基于51单片机数字时钟的设计.docx
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基于51单片机数字时钟的设计
基于单片机电子数字钟的设计
摘要
今天，单片机成为了解决低复杂度，中等复杂度控制问题的传统选择。
文章介绍了单片机在定时方面的基本功能。
生活中，我们发现，有时病人要在注射药物之前作皮试试验，防止过敏。
护士们有必要在一定时间后记录结果。
这时，时间的准确显得很重要的。
但是，有些时候，由于病人的人数众多，忘了记录时间。
根据这种情况，我们设计了一个设备解决此问题。
我们选择的方法是单片机开发设计使用的传统方法，通过本次设计，可以了解整个单片机开发的流程。
文章首先介绍了单片机的基本知识。
下来比较了一些可行的方法。
同时给出了框图，流程图等。
论文涵盖了从需求分析，系统设计，编程，原理图，PCB图等设计的基本过程。
关键词：
单片机，软件仿真，原理图，PCB图
Basedonthedesignofsingle-chipdigitalclock
Abstract
SingleChipMicrocomputerhasachievedaimmemsepopularityinallfiledsinrecentyears.Fromindustrytopeople’scommonlives,mostoftechnicalapplicationsarecontrolledbySCM.Beforeitappeared,theautomaticdevicescould’tbewidelyusedbecauseoftheirhugesize,largequantityofpowercostandhighprice.ThefirstSCMappearedassoonasthefirstMCU（MicroControllerUnit）wassuccessfullydeveloped.Duetoitssmallsize,lowpowercostandhighperformance,ithasbeenwelcomedbypeople.
Nowadays,SCMhasbeenselectedasatraditionalsolutionforlowormediumcomplexityproblemsaboutdevicescontrolling.ThisessayshowsabasicapplicationofSCMintimingforpeople’slife.Weoftenfindthatpatientssometimeshastoreceivemedicaltestsbeforeusingmedcinesforfearthatpatientsmaygetallery,soitisnecessaryfornursestorecordtheresultafterafixedtimeinterval.Underthiscondition,timeaccuracyisavitalfactorthateffectstheresults.Unfornately,somenursesignoresomepatientswhenalargenumberofpatientswaiteingfortests.Formthispoint,wedesignadevicewhichcansolvethisproblem.
TheapproachwechooseisthecommonwayforSCMdevelopingfromwhichwecangetanacknowledgeabouttheSCMdevelopflowingprocess.Thepaperfirstintroducesknowledgeon51serialSCM,thencomparessomepossiblemethodologies.Atthesametime,italsoshowsblockdiagrams,flowingprocessdiagramsandsoon.Itpresentstheprocessincludingrequirementanalysis,systemdesign,SCMprogramming,programemulation,PCBdesignandfinalwelding
Oftheboardwhichformsacompleteprocedureforproductmanufacture。
Keywords:
SCM；softwareemulation；schemetic；PCB
第1章绪论
1.1课题背景
单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。
由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。
单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。
单片机有两种基本结构形式:
一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。
另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。
本文讨论的单片机AT89S52可调数字钟系统设计的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，可调数字钟配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。
不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。
20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。
这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。
这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。
其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。
MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。
它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。
目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：
基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。
1.2课题来源
在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。
早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。
小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。
它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。
随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。
根据这种实际情况，设计了一个单片机多功能时间系统，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制，同时又可以进行时钟校准，可以任意设置时间。
这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可能。
第2章MCS-51单片机的知识介绍
2.1单片机介绍
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可......用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！
......它主要是作为控制部分的核心部件
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
2.2单片机的应用特点
随着集成电路技术的发展，单片机的功能越变越强，涉及到各个电子应用领域。
目前单片机的系列也十分多，各有各的特点，如目前的MCS51系列、PIC系列等等，通过这几年的应用，普通感觉到特别需要单片机具有如下几个应用特点：
（一）低功耗、宽电压工作范围，内部看门狗。
（二）高速指令系统，单字节指令，精简指令集易学易用。
（三）内部ROM结构，且具有廉价OTP（一次性写入程式）ROM，以便小批量生产，减少MASK风险。
（四）程序保密功能，防止拷贝，保护成果。
（五）方便的开发工具（仿真器与烧入器）
2.3单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
2.4单片机的中断与定时系统
2.4.1MCS－51单片机中断系统
中断是一项重要的计算机技术，采用中断技术可以使多项任务共享一个资源，所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。
中断源
MCS-51是一个多中断源的单片机，以80C51为例，有三类共五个中断源，分别是外部中断两个，定时中断两个和串行中断一个。
1.外中断
外中断是由外部原因引起的，共有两个中断源，即外部中断0和外部中断1。
它们的中断请求信号分别由引脚INT0（P3.2）和INT1（P3.3）引入。
外部中断请求有两种信号方式，即电平方式和脉冲方式，可通过有关控制位进行定义。
2.定时中断
定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的。
3.串行中断
串行中断是为串行数据传送的需要而设置的。
中断控制
这里所说的中断控制是指提供给用户使用的中断控制手段，实际上就是一些专用寄存器。
在MCS-51单片机中，用于此目的的控制寄存器共有四个，即定时器控制寄存器、中断允许控制寄存器、中断优先控制寄存器以及串行口控制寄存器。
1.定时器控制寄存器（TCON）
该寄存器用于保存外部中断请求和以及定时器的计数溢出。
寄存器地址88H，位地址8FH～88H。
位地址
8F
8E
8D
8C
8B
8A
89
88
位符号
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
这个寄存器既有定时器/计数器的控制功能又有中断控制功能，其中与中断有关的控制位共六位：
IE0和IE1、IT0和IT1以及TF0和TF1。
2.中断允许控制寄存器（IE）
寄存器地址A8H，位地址AFH～A8H。
位地址
AF
AE
AD
AC
AB
AA
A9
A8
位符号
EA
／
／
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
其中与中断有关的控制位共六位：
EA、EX0和EX1、ET0和ET1、ES。
3.中断优先级控制寄存器（IP）
MCS-51的中断优先级控制只定义了高、低两个优先级。
各中断源的优先级由优先寄存器（IP）进行设定。
IP寄存器地址B8H，位地址为BFH～B8H。
寄存器的内容及位地址表示如下：
位地址
BF
BE
BD
BC
BB
BA
B9
B8
位符号
／
／
／
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
PX0外部中断0优先级设定位
PT0定时中断0优先级设定位
PX1外部中断1优先级设定位
PT1定时中断1优先级设定位
PS串行中断优先级设定位
为0的位优先级为低；为1的位优先级为高。
中断响应
中断响应就是对中断源提出的中断请求的接受，是在中断查询之后进行的，当查询到有效的中断请求时，紧接着就进行中断响应。
中断响应的主要内容是由硬件自动生成一条长调用指令LCALL。
其格式为LCALLaddr16，这里的addr16就是程序存储器中断区中相应中断的入口地址。
在MCS-51单片机中，这些入口地址已由系统设定。
例如，对于外部中断0的响应，产生的长调用指令为：
LCALL0003H
生成LCALL指令后，紧接着就由CPU执行。
首先将程序计数器PC的内容压入堆栈以保护断点，再将中断入口地址装入PC，使程序执行转向相应的中断区入口地址。
但由于各中断区只有8个单元。
一般情况下难以安排下一个完整的中断
服务程序。
因此通常总是在各中断区入口地址处放置一条无条件转移指令，使程序执行转向在其它地址存放的中断服务程序。
中断返回
中断响应后就转去执行中断服务程序，完成所需要的操作。
中断服务程序的最后一条指令必须是中断返回指令RETI，CPU执行这条指令时，把响应中断时置位的优先级触发器复位，再从堆栈中弹出断点地址送入程序计数器PC，以便从断点处重新执行被中断的主程序。
2.4.2MCS-51单片机的定时器/计数器
MCS-51单片机共有两个可编程的定时器/计数器，分别称定时器/计数器0和定时器/计数器1。
它们都是十六位加法计数结构，分别由TH0（地址8CH）和TL0（地址8AH）及TH1（地址8DH）和TL1（地址8BH）两个8位计数器组成。
这四个计数器均属专用寄存器之列。
MCS-51的每个定时器/计数器都具有定时和计数两种功能。
1.计数功能
所谓计数是指对外部事件进行计数。
外部事件的发生以输入脉冲表示，因此计数功能的实质就是对外来脉冲进行计数。
2.定时功能
定时功能也是通过计数器的计数来实现的。
不过此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲。
也就是每个机器周期计数器加1。
由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。
定时器/计数器提供给用户使用的有：
八位计数器TH和TL，以及有关的控制位。
这些内容只能以软件方法使用。
2.4.3MCS-51定时器/计数器的四种工作方式
1.定时工作方式0
方式0是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH0全部8位和TL0的低5位构成。
当TL0的低5位计数溢出时，向TH0进位，而全部13位计数溢出时，则向计数溢出标志位TF0进位。
在方式0下，当为计数工作方式时，计数值的范围是：
1～8192（213）
当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：
（213－计数初值）×晶振周期×12或（213－计数初值）×机器周期
其时间单位与晶振周期或机器周期相同（μs）。
2.定时工作方式1
方式1是16位计数结构的工作方式，计数器由TH0全部8位和TL0全部8位构成。
当为计数工作方式时，计数值的范围是：
1～65536（216）
当为定时工作方式时，定时时间计算公式为：
（216－计数初值）×晶振周期×12
或（216－计数初值）×机器周期
3.定时工作方式２
工作方式2是自动重新加载工作方式。
在这种工作方式下，把16位计数器分为两部分，即以TL作计数器，以TH作预置寄存器，初始化时把计数初值分别装入TL和TH中。
当计数溢出后，不是像前两种工作方式那样通过软件方法，而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL重新加载。
变软件加载为硬件加载。
初始化时，8位计数初值同时装入TL0和TH0中。
当TL0计数溢出时，置位TF0，同时把保存在预置寄存器TH0中的计数初值自动加载TL0，然后TL0重新计数。
如此重复不止。
这不但省去了用户程序中的重装指令，而且也有利于提高定时精度。
但这种工作方式下是8位计数结构，计数值有限，最大只能到255。
这种自动重新加载工作方式非常适用于循环定时或循环计数应用，例如用于产生固定脉宽的脉冲，此外还可以作串行数据通信的波特率发送器使用。
第3章数字钟原理图元件清单及设计方案
3.1时钟电路原理图
图3-1时钟电路原理图
图3-1所示为时钟电路原理图，在AT89C52芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。
而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。
时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。
3.2单片机最小系统
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：
单片机、晶振电路、复位电路。
下面给出一个51单片机的最小系统电路图。
如图3-2
图3-2最小系统电路图
复位电路:
由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周
上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
一般教科书推荐C取10u，R取8.2K。
当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。
至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。
晶振电路:
典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作）特别注意:
对于31脚（EA/Vpp）,当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.这一点是初学者容易忽略的。
3.3显示器工作原理
系统采用动态显示方式，用P0口来控制LED数码管的段控线，而用P2口来控制其位控线。
动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。
3.4元件清单
数字钟元件清单如表1所示：
表1电子钟元器件清单
元件名称
规格型号
数量（个）
单片机
AT89c51
1
晶振
11.0592MHz
1
电容
30pF
2
电容
22μF
1
按键
BUTTON
4
排阻
RESPACK-8/10K
1
锁存器
74ls245
2
液晶显示
7SEG-MPX6-CC
1
3.5设计方案与实现
本课题采用软件程序设计的方案,利用MCS—51内部的定时/计数器进行中断定时，LED数码显示器和按键，配合软件延时实现时、分、秒的计时。
运用串行通信方式且计时不占用CPU时间,能够充分利用好CPU。
二、软件流程及储器地址分配：
本电子钟的软件流程可分为以下几个功能模块
⑴主程序:
初始化与按键监控.
⑵计时子程序:
为定时器1中断服务子程序,完成刷新计时缓冲区的功能
⑶时间设置:
由按键输入设置当前时间.
⑷显示:
完成6位动态显示.
⑸按键扫描:
判断是否有键按下,并取键号.
（6）其它辅助子程序,如按键设置、显示、延时等
三、完成功能：
⑴时间显示:
上电后,系统自动进入时钟显示,从00:
00:
00开始计时,此时可以设定当前时间.
⑵时间调整:
按下k1键,系统停止计时,进入设定状态,系统保持原有显示,等待键入当前时间,按下k2，k3键可以顺序设置时、分,并在相应数码管上显示设置值,直至6位设置完毕.放开k4开始计时显示.
3.674LS245介绍
3.6.1174LS245引脚图
3.6.274LS245说明
74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备,用法很简单如上图,这里简单的给出一些资料，他是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。
*74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。
*当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245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）
*DIR=“1”，信号由A向B传输；（发送）当/CE为高电平时，A、B均为高阻态。
3.7AT89C51介绍
3.7.1AT89C51引脚功能介绍
3引脚结构（图2-1）与并行I/O口
1、主电源引脚（2根）
（1）VCC:
电源输入，接+5V电源
（2）GND：
接地线
2、外接晶振引脚（2根）
（1）XTAL1：
片内晶振电路的输入端
（2）XTAL2：
片内晶振电路的输出端
3、控制引脚（4根）
（1）RST/VPP：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
（2）ALE/PROG：
地址所存允许信号。
（3）PSEN：
外部存储器读选通讯信号。
（4）EA/VPP：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
5.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
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