论文多功能数字时钟的设计.docx

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多功能数字时钟的设计

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，军工产品以及家电等各个领域。

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。

本次做的多功能数字时钟是以单片机（AT89C51）为核心，结合相关的元器件（共阴极LED数码显示器、BCD-锁存、7段译码等），再配以相应的软件，达到制作简易数字钟的目的，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；AT89C51；共阴极LED数码显示器；7段译码

Thedesignofthemulti-functiondigitalclock

Abstract

Inrecentyears,withcomputerpenetrationinthefieldofsocietyandthedevelopmentoflargescaleintegratedcircuit,SCMapplicationsareconstantlygodeeper,becauseithasstrongfunctions,smallvolume,lowpowerconsumption,cheap,reliablework,convenientuse,etc,thereforeparticularlysuitableforrelatedtocontrolsystem,moreandmorewidelyusedinautomaticcontrol,intelligentinstruments,meters,dataacquisition,militaryproductsandhomeappliancesandotherfields.SCMoftenasacorecomponenttouse,inaccordingtothespecifichardwarestructure,andincombinationwiththesoftwareaccordingtothecharacteristicsofthespecificapplicationobject,tobeimproved.

Dothemulti-functiondigitalclockbasedonsinglechipmicrocomputer（AT89C51）asthecore,thecombinationofrelatedcomponents（commoncathodeLEDdigitaldisplay,BCD-latches,7segmentdecoding,etc.）,combinedwiththecorrespondingsoftware,toachievethepurposeofmakingsimpledigitalclock,thehardwarepartofthedifficultyliesinthechoiceofcomponents,layoutandwelding.

Keywords:

Singlechipmicrocomputer;AT89C51;CommoncathodeLEDdigitaldisplay;7segmentdecoding

绪论……………………………………………………………1

1多功能数字钟功能及设计方案…………………………………2

1.1多功能数字钟功能…………………………………………3

1.2多功能数字钟的设计方案……………………………………4

1.2.1计时方案………………………………………………………5

1.2.2显示方案………………………………………………………6

2硬件介绍…………………………………………………………6

2.1单片机简介……………………………………………………8

2.1.1单片机发展的大阶段……………………………………9

2.1.2单片机的发展趋势………………………………………9

2.1.3单片机的组成………………………………………………10

2.1.4单片机的特点………………………………………………10

2.1.5单片机的分类………………………………………………12

2.1.6AT89C51单片机介绍…………………………………………13

2.2LED数码管……………………………………………………15

3软件设计………………………………………………………16

3.1主程序流程………………………………………………………18

3.2中断程序流程…………………………………………………18

3.3调试过程…………………………………………………………19

结论…………………………………………………………20

参考文献…………………………………………………………21

致谢…………………………………………………………22

绪论

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。

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。

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字钟，数字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。

数字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,使得数字钟的精度,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，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

1多功能数字钟功能及设计方案

1．1多功能数字钟功能

该数字钟由89C51，七段数码管等构成，采用晶振电路作为驱动电路，由延时程序和循环程序产生的一秒定时，达到时分秒的计时，六十秒为一分钟，六十分钟为一小时，满二十四小时为一天。

显示时间功能：

显示时，分，秒。

具有校时功能：

能对时、分、秒按实际时间进行手动校正。

1．2多功能数字钟设计方案

1.2.1计时方案

利用AT89C51单片机内部的定时/计数器进行中断定时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。

该方案节省硬件成本，且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高。

1.2.2显示方案

AT89C51的P0口和P2口外接由8个LED数码管（LED7～LED0）构成的显示器，用P0口作LED的段码输出口，P2口作LED数码管的位控输出线，P1口外接四个按键A、B、C、D构成键盘电路。

2硬件介绍

2．1单片机简介

单片机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。

2.1.1单片机发展的三大阶段

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。

第一，SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

第二，MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：

不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

第三，单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。

自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段:

第一阶段（1976-1978）：

单片机的控索阶段。

以Intel公司的MCS–48为代表。

MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。

这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。

第二阶段（1978-1982）：

单片机的完善阶段。

Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。

它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

①完善的外部总线。

MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。

②CPU外围功能单元的集中管理模式。

③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。

④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

第三阶段（1982-1990）：

8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。

Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。

2.1.2单片机的发展趋势

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。

下面是单片机的主要发展趋势。

CMOS化近年，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。

CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。

这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。

因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。

CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。

采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。

随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。

CHMOS和HMOS工艺的结合。

目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。

因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。

低功耗化单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。

低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。

低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。

允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。

低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。

目前0.8V供电的单片机已经问世。

低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。

大容量化以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。

但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。

为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。

目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。

在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多5著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。

这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。

80C51单片机已成为单片机发展的主流。

2.1.3单片机的组成

单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。

其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。

2.1.4单片机的特点

由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。

单片机主要发如下特点：

第一，有优异的性能价格比。

第二，集成度高、体积小、有很高的可靠性。

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。

另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

第三，控制功能强。

为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。

单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

第四，低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

第五，外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

第六，单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

2.1.5单片机的分类

单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。

根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

1.通用型/专用型

这是按单片机适用范围来区分的。

例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

2.总线型/非总线型

这是按单片机是否提供并行总线来区分的。

总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

3.控制型/家电型

这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。

一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。

显然，上述分类并不是惟一的和严格的。

例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

2.1.6AT89C51的单片机简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash

ProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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

单片机内部结构图为如图2所示：

图2

1.主要特性

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：

1000写/擦循环

·数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

2.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存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH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：

表2.1

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。

P0，P1，P2，P3口银角图为如图3：

图3

其中我们用了P1口和P2口。

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。

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。

2.2LED数码显示器

发光二极管LED是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。

LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的1种新型显示器件。

在单片机系统中应用非常普遍。

1.LED数码显示器的结构

LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。

它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。

2.LED数码显示器有两种连接方法

第一，共阳极接法。

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。

当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。

第二，共阴极接法。

把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。

每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。

当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。

在本设计中所采用的是共阴极LED数码显示器，其引脚排列如下图所示：

3软件介绍

软件设计功能部分包括一秒计时程序INTT0，加一程序ADD1，显示程序DISPLAY，延时程序，中断，调时程序SETMM，闪烁程序INTT1，