基于单片机的多功能数字钟60秒LED旋转电子钟.docx
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基于单片机的多功能数字钟60秒LED旋转电子钟
第1节引言
1.1电子钟概述
目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照明的情况下都是不可见的。
要知道当前的时间，必须先开灯，故较为不便。
现在市场上也出现了一些电子钟，它以六只LED数码管来显示时分秒，违背了人们指针式的传统习惯与理念，而且这类电子钟一般是采用大型显示器件，适用于银行、车站等公共场所，且外观设计欠美观，很少进入百姓家庭。
此外，无论是机械钟、石英钟还是电子钟，都存在着共同的问题：
时间误差。
针对以上存在的问题，我们设计了一款采用LED显示器件显示的电子时钟，解决了时钟存在的误差问题，并能在夜间不必其它照明就能看到时间，且以60只发光管实现秒显示，接近于传统的秒针来显示秒的形式，用户容易接受，而且美观大方。
另加七只装饰用的LED灯，使整个时钟显的相当美观新颖，故还可作为室内装饰用。
1.2设计任务
本次设计通过对一个实现定时、双时钟显示、闹钟、温度等功能的时间系统的设计，其中结合了数据转换显示、数码管显示、动态扫描、单片机定时中断等技术。
系统由AT89C2051、LED数码管、按键、三极管、两片CD4017BE、CD4069BE、DS18B20、电阻等组成。
能实现时钟时、分、秒的显示。
也具有温度显示、时间设置、闹铃开和关设置、制式切换。
文章后附有电路图、程序清单。
1.3系统主要功能
电子钟的外观如图1所示。
周边60只发光管顺时旋转来显示秒，中间四只LED数码管用于显示时间，中下方的七只LED灯顺时旋转，供装饰用。
其主要功能有：
①整点报时；
②四只LED数码管显示当前时分；
③每隔一秒钟周边的60只LED发光管旋转一格；
④当发生停电事件时，由后备电池供电，系统进入低功耗状态，所
有显示部件停止显示，这样即延长了电池的寿命，同时又保证CPU继续计数，不至于因停电而时钟停止运行。
⑤当恢复供电后，系统自动恢复工作状态，不影响计时。
图一
第2节电子钟硬件设计
2.1系统的硬件构成及功能
电子钟的原理框图如图2所示。
它由以下几个部件组成：
单片机89C2051、电源、时分显示部件、60秒旋转译码驱动电路。
时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。
时分显示模块、60秒旋转译码驱动电路以及显示驱动都通过89C2051的I/O口控制。
电源：
电源部分有二部分组成。
一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作；另一部分是由3V的电池供电，以保证停电时正常计时。
正常情况下电池是不提供电能的，以保证电池的寿命。
具体电路参见“新颖的60秒旋转电子钟参考电路原理图”。
2.2AT89C2051单片机及其引脚说明
AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。
内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。
由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3所示。
与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为：
图3.4AT89C2051引脚配置
VCC电源电压；
GND接地；
RST复位输入。
当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”；
XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；
XTAL2来自反向振荡放大器的输出。
P1口8位双向I/O口。
引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。
P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA的灌电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。
在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。
P3口引脚P3.0～P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。
P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。
P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用作输入。
P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。
P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
2.360秒旋转译码驱动原理
按常规传统设计，需60进制译码驱动电路才能实现60秒旋转译码驱动，若用六片十进制计数译码器构成六十进制计数译码电路，则电路连线多（需要120根连
图5CD4017时序图
图4CD4017引脚图
线），硬件电路庞大，开销大。
为此，我们巧妙地采用了两片CD4017进行六十进制计
数译码，实现60秒旋转译码驱动。
既减少了电路的复杂程度又可降低了成本。
图4为CD4017功能引脚图，图5为其时序图。
CD4017集成电路是十进制计数/时序译码器，共有10个译码输出Q0～Q9；每个译码输出通常处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平；每个高电平输出维持1个时钟周期；每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。
在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时，只有输出端Q0为高电平，其余各输出端均为低电平“0”。
为实现对发光二极管的驱动，将每一个译码输出端口接一只发光二极管，并将二
图7优化后控制LED原理图
图6CD4017控制LED原理图
极管串联限流电阻后接地。
当译码端口Q0～Q9中任一端口为高电平，则对应的发光二极管点亮，如图6所示。
仔细考查CD4017的功能，可发现其10个输出的高电平是相互排斥的，即任一时刻只有一只发光二极管点亮，因此可将图6电路进一步简化为如图7所示，从而简化电路设计。
在本电子钟设计中，每秒点亮一个发光二极管，循环点亮一周共需60个发光二极管，若用上述的6片CD4017实现驱动，显然电路复杂。
为此我们选用两片CD4017和一片6反相器，采用“纵横双译码”技术，巧妙地实现60秒旋转译码驱动，其中一片接成10进制，一片接成6进制，实现6×10=60的功能，具体连接方法如图8所示。
图8发光二极管“纵横双译码”循环点亮LED原理图
将周期为1秒的输入脉冲作为其中一片CD4017的时钟脉冲，而此片的级联进位输出端（QC）作为另一片的时钟输入，并将Q6与复位端相连。
在两片译码输出端交叉点上接入发光二极管，构成6×10矩阵。
根据CD4017时序特点，在初始状态，作为高位（纵）的CD4017译码器输出端口Q0处于高平，经反相器反相后为低电平。
当作为低位（横）的CD4017译码器输出端口Q0～Q9依次输出高电平后，则对应的二极管LD1～LD10依次点亮；此后由于QC端的进位，高位CD4017译码输出端口Q1输出高电平，反相后输出低电平，当低位的CD4017译码输出端口Q0～Q9依次输出高电平后，二极管LD11～LD20依次点亮。
如此往复，直至高位Q6向复位端输入高电平，CD4017复位，60秒循环点亮重新开始。
2.4时分显示部件
由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。
LED有共阴极和共阳极两种。
如图8所示。
二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。
一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。
当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。
为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻
LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。
本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。
所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的转换。
从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。
这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。
在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。
在本系统中,字位线的选通与否是通过PNP三极管的导通与截止来控制,即三极管处于“开关”状态。
系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成，前两只用于时的显示，后两只用于分的显示。
值得一提的是，在设计中需要实现时与分之间的两个闪烁点，为此，将第三只LED数码管倒置摆放，这样就很巧妙地形成了两个很自然的闪烁点。
与此同时，为了能使两点显示能够形象的表示时钟“秒”的变化，设计时，将两个点由P1.7单独控制，每隔一秒使P1.7发送一个正脉冲，从而实现了两个点的闪烁显示，闪烁周期为一秒
第三节实验核心代码
DPBIT24H.3;定义半秒闪烁位单元
SECONDEQU31H;定义计数单元
MBUFEQU32H;定义分计数单元
HBUFEQU33H;定义时计数单元
MBUF0EQU34H;定义分个位计数存储单元
MBUF1EQU35H;定义分十位计数存储单元
HBUF0EQU36H;定义时个位计数存储单元
HBUF1EQU37H;定义时十位计数存储单元
DMBF0EQU40H;定义分个位显示缓冲单元
DMBF1EQU41H;定义分十位显示缓冲单元
DHBF0EQU42H;定义时个位显示缓冲单元
DHBF1EQU43H;定义时十位显示缓冲单元
AMBF10EQU44H;定义定闹1分个位缓冲单元
AMBF11EQU45H;定义定闹1分十位缓冲单元
AHBF10EQU46H;定义定闹1时个位缓冲单元
AHBF11EQU47H;定义定闹1时十位缓冲单元
AMBF1EQU48H;定义定闹1分计数单元
AHBF1EQU49H;定义定闹1时计数单元
AMBF20EQU4AH;定义定闹2分个位缓冲单元
AMBF21EQU4BH;定义定闹2分十位缓冲单元
AHBF20EQU4CH;定义定闹2时个位缓冲单元
AHBF21EQU4DH;定义定闹2时十位缓冲单元
AMBF2EQU4EH;定义定闹2分计数单元
AHBF2EQU4FH;定义定闹2时计数单元
AAEQU50H
LEDBITP1.7;LED脉冲
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG000BH
MOVTL0,#0DCH;125毫秒定时器初值低8位
MOVTH0,#0BH;125毫秒定时器初值高8位
PUSHACC;系统主定时,每125毫秒中断1次
PUSHPSW
DECR4;软件计数器减1
INT01:
DJNZR2,INT02;1秒计数
MOVR2,#08H
CPLDP;小数点半秒闪烁
ACALLBEEP;1秒到,发“笛嗒”声和LED旋转脉冲
DJNZSECOND,OUTT0
MOVSECOND,#10H;1分到
ACALLADD1;分十进制加1子程序
INT02:
MOVA,R2
CJNEA,#08H,OUTT0;判断是否半秒
CPLDP;是半秒,秒闪动一次
OUTT0:
POPPSW
POPACC
RETI
MAIN:
MOVSP,#6FH
MOVR2,#08H;定时器1秒中断次数
MOVR4,#08H;快校时定时计数，8X125ms后快校时
MOVSECOND,#3CH;秒计数单元
MOVMBUF0,#0;分个位计数存储单元0初值
MOVMBUF1,#0;分十位计数存储单元1初值
MOVHBUF0,#4;时个位计数存储单元0初值
MOVHBUF1,#1;时十位计数存储单元1初值
MOVMBUF,#00H;分计数存储单元初值
MOVHBUF,#14H;时计数存储单元初值
MOVAMBF10,#1;定闹1分个位计数存储单元0初值
MOVAMBF11,#0;定闹1分十位计数存储单元1初值
MOVAHBF10,#4;定闹1时个位计数存储单元0初值
MOVAHBF11,#1;定闹1时十位计数存储单元1初值
MOVAMBF1,#01H;定闹1分计数存储单元初值
MOVAHBF1,#14H;定闹1时计数存储单元初值
MOVAMBF20,#3;定闹2分个位计数存储单元0初值
MOVAMBF21,#5;定闹2分十位计数存储单元1初值
MOVAHBF20,#0;定闹2时个位计数存储单元0初值
MOVAHBF21,#2;定闹2时十位计数存储单元1初值
MOVAMBF2,#53H;定闹2分计数存储单元初值
MOVAHBF2,#20H;定闹2时计数存储单元初值
MOVIE,#10000010B;允许定时器0中断
MOVTMOD,#00100001B;T0方式1
MOVTL0,#0DCH;125毫秒定时器初值低8位
MOVTH0,#0BH;125毫秒定时器初值高8位
MOVIP,#00000010B;定时器0高优先级
SETBTR0;启动T0计时
LOOP:
MOVR4,#08;喂狗
MOVA,HBUF;取时整点
SUBBA,#7
JCLOOP1;判断是否早7时前
MOVA,HBUF;早7时前----晚22时后为夜间
SUBBA,#22H
JNCLOOP1;判断是否晚22时后
ACALLDISP
AJMPALARM1
LOOP1:
ACALLNDISP;是夜间,调用夜间显示子程序
ALARM1:
MOVA,AHBF1;判定闹1
CJNEA,HBUF,ALARM2;判定闹1的小时是否与系统时间相等？
MOVA,AMBF1
CJNEA,MBUF,ALARM2;判定闹1的分是否与系统时间相等？
MOVC,DP
MOVP3.3,C;蜂鸣器响半秒,停半秒
MOVA,SECOND;定闹1分钟
JNZLOOP
ALARM2:
MOVA,AHBF2
CJNEA,HBUF,LOOP2;判定闹2的时是否与系统时间相等？
MOVA,AMBF2
CJNEA,MBUF,LOOP2;判定闹2的分是否与系统时间相等？
MOVC,DP
MOVC,DP
MOVP3.3,C;蜂鸣器响半秒,停半秒
MOVA,SECOND;定闹1分钟
JNZLOOP
LOOP2:
JBP3.2,LOOP7;判断校时键是否按下?
LOOP3:
ACALLDISP;用于长时间按键时的显示
MOVA,R4;有校时键按下
CJNEA,#00H,LOOP6;校时键按下有1秒吗？
LOOP4:
ACALLADD1;校时键按下有1秒,则快调
MOVR1,#40
LOOP5:
ACALLDISP
DJNZR1,LOOP5
JNBP3.2,LOOP4;校时键未放开,继续快调
AJMPLOOP7;
LOOP6:
JNBP3.2,LOOP3;校时键按下不到1秒，返回再判
ACALLADD1;单次慢调
MOVTL0,#0DCH;校时结束，秒初值置0
MOVTH0,#0BH
MOVSECOND,#00
LOOP7:
JBP3.3,LOOP
ALAM11:
ACALLADSP1;用于设置定闹1时,长时间按键的显示
MOVA,R4;有定闹1键按下
CJNEA,#00H,ALAM16;定闹1键按下有1秒吗？
ALAM12:
ACALLAAD1;定闹1键按下有1秒,则快调
MOVR1,#50
ALAM13:
ACALLADSP1
DJNZR1,ALAM13
JNBP3.3,ALAM12
MOVR1,#10;定闹1快调结束，闪烁显示定闹时间8秒
ALAM14:
MOVR3,#40
ALAM15:
ACALLADSP1
DJNZR3,ALAM15
ACALLD400MS
DJNZR1,ALAM14
AJMPAGAIN
ALAM16:
NOP
JNBP3.3,ALAM11;定闹1键按下不到1秒，返回再判
ALAM17:
ACALLAAD1;定闹1单次慢调
MOVR1,#10;定闹1慢调结束，闪烁显示定闹时间12秒
ALAM18:
MOVR3,#40
ALAM19:
ACALLADSP1
DJNZR3,ALAM19
ACALLD400MS
DJNZR1,ALAM18
AGAIN:
JBP3.3,RETUN;返回主程序
MOVR4,#08
ALAM21:
ACALLADSP2;用于设置定闹2时,长时间按键的显示
MOVA,R4;有定闹2键按下
CJNEA,#00H,ALAM26;定闹2键按下有1秒吗？
ALAM22:
ACALLAAD2;定闹2键按下有1秒,则快调
MOVR1,#50
ALAM23:
ACALLADSP2
DJNZR1,ALAM23
JNBP3.3,ALAM22
MOVR1,#10;定闹2快调结束，闪烁显示定闹时间9秒
ALAM24:
MOVR3,#40
ALAM25:
DJNZR3,ALAM25
ACALLD400MS
DJNZR1,ALAM24
AJMPLOOP
ALAM26:
JNBP3.3,ALAM21;定闹2键按下不到1秒，返回再判
ALAM27:
ACALLAAD2;定闹2单次慢调
MOVR1,#10;定闹2慢调结束，显示定闹时间9秒
ALAM28:
MOVR3,#40
ALAM29:
ACALLADSP2
DJNZR3,ALAM29
ACALLD400MS
DJNZR1,ALAM28
RETUN:
AJMPLOOP;返回主程序
ADD1:
MOVA,MBUF;分加1子程序，
ADDA,#01;分十进制加1
DAA
MOVMBUF,A
ANLA,#0FH
MOVMBUF0,A
MOVA,MBUF
SWAPA
ANLA,#0FH
MOVMBUF1,A
MOVA,MBUF
CJNEA,#60H,ADDOUT
MOVMBUF0,#0
MOVMBUF1,#0
MOVMBUF,#0
MOVA,HBUF
ADDA,#01;时十进制加1
DAA
MOVHBUF,A
ANLA,#0FH
MOVHBUF0,A
MOVA,HBUF
SWAPA
ANLA,#0FH
MOVHBUF1,A
MOVA,HBUF
CJNEA,#24H,ADDOUT
MOVHBUF0,#0
MOVHBUF1,#0
MOVHBUF,#0
ADDOUT:
MOVA,MBUF0
CJNEA,#01H,T1
MOVAA,MBUF1
MOVMBUF1,#11
T1:
CJNEA,#02H,T2
MOVMBUF1,AA
MOVMBUF0,#11
T2:
RET
AAD1:
MOVA,AMBF1;定闹1,分加1子程序，
ADDA,#01
DAA
MOVAMBF1,A
ANLA,#0FH
MOVAMBF10,A
MOVA,AMBF1
SWAPA
ANLA,#0FH
MOVAMBF11,A
MOVA,AMBF1
CJNEA,#60H,AAD1OT
MOVAMBF10,#0
MOVAMBF11,#0
MOVAMBF1,#0
MOVA,AHBF1
ADDA,#01
DAA
MOVAHBF1,A
ANLA,#0FH
MOVAHBF10,A
MOVA,AHBF1
SWAPA
ANLA,#0FH
MOVAHBF11,A
MOVA,AHBF1
CJNEA,#24H,AAD1OT
MOVAHBF10,#0
MOVAHBF11,#0
MOVAHBF1,#0
AAD1OT:
RET
AAD2:
MOVA,AMBF2;定闹2分加1子程序，
ADDA,#01
DAA
MOVAMBF2,A
ANLA,#0FH
MOVAMBF20,A
MOVA,AMBF2
SWAPA
ANLA,#0FH
MOVAMBF21,A
MOVA,AMBF2
CJNEA,60H,AAD2OT
MOVAMBF20,#0
MOVAMBF21,#0
MOVAMBF2,#0
MOVA,AHBF2
ADDA,#01
DAA
MOVAHBF2,A
ANLA,#0FH
MOVAHBF20,A
MOVA,AHBF2
SWAPA
ANLA,#0FH
MOVAHBF21,A
MOVA,AHBF2
CJNEA,#24H,AAD2OT
MOVAHBF20,#0
MOVAHBF21,#0
MOVAHBF2,#0
AAD2OT:
RET
DSPM0:
MOVCA,@A+DPTR;白天分个位显示子程序
SETBACC.7
MOVP1,A
CLRP3.5
ACALLDY1MS
SETBP3.5
ACALLDY1MS
RET
DSPM1:
MOVCA,@A+DPTR;白天分十位显示子程序
MOVC,DP
MOVACC.7,C
MOVP1,A
CLRP3.4
ACALLDY1MS
SETBP3.4
ACALLDY1MS
RET
DSPH0:
MOVCA,@A+DPTR;白天时个位显示子程序
MOVC,DP
MOVACC.7,C
MOVP1,A
CLRP3.1
ACALLDY1MS
SETBP3.1
ACALLDY1MS
RET
DSPH1:
MOVCA,@A+DPTR;白天时十位显示子程序
S
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