基于单片机的秒表时钟计时器设计.docx
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基于单片机的秒表时钟计时器设计
基于单片机的秒表时钟计时器设计
毕业设计论文
基于单片机的秒表/时钟计时器设计
摘要
近年来，随着科学技术的进步和时代的发展，人们对时钟的功能和精度提出了越来越高的要求，各种时钟的设计也越来越重要。
秒表/时钟计时器是在一种计时器上实现两种基本功能的一种器件。
它广泛应用于各种场所，同时，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化，而受到广大消费者的喜爱。
本文介绍了一种以AT89S51单片机为核心的秒表/时钟计时器的设计，实时时钟芯片DS1302提供实时时间，6位LED动态显示时、分、秒，并在计时过程中具有报时功能,定时时间到时，音乐电路播放悦耳的乐曲。
该数字钟设有五个按键:
K1,K2，K3，K4和K5键,使之具备了校时、定时功能，在设计中分别介绍了它们的工作特点、原理和使用方法，并给出了它们与单片机AT89S51的接口电路。
单片机和集成芯片的应用使得本设计硬件电路简化、编程方便，同时功能也更稳定。
由于单片机可以重新写入不同程序这就便于时钟功能的扩充和改变，同时时钟芯片时间精确度高可以保证系统的精度。
关键词：
单片机；秒表；时钟；实时时钟芯片；动态LED显示；
TheDesignOfStopwatch/Electronic-ClockSystemBasedOnSingle-Chip-Microcomputer
Abstract
Inrecentyears,withthescientificprogressandthedevelopmentofthetimes,people’requirementsoftheclock’functionandaccuracyaremoreandmorehigh.Thevariousdesignoftheclockalsobecomesincreasinglyimportant.Aslongastheexistenceoftiming、counting,theclockwillbeused.Meanwhile,indailylives,withitsfeatureofcompact,lowprice,highaccuracy,easetouse,multi-functional,easeofintegration,thedigitalclockarefondofmajorityofconsumers.
Thispaperintroducesthedesignofdigitalalarmingclock,whichwasbasedonthecoreofsingle-chipmicrocomputerAT89S51.Real-timeclockchipDS1302providesreal-time,sixbitLEDdisplayhours,minutesandsecondsdynamically,theclockalsohavingthefunctionoftimekeepingintheprocessoftiming.Whentimingtime,themusiccircuitbroadcastdelightfulmusic.Thedigitalclockwithfivekeys:
thebuttonofK1,K2,K3,K4,withthesekeys,thedigitalclockhasthefunctionofregulating&timing.Thisdesignintroducestheircharacteristics,principles,usingmethods,andgivesthemtheinterfacecircuitwithSCMAT89S51.
ThecircuitofhardwareforthisdesignbecomeeasyandthesystemfunctionbecomepowerfulalongwithMCUandintegratedchipused.Becausethemonolithicintegratedcircuitmayrereadindifferentprocedurethisatyourconveniencetotheclockfunctionexpansionandthechange,simultaneouslytheReal-timeclockchipprecisionishighmayguaranteethesystemtheprecision.
Keywords:
SCM;Stopwatch;Clock;Real-timeclockchip;DynamicLEDdisplay;
引言1
第1章绪论2
1.1概述2
1.2课题的总体设计及思路2
第2章硬件电路设计4
2.1单片机最小系统4
2.1.1单片机的介绍及选择4
2.1.2AT89S51单片机性能与应用4
2.1.3单片机的时钟电路6
2.1.4单片机的复位电路7
2.2实时时钟电路7
2.3显示电路8
2.3.1LED显示的基本原理9
2.3.2显示电路原理图9
2.4键盘电路10
2.5闹铃电路11
第3章系统软件设计13
3.1主程序流程图13
3.2读DS1302程序流程图14
3.3显示程序流程图14
3.4秒表计时子程序流程图14
3.5时钟计时子程序流程图15
3.6设定时间子程序流程图15
3.7闹钟子程序流程图17
第4章调试18
结论与展望19
致谢20
参考文献21
附录A：
系统原理图22
附录B：
外文文献及其译文23
附录C：
主要参考文献题录及摘要29
附录D：
程序清单31
插图清单
图1-1系统原理框图3
图2-1AT89S51的引脚结构图5
图2-2时钟电路6
图2-3复位电路7
图2-4DS1302引脚图8
图2-5DS1302与单片机AT89S51的接口电路8
图2-6数码管引脚图9
图2-7数码管的共阴和共阳接法9
图2-8显示电路10
图2-9键盘电路11
图2-10LM386的引脚图12
图2-11闹铃电路12
图3-1主程序流程图13
图3-2读DS1302时间子程序流程图14
图3-3显示程序流程图14
图3-4秒表计时子程序流程图15
图3-5时钟计时子程序流程图15
图3-6设定时间子程序流程图16
图3-7调时/定时子程序流程图16
图3-8时钟闹铃子程序流程图17
插表清单
表2-1P3口的第二功能表6
引言
近年来随着计算机技术的飞速发展，计算机也正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统二个分支。
单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、仪器仪表、工业控制单元以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。
同时数模电技术、微电子技术也快速发展使得大量集成芯片出现，从而实现很多简单功能代替了原来的模拟电路。
这样利用单片机、集成芯片和电子电路就可以很方便的进行设计，其中最典型、现在应用也很多的就是电子产品的设计。
本设计就是利用单片机技术将秒表和时钟两种计时器的功能集中到一种计时装置上，从而实现计时器功能的集成化，使其使用起来更加方便。
本设计的一大特点就是在硬件设计中采用实时时钟芯片来实现计时，大大简化了硬件电路，从而使设计更加简便易行。
本设计共分四章来进行介绍。
第一章为概述，主要介绍了设计的主要内容、总体思路及方案的确定，使大家对本系统有一个大致的了解。
第二章为硬件设计，将方案中的各模块分节进行介绍，并对其中的器件和芯片等的特点和应用给以分析。
第三章为软件的设计，根据硬件电路和设计要求设计软件，包括系统主程序和各子程序框图并对各程序简单介绍，在设计的最后将附上软件源程序.
第1章绪论
1.1概述
单片微型计算机作为微型计算机的一个重要分支，它成为今天工业控制领域、通信设备、信息处理以及日常生活中最广泛使用的计算机。
如数控电梯机床、交通管理系统、电脑、手机、电子词典和各种智能医疗器械等，其中单片机用于电子产品的设计是非常方便的。
秒表和时钟是我们日常生活中最常见、应用也最广泛的电子产品。
现在的体育及其他各种比赛非常的多，其中时间的控制是非常重要的，而秒表在时间控制中起着举足轻重的作用；而时钟的应用更广泛，它不但可以告诉人们时间，还可以应用于其它一些产品中实现时间的控制，比如应用于工业控制中实现定时报警、家用电器定时工作等等。
因此研究这两种计时器有着非常现实的意义，本设计是将这两种计时器的功能集中于一个计时器上，使其使用更加方便。
随着计时器广泛的应用，其无论在各种体育比赛还是人们的日常生活中抑或是在其它生产制造领域都起到非常重要的作用，随着各领域的发展人们应用计时器并对计时器的功能提出了更高的要求。
怎样让计时器实现更多的功能很好的为人们服务，这就要求人们在原有计时器的基础上不断改进设计制造出更多新型多功能计时器件。
本设计基于单片机的秒表/时钟计时器的设计电路中,除了基本的单片机系统和外围电路外,还需要外部的控制和显示装置。
在单片机技术日趋成熟的今天，其灵活的硬件电路的设计和软件的设计，让单片机得到了广泛的应用，几乎是从小的电子产品，到大的工业控制，单片机都起到了举足轻重的作用。
单片机小的系统结构几乎是所有具有可编程硬件的一个缩影，单片机的学习和研究是对微机系统学习和研究的简捷途径。
用单片机技术实现不仅具有秒表和时钟的基本功能，还能在各种恶劣环境下工作。
充分挖掘了单片机的资源和运算控制能力，具有功能多、显示全、成本低的特点。
1.2课题的总体设计及思路
本设计秒表/时钟计时器的设计以单片机为控制核心，从各个控制模块，如显示模块、键盘模块、实时控制模块等来实现硬件电路的设计。
通过定时芯片来实现实时控制,再经过单片机将时间数据由LED数码管显示,系统中通过按键完成秒表和时钟计时功能的切换以及时间的调整。
此外，系统中时钟计时器的定时也采用按键来设定，当定时时间到时，系统中的音乐电路播放动听的乐曲。
计时器的设计方法有多种，如可用中小规模集成电路组成，也可以用专用的时钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路来组成，还可以利用单片机配以专用时钟芯片来实现。
这些方法都各有特点，其中利用单片机进行设计的时钟编程灵活，便于时钟功能的扩充，精确度也很高。
本设计采用的就是最后一种方法。
即以单片机为核心，时钟芯片计时，键盘设定、校正时间，数码管显示相应时间来进行设计的。
因此时钟系统中我们需设计较好的单片机的最小系统、显示电路、键盘电路和时钟芯片与单片机的接口电路。
经过以上简单的分析可以得到本系统设计的原理方框图如图1-1所示
图1-1系统原理框图
本系统的设计采用的是常用的模块分析法，即将系统分为几个子模块分别设计。
主要分为五个大模块设计，即单片机最小系统模块、时钟电路模块、显示模块、键盘模块和闹铃模块，在以后的硬件电路设计中就按照以上的各模块分别进行设计。
第2章硬件电路设计
设计思路和方案确定后就可进行系统的硬件电路设计。
硬件电路是一个系统非常重要的部分，它设计的结果直接影响系统软件设计的复杂程度和系统的性能指标。
第1章中已经指出本系统的设计采用模块法，将系统分为单片机最小系统、时钟电路、显示电路和键盘电路四个子模块，本章将对各模块分别进行设计介绍。
系统的总原理图将在附录里给出
2.1单片机最小系统
单片机的最小系统是指单片机能正常工作所必需的最小组成部分，主要包括单片机及其时钟电路和对其进行复位的复位电路及电源电路。
因此需选择合适单片机、设计时钟电路和复位电路以保证单片机的工作。
2.1.1单片机的选择及介绍
单片机虽然种类繁多但不论哪种其内部结构都大同小异，都是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器以及I/O口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上，使单片机向着稳定可靠、体积小、功能强、速度快和价格廉的方向发展。
单片机的典型代表是MCS-51系列单片机，后来又以其的技术核心为主导生产出很多功能更好的单片机，例如ATMEL公司推出的AT89系列单片机[1]。
ATMEL公司将Flash存储器技术与MCS-51核相结合，形成了Flash单片机AT89系列。
AT89系列单片机和MCS-51单片机在内部功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。
由于AT89系列单片机继承了MCS-51的原有功能，内部含有大量的Flash存储器，又增加了新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP及SPI串行接口技术等，因此在电子产品开发及智能化仪器仪表中有着广泛的应用，是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。
AT89S系列是在AT89C系列的基础上增加一些特别的功能部件组成的。
AT89S51、52是2003年ATMEL推出的新型品种，除了完全兼容8051外，还多了ISP编程和看门狗功能。
根据本课题的特点，我们选用AT89S51。
2.1.2AT89S51单片机性能与应用
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：
●40个引脚；
●4kBytesFlash片内程序存储器；
●128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；
●32个外部双向输入/输出（I/O）口；
●5个中断优先级2层中断嵌套中断；
●2个16位可编程定时计数器；
●2个全双工串行通信口；
●看门狗（WDT）电路；
●片内时钟振荡器
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为11.0592MHz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
看门狗（WDT）电路主要是实现复位功能.当单片机运行出现死循环时,看门狗（WDT）电路可以起保护功能,实现复位作用.
AT89S51单片机作为控制部件.该型号单片机一共有40个引脚,有双脚直插式和方形封装方式，可用于不同的场合。
本次采用的是双列直插式，其引脚结构图如图功能2-1所示。
下面对这些引脚的功能加以说明[2]。
图2-1AT89S51的引脚结构图
1、I/O口线
P0口——8位、漏极开路的双向I/O口。
P1口——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
P2口——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
P3口——8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
P3口还具有第二功能，第二功能见表2-1。
2、控制信号线
RST——复位输入信号，高电平有效。
EA/Vpp——外部程序存储器访问允许信号/编程电压输入端。
PSEN——片外程序存储器读选通信号，低电平有效。
ALE/PROG——低字节地址锁存信号/编程脉冲输入端。
3、电源和外部晶振引脚
Vcc——电源电压输入引脚。
GND——电源地。
XTAL1、XTAL2——外部晶振引脚。
以上就是关于本设计中用的单片机AT89S51的特性、引脚功能的简单介绍。
表2-1P3口的第二功能表
引脚
替代功能
说明
P3.0
RXD
串行数据接受
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
外部中断0申请
P3.3
外部中断1申请
P3.4
T0
定时器0外部事件计数输入
P3.5
T1
定时器1外部事件计数输入
P3.6
WR
外部RAM写选通
P3.7
RD
外部RAM读选通
2.1.3单片机的时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作，电路应在唯一的时钟信号控制下，严格的按规定时序工作。
单片机内含振荡器电路，但晶体振荡器和电容在片外，由引脚XTAL1和XTAL2接入片内。
XTAL1为振荡器反相放大器和时钟发生电路的输入，XTAL2为反相放大器的输出。
时钟电路的接法有二种：
当使用片内振荡器时，片外振荡源和电容与XTAL1和XTAL2的接法如图2-2的a）所示。
当使用晶体谐振器时，C1、C2=（30
10）pF当使用陶瓷谐振器时C1、C2=（40
10）pF。
C1和C2虽然没有严格的要求，但电容的大小影响振荡器电路的稳定性和快速性，通常选在20pF到30pF。
在设计电路板时，晶振和电容等应尽可能的靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。
当使用外部振荡器信号时，外部始终信号接入XTAL1引脚，XTAL2引脚悬空，如图3-2的b）所示。
对外部时钟信号的占空比没有要求，但高低电平持续时间应不短于20ms。
本次设计采用图3-2的a）中的时钟电路的接法，晶振取11.0592MHz[3]。
图2-2时钟电路
2.1.4单片机的复位电路
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序进行出错或操作出错使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。
因此熟悉单片机的复位状态非常必要。
通过MGS-51单片机的复位引脚RST引脚（9）加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平,即可使器件复位，只要RST一直保持高电平，那么CPU就一直处于复位状态。
当RST由高变低后复位结束，CPU从初始状态开始工作。
单片机的复位都是靠外部电路实现的，分为上电自动复位和手动按键复位。
如图2-3所示。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图2-3（a）所示。
这样，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。
上电复位电路的特点是很方便，当有电源接通给单片机时，此电路就可以自动产生复位信号。
除上电自动复位以外，在系统运行时有时还需要在不关闭电源的情况下对单片机进行复位操作，此时，一般是通过一个手动复位按钮[4]，如图2-3（b）所示。
在需要复位时只要按一下复位按钮即可使单片机复位。
按键复位电路的特点就是上电以后，可以随时通过按键来发出复位信号。
该电路除具有上电复位功能外。
这对系统的可控性是很有帮助的。
在本次设计中采用手动复位。
（a）上电复位电路（b）手动复位电路
图2-3复位电路
2.2实时时钟电路
本次设计的基于单片机的秒表/时钟计时器所使用的时钟芯片是DS1302，下面将主要介绍该芯片的用法。
DS1302内含有一个实时时钟/日历和31B态RAM，通过简单的SPI串行接口与单片机进行通信。
可提供秒、分、时、日期、月、年的信息，每月和闰年的天数可自动调整，可采用24或12小时格式[5]。
DS1302与单片机之间能采用SPI同步串行的方式进行通信，仅需用复位、数据和时钟三根I/O口线。
主要指标如下：
●内含31B数据存储器。
●工作电压：
2.0～5.5V。
●工作电流：
在低压2.0V时，小于300nA。
●串行SPI三线接口方式。
●8引脚DIP或SOIC表贴封装。
DS1302引脚顺序如图2-4所示：
●X1、X2：
32.768KHz晶振引脚。
●GND：
地。
●
RST：
复位引脚。
●I/O：
数据输入/输出引脚。
●SCLK：
串行时钟。
●VCC1,VCC2:
电源，VCC1可接后备电池。
实时芯片DS1302与单片机AT89S51的连接电路如图2-5所示：
图2-4DS1302引脚图
图2-5DS1302与单片机AT89S51的连接电路
2.3显示电路
显示电路是整个电路的输出部分，显示电路有LED数码管显示和LCD液晶显示。
本次设计采用的是LED数码管显示。
在单片机系统中，LED数码管显示是反映系统输出和操作输入的有效器件。
数码管具备数字接口，可以很方便地和单片机系统连接，数码管的体积小、重量清，并且功耗低，是一种理想的显示单片机数据输出的器件。
2.3.1LED显示的基本原理
LED（LightEmittingDiode）是发光二极管的缩写，LED显示器是由发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。
LED显示器在单片机技术中的使用非常普遍。
LED显示原理：
通常所说的LED显示器由7个发光二极管组成，因此也称为七段LED显示器，其排列形状如图2-6所示。
此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用以表示小数点。
通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号[6]。
LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法见图2-7：
共阳极接法：
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接+5v。
这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高点平的则不亮。
共阴极接法：
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地，这样输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低点平的则不亮。
图2-6数码管引脚图图2-7数码管的共阴和共阳接法
2.3.2显示电路原理图
在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：
静态显示和动态扫描显示。
所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。
可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，这里采用串并转换电路74LS164，单片机串行口方式0为移位寄存器方式，外接6片74LS164作为6位LED显示器的静态显示接口。
74LS164为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。
其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。
T（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的TXD端。
每一个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74LS164中。
R（第9脚）为复位端，当R=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。
Q1…Q8（第3-6和10-13引脚）并行输出端分别接LED显示器的hg···a各段对应的引脚上。
在给出了8个脉冲后，最先进入74LS164的第一个数据到达了最高位，再来一个脉冲，第一个脉冲就会从最高位移出[7]。
显示电路原理图如图2-8所
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