单片机电子时钟课程设计.docx
《单片机电子时钟课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机电子时钟课程设计.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
单片机电子时钟课程设计
单片机电子时钟
专业班级：
电子091
学生姓名：
韩松0903741026
洪凌0903741027
孟忱0903741029
指导教师：
邹崇涛王骏
摘要
单片机即单片微型计算机。
（Single-ChipMicrocomputer）,是集CPU,RAM,ROM,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。
他体积小，成本低，功能强，广泛应用于工业自动化上和智能产品。
我们课程设计小组设想：
可不可以利用单片机功能集成化高，价格又便宜的特点设计一款结构简单的单片机电子时钟呢？
基于这种情况,我们课程设计小组成员多方查阅资料，反复论证设计出了这款既简单实用的单片机电子时钟。
关键词：
单片机、时钟、计时
引言
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。
时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。
在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：
一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：
一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有：
DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。
本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机AT89S51芯片和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。
第一章系统设计要求
1.1基本功能
（1）能够显示时分秒
（2）能够调整时分秒
1.2扩展功能
（1）能够任意设置定时时间
（2）定时时间到闹铃能够报警
（3）实现了秒表功能
第二章硬件总体设计方案
本次设计时钟电路，使用了AT89C51单片机芯片控制电路，单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路，使得电路简明易懂，使用键盘键上的按键来调整时钟的时、分、秒，用一扬声器来进行定时提醒，同时使用C语言程序来控制整个时钟显示，使得编程变得更容易，这样通过四个模块：
键盘、芯片、扬声器、显示屏即可满足设计要求。
2.1系统功能实现总体设计思路
此设计原理框图如图2-1所示，此电路包括以下四个部分：
单片机，键盘，闹铃电路及显示电路。
图2-1设计原理框图
经多方论证硬件我们小组采用AT89C51单片机和7SED八位共阳极数码管等来实现单片机电子时钟的功能。
AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
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。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C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。
外形及引脚排列如图所示
主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
管脚说明：
VCC：
供电电压。
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P0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AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3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：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
串口通讯
单片机的结构和特殊寄存器，这是你编写软件的关键。
至于串口通信需要用到那些特殊功能寄存器呢，它们是SCON，TCON，TMOD，SCON等，各代表什么含义呢？
SBUF数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。
有朋友这样问起过“为何在串行口收发中，都只是使用到同一个寄存器SBUF？
而不是收发各用一个寄存器。
”实际上SBUF包含了两个独立的寄存器，一个是发送寄存，另一个是接收寄存器，但它们都共同使用同一个寻址地址－99H。
CPU在读SBUF时会指到接收寄存器，在写时会指到发送寄存器，而且接收寄存器是双缓冲寄存器，这样可以避免接收中断没有及时的被响应，数据没有被取走，下一帧数据已到来，而造成的数据重叠问题。
发送器则不需要用到双缓冲，一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。
操作SBUF寄存器的方法则很简单，只要把这个99H地址用关键字sfr定义为一个变量就可以对其进行读写操作了，如sfrSBUF=0x99;当然你也可以用其它的名称。
通常在标准的reg51.h或at89x51.h等头文件中已对其做了定义，只要用#include引用就可以了。
SCON串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态，都会引用到接口控制寄存器。
SCON就是51芯片的串行口控制寄存器。
它的寻址地址是98H，是一个可以位寻址的寄存器，作用就是监视和控制51芯片串行口的工作状态。
51芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下，其工作模式的设置就是使用SCON寄存器。
它的各个位的具体定义如下：
SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI
SM0、SM1为串行口工作模式设置位，这样两位可以对应进行四种模式的设置。
串行口工作模式设置。
SM0SM1模式功能波特率
000同步移位寄存器fosc/12
0118位UART可变
1029位UARTfosc/32或fosc/64
1139位UART可变
在这里只说明最常用的模式1，其它的模式也就一一略过，有兴趣的朋友可以找相关的硬件资料查看。
表中的fosc代表振荡器的频率，也就是晶振的频率。
UART为（UniversalAsynchronousReceiver）的英文缩写。
SM2在模式2、模式3中为多处理机通信使能位。
在模式0中要求该位为0。
REM为允许接收位，REM置1时串口允许接收，置0时禁止接收。
REM是由软件置位或清零。
如果在一个电路中接收和发送引脚P3.0,P3.1都和上位机相连，在软件上有串口中断处理程序，当要求在处理某个子程序时不允许串口被上位机来的控制字符产生中断，那么可以在这个子程序的开始处加入REM=0来禁止接收，在子程序结束处加入REM=1再次打开串口接收。
大家也可以用上面的实际源码加入REM=0来进行实验。
TB8发送数据位8，在模式2和3是要发送的第9位。
该位可以用软件根据需要置位或清除，通常这位在通信协议中做奇偶位，在多处理机通信中这一位则用于表示是地址帧还是数据帧。
RB8接收数据位8，在模式2和3是已接收数据的第9位。
该位可能是奇偶位，地址/数据标识位。
在模式0中，RB8为保留位没有被使用。
在模式1中，当SM2=0，RB8是已接收数据的停止位。
TI发送中断标识位。
在模式0，发送完第8位数据时，由硬件置位。
其它模式中则是在发送停止位之初，由硬件置位。
TI置位后，申请中断，CPU响应中断后，发送下一帧数据。
在任何模式下，TI都必须由软件来清除，也就是说在数据写入到SBUF后，硬件发送数据，中断响应（如中断打开），这时TI=1，表明发送已完成，TI不会由硬件清除，所以这时必须用软件对其清零。
RI接收中断标识位。
在模式0，接收第8位结束时，由硬件置位。
其它模式中则是在接收停止位的半中间，由硬件置位。
RI=1，申请中断，要求CPU取走数据。
但在模式1中，SM2=1时，当未收到有效的停止位，则不会对RI置位。
同样RI也必须要靠软件清除。
常用的串口模式1是传输10个位的，1位起始位为0,8位数据位，低位在先，1位停止位为1。
它的波特率是可变的，其速率是取决于定时器1或定时器2的定时值（溢出速率）。
AT89C51和AT89C2051等51系列芯片只有两个定时器，定时器0和定时器1，而定时器2是89C52系列芯片才有的。
波特率在使用串口做通讯时，一个很重要的参数就是波特率，只有上下位机的波特率一样时才可以进行正常通讯。
波特率是指串行端口每秒内可以传输的波特位数。
有一些初学的朋友认为波特率是指每秒传输的字节数，如标准9600会被误认为每秒种可以传送9600个字节，而实际上它是指每秒可以传送9600个二进位，而一个字节要8个二进位，如用串口模式1来传输那么加上起始位和停止位，每个数据字节就要占用10个二进位，9600波特率用模式1传输时，每秒传输的字节数是9600÷10＝960字节。
51芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，为fosc/12，以一个12M的晶振来计算，那么它的波特率可以达到1M。
模式2的波特率是固定在fosc/64或fosc/32，具体用那一种就取决于PCON寄存器中的SMOD位，如SMOD为0，波特率为focs/64,SMOD为1，波特率为focs/32。
模式1和模式3的波特率是可变的，取决于定时器1或2（52芯片）的溢出速率。
那么我们怎么去计算这两个模
式的波特率设置时相关的寄存器的值呢？
可以用以下的公式去计算。
波特率＝（2SMOD÷32）×定时器1溢出速率
上式中如设置了PCON寄存器中的SMOD位为1时就可以把波特率提升2倍。
通常会使用定时器1工作在定时器工作模式2下，这时定时值中的TL1做为计数，TH1做为自动重装值，这个定时模式下，定时器溢出后，TH1的值会自动装载到TL1，再次开始计数，这样可以不用软件去干预，使得定时更准确。
在这个定时模式2下定时器1溢出速率的计算公式如下：
溢出速率＝（计数速率）/（256－TH1）
上式中的“计数速率”与所使用的晶体振荡器频率有关，在51芯片中定时器启动后会在每一个机器周期使定时寄存器TH的值增加一，一个机器周期等于十二个振荡周期，所以可以得知51芯片的计数速率为晶体振荡器频率的1/12，一个12M的晶振用在51芯片上，那么51的计数速率就为1M。
通常用11.0592M晶体是为了得到标准的无误差的波特率，那么为何呢？
计算一下就知道了。
如我们要得到9600的波特率，晶振为11.0592M和12M，定时器1为模式2，SMOD设为1，分别看看那所要求的TH1为何值。
代入公式：
11.0592M
9600＝（2÷32）×（（11.0592M/12）/（256-TH1））
TH1＝250
12M
9600＝（2÷32）×（（12M/12）/（256-TH1））
TH1≈249.49
上面的计算可以看出使用12M晶体的时候计算出来的TH1不为整数，而TH1的值只能取整数，这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的9600波特率。
当然一定的误差是可以在使用中被接受的，就算使用11.0592M的晶体振荡器也会因晶体本身所存在的误差使波特率产生误差，但晶体本身的误差对波特率的影响是十分之小的，可以忽略不计。
详细元器件列表如表2.1所示：
AT89c51
1片
7SED八位共阳极数码管
1片
NPN三极管
1个
104p电容
6个
30p电容
2个
10K电阻
6个
560欧姆电阻
8个
200欧姆电阻
1个
100欧姆电阻
6个
按键开关
4个
蜂鸣器
1个
2.2各部分功能实现
（1）单片机发送的信号通过程序控制最终在数码管上显示出来。
（2）单片机通过输出各种电脉冲信号来驱动控制各部分正常工作。
（3）为使时钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的，键盘用来校正数码管上显示的时间。
（4）单片机通过控制闹铃电路来完成定时闹钟的功能。
2.3系统工作原理
设计的电路主要由四模块构成：
单片机控制电路，显示电路、闹铃电路以及校正电路。
详细电路功能图如图2-2：
图2-2详细电路功能图
本设计采用C语言程序设计，使单片机控制数码管显示时、分、秒，当秒计数计满60时就向分进位，分计数器计满60后向时计数器进位，小时计数器按“23翻0”规律计数。
时、分、秒的计数结果经过数据处理可直接送显示器显示。
当计时发生误差的时候可以用校时电路进行校正。
设计采用的是时、分、秒显示，单片机对数据进行处理同时在数码管上显示。
2.4时钟各功能分析及图解
2.4.1电路各功能图解分析
（1）时钟运行图
仿真开始运行时，或按下key4键时，时钟从12：
00：
00开始运行，其中key2键对分进行调整，key3对小时进行调整，key6可以让时钟暂停。
时钟运行图如图2-3所示：
图2-3时钟运行图
（2）秒表计时图
当按下key1键进入秒表计时状态，key6是秒表暂停键，可按key4键跳出秒表计时状态。
如图2-4：
图2-4秒表计时图
（3）闹铃设置图及运行图
当按下key5，开始定时，分别按key2调分，key3调时设置闹铃时间，然后按下key4键恢复时钟运行状态（图2-5）当闹铃设置时间到时，蜂鸣器将发出10秒中蜂鸣声（图2-6）。
图2-5闹铃时间设置图
图2-6闹铃运行图
该数字钟是用一片AT89C51单片机通过编程去驱动8个数码管实现的。
通过6个开关控制,从上到下6个开关KEY1-KEY6的功能分别为：
KEY1,切换至秒表；KEY2,调节时间,每调一次时加1；KEY3,调节时间,每调一次分加1；KEY4,从其它状态切换至时钟状态；KEY5,切换至闹钟设置状态,也可以对秒表清零；KEY6,秒表暂停.控制键分别与P1.0~P1.5口连接．其中：
A通过P2口和P3口去控制数码管的显示如图所示P2口接数码管的a——g端，是控制输出编码,P3口接数码管的1——8端,是控制动态扫描输出．
B从P0.0输出一个信号使二极管发光，二极管在设置的闹钟时间到了时候发光，若有乐曲可以去驱动扬声器实现。
2.4.2电路功能使用说明
（1）各个控制键的功能：
可对时间进行校准调节（只能加１）；按下设置键数字时钟进入闹钟设置状态，设置闹钟的时间；时加１、分加１键是在校准时间时或设置闹钟时间对小时数或分钟数调节而设置的；按下秒切换键就可以进入秒表模式，同时秒表也开始计时，按下秒表暂停、复位键就暂停、归零，如果要重新对秒计时则可以按秒表开始、复位；清零键可以对闹钟清零。
（2）AT89C51单片机，通过编写程序对数码显示进行控制。
（3）八个7段数码管显示时钟和秒表信号。
第三章电路控制源程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#definedelay_time3/*宏定义*/
uchark,dat[]={0,0,0,0,0,0,0,0};
uinttcount,t,u;
uchardat1[]={0,0,0,0,0,0,2,1};
uchardat2[]={0,0,0,0,0,0,0,0};
ucharalarms[]={0,0,0,0,0,0,0,0};
uchardis_bit[]={0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01};
unsignedcharcodeSEG7[11]={0xC0,/*0*/0xF9,/*1*/
0xA4,/*2*/0xB0,/*3*/
0x99,/*4*/0x92,/*5*/
0x82,/*6*/0xF8,/*7*/
0x80,/*8*/
0x90,/*9*/
0xBF,/*-*/
};/*数字显示数组*/
sbitmiaobiao1=P1^0;
sbittminute=P1^1;
sbitthour=P1^2;
sbitmiaobiao2=P1^3;
sbitalarm=P1^4;
sbitP0_0=P0^0;
sbitP1_5=P1^5;
sbitP1_6=P1^6;
sbitP1_7=P1^7;/*端口定义*/
ucharms=0;
ucharflag=0;
ucharsec=0;
ucharminit=0;
structtime{ucharsecond;ucharminute;ucharhour;}
time1;
ucharn,i;
voiddelay（n）
{while（n--）
{
for（i=120;i>0;i--）;
}
}
/*延时子程序*/
voidmodify（void）
{
EA=0;
if（thour==0）
{
if（flag==0）
{
dat1[6]++;delay（280）;
if（dat1[6]>9）
{
dat1[6]=0;
dat1[7]++;
}
elseif（（dat1[7]>1）&&（dat1[6]>3））
{dat1[7]=0;dat1[6]=0;}
}
if（flag==1）
{
alarms[6]++;delay（300）;
if（alarms[6]>9）
{
alarms[6]=0;alarms[7]++;
if（alarms[7]>2）
{
alarms[7]=0;
}
}
dat[6]=alarms[6];
dat[7]=alarms[7];
}
}
if（tminute==0）
{
if（flag==0）
{
dat1[3]++;delay（280）;
i
升级会员 