MOVM,#0MOVS,#0MOVR0,#0MOVTMOD,#01HMOVTH0,#3CHMOVTL

19、0,#0B0HSETBTR0SETBET0SETBEAS1:ACALLDELJBS_SET,A1INCSMOVA,SCJNEA,#60,J1MOVS,#0LJMPK1S2:ACALLDELJBSO_SET,A1DECSMOVA,SCJNEA,#00,J2MOVS,#0LJMPA1S3:ACALLDELJBM_SET,A1K1:INCMMOVA,MCJNEA,#60,J3MOVM,#0LJMPK2S4:ACALLDELJBMO_SET,A1 DECMMOVA,MCJNEA,#00,J4MOVM,#0LJMPA1S5:ACALLDELJBH_SET,A1K2:INCHMOVA,HCJNEA,#24

20、,J5MOVS,#0 MOVM,#0MOVH,#0LJMPA1S6:ACALLDELJBHO_SET,A1 DECHMOVA,HCJNEA,#00,J6MOVH,#0LJMPA1A1:ACALLDISPLAYJNBS_SET,S1JNBSO_SET,S2JNBM_SET,S3JNBMO_SET,S4JNBH_SET,S5JNBHO_SET,S6LJMPA1J1:JBS_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ1J2:JBSO_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ2J3:JBM_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ3J4:JBMO_SET,A1ACALLDISPLAYS

21、JMPJ4J5:JBH_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ5J6:JBHO_SET,A1ACALLDISPLAYSJMPJ6INT_T0:MOVTH0,#3CH;設(shè)置定時初值50msMOVTL0,#0B0HINCR0MOVA,R0CJNEA,#20,RETUNE;設(shè)置中斷20次INCSMOVR0,#0MOVA,SCJNEA,#60,RETUNEINCMMOVS,#0MOVA,MCJNEA,#60,RETUNEINCHMOVM,#0MOVA,HCJNEA,#24,RETUNEMOVH,#0 MOVM,#0MOVS,#0MOVR0,#0RETUNE:RETIDISPLAY:MOVA,S

22、MOVB,#10DIVABCLRP2.6;秒片選H位MOVCA,A+DPTRCPLAMOVP0,A;段選信號輸出口ACALLDELSETBP2.6MOVA,BCLRP2.7; 秒片選L位MOVCA,A+DPTRCPLAMOVP0,AACALLDELSETBP2.7MOVA,MMOVB,#10DIVABCLRP2.3; 分片選H位MOVCA,A+DPTRCPLAMOVP0,AACALLDELSETBP2.3MOVA,BCLRP2.4; 分片選L位MOVCA,A+DPTRCPLAMOVP0,AACALLDELSETBP2.4MOVA,HMOVB,#10DIVABCLRP2.0; 時片選H位MOVC

23、A,A+DPTRCPLAMOVP0,AACALLDELSETBP2.0MOVA,BCLRP2.1; 時片選L位MOVCA,A+DPTRCPLAMOVP0,AACALLDELSETBP2.1RETTAB:DB03H,9FH,25H,0DH,99H,49H,41H,1FH,01H,09H;數(shù)字字碼表DEL:MOVR6,#10LOOP1:MOVR7,#100LOOP2:DJNZR7,LOOP2DJNZR6,LOOP1RETEND五、系統(tǒng)仿真與測試5.1系統(tǒng)仿真運用proteus軟件進行仿真現(xiàn)在proteus軟件中建立一個新的文件，再根據(jù)自己的要求選擇所需的器件，把器件進行適當?shù)呐盼缓筮M行連接，連接后

24、運行軟件進行仿真。如圖5-1。圖5-1 系統(tǒng)仿真圖5.2實驗接線此接線以在DJ-598K試驗儀上為例，因為課題要求利用DJ-598K試驗儀的硬件資源，又由于DJ-598K試驗儀內(nèi)關(guān)于電源線、地線、晶振、復(fù)位等部分接線均以接好，且最終也要在DJ-598K試驗儀上實現(xiàn)系統(tǒng)。接線1接到接到接到秒加P1.0P0.0JLED.7P2.JS.0秒減P1.1P0.1JLED.6P2.JS.1分加P1.2P0.2JLED.5分減P1.3P0.3JLED.4P2.JS.2時加P1.4P0.4JLED.3P2.JS.3時減P1.5P0.5JLED.2P0.6JLED.1P2.JS.4P0.7JLED.0P2.JS

25、.5接線2設(shè)置開關(guān)設(shè)置設(shè)置JK外接CPU卡上撥碼開關(guān)K1、K8ONVision中的debugUSE：KeilMonitor-51DriverPort：COM1口KB651K2、K3、K4、K5、K6、K7OFFBandrate：57600仿真實驗接線，則按系統(tǒng)仿真圖進行線路的連接。5.3實驗測試電子時鐘主要的設(shè)計要求是能夠?qū)崿F(xiàn)時鐘的一般功能，以及包括時間的調(diào)整功能，這個基于單片機的電子時鐘基本上實現(xiàn)了上述功能，能夠通過時間調(diào)整電路對時間進行調(diào)整以及時間計時。圖5-2為23:45:10的仿真圖：圖5-2 23:45:10時刻的仿真效果總結(jié)單片機作為我們主要的專業(yè)課程之一，我覺得單片機課程設(shè)計很有必要，而且很有意義。但當拿到題目時，確實不知道怎么著手，有些迷茫，但想到謝永寧老師在上課時，給我們很詳細的開發(fā)、分析過一個工業(yè)實例，在這個案例的啟發(fā)、幫助下，歷時一個星期，解決了一個又一個難題，終于完成本次課題任務(wù)。通過本課程設(shè)計培養(yǎng)我的系統(tǒng)設(shè)計能力，使我得到了能力上的訓(xùn)練，培養(yǎng)和提高我以下方面的能力： (1)、調(diào)查研究、分析問題的能力 (2)、使用設(shè)計手冊、技術(shù)規(guī)范的能力 (3)、查閱中外文獻的能力 (4)、制定設(shè)計方案的能力 (5)、計算機應(yīng)用的能力 (6)、設(shè)計計算和繪圖的能力