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基于单片机的简易电子时钟设计 1 设计任务与要求 1.1 设计背景 数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于单片机的定时器功能也可以完成数字钟电路的设计，因此进行数字钟的设计是必要的。在这里我们将已学过的比较零散的数字电路的知识有机的、系统的联系起来用于实际，来培养我们的综合分析和设计电路，写程序、调试电路的能力。单片根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块：单片机模块、数码显示模块与按键模块，模块之间的关系图如下面得方框电路图 1 所示。机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且已渗入到人们工作和和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前景广阔。1.2 课程设计目的(1)巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；(2)培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；(3)过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。1.3 设计要求 1）时制式为 24 小时制。2）采用 LED数码管显示时、分，秒采用数字显示。3）具有方便的时间调校功能。4）计时稳定度高，可精确校正计时精度。2 总体方案设计 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 50ms，则计数溢出 20 次即得时钟计时最小单位秒，而 100 次计数可用软件方法实现。假设使用 T/C0，方式 1，50ms 定时，fosc=12MHz。则初值 X满足（216-X）1/12MHz 12 s=50000 s X=15536 3CB0H(2)采用中断方式进行溢出次数累计,计满 20 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8 个单元。LED8LED7LED6LED5LED4LED3LED2LED1 37H36H35H34H33H32H31H30H 时十位时个位分隔分十位分个位分隔秒十位秒个位 2.3 电子钟的时间调整 电子钟设置 3 个按键通过程序控制来完成电子钟的时间调整。A键调整时；B 键调整分；C 键复位 2.4 总体方案介绍 2.4.1 计时方案 利用 AT89S51单片机内部的定时/计数器进行中断时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高，对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而对学好单片机技术这门课程起到一定的作用。2.4.2 控制方案 AT89S51的 P0 口和 P2 口外接由八个 LED数码管(LED8 LED1)构成的显示器，用 P0 口作 LED的段码输出口，P2 口作八个 LED数码管的位控输出线，P1 口外接四个按键 A、B、C构成键盘电路。AT89S51是一种低功耗，高性能的 CMOS8 位微型计算机。它带有 8KFlash 可编程和擦除的只读存储器（EPROM），该器件采用 ATMEL 的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的 80C51 和 80C52 的指令系统及引脚兼容，片内 Flash 集成在一个芯片上，可用与解决复杂的问题，且成本较低。简易电子钟的功能不复杂，采用其现有的 I/O 便可完成，所以本设计中采用此的设计方案。3 系统硬件电路设计 根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块：单片机模块、数码显示模块与按键模块，模块之间的关系图如下面得方框电路图 1 所示。图 1 硬件电路方框图 3.1 单片机模块设计 3 1 1 芯片分析 AT89C51单片机引脚图如下：图 2AT89C51引脚图 MCS-51 单片机是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，其各引脚功能如下：VCC：+5V电源。VSS：接地。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用 完成单片机的复位初始化操作。XTAL1 和 XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石 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。P0 口：P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口，当作输出口使用时，必须接上拉电阻 才能有高电平输出；当作输入口使用时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使 FET截 止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，它不再需要多路转接电路 MUX；因此它作为输出口使用时，无需再外接上拉电阻，当作为输入口使用时，同样也需 先向其锁存器写“1”，使输出驱动电路的 FET截止。P2 口：P2 口电路比 P1 口电路多了一个多路转接电路 MUX，这又正好与 P0 口一样。P2口可以作为通用的 I/O 口使用，这时多路转接电路开关倒向锁丰存器 Q端。P3 口：P3 口特点在于，为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。当作为 I/O 口使用时，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。当输出第二功能信号时，该位应应置“1”，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出，具体第二功能如表 1 所示。3.1.2 晶振电路 右图所示为时钟电路原理图，在 AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。而在芯片内部，XTAL1 和 XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。图 3 晶振电路 3.1.3 复位电路 单片机复位的条件是：必须使 RST/VPD 或 RST引（9）加上持续两个机器周期（即 24个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为 12MHz，每机器周期为 1 s，则只需 2 s以上时间的高电平，在 RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位如图所示。电路为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RESET端的电位与 VCC 相同，随着充电电流的减少，RESET 的电位逐渐下降。只要保证 RESET 为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图中的 RESET 键，此时电源 VCC 经电阻 R1、R2分压，在 RESET 端产生一个复位高电平。图 4 单片机复位电路 3.2 数码显示模块设计 系统采用动态显示方式，用 P0 口来控制 LED数码管的段控线，而用 P2 口来控制其位控线。动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。图 5 数码显示电路 3.3 按键模块 下图为按键模块电路原理图，A为复位键，B 为时钟调控键，C 为分钟调控键。图 6 按键模块电路原理图 4、系统软件设计 4.1 软件设计分析 在编程上，首先进行了初始化，定义程序的的入口地址以及中断的入口地址，在主程序开始定义了一组固定单元用来储存计数的时.分.秒，在显示初值之后，进入主循环。在主程序中，对不同的按键进行扫描，实现秒表，时间调整，复位清零等功能，系统总流程图如下图 7：图 7 系统总体流程图 4.2 源程序清单 ORG0000H MOV30H,#1 MOV31H,#2 MOV32H,#0 MOV33H,#0 MOV34H,#0 MOV35H,#0 MOVTMOD,#01 启动计数器 XS0:SETBTR0 使 TRO 位置 1 MOVTH0,#00H 计数器置零 MOVTL0,#00H XS:MOV40H,#0FEH 扫描控制字初值 MOVDPTR,#TAB 取段码表地址 MOVP2,40H 从 P2 口输出 MOVA,30H 取显示数据到 A MOVCA,A+DPTR 查显示数据对应段码 MOVP0,A 段码放入 P0 中 LCALLYS1MS 显示 1MS MOVP0,#0FFHPO 端口清零 MOVA,40H 取扫描控制字放入 A中 RLAA 中数据循环左移 MOV40H,A 放回 40H地址段内 MOVP2,40H MOVA,31H ADDA,#10 进位显示 MOVCA,A+DPTR MOVP0,A LCALLYS1MS MOVP0,#0FFH MOVA,40H RLA MOV40H,A MOVP2,40H MOVA,32H MOVCA,A+DPTR MOVP0,A LCALLYS1MS MOVP0,#0FFH MOVA,40H RLA MOV40H,A MOVP2,40H MOVA,33H ADDA,#10 MOVCA,A+DPTR MOVP0,A LCALLYS1MS MOVP0,#0FFH MOVA,40H RLA MOV40H,A MOVP2,40H MOVA,34H MOVCA,A+DPTR MOVP0,A LCALLYS1MS MOVP0,#0FFH MOVA,40H RLA MOV40H,A MOVP2,40H MOVA,35H MOVCA,A+DPTR MOVP0,A LCALLYS1MS MOVP0,#0FFH MOVA,40H RLA MOV40H,A JBTF0,JIA 如果 TF0 为 1 时，则执行 JIA，否则顺序执行 JNBP1.0,P100 为 0 则转移到 P100 JNBP1.1,P1000 为 0 则转移到 P1000 JNBP1.2,P10000 为 0 则转移到 P10000 AJMPXS 跳转到 XS P100:MOV30H,#0清零程序 MOV31H,#0 MOV32H,#0 MOV33H,#0 MOV34H,#0 MOV35H,#0 JIA:CLRTF0TF0清零 MOVA,35H 秒单位数据到 A CJNEA,#9,JIA1 与 9 进行比较，大于 9 就转移到 JIA1 MOV35H,0 秒个位清零 MOVA,34H 秒十位数据到 A CJNEA,#5,JIA10 与 5 进行比较，大于 5 就转移到 JIA10 MOV34H,#0 秒十位清零 P10000:JNBP1.2,P10000 为 0 则转移到 P10000 MOVA,33H 取分的个位到 A CJNEA,#9,JIA100 与 9 进行比较，大于 9 就转移到 JIA100 MOV33H,#0 分的个位清零 MOVA,32H 分十位数据到 A CJNEA,#5,JIA1000 与 5 进行比较，大于 5 就转移到 JIA1000 MOV32H,#0 分的十位清零 P1000:JNBP1.1,P1000 为 0 则转移到 P1000 MOVA,31H 时个位数据到 A CJNEA,#9,JIA10000 与 9 进行比较，大于 9 就转移到 JIA10000 MOV31H,#0 时的个位清零 MOVA,30H 时十位数据到 A CJNEA,#2,JIA100000 与 2 进行比较，大于 5 就转移到 JIA100000 MOV30H,#0 时的十位清零 AJMPXS0 转移到 XSO JIA100000:INC30H加 1 AJMPXS0 跳转到 XS0 JIA10000:CJNEA,#3,JIAJIA 与 3 进行比较，大于则转移到 JIAJIA MOVA,30H 将时的十位放到 A CJNEA,#02,JIAJIA 与 2 进行比较，大于则转移到 JIAJIA MOV30H,#0 时段清零 MOV31H,#0 AJMPXS0 跳转到 XSO JIAJIA:INC31H加一 AJMPXS0 JIA1000:INC32H AJMPXS0 JIA100:INC33H AJMPXS0 JIA10:INC34H AJMPXS0 JIA1:INC35H AJMPXS0 RET返回 YS1MS:MOVR6,#9H 延时程序 YL1:MOVR7,#19H DJNZR7,$DJNZR6,YL1 RET TAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,099H,092H,082H,0F8H,080H,090H 共阳段码表 DB040H,079H,024H,030H,019H,012H,002H,078H,000H,010H END 5 系统仿真与实验测试 5.1 系统仿真 运用 proteus 软件进行仿真现在 proteus 软件中建立一个新的文件，再根据自己的要求选择所需的器件，把器件进行适当的排位后进行连接，连接后运行软件进行仿真。5.2 实验测试 电子时钟主要的设计要求是能够实现时钟的一般功能，以及包括时间的调整功能，这个基于单片机的电子时钟基本上实现了上述功能，能够通过时间调整电路对时间进行调整以及复位。下述为 18：30：30 的仿真图：图 818：30：30 时刻的仿真效果图 6 心得体会 单片机作为我们主要的专业课程之一，我觉得单片机课程设计很有必要，而且很有意义。但当拿到题目时，确实不知道怎么着手，有些迷茫，上网查资料，问老师，在老师的帮助下，历时两个星期，解决一个又一个的困难，终于完成任务。在这次课程设计中，运用到了很多以前的专业知识，虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的一大收获。另 外，要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一 个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流 程图；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；要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该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；在设计课程过程中遇到问题是很正常德，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。设计过程，好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，不能灵活运用。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。另外，要非常感谢我的指导老师，是她指引我克服一个由一个的困难，让我学会对困难无所畏惧，以及对问题的一些很重要的思考方法。我学会对困难无所畏惧，以及对问题的一些很重要的思考方法。参考文献 1 郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统（第二版）上册 M.高等教育出版社,2000 2 郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统（第二版）下册 M.高等教育出版社,2000 3 谭浩强.C 程序设计（第二版）M.清华大学出版社,2003 4W.RichardStevens,范建华译.TCP/IP 详解卷 1：协议 M.机械工业出版社，2000 5AndrowS.Tanenbaum.计算机网络（第 4 版）M.Pearson，2004 6 吴坚，刘高平.基于 GPRS网络的点对点图像传输方案 J.计算机应用研究，2004，5：222-223,231 7W.Simpson,Editor.ThePoint-to-PointProtocol,RFC1661EB/OL.July1994 8WAVECOM.ATCommandsInterfaceGuide,Revision002EB/OL.6thNovember2003 附录 附录 1 硬件电路总图 附录 2 元器件清单 表 2 电子钟元器件清单 序号 元件名称 规格型号/参数 数量（个）备注 1 单片机 AT89S52 1 2 显示驱动三极管 A1013 8 3 晶振 11.0592MHz 1 4 电容 30pF 2 5 电容 22F 1 6 按键 BUTTON 3 7 排阻 RESPACK-8/10K 1 结论 过去人们应用时钟仅仅是为了明确当前时间。随着生产力的发展，社会的进步，生产生活对时钟的需求越来越大，对时钟的体型、功能的要求也各有不同。所以多功能电子时钟在今后的应用也会越来越广泛。基于单片机实现电子时钟，仅仅是众多方法之一。并且市场上的实时时钟日历芯片品类繁多，IC 化的传感器各种各样，显示方式也愈趋于人性化。所以多功能电子时钟有多种实现方案，能够实现的功能也很多，笔者已经通过仿真和调试，实现了时间日历显示和校对、闹铃等功能。本文采用 51 单片机 C 语言进行编程，当然也可以应用汇编语言编程。由于笔者能力有限，提供的程序还可以进一步优化，并且还可以根据需求为电子时钟增设新功能。