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电子系统设计孙承涛
基于单片机AT89C51的数字时钟设计
孙承涛
（德州学院物理系，山东德州253023）
摘要本设计基于单片机技术原理，采用芯片AT89C51作为核心控制器，通过硬件电路的制作及软件程序的编制，设计制作了一种多功能数字时钟系统。
用AT89SISP构成下载电路，以DS1302为时钟芯片产生时钟，利用1602液晶同时显示日期、星期和时间，并且可以通过多个开关对其进行设置。
该系统实现了时间显示、时间调整、整点闹铃、整点报时的功能。
同时，系统还可以进行远程通信，基于RS-485的优点，选用它构成了通信模块电路，我们可以利用远程电脑对时钟进行时间的设置。
关键词单片机；数字电子时钟；显示时间；远程通信
1绪论
随着科学技术的发展和电子技术产业结构调整，单片机开始迅速发展，由于家用电器逐渐普及，市场对于智能时钟控制系统的需求也越来越大。
单片机以其芯片集成度高、处理功能强、可靠性高等优点，成功应用于工业自动化、智能仪器仪表、家电产品等领域。
近些年，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。
多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，数字时钟广泛用于个人家庭，车站，码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。
由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度,远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
因此，研究数字时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
因此本论文所做的数字时钟采用了以单片机（AT89C51）为核心，结合相关的外围元器件例如液晶显示、按键电路、复位电路、报警电路，再配以相应的软件，达到制作简易数字钟的目的，能实现实时时钟显示的功能，能进行年、月、日、时、分、秒的显示，并且有远程通信功能。
其硬件部分难点在于元器件的选择、布局及焊接。
2方案论证与设计
2.1单片机选择
方案一：
采用FTC10F04单片机，还带有非易失性Flash程序存储器。
它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片，市场应用最多。
其主要特点如下：
8KBFlashROM，可以擦除1000次以上，数据保存10年。
方案二：
采用传统的AT89C51作为电机的控制核心。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
由于本系统对CPU运算速度要求很高，需要执行很复杂的运算，方案二成本比较低，适合做设计。
选用方案二作为主方案。
2.2时钟显示的方案选择
方案一：
时钟的显示可以用多位七段LED数码管显示，七段LED数码管显示耗能多，而且显示位数有限，每增加一位都要在程序设计和硬件设计方面增加很多的工作量，不利于电路的扩展，而且无法显示年、月、日、星期这些汉字，使得显示不够直观，灵活。
但是这种设计方案在显示位数比较少时性价比比较高，价格便宜，
方案二：
采用LCD液晶显示器显示。
而LCD液晶显示则耗能少，能够显示年、月、日、星期等汉字，在显示方面更加灵活，而且改变显示时只要改变软件设计就可以，不用改变硬件电路的设计，易于电路的功能扩展。
电路的软件设计也很简单。
另外，这种设计硬件更加简洁。
比较上述两种方案可以看出方案二耗能少，显示灵活，易于电路扩展而且不管是软件设计还是硬件设计都比较简单，因此采用第二种设计方案。
综上所述，本设计采用独立计时，引入时钟日历芯片DS1302的设计方案，显示使用LCD液晶显示。
2.3系统设计
整个电子时钟系统电路可分为九大部分：
控制模块、程序下载模块、复位电路模块、晶振电路模块、蜂鸣器电路模块、通信电路模块、时钟模块模块、显示电路模块、按键电路模块。
系统框图，如图2.1所示。
图2.1系统框图
3系统硬件设计
3.1控制器模块
本设计的控制器模块选用AT89C51，AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
其引脚图如图3.1所示。
图3.1AT89C51的引脚图
AT9C51有40引脚，双列直插（DIP）封装，所用引脚功能如下：
VCC：
电源。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为它的一些特殊功能口，同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
地址锁存允许信号输入端。
在存取外存储器时，用于锁存低8位地址信号。
当单片机正常工作后，ALE端就周期性地以时钟振荡频率的1/6固定频率向外输出正脉冲信号。
此引脚的第2功能PROG是对片内带有4K字节EPROM的8751固外程序时，作为编程脉冲输入端。
PSEN：
程序存储器允许输出端。
当片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。
CPU从外部程序存储器取指令时，PSEN信号会自动产生负脉冲，作为外部程序存储器的选通信号。
EA/Vpp：
程序存储器地址允许输入端。
当EA为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令；当EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。
3.2程序下载电路
由AT89SISP构成的两排十针下载口，板图上有一个小方框，为1号引角；下载线的凸口为正方向，凸口的右侧边的第一个插孔为1号引角。
如图3.2所示。
图3.2程序下载电路图
3.3复位电路
复位电路主要由型号为1N4148的二极管，型号为10UF/16V的电解电容，型号为104的瓷片电容，10K的电阻以及按键S1构成，S1接芯片的相应引脚RST，当开关按下时引脚RST为高电平1，断开时引脚为低电平0。
如图3.3所示。
图3.3复位电路图
3.4晶振电路
本设计晶振电路采用12M的晶振。
晶振的作用是给单片机正常工作提供稳定的时钟信号。
单片机的晶振并不是只能用12M，只要不超过20M就行，在准许的范围内，晶振越大，单片机运行越快，还有用12M的就是好算时间，因为一个机器周期为1/12时钟周期，所以这样用12M的话，一个时钟周期为12us，那么定时器计一次数就是1us了，电容范围在20-40pF之间，这里连接的是30pF的电容。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
C1,C2在是电时帮助晶振起振。
如图3.4所示。
图3.4晶振电路图
3.5蜂鸣器电路
电路接法：
三极管选定PNP型，基极B连接5V电压，发射极E连接一个1K左右的电阻后接I/O口，集电极C连接蜂鸣器后接地。
单片机在复位后的个I/O口是高电平，此时三极管是截止的，编写程序使选定的I/O为低电平，此时三极管导通，导通后蜂鸣器与电源正极连通，构成一个工作回路，从而发出滴滴的响声。
其中电阻R2在电路里起分压限流的作用，PNP三极管起到模拟开关的作用。
如图3.5所示。
图3.5蜂鸣器电路图
3.6通信电路
RS-485采用平衡传输方式、需要在传输线上接终接电阻。
RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。
RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。
加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。
RS-485是-7V至+12V之间，其最大传输距离约为1000米，最大传输速率为10Mbps。
通信模块电路采用RS-485通信，485芯片的1脚接单片机的10脚，485芯片的4脚接单片机的11脚，这样就可以配合软件实现远程通信功能。
如图3.6所示。
图3.6通信电路模块图
3.7时钟电路
DS1302可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。
DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。
实际上，在调试程序时可以不加电容器，只加一个32.768kHz的晶振即可。
只是选择晶振时，不同的晶振，误差也较大。
DS1302与CPU的连接需要三条线，即SCLK（7）、I/O（6）、RST（5）。
DS1302与AT89C51的连接图，如图3.7所示。
图3.7时钟电路模块图
3.8显示电路
LCD液晶显示则耗能少，能够显示年、月、日、星期等汉字，在显示方面更加灵活，而且改变显示时只要改变软件设计就可以，不用改变硬件电路的设计，易于电路的功能扩展。
LCD显示具有丰富多样性，灵活性，电路简单、易于控制而且功耗小，对于信息量多的系统，是比较适合的。
LCD液晶显示模块采用LCD1602型号，正常工作室电流仅2.0mA/5.0V。
通过编程实现总动关闭屏幕能够更有效地降低功耗。
LCD1602分两行显示，每行可现实多达16个字符，其内部的字符发生器已经存储了160个不同的点阵字符图形，通过内部指令可实现对其显示多样的控制。
如图3.8所示。
图3.8显示电路图
3.9按键电路
按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。
按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。
闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。
抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。
为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。
本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。
如图3.9所示。
图3.9按键电路图
按键说明：
S1通信选择按键；S2闹铃调整按键；S3减一按键；S4时间调整按键；S5加一按键。
4系统主程序流程图
本系统软件下位机程序主要由液晶模块的写操作、通讯模块、按键调整等程序组成。
主程序的主要功能是显示日期时间信息。
在主程序中，系统上电自动复位以后首先进行系统的液晶显示，后读写日期、时间等信息，待数据读写结束后显示时钟。
主程序流程图，如图4.1所示。
图4.1主程序流程图
主程序说明：
当主程序运行时，先将液晶显示器清屏，然后将单片机初始化。
5结论
本次设计基于单片机技术，构建了一个多功能的数字时钟的系统。
通过硬件电路的制作及软件程序的编制，通过AT89SISP构成的下载电路下载可运行程序，利用时钟芯片DS1302产生时钟，经过单片机的控制和多个开关的设置，使得时间可以在液晶1602上同时显示日期、星期和时间。
该系统可以实现时间显示、时间调整、整点闹铃、整点报时的功能。
与此同时，该系统系统还可以通过RS-485构成的通信模块，利用计算机对其进行远程通信和设置。
时钟在工农业的监控中，它能发挥的作用会更多更大！
它的这些功能还没有完善，希望以后有机会可继续完善其相应的功能。
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DesignoftheDigitalclockBasedonSingle-Chip
ComputerAT89C51
SunChengtao
（DepartmentofPhysics，DezhouUniversity，Dezhou，253023）
AbstractBasedonprincipleofsingle-chipcomputer,usingchipAT89C51asthecorecontroller,thepapershowsadesignofmultifunctionaldigitalclocksystembycombiningthehardwarecircuitsandsoftwareprogramspreparation.TheAT89SISPconstitutesadownloadcircuit.TakingtheclockchipDS1302generatestheclock.The1602liquidcrystalcandisplayandsetdate,weekandtimebymorethanoneswitch.Theclockcandisplaythetimeandadjustthetimewithfunctionofhourlyalarmandthewholepointtimekeepinginthissystem,Atthesametime,thissystemcanberemotecommunications,BasedontheRS-485advantages,makingittochoseinthecommunicationmodulecircuit.usingremotecomputer,wecansetthetimeontheclock.
Keywordssingle-chipcomputer；digitalelectronicclock;displaythetime；remotecommunications
致谢
本文是在尊敬的张秀梅老师的精心指导和大力支持下完成的，从课程设计的构思，方案设计到课程设计的撰写和修改无不渗透着她大量的心血。
张老师的悉心指导，让我有信心去解决所遇到的一个个问题。
在这里向他致以衷心的感谢。
在近几个月的课程设计中，他在学术上给了我很多帮助和教育，尤其是老师在学习和思维方法上给我的教育，让我受益匪浅。
老师认真严谨的治学态度、渊博的知识、创造性的学术思维、勤奋求实的工作作风和不懈的学术追求都激励着我，并对我今后的工作和生活也将产生极大的影响。
在此表示真诚地感谢和深深的谢意。
这次毕业设计为使我得到了很大收获：
让我学到了许多了关于单片机方面的知识，而且也使我的画图能力和电路设计能力得到了极大的提高。
在此还要感谢我的同学在课程设计中给予的帮助，才使我得以顺利完成课程设计。
在此次设计中，也遇到很多问题，但是经过这一段时间的学习，我还是自己解决了一些。
本设计虽然没有进行软件调试，但老师也给于细心的指导，所以对软件的使用还须更进一步的熟练掌握。
由于时间比较仓促，我只能做到达到现在这样的水平；其他的希望以后的工作中，再做深刻地研究。
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学们表示衷心地感谢！
附录1系统总电路图
系统总电路图
附录2程序清单
RSEQUP2.7
RWEQUP2.6
EEQUP2.5LCD
CS1302EQU8000H
CS1302AEQU800AH
CS1302BEQU800BH
CS1302CEQU800CH
RG_DLYEQU2H;延时使用的工作寄存器
RG_KEYEQU30H;存储键盘值
RG_KNEQU33H;存储调节年月日星期的次数按钮。
RG_BT1EQU31H;需要显示的数据暂存RAM
RG_BT2EQU32H
BT_DSPBIT00H;控制显示时间或闹钟的标志位
BT_ALMBIT01H;控制闹钟是否响铃的标志位
BT_TM2BIT02H;控制显示时间的模式，1：
只显示时分，0：
还显示年月日，星期
BT_MNSCBIT03H;控制显示时间的分秒
RG_TSCEQU40H;时钟和闹钟暂存RAM，顺序同DS1302中的RAM（秒）
RG_ASCEQU41H;秒闹钟
RG_TMNEQU42H;分
RG_AMNEQU43H;分闹钟）
RG_THREQU44H;小时时制
RG_AHREQU45H;闹钟时制
RG_WKEQU46H;星期
RG_DAYEQU47H;日
RG_MTHEQU48H;月
RG_YREQU49H;年
RG_MSEQU51H;
RG_IDLEQU50H;
RG_TSC1EQU52H
RG_TMN1EQU53H
RG_THR1EQU54H
RG_DAY1EQU55H
RG_MTH1EQU56H
RG_YR1EQU57H
WINNUMEQU34H
TABBEQU35H
KEYEQU36H
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0100H
MAIN:
MOVSP,#70H
LCALLSETUP
MOVKEY,#0
MOVTABB,#0
LCALLDS12INIT
MAIN3:
LCALLDELAY
LCALLSB_RD
LCALLDISWIN1
LJMPMAIN3
MOVWINNUM,#00H
MAIN1:
MOVA,WINNUM
CJNEA,#0,MAIN2
LCALLSB_RD
LCALLDISWIN1
MAIN2:
LCALLSCANKEY
MOVA,KEY
CJNEA,#1,KEY1
LCALLKEY_ENTER;如果P2.1=1
AJMPKEY4
KEY1:
CJNEA,#2,KEY2
LCALLKEY_SHANG
AJMPKEY4
KEY2:
CJNEA,#3,KEY3
LCALLKEY_XIA
AJMPKEY4
KEY3:
CJNEA,#4,KEY4
LCALLKEY_BEI
KEY4:
;LCALLQUDOU
AJMPMAIN1
KEY_ENTER:
MOVA,WINNUM
CJNEA,#0,NUM1
MOVRG_TSC1,RG_TSC
MOVRG_TMN1,RG_TMN
MOVRG_THR1,RG_THR
MOVRG_DAY1,RG_DAY
MOVRG_MTH1,RG_MTH
MOVRG_YR1,RG_YR
LCALLDISWIN2
MOVA,#90H;光标初始位置
LCALLWRITE_COM
MOVA,#00001101B
LCALLWRITE_COM
MOVTABB,#0
AJMPNUM2
NUM1:
CJNEA,#1,NUM2
INCTABB
MOVA,TABB
CJNEA,#6,NUM3
AJMPNUM5
NUM3:
JCNUM4
NUM5:
LCALLDS12INIT1;调整完毕，储存，返回
LCALLDELAY
MOVWINNUM,#0
MOVTABB,#0
LCALLSETUP
AJMPNUM2
NUM4:
MOVA,TABB
MOVDPTR,#TAB1
MOVCA,@A+DPTR
LCALLWRITE_COM
NUM2:
RET
TAB1:
DB90H,92H,94H,88H,8AH,8CH
;RG_TSC1EQU52H
;RG_TMN1EQU53H
;RG_THR1EQU54H
;RG_DAY1EQU55H
;RG_MTH1EQU56H
;RG_YR1EQU57H
KEY_BEI:
RET
SCANKEY:
MOVKEY,#00
JBP3.5,LL1
LCALLQUDOU
LCALLQUDOU
LL0:
JBP3.5,LL1
MOVKEY,#2;"确定"P2.0=2
LJMPLL16
LL1:
JBP3.4,LL2
LCALLQUDOU
LCALLQUDOU
JBP3.4,LL2
MOVKEY,#1;"向下"P2.1=1
LJMPLL16
LL2:
MO
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