基于单片机的时钟计时器设计Word文档下载推荐.docx
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AT89C52
1概述
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。
由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。
单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。
本设计通过对它的学习、应用，以AT89C52芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间，而且具有秒表功能。
1.1单片机的发展历史
经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
a）SCM即单片微型计算机（Single
Chip
Microcomputer）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。
“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。
b）MCU即微控制器（Micro
Controller
Unit）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。
c）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。
1.2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：
A.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。
B.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：
a）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；
b）使系统进入低功耗模式，在低功耗模式下，振荡器停止工作，使功耗降到最小；
c）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。
C.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，使终端用户产品更具有竞争力。
D.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。
E.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。
F.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单片机比东芝公司的种类多。
随着单片机性能的不断提高，不断的克服和弥补自身的不足。
在各种控制领域，单片机将拥有更加广阔的使用天地。
在很长的一段时间内，它将一直是工程设计人员的首选控制芯片之一。
2课题研究背景与意义
时钟是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。
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显示器代替显示器和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。
本设计利用单片机实现数字时钟计时功能的主要内容，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。
3功能要求
时钟计时器要求用单片机及6位LED数码管显示时、分、秒，以24<
小>
时计时方式运行，能整点提醒（短蜂鸣，次数代表整点时间），使用按键开关可实现时、分调整，秒表/时钟功能转换，省电（关闭显示）及定时设定提醒（蜂鸣器）等功能。
3.1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2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。
3.2计时功能
当秒表用作计时功能时，也需要一个定时器进行10ms的定时，在本设计中使用单片机的T1。
在T1的中断处理程序中对SS和SS的缓存空间进行更新，与上面类似。
3.3显示功能
本系统中，用LED数码显示器来显示各种数字或符号。
由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。
3.4功能按键
再看按键的处理。
P1.0、P1.1、P1.2和P1.3接4个按钮开关，用于调时及功能设置。
3.5中断嵌套和控制
现在在我的方案中有3个中断，T0、T1中断和外部中断INT0。
这3个中断的特点是：
T0的工作是连续的，在误差范围内可以被打断但不可以停止；
T1的工作同样可以在误差范围内被打断，但可以被INT0停止；
INT0是用来启动或停止T1的。
4方案论证
4.1单片机的选择方案和论证
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
单片机性能不断提高，其应用系统也不断发展，就我国的8位单片机应用系统而言，从70～80年代盛行的Z80到80～90年代的INTEL8031，再到90～2000年代的INTEL80C51或AT89C51，而目前流行使用的AT89C52单片机是INTELMCS-51系列的8位单片机。
它具有40引脚，片内带8K闪速存储器EEPROM，一般作程序存储器；
片内带256字节RAM；
提供32条I/O引脚，大部分引脚都可作数字和脉冲输入和输出；
3个16位定时计数器，对外计脉冲数可使用单片机的P3.4（T0）或P3.5（T1）；
6个中断源，其中直接提供外部中断处理可使用P3.2（INT0）或P3.1（INT1）；
2个可编程标准串口，其引脚为P3.0（RXD）和P3.1（TXD）；
时钟频率可达4～24MHz；
具有睡眠状态，指令系统与8031指令系统完全兼容。
除上述技术性能外，还有价格低廉，保密性强，功耗低，应用灵活、方便等优点。
故选择AT89C52单片机为本设计的核心是较佳的选择。
这种单片机具有足够的空余硬件资源，可以实现其他的扩充功能。
如果考虑使用电池供电，则可采用LV系列单片机。
4.2显示模块选择方案和论证
方案一：
采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合，如采用在显示数字显得太浪费，且价格也相对较高，所以也不用此种作为显示。
方案二：
采用LED液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此设计中不采用LED液晶显示屏。
方案三：
采用LED数码管，LED数码管价格适中，对于显示数字最合适。
为了实现LED显示的数字显示，可以采用静态显示法和动态显示法。
由于静态显示法需要数据锁存器等硬件，接口复杂一些，又考虑到时钟显示只有6位，且系统没有其他复杂的处理任务，所以决定采用动态扫描法实现LED的显示。
4.3电路设计最终方案决定
综上各方案所述，对此次作品的方案选定：
采用AT89C52作为主控制系统；
LED数码管动态扫描作为显示。
按照系统设计功能的要求，初步确定系统由主控模块、显示模块、按键开关模块和蜂鸣器模块及列驱动模块组成，时钟计时器电路系统的总体设计框图如图4-1所示。
图4-1时钟计时器电路系统的总体设计框图
5系统硬件电路的设计
该电路采用AT89C52单片机最小化应用设计。
采用共阳7段LED显示器；
P0口输出段码数据；
P2.0~P2.5口作列扫描输出；
P1.0、P1.1、P1.2和P1.3接4个按钮开关，用于调时及功能设置；
P1.7端口接5V的小蜂鸣器，用于按键发音及定时提醒、整点到时提醒等；
为了提供共阳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，可提高秒计时的精确性。
5.1单片机系统
AT89C52单片机具有足够的空余硬件资源，可以实现其他的扩充功能，还有价格低廉，保密性强，功耗低，应用灵活、方便等优点。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），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MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可以提供许多较复杂系统控制应用场合。
图5-1AT89C52芯片
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
主要性能参数：
·
与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
8k字节可重擦写Flash闪速存储器
1000次擦写周期
全静态操作：
0Hz－24MHz
三级加密程序存储器
256×
8字节内部RAM
32个可编程I/O口线
3个16位定时/计数器
6个中断源
可编程串行UART通道
低功耗空闲和掉电模式
图5-2AT89C52方框图
功能特性概述：
AT89C52提供以下标准功能：
8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，1个6向量两级中断结构，2个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
图5-3POFP/TQFP封装形式
图5-4PLCC封装形式
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，故称为准双向I/O口。
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位用吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“l”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节。
而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
与AT89C5l不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表5-1。
Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。
表5-1P1.0和P1.l的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时／计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时／计数器2捕获／重装载触发和方向控制）
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR,A指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri,A指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：
表5-2P3口特殊功能
P3口引脚
特殊功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
WR（写入外部存储器控制）
P3.7
RD（读取外部存储器控制）
XTAL1：
振荡器反向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。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
AT89C52单片机内部设有三个16位的可编程定时器/计数器。
可编程的意思是指其功能（如工作方式、定时时间、量程、启动方式等）均可由指令来确定和改变。
在定时器/计数器中除了有两个16位的计数器之外，还有两个特殊功能寄存器（控制寄存器和方式寄存器）。
本设计主要用到定时器T0与T1，这里简单介绍一下。
16位的定时/计数器分别由两个8位专用寄存器组成，即：
T0由TH0和TL0构成；
T1由TH1和TL1构成。
其访问地址依次为8AH到8DH。
每个寄存器均可单独访问。
这些寄存器是用于存放定时或计数初值的。
此外，其内部还有一个8位的定时器方式寄存器TMO
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