基于单片机的定时闹铃设计.docx

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基于单片机的定时闹铃设计

摘要

时间是现代社会中不可缺少的一项参数,无论是平时生活还是社会生产都需要对时间进行控制,有的场合对其精确性还有很高的要求.采用单片机进行计时，对于社会生产有着十分重要的作用。

本文首先在绪论中介绍了单片机和时钟的概念和现状，然后在对单片机系统、喇叭装置和显示电路做了深入的研究之后，提出了系统总体设计方案，并设计了各部分硬件模块和软件流程，在用汇编语言设计了具体软件程序后，用伟福软件进行了仿真和调试,结果证明了该设计系统的可行性。

由于AT89C51系列单片机的控制器运算能力强，处理速度快，可以精确计时，很好地解决了实际生产生活中对计时高精确度的要求，因此该设计在现代社会中具有广泛的适用性。

关键字：

AT89C51,定时,LCD显示,仿真，调试

Abstract

Modernsocietyisindispensabletoaparameter,whetherinpeacetimeorinsocialproductionneedtocontrolthetime,therearesomeoccasionstoitshighaccuracyrequirements.Microcontrollerusedtotime,thecommunityhasaproductionveryimportantrole.

ThispaperfirstintroducedintheintroductionoftheconceptofSCMandclockandthestatusquo,thentheSCMsystem,speakersanddisplaycircuitdevicesdoanin-depthstudy,theoveralldesignofthesystemproposedprogramme,allpartsofthedesignofthehardwaremoduleAndsoftwareprocessesusedinthecompilationofthespecificlanguageofthesoftwaredesignprocess,FuWei-usesoftwaresimulationanddebugging,theresultsprovedthefeasibilityofthedesign.

AsthecontrollerAT89C51MCUcomputingcapabilityandprocessingspeed,precisiontiming,agoodsolutiontothelifeoftheactualproductionofhighprecisiontimingoftherequest,sothedesigninmodernsocietyhasabroadapplicability.

Keyword:

AT89C51,timing,LCDdisplay,simulation,debugging

第一章绪论

第一节设计本电子定时闹钟的目的和意义

一、复习和巩固所学过的知识，利用此毕业设计正好可以对所学过的知识进行系统的回顾和总结。

二、拓展知识面，课堂的知识是远远满足不了设计的要求的，这就需要我们主动去找寻更多的资料，了解更多的知识。

三、培养了设计能力和解决实际问题的能力，同时增强了自学能力，通过设计完整的单片机系统也初步掌握了组成系统、编程、调试等能力。

四、通过本LCD电子钟的设计初步了解了单片机应用系统开发研制过程，软件和硬件设计的方法。

第二节单片机和数字钟介绍

一、单片机介绍

1.单片机定义

“单片机”就是将计算机的基本部件集成到一块芯片上，包括CPU（CentralProcessingUnit）、ROM（ReadOnlyMemory）、RAM（RandomAccessMemory）、并行口（ParallelPort）、串行口（SerialPort）、定时器／计数器（Timer/Counter）、中断系统（InterruptSystem）、系统时钟及系统总线等。

2.单片机分类

单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。

通用型单片机具有比较丰富的内部资源，性能全面且适应性强，能覆盖多种应用需求。

专用单片机是专门针对某个特定产品的，例如，专用于电机控制的单片机、车载电子设备、语音信号处理和家用电器中的单片机等。

3.单片机的发展概况

单片机的发展经历了探索---完善---MCU化---百花齐放四个阶段。

（1）芯片化探索阶段

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。

MCS48单片机系列的推出标志着在工业控制领域，进入到智能化嵌入式应用的芯片形态计算机的探索阶段。

参与这一探索阶段的还有Motorola、Zilog和Ti等大公司，它们都取得了满意的探索效果，确立了在SCMC的嵌入式应用中的地位。

这就是SingleChipMicrocomputer的诞生年代，单片机一词即由此而来。

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）结构体系的完善阶段

在MCS-48探索成功的基础上很快推出了完善的、典型的单片机系列MCS-5l。

MCS-51系列单片机的推出，标志着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的体系结构。

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。

（3）从SCMC向MCU化过渡阶段

Intel公司推出的MCS96单片机，将一些用于测控系统的模数转换器（ADC）、程序运行监视器（WDT）、脉宽调制器（PWM）、高速I/O口纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

由于MCS-51单片机系列向各大电气商的广泛扩散，许多电气商竞相使用80C51为核，将许多在测控系统中使用的电路技术、接口技术、可靠性技术应用到单片机中；随着单片机内外围功能电路的增强，进一步强化了智能控制器的特征。

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。

3）CMOS化，提供功耗管理功能。

4）提供OTP供应状态，利于大规模和批量生产。

（4）MCU的百花齐放阶段

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，单片机的发展进入了百花齐放的时代，为用户的选择提供了广阔的空间。

二、数字钟介绍

时钟是将小时、分钟、秒钟显示于人的肉眼的计时装置。

而单片机模块中最常见的正是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

而LCD电子定时闹钟是以单片机为基础的数字电路实现对时、分、秒的数字显示的数字计时装置,它的计时周期为24小时，另外应有校时功能和一些显示日期、闹钟等附加功能。

一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”，“星期”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。

目前电子钟广泛用于各种私人和公众场合,成为我们生活、工作和学习中不可缺少的好帮手。

由于时钟的实用性和在人们生活中的重要性，所以尝试设计以单片机为核心的数字时钟是很有意义的。

钟表原先的报时功能已经原不能满足人们日益增长的要求，现代的电子时钟多带有类似自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等功能，本设计中LCD电子时钟采用LCD显示时间和日期年月，直观实用，而且可以方便的校调，附带的万年历和定时功能也是很方便和实用的.

第三节本LCD电子闹钟的特点和功能介绍

一、本电子钟设计特点

本LCD电子定时闹钟是一种基于单片机技术的多功能、多用途的电子产品，有电子时钟、日期显示、定时闹铃等多种功能。

本设计产品性能卓越，功能丰富，采用LCD显示更加直观，是一个比较实用的电子产品。

二、本电子钟的主要功能

1．可以显示24小时制“时时-分分-秒秒”，LCD显示。

2．可以显示日期，具有万年历功能。

3．可以方便的设定定时时间、修改定时时间，闹铃功能，预设定时时间到将发出闹铃声。

4．能够修改时钟时间的时、分、秒，能够修改日期的年月日。

第二章总体方案设计与硬件设计

第一节总体方案设计

本LCD定时闹钟，是以单片机及外围接口电路为核心硬件，辅以其他外围硬件电路，用汇编语言设计的程序来实现的。

根据C51单片机的外围接口特点扩展相应的硬件电路，然后根据单片机的指令设计出数字钟相应的软件，再利用软件执行一定的程序来实现数字钟的功能。

由于采用集成芯片性的单片机来制作电子钟，这样设计制作简单而且功能多、精确度高，也可方便扩充其他功能，实现也十分简单。

本设计是利用AT89C51单片机为主控芯片，由LCD、晶振、电阻、电容、发光二极管、开关、喇叭等元件组成硬件电路，通过编写软件程序来实现和控制的数字定时闹钟。

第二节电路总体概念图设计

总体的硬件系统结构框图如图2-1所示

图2-1硬件电路概念示意图

其中AT89C51为硬件系统的核心部分，震荡电路为单片机芯片提供时钟信号，调时电路用来设置时间和闹铃时间，输出分为两部分；一部分连接到LCD用于时间的显示，一部分连接到喇叭，用于闹铃声音的输出。

第三节MCS-51单片机硬件结构设计

一、MCS–51单片机内部总体结构

MCS–51系列单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、输入/输出接口、系统总线等基本部件构成微型计算机基本部件的8位单片机，其内部构造如图2-2所示

图2-2MCS-51单片机内部总体结构图

二、MCS-51单片机的引脚

1．MCS-51单片机的引脚图、逻辑图见图2-3

图2-3MCS-51单片机的引脚图、逻辑图

2.引脚功能说明

（1）Vcc：

电源电压，GND：

接地，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，每位以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”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，这组端口线分时转换地址（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。

（2）P1口：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口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“1”，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）。

另外，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2-1。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表2-1P1.0和P1.1的第二功能

引脚号功能特性

P1.0T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）

　（3）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P2端口写“1”，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。

（4）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“1”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，如表2-2所示：

表2-2P3口的第二功能

端口引脚第二功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INT0（外中断0）

P3.4INT1（外中断1）

P3.5T0（定时/计数器0）

P3.6T1（定时/计数器1）

P3.7WR（外部数据存储器写选通）

P3.8RD（外部数据存储器读选通）

　此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

（5）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。

（6）ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

（7）PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次RSEN信号。

（8）EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需要注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚要加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

（9）XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

（10）XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

三、MCS-51的微处理器

MCS-51的微处理器是由运算器和控制器所构成的。

运算器：

主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。

主要包括算术逻辑运算单元ALU、累加器A、寄存器B、位处理器、程序状态字寄存器PSW以及BCD码修正电路等。

控制器：

单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。

四、MCS-51存储器的结构

MCS-51单片机存储器采用的是哈佛结构，即程序存储器空间和数据存储寻空间截然分开，见图3-4。

其中程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。

这种结构对于单片机“面向控制”的实际应用极为方便、有利。

图2-48051/8751单片机的存储器

1.程序存储器

MCS-51单片机的程序存储器用于存放应用程序和表格之类的固定常数。

可扩充的程序存储器空间最大为64K字节。

程序存储器的使用应注意以下两点：

（1）整个程序存储器空间可以分为片内和片外两部分，CPU访问片内和片外程序存储器，可由引脚所接的电平来确定。

=1，即引脚接高电平时，程序将从片内程序存储器开始执行；当PC值超出片内ROM的容量时，会自动转向片外程序存储器空间执行程序。

=0，即引脚接低电平时，单片机只执行片外程序存储器中的程序。

（2）程序存储器的某些单元被固定用于中断源的中断服务程序的入口地址。

MCS-51单片机复位后，程序存储器PC的内容为0000H，故系统从0000H单元开始取指令，执行程序。

64K程序存储器中有5个单元具有特殊用途，如下：

0003H：

外部中断0入口地址。

000BH：

定时器0中断入口地址。

0013H：

外部中断1入口地址。

001BH：

定时器1中断入口地址。

0023H：

串行口中断入口地址。

在系统中断相应之后，将自动转各中断入口地址处执行序，而中断服务程序一般无法存放于几个单元之内，因此在中断入口地址处往往存放一条无条件转移指令进行跳转，以便执行中断服务程序。

2.MCS-51内部数据存储器

MCS-51单片机的片内数据存储器单元共有128个，字节地址为00H-7FH。

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。

地址为20H-2FH的16个单元可进行共128位的位寻址。

地址为30H-7FH的单元为用户RAM区，只能进行字节寻址。

其具体配置见图2-5。

图2-5MCS-51内部数据存储器的配置

3.特殊功能寄存器（SFR）

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。

表2-3是该寄存器的名称及其地址分布。

表2-3SFR名称及地址分布

特殊功能寄存器符号

名称

字节地址

位地址

B寄存器

F0H

F7H~F0H

ACC或A

累加器A

E0H

E7H~E0H

PSW

程序状态字PSW

D0H

D7H~D0H

中断优先级控制

B8H

BFH~B8H

P3口

B0H

B7H~B0H

中断允许控制

A8H

AFH~A8H

P2口

A0H

A7H~A0H

SBUF

串行数据缓冲器

99H

SCON

串行控制

98H

9FH~98H

P1口

90H

97H~90H

TH1

定时器/计数器1（高八位）

8DH

TH0

定时器/计数器0（高八位）

8CH

TL1

定时器/计数器1（低八位）

8BH

TL0

定时器/计数器0（低八位）

8AH

TMOD

定时器/计数器方式控制

89H

TCON

定时器/计数器控制

88H

8FH~88H

PCON

电源控制

87H

DPH

数据指针高字节

83H

DPL

数据指针低字节

82H

堆栈指针

81H

P0口

80H

87H~80H

4.位地址空间

MCS-51单片机指令系统中有丰富的位操作指令，这些指令构成了位处理机的指令集。

在RAM和SFR中共有211个位地址，位地址范围在00H-FFH内，其中00H-7FH这128个位处于内部RAM字节地址20H-2FH单元中，如表2-4所示。

其余的83个可寻址位分布在特殊功能寄存器SFR中，如表2-5所示。

表2-48051内部RAM的可寻址位

字节地址

位地址

7FH

7EH

7DH

7CH

7BH

7AH

79H

78H

77H

76H

75H

74H

72H

71H

70H

6FH

6EH

6DH

6CH

6AH

69H

68H

67H

66H

65H

64H

62H

61H

60H

5FH

5EH

5DH

5CH

5AH

59H

58H

57H

56H

55H

54H

52H

51H

50H

4FH

4EH

4DH

4CH

4AH

49H

48H

47H

46H

45H

44H

42H

41H

40H

3FH

3EH

3DH

3CH

3AH

39H

38H

37H

36H

35H

34H

32H

31H

30H

2FH

2EH

2DH

2CH

2AH

29H

28H

27H

26H

25H

24H

22H

21H

20H

1FH

1EH

1DH

1CH

1AH

19H

18H

17H

16H

15H

14H

12H

11H

10H

0FH

0EH

0DH

0CH

0AH

09H

08H

07H

06H

05H

04H

02H

01H

00H

表2-58051特殊功能寄存器中的位地址

SFR符号

位地址

字节

地址

F7H

F6H

F5H

F4H

F3H

F2H

F1H

F0H

ACC

E7H

E6H

E5H

E4H

E3H

E2H

E1H

E0H

ACC.7

ACC.6

ACC.5

ACC.4

ACC.3

ACC.2

ACC.1

ACC.0

PSW

D7H

D6H

D5H

D4H

D3H

D2H

D1H

D0H

RS1

RS0

BDH

BCH

BBH

BAH

B9H

B8H

PT2

PT1

PX1

PT0

PX0

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B5H

B4H

B3H

B2H

B1H

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