基于51单片机的数字时钟方案设计书.docx

1、基于51单片机的数字时钟方案设计书摘 要近几年，单片机在各个领域得到广泛的应用。从工业到人们的日常生活，大部分的科技产品都是通过单片机来控制。在它问世之前，自动控制设备得不到广泛的应用，这是因为控制设备的体积庞大，耗电量大，价格昂贵。在第一台微处理器成功研制不久，第一个单片机就问世了。因为其小巧的体积，低功耗，以及高效的性能，单片机受到了大家的欢迎。本设计利用Atmel公司的AT89C52单片机对电子时钟进行开发，设计了实现所需功能的硬件电路，应用C语言进行软件编程，并用Proteus软件进行演示、验证。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80C51芯片和LE

2、D数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机的数字电子时钟。它的计时周期为24小时，显满刻度为“23时59分59秒”，且配有4个独立键盘，可以灵活地调节时间和日期，并具有一定的扩展性。关键词：单片机，数字时钟，动态显示，LED数码管显示，独立按键AbstractSingle Chip Microcomputer has achieved a immemse popularity in all fileds in recent years.From industry to peoples common lives,most of technical applications are cont

3、rolled by SCM. Before it appeared,the automatic devices couldt be widely used because of their huge size ,large quantity of power cost and high price.The first SCM appeared as soon as the first MCU(MicroController Unit) was successfully developed.Due to its small size,low power cost and high perform

4、ance,it has been welcomed by people. This design uses AT89C52 MCU to developing electronic clock, it has designed to achieve the required functionality of the hardware circuit, using the C to programming software, and using proteus to show. Describing the method to use the microcontrollers internal

5、timer and counter to implement electronic clock, the design of the 80C51 MCU core chips and LED digital tube display, supplemented by the necessary circuitry to form a single-chip digital clock. Its time period is 24 hours, full scale is 23:59:59, and it is equipped with four independent keyboard, a

6、djusting the time and date Flexible. It is also have some scalability.Key words: Microcomputer。 Digital clock。 Dynamic display。 LED digital tube display。 Separate keyboard第一章 绪论1.1 数字时钟设计的背景单片机自从1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年之久了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、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，单片机应用领

7、域已经从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等方面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。本文讨论的单片机数字电子时钟系统的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，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，功能多等多种特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供扩展，有着广泛的应用实践领域。第二章 AT89C51单片机简介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

8、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

9、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

10、几个应用特点： 1.低功耗、宽电压工作范围，内部看门狗；2.高速指令系统，单字节指令，精简指令集易学易用；3.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；4.程序保密功能，防止拷贝，保护成果；5.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

11、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。2.4 单片机的中断与定时系统2.4.1 MCS51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。1、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

12、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。2、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

13、。寄存器地址88H，位地址8FH88H。表1定时器控制寄存器位地址及内容位地址8F8E8D8C8B8A8988位符号TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0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AFHA8H。表2 中断允许控制寄存器位地址及内容位地址AFAEADACABAAA9A8位符号EAESET1EX1ET0EX0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）MC

14、S-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BFHB8H。寄存器的内容及位地址表示如下：表3 寄存器的内容及位地址位地址BFBEBDBCBBBAB9B8位符号PSPT1PX1PT0PX0PX0 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

15、要内容是由硬件自动生成一条长调用指令LCALL。其格式为LCALL addr16，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。2.4.2 MCS-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

16、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。2.4.3 MCS-51定时器/计数器的四种工作方式1.定时器工作方式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

17、，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：18192（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（ms）。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： 165536（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 工作方式2是自动重新加载工作方式。在这种工

18、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

19、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。2.5 AT89C51引脚功能介绍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： VC

20、C：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

21、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

22、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，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（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。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。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存

23、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端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。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。振荡器特性: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

24、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。第三章 设计方案通常通过单片机设计电子时钟有2种方法：一是通过单片机内部的定时器计数器。采用软件编程实现时钟计数，一般称为软时钟，这种方法硬件线路简单，程序比较复杂。系统的功能一般与软件相关。通常用于对时间精度要求不搞的场合。二是采用时钟芯片 他的功能强大，功能不见集成在芯片内需，自动产生时钟等相关功能。硬件成本较高，软件编程仙丹。通常对时钟精确度要求较高的场合。电子时钟的系统软件程序有、由主程序和子程序组成，主程序包含初始化参数设置，

25、按键处理，数码管显示模块等。在设计时候、各个模块都采用子程序结构设计。在主程序种调用。由于定时器，计数器采用中断方式处理，应此还用辨析定时器，中断服务子程序，在定时器，计数器中断服务子程序种对时钟进行调整。3.1 主程序主程序执行流程图如图1所示。主程序先对显示单元和定时器计数器初始化，然后重复调用数码管显示模块和按键处理模块，当有建按下，则转入相应的功能程序。 图1 主程序执行流程图3.2 数码管显示模块本设计的显示模块采用8位一体共阳极数码管，显示分为时钟显示和日期星期两种模式，当为显示时钟模式时，从右到左依次显示秒个位，秒十位，横线，分个位，分十位，横线，时个位，时十位；当为显示日期和星

26、期模式时，从右到左一次显示星期，不显示，横线，日个位，日十位，月个月，月十位。数码管显示的信息用8个内存单元存放，这8个内存单元为显示缓冲区，其中秒个位和秒十位，分个位和分十位，时个位和时十位分别由秒数据，分数据和小时数据分拆得到。在本系统种数码管显示采用软件译码动态显示。在存储器中首先建立一张显示信息字段码表，显示的时候，先从显示缓冲区中取出显示的信息，然后通过查表程序在字段码表中查出的所显示的字段码。从P0口输出，同时在P2口将对应的位选码输出，选中显示的数码管，就能在相应的数码管上显示显示缓冲区的内容。3.3 定时器计数器T0中断服务程序定时器计数器T0用于时间计时，选择方式1，重复定时

27、，定时时间设为100MS，定时时间到则溢出中断，在中断服务程序中用一个计数器对100MS计数，计10次则对秒单元加1，秒单元加到60则对分单元加1，同时秒单元清零。分单元加到60的时候，则对时单元加1，同时分单元清零，时单元加到24的时候则对时单元清零，标志一天时间计满，此时所以单元清零。在对各单元计数的同时，把它们的值放到存储器单元的制定位置3.4按键处理模块按键处理设置为：如果没有按键，则为时钟模式，时钟正常走时，当按下shijia按键的时候，时单元每次加1，当加到24后跳为00，当按下shijian按键的时候，时单元每次减1，当减到00的时候跳到23；当按下fenjia按键的时候，分单元

28、每次加1，当加到60的时候跳为00，按下fenjian按键的时候，分单元每次减1，当减到00的时候跳为59；当xianshiqih建按下时，为显示日期模式，此时数码管显示日期和星期，当同时按下shijia按键的时候，月单元每次加1，当加到13后跳为00，当同时按下shijian按键的时候，日单元每次加1，如果月份为：1月、3月、5月、7月、8月、10月、12月的时候，当日加到32的时候跳到1；如果月份为4月、6月、9月、11月的时候，当日加到31的时候跳到1，如果月份为2月的时候，当日加到29时跳到1。当同时按下fenjia按键的时候，星期单元每次加1，当加到6的时候跳为0，“0”表示星期日。

29、第四章 硬件电路设计4.1 复位电路 MCS-51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。上电复位：上电复位电路是种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST引

30、脚的高电平信号必须维持足够长的时间。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。按键复位：电路在运行过程中，也可以通过按键进行复位。当按下复位按键，复位引脚RST通过按键与地相接，得到低电平，从而实现复位。电路图如图2所示：图2 复位电路4.2 时钟电路时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式。电路图如图3所示：图

31、3 时钟震荡电路MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。4.3 按键电路按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。电路图如图4所示：图4 按键电路 P1.4口所接的按键为模式切换按键，当不按下此按键时为时钟显示模式，当按下此按键时为日期和星期显示模式。 当为时钟显示模式的时候，P1.0到P1.3分别表示如下：P1.0口表示调整小时“+”，按一下则时加1，当加到23后再加一次为0； P1.1口表示调整小时“-”，按一下则