基于89C52单片机的电子时钟设计.docx

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基于89C52单片机的电子时钟设计

摘要:

本文主要介绍用AT89C52单片机的定时器时间计时处理、按键扫描及LED数码管显示的设计方法，利用4个LED数码管，设计带有闹铃功能的电子时钟，通过按键控制时间及闹铃进行设置。

当闹玲时间到蜂鸣器发出声响，按停止键使可使闹铃声停止。

由LED闪动做秒显示，在4位数码管上显示当前时间，显示格式“时时分分”，并可显示闹铃时间。

关键词.电子时钟AT89C52计时

一、引言

随着消费电子产品的发展单片机技术也得到了很大的提高，现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机甚至更多。

单片机的的基本结构有两种：

哈佛结构，是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。

冯·诺依曼结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。

时钟电路在计算机系统中是保证系统正常工作的基础。

本设计主要通过单片机AT89C52制作电子时钟，利用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟。

其既可以显示年月日并进行调节，还可以实现时分秒的计时。

时钟的基本原理分析

利用单片机定时器完成计时功能，定时器0计时中断程序每隔0.01s中断一次并当作一个计数，设定定时1秒的中断计数初值为100，每中断一次中断计数初值减1，当减到0时，则表示1s到了，秒变量加1，同理再判断是否1min钟到了，再判断是否1h到了。

为了将时间在LED数码管上显示，可采用静态显示法和动态显示法，由于静态显示法需要译码器，数据锁存器等较多硬件，可采用动态显示法实现LED显示，通过对每位数码管的依次扫描，使对应数码管亮，同时向该数码管送对应的字码，使其显示数字。

由于数码管扫描周期很短，由于人眼的视觉暂留效应，使数码管看起来总是亮的，从而实现了各种显示。

二、系统框架

此次设计主要是应用单片机来设计电子时钟，硬件部分主要分以下电路模块：

显示电路用8个共阴数码管分别显示，星期（年份），小时、分钟（月份）和秒（日），通过动态扫描进行显示，从而避免了译，码器的使用同时节约了I/0端口，使电路更加简单。

单片机采用AT89C52系列，这种单片机应用简单，适合电子钟设计。

电路的总体设计框架如下：

2.1系统组成

模块电路主要分为：

输入部分、输出部分、复位和晶振电路。

2.2输入部分

输入信号主要是各种模式选择和调整信号，由按键开关提供。

以下为输入部分样例：

在本论文中主要用用P3口输入按键信号，还用到了特殊的P0口。

对于P0口，由于其存在高阻状态，为了实现开关功能，给其添加上拉电阻，具体如下图所示：

2.3输出部分

本电路的输出信号为7段数码管的位选和段选信号，闹铃脉冲信号，提示灯信号。

本实验的数码管是共阴的，为了防止段选信号不能驱动数码管，故在P1口连接上拉电阻后，再送段选信号，以提高驱动，位选信号直接从P2口接入，如下图：

闹铃由P2.6端输出，模块如下：

2.4晶振与复位电路

本实验单片机时钟用内部时钟，模块如下：

复位电路为手动复位构成，模块如下：

各模块拼接组合，电路总体设计图如下：

三、芯片介绍

1.89C52

本设计中采用的CPU是AT89C52。

它是一个低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbit的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256bit的随机存取数据存储器（（RAM）。

器件采用ATMEL公司的高密度、非一时性存储技术生产，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。

功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52兼容MCS51指令系统，有40个引脚,32个外部双向（I/0）端口，内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，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（>1000次）的Flash存储器，能够有效降低开发成本。

软件可设置睡眠和唤醒功能，低功耗和掉电模式，3级加密位，还有2个外部中断源，时钟频率为24MHz，可编程UART串行通信。

89c52单片机各引脚的原理与功能

VCC:

供电电压

GND：

接地

P0口：

Ｐ０口为一个８位漏极开路双向Ｉ／Ｏ口，没脚可吸收８ＴＴＬ门电路，当Ｐ１口的电路第一次写１时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部数据存储器，它被定义数据/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口输出原码，此时P0口外部必须拉高。

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在编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内不上拉的8双向I/O口，P2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口管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上啦的缘故。

P2口当用于外部程序存储或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，可接受输出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口作为AT89c52的一些特殊功能口，

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（计时器0外部输入）

P3.5T1（计时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写通道）

P3.7/RD（外部数据存储器读通道）

REST:

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持REST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哟公寓锁存地址的低位字节。

在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE断以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为震荡频率的1/6.因此他可以用作外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

没到那个用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如果想禁制ALE的输出可在SFR8EH地址上置0.此时，ALE只有执行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。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP；当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/Ea保持高电平时，此间内部程序存储器。

在flash编程区间，此引脚也用于施加12V变成电源（VPP）。

XTAL1：

反向震荡放大器的输入及内部始终工作电路输入。

XTAL2：

来自反向振荡器

2.LED数码管的结构及工作原理

LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。

位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。

图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。

颜色有红，绿，蓝，黄等几种。

LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。

选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。

下面将介绍常用LED数码管内部引脚图。

图1这是一个7段两位带小数点10引脚的LED数码管

图2引脚定义 

   每一笔划都是对应一个字母表示DP是小数点.  

数码管分为共阳极的LED数码管、共阴极的LED数码管两种。

下图例举的是共阳极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正。

led数码管原理图示意：

图3引脚示意图  

从上图可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件：

1、是要在VT端（3/8脚）加正电源；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp）端接低电平或“0”电平。

这样才能显示的。

共阳极LED数码管的内部结构原理图图4：

 图4共阳极LED数码管的内部结构原理图

共阴极LED数码管的内部结构原理图：

图5共阴极LED数码管的内部结构原理图

表1.1显示数字对应的二进制电平信号

LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

A、静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位转换器进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O口才32个呢。

故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。

B、动态显示驱动：

数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

   透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。

四.程序设计

1程序总体设计

本实验用汇编程序完成.

程序总的流程图如下：

NO

YES

结合电路图，程序设计的整体思路为：

接通电源，数码管显示星期数，时，分，秒。

并且走时显示LED灯每隔1秒改变一次明暗，此为正常工作模式。

以下为在该工作方式下模式选择的按键方式：

1.按1键——日期模式。

显示年月日且可调整，调整状态指示灯亮。

日期调整对应键如下：

6键——年（千位，百位），按一次该位加1

5键——年（十位，个位），按一次该位加1

4键——月，按一次该位加1

3键——日，按一次该位加1

0键——调整状态指示灯灭，返回主程序，显示时间

2.按2键——调时模式。

显示时分秒且可调整，调整状态指示灯亮。

时间调整对应键如下：

6键——时，按一次该位加1

5键——分，按一次该位加1

4键——秒，按一次该位清0

0键——调整状态指示灯灭，返回主程序，显示时间

3.按3键——闹铃调整模式。

显示闹铃时刻且可调整，调整状态指示灯亮。

闹铃调整对应键如下：

5键——时，按一次该位加1

4键——分，按一次该位加1

0键——调整状态指示灯灭，返回主程序，显示时间

4.长按4键——定时调整（倒计时）模式。

显示定时长度且可调整，调整状态显示灯亮。

定时调整对应键如下：

6键——分，按一次该位加1

5键——秒，按一次该位加1

4键——开启定时功能，并显示倒计时

0键——调整状态指示灯灭，返回主程序，显示时间

5.按5键铃声测试，扬声器播放音乐。

6.按下7键，进入秒表模式，显示秒表走时。

拨上7键，秒表暂停；按下7键，秒表又继续走时。

按下8键，秒表清零。

0键——调整状态指示灯灭，返回主程序，显示时间

7.按下8键，数码管熄灭，时钟仍在走时，进入节能模式。

拨上8键，数码管亮，恢复普通工作模式。

8.9键为闹铃启动（停止）键，按下可以选择是否要闹铃，以及在闹铃响起时，按此键可以停止闹铃。

9.10键为铃声选择开关，按下与否，可以选择两手音乐。

10.11键为闹铃重响控制开关，重响功能开启时，从闹铃随音乐结束而结束的时刻开始，或从手动按9键停止闹铃的时刻开始定时，一段时间后闹铃重响。

11.12键为闹铃重响间隔选择开关，可选两个定时长度，以便在闹铃重响功能开启时，闹铃初次响后，过一段时间闹铃继续响。

2程序主要模块

2.1延时模块

数码管显示动态扫描时，用到延时程序，这里使用延迟1ms的程序，此程序需要反复调用程序如下：

D_1MS:

MOVR7,#2

D_5:

MOVR2,#250

DJNZR2,$

DJNZR7,D_5

RET

除数码管动态扫描外，数码管的闪烁提示，以及音乐模块也用到了延时，只是延时的长短不同罢了。

2.2中断服务程序

本实验中，计数器T0,T1中断都有运用，其中T0中断为时钟定时所用，T1中断用于音乐播放。

T0的定时长度为0.01s,工作于方式1，计数1次，时长1us，故计数器计数10000次，进入中断，计数初值为65536-10000=55536=#0D8F0，装满定时器需要0.01s的时间，从而100次中断为一秒，一秒之后，判断是否到60秒，若不到则秒加一，然后返回，若到，则秒赋值为0，分加一，依次类推。

包括日期显示的功能也是如此。

另外，由于要实现倒计时功能，因此在中断程序中还要加入减一的寄存器，需要时将其进行显示。

基于以上考虑，以R3为倒计时中的秒，R4为倒计时的分，当秒加1时R3减一，减到0之后，秒赋值为59，分减一，直到分为0。

以下为定时中断流程图：

NO

YES

YES

NO

计数器T1工作于方式1，当调用响铃程序时，其计数功能开启，为音乐音调不同频率的方波的形成，提供延时。

其中断服务程序就是根据音调改变音乐方波输出口电平的高低，用语句CPL实现。

中断服务程序中日历的实现较为复杂，要考虑平年，闰年，特殊的2月，每月的天数的不尽相同。

具体的逻辑判断方法为：

首先，要考虑年份是不是闰年，闰年的判断方法是：

将年份除以100，若能整除，则将年份除以400，若还能整除，则为闰年，若不能，则为平年；若不能被100整除，则判断是否能被4整除，若能，则为闰年，若不能则为平年。

只有2月与平、闰年相关，因此在闰年和平年的子程序中，要判断是不是2月，若是则在相应的年中进行日期的增加，若不是则转入平时的月份。

其中1、3、5、7、8、10、12月是每月31天，4、6、9、11月为每月30天。

日历进位判断流程图如下：

本实验用8个数码管，刚好能显示年，月，日，扫描显示与时间的扫描显示类似。

年比较特殊，由两个寄存器存储，个位，十位为0时，表明年数能被100整除，若此时千位，百位

组成两位数能被4整除，则年数被400整除，为闰年。

若十位，个位组成两位数能被4整除，则年数能被4整除，为闰年。

2.3主程序

主程序主要对按键进行扫描，以及判断定时和闹铃时间是否已到，若到则调用相关程序，该段程序如下：

MAIN:

JNBP3.0,DATETZ;按下0键，显示日期并可对日期进行调整

JNBP3.1,ZSTZ1;按下1键，显示时间，并可调时

JNBP3.2,NLTZZ;按下2键，进行闹铃设置

JNBP3.3,DSTZ;按下3键，进行定时设置

JNBP3.4,CESHI;闹铃测试

JNBP3.6,STOPWATCHTZ;按下6键，进入秒表方式

ACALLDISP;调用时钟显示子程序

JNBP0.6,RERING;判断是否开启闹铃重响功能

RE:

JNBP2.7,DSPDKQ;判断是否开启闹铃功能，没开则去判断定时

FMQPD:

;判断定时值R4,R3是否到零、闹铃时刻是否已到

MOVA,HOUR;

SUBBA,38H;

JZFEN;判断小时数是否到闹铃所定时间，若到，则对分进行判断；若不到，则对定时进行判断

AJMPDSPDKQ

FEN:

MOVA,MINUTE;

SUBBA,37H;

JZMIAO;判断分是否到闹铃所定时间，若到，则对秒进行判断；若不到，则对定时进行判断

AJMPDSPDKQ

MIAO:

MOVA,SECOND

SUBBA,#0

JZSHENGYIN1;判断秒是否到闹铃所定时间，若到，则时，分，秒都到达闹铃时刻，进入响铃子程序；若不到则判断定时

AJMPDSPDKQ

RERING:

;闹铃重响判断程序

JNBF0,RE;标志位F0为0，不进行闹铃重响设定

CPLF0

MOV3CH,#1;定时判断标志位赋1，定时判断功能开启

JNBP0.7,M1;闹铃重响间隔时间选取

MOVR4,#0;闹铃重响间隔30秒

MOVR3,#30

AJMPMAIN

M1:

;闹铃重响间隔60秒

MOVR4,#1

MOVR3,#0

AJMPMAIN

DSPDKQ:

;判断是否应该进行定时判断

MOVA,3CH;3CH是引入的判断因子，当其为0时，不对定时时间是否到0进行判断

JNZDSPD2;当3CH不是0时，跳转到定时判断程序

AJMPMAIN

DSPD2:

MOVA,R4;

JZS_PD;R4所存定时分数为0,则转而判断R3所存定时秒数

AJMPMAIN;

S_PD:

MOVA,R3;

JNZMAIN;R4,R3所存参数减为0，定时长度已到

JNBP0.6,SHENGYIN2;闹铃重响功能开启时，跳入响铃程序

AJMPTISHI;不是闹铃重响定时，则定时时间到时，跳入提示程序

AJMPMAIN

CESHI:

ACALLRING

AJMPMAIN

SHENGYIN1:

;调用响铃子程序

LCALLRING

AJMPMAIN

SHENGYIN2:

SETBF0;闹铃重响标志位设定

LCALLRING;响铃

CLRF0;标志位复位

AJMPMAIN

NLTZZ:

AJMPNLTZ1;跳入闹铃调整程序

DSTZ:

AJMPDSTZ1;跳入定时调整程序

DATETZ:

AJMPDATETZ1;跳入日期调整程序

STOPWATCHTZ:

AJMPSTOPWATCHTZ1;跳入秒表程序

2.4显示子程序

8个数码管轮流进行显示，分别显示1ms，依赖人的视觉暂留效应，给人以数码管持续高亮的错觉。

该段程序如下：

DISP:

;时间显示子程序

JNBP3.7,OUT1;判断节能开关7是否按下，按下则数码管不显示，延长其寿命

MOVDPTR,#LEDTAB

MOVA,SECOND;显示当前时间秒位

MOVB,#10

DIVAB;A存十位，B存个位

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

CLRSEC_S

ACALLD_1MS;显示当前时间秒十位

SETBSEC_S

MOVA,B

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

CLRSEC_G

ACALLD_1MS;显示当前时间秒个位

SETBSEC_G

MOVA,MINUTE;显示当前时间分位

MOVB,#10

DIVAB

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

CLRMIN_S

ACALLD_1MS

SETBMIN_S

MOVA,B

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

CLRMIN_G

ACALLD_1MS

SETBMIN_G

MOVA,HOUR;显示当前时间时位

MOVB,#10

DIVAB

MOVDPTR,#LEDTAB

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

CLRHOU_S

ACALLD_1MS

SETBHOU_S

MOVA,B

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

CLRHOU_G

ACALLD_1MS

SETBHOU_G

MOVA,WEEK;显示当前星期数

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

CLRY_S

ACALLD_1MS

SETBY_S

OUT1:

RET

日期的显示，秒表的显示，倒计时的显示，调闹铃，调定时的显示，闪烁的显示程序与以上的的扫描相似，有的以子程序的方式出现，通过子程序调用语句ACALL调用；有点直接嵌套在相应的程序里面，顺序执行，或者用调转语句AJMP调用。

2.5调整程序

时钟包括很多调整，如时间，日期，闹铃，秒表等，本程序，设计了相应的调整程序段，通过对应的按键，程序跳入调整模式或功能模式。

在此着重分析一下闹铃重响以及定时功能的实现过程，这两个功能都灵活运用了标志位。

1，定时功能运用了一个内存地址3CH为标志位，只有3CH中所存值非0时，在主程序中才判断定时是否已到。

3CH值初始化为0，程序开始运行时并不判断定时是否已到。

当通过按键进入定时初值设置，并开始倒计时，3CH的值被赋为1，

当倒计时显示到0时，进入闪烁提示，提示结束后3CH又被赋值为0，程序回到主程序后，不必判断定时是否已到。

但当倒计时未完，按返回键回到主程序时，3CH的值为1，故在主程序判断未完成的定时任务，倒计时到0时调用同一个提示程序，最后仍可保证在主程序不再定时开启时去判断定时，从而节约资源。

2，重闹铃的精髓也是标志位的设计，以F0为标志位，其初值为0，正常响铃时判断重响功能键，若重响功能关闭，则跳过重响设定程序；若重响功能开启，则判断标志位F0，为了更好的说明，将相关程序截取如下：

//闹铃重响功能是否判断//

JNBP0.6,RERING

//重响定时，//

RERING:

;闹铃重响判断程序

JNBF0,RE;标志位F0为0，不进行闹铃重响设定

CPLF0

MOV3CH,#1;定时判断标志位赋1，定时判断功能开启

JNBP0.7,M1;闹铃重响间隔时间选取

MOVR4,#0;闹铃重响间隔30秒

MOVR3,#30

AJMPMAIN

M1:

;闹铃重响间隔60秒

MOVR4,#1

MOVR3,#0

AJMPMAIN

JBP2.7,GO;判断暂停键是否按下，未按下则响铃

JNBP0.6,GO1;音乐暂停键，再判断闹铃重响功能是否开启

AJMPEND0

GO1:

;闹铃重响功能开启处理程序