基于单片机的时钟计时器的设计.docx

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基于单片机的时钟计时器的设计

摘要

时钟是人类日常生活必不可少的工具，本设计从日常生活中常见的事物入手，通过对时钟计时器的设计，让我们认识到单片机已经深入到我们生活的每个领域，该设计不仅可以锻炼我们的动手能力，而且可以加深我们对单片机的认识和激发我们对未知科学领域的探索。

本文利用单片机实现数字时钟计时功能的主要内容，采用独立式按键进行时间调整，其中AT89C52是核心元件同时采用数码管LED动态显示“时”，“分”，“秒”的现代计时装置。

与传统机械表相比，它具有走时精确,显示直观等特点。

它的计时周期为24小时，显满刻度为“23时59分59秒”，另外具有校时功能，断电后有记忆功能，恢复供电时可实现计时同步等特点。

该系统同时具有硬件设计简单、工作稳定性高、价格低廉等优点。

关键字AT89C52LED显示244

Abstract

HumanClockisanessentialtoolforeverydaylife,fromthedesignofeverydaythingsincommonstart,theclocktimerthroughthedesign,letusrecognizethatSCMhasthedepthtoeachareaofourlives,notonlythedesignCanexerciseourpracticalability,butcanalsodeepenourunderstandingoftheSCMandinspireustoexploretheunknownfieldofscience.

UsingMCUdigitalclocktimingofthemaincontentsofastand-alonekeystotimetoadjust,whileAT89C52isthecorecomponentoftheLEDdigitaldisplaydynamic",""points"and"seconds"ofmoderntimingdevices.Comparedwiththetraditionalmechanicalwatches,ithasaprecisepaththatintuitive,andothercharacteristics.It'stimeforthe24-hourcycle,infullscaleas"23:

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59",andaschoolfunction,memoryfunctionafterpowerandrestorepowersupplycanberealizedatthetimesynchronization,andothercharacteristics.Thesystemalsohashardwaredesignsimple,highstabilitywork,theadvantagesoflowprices.

Keyword：

AT89C52LEDdisplay244

第一章前言

第一节选题目的和意义

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。

时钟作为现代社会应用广泛的计时工具，在航天、电子等科研单位，工厂、医院、学校等企事业单位，各种体育赛事及至我们每个人的日常生活中都发挥着重要的作用。

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。

本文利用单片机实现数字时钟计时功能的主要内容，采用独立式按键进行时间调整，其中AT89C52是核心元件同时采用数码管动态显示“时”，“分”，“秒”的现代计时装置。

与传统机械表相比，它具有走时精确,显示直观等特点。

它的计时周期为24小时，显满刻度为“23时59分59秒”，另外具有校时功能，断电后有记忆功能，恢复供电时可实现计时同步等特点。

该系统同时具有硬件设计简单、工作稳定性高、价格低廉等优点。

作为本设计核心元件的单片机自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52单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。

随着单片机的不断发展其应用的不断扩展，它的作用也越来越重要，时钟是人类日常生活必不可少的工具，其制作也越来越简单，本设计从日常生活中常见的事物入手，通过对时钟计时器的设计，让我们认识到单片机已经深入到我们生活的每个领域，该设计不仅可以锻炼我们的动手能力，而且可以加深我们对单片机的认识和激发我们对未知科学领域的探索。

使的原本枯燥的学习变的更有趣味和更加形象。

第二节国内外发展情况

一单片机的发展历程

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：

不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段：

（1）第一阶段（1976-1978）：

单片机的控索阶段。

20世纪70午代，美国的Fairchild（仙童）公司首先推出了第一款单片机F－8，随后Intel公司推出了影响面大、应用更广的MCS48单片机系列，以Intel公司的MCS–48为代表。

MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。

这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。

这一时期的特点是：

◆嵌入式计算机系统的芯片集成设计；◆少资源、无软件，只保证基本控制功能。

（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。

Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51，标志SingleChipMicrocomputer体系结构的完善。

它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

①完善的总线结构：

◆并行总线：

8位数据总线、16位地址总线及相应的控制总线，两个独立的地址空间；◆串行总线：

通信总线，扩展总线。

②完善的指令系统：

◆具有很强的位处理功能和逻辑控制功能，以满足工业控制等方面的需要；◆功能单元的SFR（特殊功能寄存器）集中管理。

③完善的MCS-51成为SCMC的经典体系结构。

日后，许多电气商在MCS-51的内核和体系结构的基础上，生产出各具特色的单片机。

④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

（3）第三阶段（1982-1990）：

8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。

Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。

微控制器（Microcontrollers）成为单片机较为准确表达的名词。

其特点是：

①满足嵌入式应用要求的外围扩展，如WDT、PWM、ADC、DAC、高速I/0口等。

②众多计算机外围功能集成，如：

◆提供串行扩展总线：

SPI、I2C、BUS、Microwire；◆配置现场总线接口：

CANBUS。

③CMOS化，提供功耗管理功能。

④提供OTP供应状态，利于太规模和批量生产。

（4）第四阶段（1990—）：

微控制器的全面发展阶段。

随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

　单片机发展到这一阶段，表明单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具-----小到玩具、家电行业，大到车载、舰船电子系统，遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等领域。

为满足不同的要求，出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的8位、16位、32位通用型单片机，小型廉价型、外围系统集成的专用型单片机，以及形形色色各具特色的现代单片机。

可以说，单片机的发展进人了百花齐放的时代，为用户的选择提供了空间。

这一时期的特点为：

（1）电气商、半导体商的普遍介入

（2）大力发展专用单片机（3）提高综合品质（4）C语言的广泛支持（5）多种选择下的选择原则。

二单片机的发展趋势

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

下面是单片机的主要发展趋势。

CMOS化近年，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。

CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。

这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。

因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。

CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。

采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。

随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。

CHMOS和HMOS工艺的结合。

目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。

因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。

低功耗化单片机的功耗已降到mA级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。

低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。

低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。

允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。

低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。

目前0.8V供电的单片机已经问世。

低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。

大容量化以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。

但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。

为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。

目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。

高性能化主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。

采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。

现指令速度最高者已达100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。

这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。

由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。

小容量、低价格化与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。

这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。

外围电路内装化这也是单片机发展的主要方向。

随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。

除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。

单片机应用的主流结构。

随着低价位OTP（OneTimeProgramble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。

特别是IC、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。

在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。

这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。

80C51单片机已成为单片机发展的主流。

专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

总体而言单片机的发展趋势是：

性能增强，增加位数，提高速度与运算能力，增强语言功能，扩大存储容量降低工作电压，降低功耗，提高可靠性，功能多样化，增加功能部件，多种输入/输出功能，DTMF变频数控模拟通信接口多样化RS-232SPISCICAN多CPU多种存储器ROMRAMEPROMOTPE2PROMFlash。

三单片机的组成及特点

单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。

就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。

1.单片机的组成

它通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。

其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。

单片机中的CPU、存储器等部件将在后面章节陆续介绍。

2.单片机的特点

由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。

单片机主要发如下特点：

（1）有优异的性能价格比。

（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。

另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

（3）控制功能强。

为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。

单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

（5）外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

四单片机的分类

单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。

根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

1.通用型/专用型

这是按单片机适用范围来区分的。

例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

2.总线型/非总线型

这是按单片机是否提供并行总线来区分的。

总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

3.控制型/家电型

这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。

一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。

显然，上述分类并不是惟一的和严格的。

例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

五单片机的应用

由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。

它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：

1.单片机在智能仪表中的应用

单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。

2.单片机在机电一体化中的应用

机电一体化是械工业发展的方向。

机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。

单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。

3.单片机在实时控制中的应用

单片机广泛地用于各种实时控制系统中。

例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。

单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。

上，对现场信息进行实时的测量和控制。

单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。

4.单片机在分布式多机系统中的应用

在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。

多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。

单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点。

5.单片机在人类生活中的应用

自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。

单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。

综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。

另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。

这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

第三节本设计研究的内容和所做的工作

时钟计时器设计主要利用AT89C52单片机,采用AT89C52单片机最小化应用设计，采用共阳极7段LED显示器。

由单片机的P0口输出短码数据；单片机的P2.0~P2.5口作列扫描输出；P1.0，P1.1，P1.2和P1.3口与按键相接用于时间的校正及功能设置；P1.7端口接5V的小蜂鸣器，用于按键发音和定时提醒，整点到时提醒等；为了提供共阳极LED数码管的列扫描驱动电压，用三极管9012作电源驱动输出；采用12MHZ晶振，以提高妙计时的精确性。

在设计中，外部电源系统产生+5V电压，用于给CPU及显示电路提供工作电压，这是数字时钟正常工作时的总电压。

整个系统工作时，秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。

“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。

“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。

显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出，通过六个七段LED显示器显示出来。

校时电路是直接加一个脉冲信号到时计数器或者分计数器或者秒计数器来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整。

小结

本章开始叙述了基于AT89C52单片机的时钟计时器设计的选题目的和意义，是我明白一个好的设计题目不仅可以锻炼我们的动手能力，加深我们对单片机的认识和激发我们对未知科学领域的探索，使的原本枯燥的学习变的更有趣味和更加形象，而且还要有广阔的市场前景和好的经济效益。

单片机作为当今世界工矿企业运用最为广泛的一类控制芯片，有着其独特的魅力，熟悉单片机的发展情况是作为一名自动化专业学生所必须的，因此选题目的和意义介绍了单片机国内外发展情况，包括单片机的发展历程、组成、特点、分类、应用及发展趋势，使我对单片机有了更加系统、全面的了解，为以后单片机的学习和研究起了好的开端。

最后阐述了时钟计时器设计研究的内容和所做的工作，给整个设计起到了纲领性的指导作用。

第二章系统硬件的设计

第一节设计方案的提出、论证和确定

一时钟功能

对于时钟功能，需要在数码管上显示小时、分钟和秒钟，因此，可以在内部存储空间分别定义它们的显示缓存空间，来存放小时、分钟和秒钟的BCD码，各2个字节。

由于时钟是不能停止的，因此需要采用内部定时器自动计时，并使用定时器中断处理程序来定时进行时间数值的刷新。

52单片机的3个定时器都具有16位定时器的

工作模式。

当晶振为12MHz时，16位定时器的最大定时值为65.536mS；要达到1秒钟，可以采用两种方法：

采用一个定时器定时与软件计数相结合的方法；或者采用两个定时器级联的方法。

由于秒表在计时功能时也需要用到1个定时器，因此，我们采用第一个方法，只使用1个定时器，例如使用T0。

为了达到较为准确的计时，使T0的溢出时间为50ms，使用一个字节作为软件计数器ST，计数值为20。

定时器的中断处理程序对ST进行减1操作，当ST为0时，1秒到达，此时更新存放小时、分钟、秒钟的显示缓存区。

二计时功能

当秒表用作计时功