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用单片机实现电子钟的设计
摘要
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。
数字电子钟的设计方法有多种，其中，利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，便于电子钟功能的扩充，即可用该电子钟发出各种控制信号，精确度高等特点，同时可以用该电子钟发出各种控制信号。
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AT89S52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。
与传统机械表相比，它具有走时精确,显示直观等特点。
它的计时周期为24小时，显满刻度为“23时59分59秒”，另外具有校时功能等特点。
该电子钟可以做到的功能：
上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”进入时钟准备状态2.第一次按电子钟启动/调整键，电子钟从0时0分0秒开始运行，进入时钟运行状态。
再次按电子钟启动/调整键，则电子钟进入时钟调整状态，此时可利用各调整键调整时间，调整结束后可按启动/调整键再次进入时钟运行状态。
通过设置的A、B、C、D四个键来调整运行，并且利用了8位LED显示时分秒。
关键词：
电子钟，单片机，汇编
目录
摘要...................................................Ⅰ
1绪论1
1.1电子钟的发展史1
1.2设计的目的与意义1
1.3设计的基本思路与主要内容2
2时钟系统的整体设计3
2.1系统功能要求3
2.2整体方案3
3硬件设计与分析5
3.1硬件设计原理5
3.2各单元电路介绍5
3.2.1AT89C51单片机介绍5
3.2.2单片机最小应用系统6
3.2.3显示电路7
3.2.4键盘及其接口9
3.3系统原理图10
4软件设计12
4.1主程序的设计12
4.2键输入程序13
4.3显示程序14
4.4延时程序15
4.5中断程序16
5调试与运行19
5.1电路仿真19
5.2调试和运行19
6结论21
参考文献22
致谢23
1绪论
1.1数字时钟的发展史
电子钟有着很长的历史，从民国19年的电钟，研制始於60年代中期的国内电晶体、半导体管钟，到研制始於70年代末的石英电子钟，再到今天我们所用的智能电子钟。
以前的电子钟存在着很多缺点，其外观体积庞大，在功能上有死摆、走时时间不长、走时精确度不高等缺点。
如今无论是外观，还是在功能上，电子钟都有了很大的改进。
虽然世界绝大多数钟表都是中国制造，但钟表对于国内市场来说只是个小行业，2003年总盘子不过才100多亿，但不是没有前景。
近年来，市场在急剧膨胀。
根据国外的统计数据显示，发达国家人均一生拥有手表23块，发展中国家12块，而目前中国的城镇人口人均拥有量不多于6块，空间很大。
比如彩电一般是一个家庭一台，手表则是每人一块，但从销售量来看，光TCL一家公司两个月的彩电销量可以接近300万台，而我们手表每年总共才卖200多万只。
所以绝对不是市场潜力不够的问题，而是我们应该如何去做的问题。
1.2设计的目的与意义
人类的生活包括：
工作、学习、休息以及参与社会的多种实践活动，环环有条理，更加丰富多彩。
应该说时钟的计时功能与人类的各种行为和活动有着密切的联系，于是时钟的作用便体现出来，生活中有许多人，因为只顾工作而忘记时间，从而耽误了重要的安排或者计划，造成不可挽回的损失，使之后悔莫及。
我们要养成良好的时间观念，就需要电子钟时刻提醒我们。
因此，电子钟已成为人们日常生活中必不可少，它的应用非常广泛，应用于家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
现在投入生产的大多是智能时钟，它的功能很全面，但价格有点昂贵，大多数学生或者经济条件较差的人，想要拥有它，都有点困难。
因此，在这里设计一个较简单的电子钟，它能完成计时和校时的功能。
这个时钟系统很简单，投入生产的成本很低，因此，它的价格比较便宜，对于学生很实用。
1.3设计的基本思路与主要内容
设计一个电子产品，首先了解它能实现的功能，时钟系统最基本的功能就是实现计时，在这里设计的数字电子时钟，它能实现计时和校时的功能，给电子钟加上电自动计时，设计一个按键对时钟进行复位和三个按键对时间进行调整。
硬件设计很简单，主要包括：
单片机、按键电路、驱动显示电路，以及LED显示器四个部分。
单片机选用AT89C51芯片，它无须外扩程序存储器，设计电路很简单。
由于只用了四个按键，所以采用独立式按键使设计更简单。
显示时、分、秒加两个分隔符，采用8位的数码管，用常用的74LS244来驱动LED数码管显示字符。
简易数字时钟可实现校时和整点报时功能，该软件采用C语言来实现，主要包括主程序、键输入程序、显示程序、定时程序和中断程序等软件模块。
把原程序加入原理图，做出电子钟的仿真，以秒计数并显示时、分、秒。
其中秒和分为60进制，小时为24进制计数。
可通过按键实现时钟复位和分、秒、时的校正。
2简易数字时钟系统的整体设计
2.1系统功能要求
以单片机技术为核心，充分应用各种外围电路元器件，设计一个通过显示器显示时间（时、分、秒）的电子钟。
要求：
1、上电时，时、分、秒显示为00时、00分、00秒,并以秒为单位开始计时；
2、运行状态下，按动控制按扭S-SET，对秒进行调整；
3、运行状态下，按动控制按扭M-SET，对分进行调整；
4、运行状态下，按动控制按扭H-SET，对小时进行调整。
5、当数字时钟运行到正点时，实现自动报时功能。
6、当按下T-SET键是实现小时由24进制和12进制的相互转换。
2.2整体方案
电子钟的电路图主要由单片机（AT89C51）、键盘电路、驱动显示电路和LED显示器四部分组成，它主要实现时钟的显示，以及对时、分、秒进行调整，即实现调时的功能。
其数字钟系统整体结构如图2-1所示。
图2-1电子钟系统整体结构
（1）显示方案
方案一:
静态显示就是当CPU将要显示的字或字段码送到输出口，显示器就可以显示出所要显示的字符，如果CPU不去改写它，它将一直保持下去；静态显示硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢。
方案二:
动态显示则是一位一位地轮流点亮显示器地各个位（扫描）。
对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次；动态显示耗能较小，但编写程序较复杂。
动态显示硬件连接简单，信息刷新速度快。
由于本次设计是对时间进行显示，如采用静态显示，则所占用的I/O口较多，电路较复杂,所以在此选择的是方案二，采用动态显示。
（2）键盘方案
方案一:
独立式键盘。
独立式键盘的各个按键相互独立，每个按键独立地与一根数据输入线（单片机并行接口或其他芯片的并行接口）连接。
独立式键盘配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根接口线，在按键数量不多时，接口线占用多。
所以，独立式按键常用于按键数量不多的场合。
方案二:
矩阵式键盘。
矩阵式键盘采用的是行列式结构,按键设置在行列的交点上.（当接口线数量为8时,可以将4根接口线定义为行线,另4根接口线定义为列线,形成4*4键盘,可以配置16个按键。
）
由于本设计只用了四个按键，不需要采用矩阵式键盘，所以选用第一种方案,采用独立式键盘。
（3）计时方案
采用软件控制:
利用单片机内部的定时/计数器进行定时，配合软件定时实现时、分、秒的计时。
该方案能够使设计者，在设计的过程中容易实现，且节省硬件成本，因此本系统将采用软件方法实现计时。
3硬件设计与分析
3.1硬件设计原理
时钟电路的核心是AT89C51单片机，其内部带有2KB的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），无须外扩程序存储器。
电脑时钟没有大量的运算和暂存数据，现有的128B片内RAM已能满足要求，也不必外扩片RAM。
系统配备8位LED数码管显示和3个独立式按键，用P0口作为键盘接口电路，P1口和P3口作为段码和位码输出口，并在字段码输出口接74LS245芯片，用该芯片来驱动LED数码管显示。
利用P0.0、P0.1和P0.2作为功能按键输入口。
3.2各单元电路介绍
3.2.1AT89C51单片机介绍
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS－51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，所以说AT89C51是一个功能强大的单片机。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，它有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
同时AT89C51的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。
省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
3.2.2单片机最小应用系统
时钟电路和复位电路是单片机最小应用系统中必不可少的。
单片机时钟电路图，如图3-1所示:
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。
图3-1单片机时钟电路图
复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。
单片机的工作就是从复位开始的，当在单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。
实际应用中，复位操作有两种基本的形式：
一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。
由于本次设计采用的是上电复位，所以这里只介绍上电复位，如下图3-3所示：
图3-3上电复位电路
上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。
常用的上电复位如上图所示。
上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。
3.2.3显示电路
一、七段LED显示器的原理
显示器是单片机应用系统常用的设备，包括LED、LCD等。
LED显示器由若干个发光二极管组成。
七段LED通常构成字型“8”，还有一个发光二极管用来显示小数点。
每段LED分别引出一个电极，电极的名为a、b、c、d、e、d、g、dp，其中dp是小数点段的引出电极。
当发光二极管导通时，相应的一个笔画或一个点就发光。
控制相应的二极管导通，就能显示出对应字符。
说明：
在该设计中，没有用到电极（dp），而是用单位的数码管来显示，其
七段LED显示器如图3-4所示
图3-4七段LED显示器
二、动态显示
本设计共用了八位LED显示器，因此采用动态显示方式。
所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮显示器的各个位。
对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。
虽然在同一时刻只有一位显示器在工作，但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余晖，我们看到的却是多个字符“同时“显示。
显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间长短和时间间隔有关。
显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需要一个I/O接口，称为扫描口或字位口，控制各位LED显示器所显示的字型也需要一个8位接口，称为段数据口或字型口。
图3-5为驱动显示电路框图。
图3-4驱动显示电路框图
74LS244是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备
当8051单片机的P1口总线负载达到或超过P1最大负载能力时，必须接入74LS244等总线驱动器。
当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由B向A传输；（接收）
3.2.4键盘及其接口
键盘是由若干个按键组成的，它是单片机最简单的输入设备。
通过键盘输入数据或命令，就可实现简单的人机对话。
一、按键的抖动现象
按键就是一个简单的开关。
当按键按下时，相当于开关闭合；当按键松开时，相当于开关断开。
按键在闭合和断开时，触点会存在抖动现象。
按键抖动时间一般为5ms～10ms，抖动可能造成一次按键的多次处理问题。
应采取措施消除抖动的影响。
消除的方法很多，本设计采用软件延时的方法来消除抖动。
当单片机检测到有按键按下时先定时，然后再检测按键的状态，若仍是闭合状态则认为真的有键按下。
当检测到按键释放时，亦需要做同样的处理。
二、按键电路
独立式键盘的各个按键相互独立，每个按键独立地与一根数据输入线（单片机并行接口或其他芯片的并行接口）连接。
独立式键盘配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根接口线，在按键数量不多时，接口线占用多。
所以，独立式按键常用于按键数量不多的场合。
该设计只用了三个按键，来实现功能控制。
在运行状态下，按动控制按扭S-SET，可对秒进行调整；按动控制按扭M-SET，可对分进行调整；按动控制按扭H-SET，可对时进行调整；因此采用独立式键盘方式，设计起来比较简单。
如图3-6所示
图3-5键盘电路
3.3系统原理图
AT89C51的P1口接入三个按键，对时、分、秒进行调整。
P0口输出字段码，控制要显示的字符，外接74LS245芯片，驱动LED显示。
P3口输出字位码，去控制要显示的位，其原理图如图3-6所示。
图3-6电子钟原理图
当接入电源时，数字电子钟以秒为单位开始计时。
运行状态下，按下控制按键S-SET，对秒进行调整；按下M-SET调整分钟；按下H-SET对小时进行调整。
这样通过三个按键，分别对时、分、秒进行调整，从而实现调时。
4软件设计
在软件设计中，整个程序的主框架是以定时1s计算的方式来实现电子钟。
定时1s的程序段，使用动态显示程序实现延时，既完成了延时，也完成了数字的显示。
在计算程序中，使对应于时、分、秒的变化量按照60进制和24进制进行计算，动态显示程序直接引用这些变量，达到显示的数字也随之不断变化，即完成了电子钟的功能。
其软件功能模块主要有键输入程序、中断程序、显示程序，以及延时程序。
需要说明的是，这里设计的是简易的电子钟，主要是用程序运行来计算时间，这样用程序来确定出1s的时间精度是很有限的，所以整个时钟的精度不太高。
4.1主程序的设计
初始化将时、分、秒各单元的内容清空，置T0为计数器方式1，分别给计数器的高8位和低8位赋计数初值，启动T0工作。
键入一个按键，如执行此动作，秒值加1，否则重新键如按键。
主程序模块:
主程序流程图，如图4-1所示
图4-1主程序流程图
4.2键输入程序
键输入程序用于调整时间。
以秒为例，按下按键S-SET，判断S-SET是否真的被按下，若没有键按下，转到A1程序段，再次键入按键，重新判断。
若按键按下了，则调用延时程序，消除抖动现象秒值加1，当秒值大于60时，秒清零，进行下一次计时，同时分加一，并转到J0显示。
此过程循环执行，其程序流程图如图4-2所示：
图4-2键输入程序流程图
A1:
LCALLDISPLAY；调用延时程序
JNBS_SET,S1；判断按键是否按下
JNBM_SET,S2
JNBH_SET,S3
LJMPA1
S1:
LCALLDELAY;去抖动
JBS_SET,A1
INCSECOND;秒值加1
MOVA,SECOND
CJNEA,#60,J0;判断是否加到60秒
MOVSECOND,#0;秒清0
LJMPJ0
J0:
JBS_SET,A1
LCALLDISPLAY;调用显示
SJMPJ0
4.3显示程序
显示其时、分、秒的数值，和两个分隔符。
以显示秒为例，当P3.7输入高电平时，秒的个位所对应的字段码点亮，显示其秒的个位；当秒有十位输入时，P3.6输入高电平，秒所十位对应的字段码点亮，显示其秒十位。
其程序流程图如图4-3所示：
图4-3显示程序流程图
DISPLAY:
MOVA,SECOND;显示秒
MOVB,#10
DIVAB
CLRP3.6
MOVCA,@A+DPTR;取字段码
MOVP0,A
LCALLDELAY;调用延时
SETBP3.6;显示秒十位
MOVA,B
CLRP3.7
MOVCA,@A+DPTR;取字段码
MOVP0,A
LCALLDELAY;调用延时,去抖动
SETBP3.7;显示秒个位
CLRP3.5
4.4延时程序
按键抖动时间一般为5ms～10ms，因此延时10ms，其流程图如图4-4所示：
图4-4延时程序流程图
DELAY:
MOVR6,#10;延时10ms
D1:
MOVR7,#250
DJNZR7,$
DJNZR6,D1
RET
4.5中断程序
中断程序主要用于控制显示的字符。
当秒值大于60时，秒清零，重新计数，分值加1，秒、分同时显示；当分值大于60时，分清零，重新计数，小时加1，秒、分、时同时显示，当小时大于23时，一天的计时完毕，秒、分、时均清零，进行第二天的计时。
此任务循环执行。
其程序流程图如图4-5所示：
图4-4中断程序流程图
DISPLAY:
MOVA,SECOND;显示秒
MOVB,#10
DIVAB
CLRP3.6
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLDELAY;调用延时
SETBP3.6;显示秒的十位
MOVA,B
CLRP3.7
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLDELAY
SETBP3.7;显示秒的个位
CLRP3.5
MOVP0,#40H;显示分隔符
LCALLDELAY
SETBP3.5
MOVA,MINUTE;显示分钟
MOVB,#10
DIVAB
CLRP3.3
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLDELAY
SETBP3.3;显示分的十位
MOVA,B
CLRP3.4
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLDELAY
SETBP3.4;显示分个位
CLRP3.2
MOVP0,#40H;显示分隔符
LCALLDELAY
SETBP3.2
MOVA,HOUR;显示小时
MOVB,#10
DIVAB
CLRP3.0
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLDELAY
SETBP3.0;显示时的十位
MOVA,B
CLRP3.1
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLDELAY
SETBP3.1;显示时的个位
RET
5调试与运行
5.1电路仿真
此设计的电路在单片机仿真软件[Proteus.Professional.7.1]中进行仿真，仿真电路如图5-1所示：
图5-1电子钟仿真电路图
5.2调试和运行
在KEIL（单片机汇编）C51软件中编写好的程序，将程序放入单片机仿真软件中，结合硬件电路进行调试与运行。
通过按键对时间进行调整。
如显示时间为14-30-22，既是14点30分22秒，通过以下调整则可实现。
（1）按动S-SET键，将秒调到22；
（2）按动M-SET键，将分调到30；
（3）按动H-SET键，将时调到14。
则将时间调到了所要显示的时间14-30-22，通过此方法可将时间调整到任何需要显示的时间。
6结论
因为单片机的种类多，而型号杂，也是我们学习中的困难，所以就MCS—51系列的产品来说，就是一个典型的学习方法。
对于类似汇编的单片机编程过程，也是一个十分有趣的过程。
为了更好的说明，我以上介绍先从应用电路切入，同时介绍它们的使用方法，以便能快速掌握它们的应用。
通过本次的课程设计，我学会了单片机的一般设计过程，通常都要进行系统扩展与配置，因此，要完成一个单片机的设计工作，必须依次做到下述工作：
1、硬件电路的设计、组装与调试；2、应用软件的编写、调试；3、完整应用软件的调试、固化和脱机运行。
而在进行硬件系统设计时我们应当尽量做到：
1、尽可能的选择典型电路，并符合单片机的常规使用方法；2、在充分满足系统功能要求前提下，留余地以便于二次开发；3、硬件结构设计应与软件设计方案一并考虑；4、整个系统相关器件要力求性能的匹配；5、硬件上要有可靠性与抗干扰设计；6、充分考虑单片机的带载驱动能力。
所以我用单片机编写了上面的程序，因为基础知识学的不怎么好，如有错误之处，还望老师理解，并加以批改。
通过这次设计使我对单片机有了更深入的了解。
培养了我的动手实践能力。
参考文献
[1].朱永金等主编，《单片机应用技术》，中国劳动社会保障出版社。
[2].彭冬明.韦友春主编，《单片机实验教程》，理工大学出版社。
[3].朱家建主编，《单片机原理及应用》,机械工业出版社。
[4].胡汉才主编，《单片机原理及接口技术》，清华大学出版社。
[5].张伟主编，《单片机原理及应用》，机械工业出版社。
致谢
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