基于单片机的定时器的设计与实现毕业设计.docx
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基于单片机的定时器的设计与实现毕业设计
学校代码：
10128
学号：
本科毕业设计说明书
（
题目：
基于单片机的定时器的设计与实现
学生姓名：
wws
学院：
信息工程
系别：
电子信息工程
专业：
电子信息工程
班级：
...
指导教师：
...
二〇一二年六月
摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
数子时钟在日常生活中最常见，应用也最广泛。
本次做的数子时钟是以单片机（AT89C51）为核心，结合相关的元器件（时钟芯片DS1302、LCD液晶显示器），达到制作简易数字时钟的目的，文章的核心主要是硬件设计和软件编程两个大的方面。
硬件电路设计由包括中央处理单元电路、液晶显示电路、人机接口电路等几部分组成,软件用汇编语言来实现。
其硬件部分难点在于元器件的选择、布局及焊接。
关键词：
单片机AT89C51LCD液晶显示器时钟芯片DS1302
Abstract
Recentyears,theuseofsinglechipismovingtowarddeeplywiththefilterofcomputerinthesocietyandthedevelopmentofthelargescaleintegratedcircuit.Singlechipisespeciallyequaltothesystemrelationtothecontrolbecauseofitsstrongfuntion、samllvolume、lowpowerconsumption、inexpensiveprice、credibilityworkanditshandy.itisusedintheareaofautomata、Intelligentinstrument、appearance、dataacquisition、productionofwarindustry、domesticapplianceandsoon.thesinglechipisusedusuallyasthecenterpiece,ItcanbeperfectbasesthespecificHardwareinfrastructureandaimattheintegratedhardwareandsoftwaredeviceofthespecificcomplexion.
Digitalclockisthemostcommonandthemostwidelyusedinourdailylives.Thesinglechipisthehardcoreinthedigitalclockmadeinthistimethedigitalclockcanreachthepurposeoffacilitydigitalclockwiththecorrelationpartsofanapparatus（RealTimeClockchipDS1302,Display-panelLCDansoon）Toachievethepurposeofmakingsimpledigitalclock.Thecorepartofthisarticleincluedestwoaspeacts,oneishardwaredesign,theotherissoftwareprogramming.Thehardwaredesigncircuitconsistsofthecentralprocessingunitcircuit、theliquidcrystaldisplaycircuit、theman-machineinterfacecircuit.Thedifficulitesofthehardwarepartarechoiceandlayoutofcomponents,andthecomponentsofwelding.
Keywords:
singlechipAT89C51realtimeclockchipDS1302,LCDMonitor
引言
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。
但是，一旦重要事情，一时的耽误可能造成无可挽回的重大损失。
所以精确的报时系统显得尤为重要。
单片机由于将cpu,内存和一些必要的接口集成到一个芯片上，并且针对面向控制功能将结构做了一定的优化，所以它具备通用芯片不具有的特点。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
因此，单片机被广泛应用于测控系统，智能仪表仪器，机电一体化产品，智能接口以及单片机的多系统等领域。
它的应用主要表现在以下几个方面：
（1）单片机在智能仪表中的应用
单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
（2）单片机在机电一体化中的应用
机电一体化是机械工业发展的方向。
机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。
单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。
（3）单片机在实时控制中的应用
单片机广泛地用于各种实时控制系统中。
例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。
单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。
（4）单片机在分布式多机系统中的应用
在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。
多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。
单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。
单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。
（5）单片机在人类生活中的应用
自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。
单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。
综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。
另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
单片机模块中最常见的是数子时钟，数子时钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。
数子时钟是采用数字电路实现对时，分，秒，数字显示的计时装置,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,使得数子时钟的精度,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，研究数子时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
第一章硬件介绍
1.1AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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。
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。
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。
图1-1为AT89C51单片机的管脚图
图1-1单片机管脚图
5.1.1主要管脚说明
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。
1.2AT89C51结构图
图1-2AT89C51结构图
1.3DS1302时钟芯片简介
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每个月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需三根I/O线：
复位（RST）、I/O数据线、串行时钟（SCLK）。
时钟/RAM的读
/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时，功耗小于1mW。
图1-3DS1302管脚图
各引脚的功能为：
Vcc1：
主电源；Vcc2：
备份电源。
当Vcc2>Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2SCLK：
串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；
I/O：
三线接口时的双向数据线；
CE：
输入信号，在读、写数据期间，必须为高。
该引脚有两个功能：
第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。
时时钟以及RAM。
虽然数据分成两种，但是对单片机的程序而言，其实是一样的，就是对特定的地址进行读写操作。
图1-4DS1302的内部结图
DS1302含充电电路，可以对作为后备电源的可充电电池充电，并可选择充电使能和串入的二极管数目，以调节电池充电电压。
不过对我们目前而言，最需要熟悉的是和时钟相关部分的功能，对于其它参数请参阅数据手册。
DS1302的工作原理
DS1302工作时为了对任何数据传送进行初始化，需要将复位脚（RST）置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位寄存器。
数据在时钟（SCLK）的上升沿串行输入，前8位指定访问地址，命令字装入移位寄存器后，在之后的时钟周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据。
时钟脉冲的个数在单字节方式下为8+8（8位地址+8位数据），在多字节方式下为8加最多可达248的数据。
DS1302的寄存器和控制命令
对DS1302的操作就是对其内部寄存器的操作，DS1302内部共有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。
此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。
时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器以外的寄存器。
日历、时间寄存器及控制字如表1所示：
表1-1：
日历、时钟寄存器与控制字对照表
最后一位RD/W为“0”时表示进行写操作，为“1”时表示读操作。
DS1302内部寄存器列表如表2所示：
表1-2：
DS14302内部主要寄存器分布表
寄存器名称
命令字
取值范围
各位内容
写
读
7
6
54
3
210
秒寄存器
80H
81H
00-59
CH
10SEC
SEC
分寄存器
82H
83H
00-59
0
10MIN
MIN
小时寄存器
84H
85H
01-12或00-23
12/24
0
AHR
HR
日期寄存器
86H
87H
01-28,29,30,31
0
0
10DATE
DATE
月份寄存器
88H
89H
01-12
0
0
0-10M
MONTH
周寄存器
8AH
8BH
01-07
0
0
00
0
DAY
年份寄存器
8CH
8DH
00-99
10YEAR
YEAR
DS1302内部的RAM分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元为一个8位的字节，其命令控制字为COH~FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。
我们现在已经知道了控制寄存器和RAM的逻辑地址，接着就需要知道如何通过外部接口来访问这些资源。
单片机是通过简单的同步串行通讯与DS1302通讯的，每次通讯都必须由单片机发起，无论是读还是写操作，单片机都必须先向DS1302写入一个命令帧，这个帧的格式如表1所示，最高位BIT7固定为1，BIT6决定操作是针对RAM还是时钟寄存器，接着的5个BIT是RAM或时钟寄存器在DS1302的内部地址，最后一个BIT表示这次操作是读操作抑或是写操作。
物理上，DS1302的通讯接口由3个口线组成，即RST，SCLK，I/O。
其中RST从低电平变成高电平启动一次数据传输过程，SCLK是时钟线，I/O是数据线。
具体的读写时序参考图5，但是请注意，无论是哪种同步通讯类型的串行接口，都是对时钟信号敏感的，而且一般数据写入有效是在上升沿，读出有效是在下降沿（DS1302正是如此的，但是在芯片手册里没有明确说明），如果不是特别确定，则把程序设计成这样：
平时SCLK保持低电平，在时钟变动前设置数据，在时钟变动后读取数据，即数据操作总是在SCLK保持为低电平的时候，相邻的操作之间间隔有一个上升沿和一个下降沿。
图1-5DS1302的命令字构
1.4LCD1602液晶显示器简介
1.4.1概述
液晶（LiquidCrystal）是一种高分子材料，因其特殊的物理、化学、光学特性，广泛应用轻薄显示器上。
液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。
各种型号的液晶通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名。
例如，1602表示每行显示16个字符，一共可以显示两行。
这类液晶通常称为字符型液晶，只能显示ASCII码字符。
12232表示液晶显示画面由122列、32行组成，共有122*32个点来显示各种图形。
用户可以通过程序控制这些点中任何一个点显示或不显示，从而构成各种图形画面。
因此，12232称为图形型液晶。
液晶体积小，功耗低，显示操作简单。
但其有致命的弱点，即使用温度范围很窄。
通用型液晶工作温度为0到+55摄氏度，存储温度为-20到+60摄氏度。
1.4.2LCD1602
11602的外形尺寸（毫米）
图1-6LCD1602外形尺寸
2
主要技术参数
图1-7LCD1602主要技术参数
3接口信号说明
表1-3LCD1602接口信号说明
4基本操作时序
读状态：
输入：
RS=L，RW=H,E=H输出：
D0～D7=状态字
写指令：
输入：
RS=L,RW=L,D0～D7=指令码，E=高脉冲输出：
无
读数据：
输入：
RS=H,RW=H,E=H输出：
D0～D7=数据
写数据：
输入：
RS=H,RW=L,D0～D7=数据，E=高脉冲输出：
无
5RAM地址映射图
控制器内部带有80B的RAM缓冲区。
对应关系如下图所示。
图1-8缓冲区对应关系图
向图中的00~0F、40~4F地址中的任意处写入显示数据时，液晶可立即显示出来；当写入到10~27或50~67地址时，必须通过移屏指令将他们一移入可显示区域方可正常显示。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如下表所示。
表1-4CGROM和CGRAM中字符代码与字符图形对应关系
这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
6状态字说明
表1-5状态字说明
STA7
D7
STA6
D6
STA5
D5
STA4
D4
STA3
D3
STA2
D2
STA1
D1
STA0
D0
STA0—6
当前数据地址指针的数值
STA7
读写操作使能
1：
禁止0：
允许
说明：
原则上每次对控制器进行读写操作前，都必须进行读写检测，确保STA7为0。
实际上，由于单片机的操作速度慢于液晶控制器的反应速度，因此可以不进行检测，或只进行简短的延时即可。
7指令说明
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令。
（1）显示模式设置
表1-6显示模块设置
指令码
功能
0
0
1
1
1
0
0
0
设置16×2显示，5×7点阵，8位数据接口
（2）显示开/关及光标设置
表1-7显示开/关及光标设置
指令码
功能
0
0
0
0
1
D
C
B
D=1开显示；D=0关显示
C=1显示光标；C=0不显示光标
B=1光标闪烁；B=0光标不显示
0
0
0
0
0
1
N
S
N=1当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一
N=0当读或写一个字符后地址指针加一，且光标减一
S=1当写一个字符，整幕显示左移（N=1）或右移（N=0）
S=0当写一个字符，整屏显示不移动
（2）数据指针设置
表1-8数据指针设置
指令码
功能
80H+地址码（0—27H,40—67H）
设置数据地址指针
（4）其它设置
表1-9其它设置
指令码
功能
01H
显示清屏：
1.数据指针清零
2所有显示清零
02H
显示回车：
1.数据指针清零
8.控制接口时序说明：
表1-10时序参数
第二章硬件设计
2.1系统硬件框图
图2.1系统硬件框图
2.1.1框图说明：
本设计核心部件为AT89C51单片机芯片，配合外部配件如专用日历时钟芯片DS1302,键盘，LCD1602液晶显示器，声光报警器，以及一些外部辅助电路，以实现日期、时间的显示及定时器的功能。
很具有实际意义。
有广泛的应用性。
2.2电路原理图
图2-2电路原理图
2.2.1系统电路说明：
本系统由五个部分组成：
按键模块、复位电路模块、晶振电路模块、（注：
上图由于只要仿真，所以没有添加复位电路和晶振电路模块，不会影响到仿真结果）发声模块、时间模块。
晶振模块负责给单片机提供时钟周期，复位电路模块负责上电后自动复位，或按键后强制复位。
上电后，由单片机内部定时器计时，同时通过动态显示函数自动将时、分、秒显示到LCD上。
同时，按键扫描函数一直扫描按键引脚状态，一旦扫描到按键被按下，即进入到相应的功能函数。
如果检测到定时时间到，则驱动蜂鸣器发声。
单片机的晶振电路模块如图2-3所示：
图2-3晶振电路模块
石英晶振也连接在引脚的输入和输出之间，等效为一个并联谐振回路，振荡频率应该是石英晶体并联谐振频率，晶体旁边的两个电容接地，实际上就是电容三点式电路的分压电容，接地点就是分压点。
以接地点即分压为参考点，振荡引脚的输入和输出是反相的，但从并联谐振回路即石英晶体两端来看，形成一个正反馈以保证电路持续振荡。
复位电路如下：
图2-4复位电路
当AT89C51单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和上电或开关复位。
上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能是单片机复位。
常用的上电或开关复位电路如图所示，上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。
当单片机已在运行当中时，按下复位开关后松开，能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。
发声模块：
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