毕业设计基于单片机的自动报时系统.docx

1、毕业设计基于单片机的自动报时系统毕 业 设 计题目 基于单片机的自动报时系统 系别 专业 班级 姓名 学号 指导教师 日期 设计任务书设计题目：基于单片机的自动报时系统设计要求：1.自动报时系统应具有自动计时功能，由6位LED显示器显示时、分、秒；2.设计一个自动报时系统，它应具有准确走时、定时、闹钟定时、到时铃响、定点报时、驱动电铃等功能。时钟走到23：59：59，再加一秒则全部清零，重新计时；3.设计出该系统相应的时钟硬件电路；4.设计该时钟相应的软件电路；5.上机连接试验箱调试出应有的效果。设计进度要求：第一周：确定设计题目第二周：查找、搜集以及整理资料第三周：硬件电路的设计第四、五周：

2、软件电路的设计第六周：连接试验箱进行程序调试第七周：着手写论文、打印论文，准备答辩第八周：毕业答辩指导教师（签名）： 摘要随着电子技术的迅速发展，特别是随大规模集成电路出现，给人类生活带来了根本性的改变。由其是单片机技术的使用产品已经走进了千家万户。电子万年历的出现给人们的生活带来的诸多方便。我所设计的是一个自动报时系统，自动报时系统用到的单片机芯片是AT89C51芯片，除此之外还包括：DS1302芯片、晶振电路和复位电路构成单片机最小使用系统，还有独立式按键电路，动态显示电路等等。它不仅能实现数字电子时钟的各种功能，如具有较时、调时、定时、闹钟等功能，而且还能实现定点报时的功能。实时时钟可提

3、供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小和31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。本设计还附加了定点报时的功能，从而进一步完成了自动报时系统的设计。关键词：单片机，闹铃时钟，位码，段码，显示目录1 总体方案设计1.1 系统框图我所设计的是一个自动报时系统，它不仅具有数字电子时钟的各种功能，如具有较时、调时、定时、闹钟等功能，而且还具有驱动电铃，定点报时等功能。总体设计框图如图1.1所示：图1.1 系统框图1.2设计方案介绍1.2.1 硬件的选择方案由于我设计的是一个自动报时系统，它需要准确的走时、较时、调时、定时、定点报时等，因此我选用的是AT89C51单片机芯片，再配以DS1302、按键电

4、路、晶振电路、复位电路以及LED动态显示器，就可以实现。采用AT89C51的P0接口外接8路反相三态缓冲器74LS240作LED动态扫描的段码控制驱动信号,用P2接口的P2.0-P2.5外接一片集电极开路反相门电路7406做为6位LED的位选信号驱动口，6个数码管的8根段选线分别接74LS240的输出， LED共阴极端和74LS07的输出端相连；按键接口，由P1.7、P1.6、P1.5、P1.4来完成，四个按键的作用分别是：一个为功能键K1；一个为数字调整键K2；一个为取消设置键K3，用来设置时间；一个为K4键，用来设置定时时间。DS1302实时时钟由P1.0、P1.1、P1.2来控制。DAS

5、1302的X1、X2接口用来接蜂鸣器。1.2.2 软件的设计方案由于我考虑到用单片机的汇编语言来做自动报时系统的设计比较简单。对于程序我的设计思路是：1.要有主程序，主程序一般是显示和中断的初始化。2.要有显示子程序，当键入一个时间值时显示程序要把这个键入的时间值给显示出来。2.要有中断服务程序，功能，走时，判断是否到定时时间等等。3.要有按键程序，进入按键程序，判断是否有键按下，没有，则调用延时重新判断，如果到了，调用延时去抖程序，再次判断有键按下否，没有则返回延时程序，如果有按键，则判断键号，堆栈，判断键是否释放，没有，继续判断，释放了，则输入键号送往累加器。2 硬件设计2.1 单片机的选

6、型我的设计里用到的单片机芯片是AT89C51芯片，除此之外还包括：DS1302芯片、晶振电路和复位电路构成单片机最小使用系统。2.2 AT89C51的特点AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能、CMOS、8位单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，和工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。AT89C51的管脚图如图2.1所示：图2.1 AT89C51管脚图主要特性：1、和MCS-51 兼容2、4K字节可编程闪烁存储器3、寿命

7、：1000写/擦循环4、数据保留时间：10年5、全静态工作：0Hz-24Hz6、三级程序存储器锁定7、128*8位内部RAM8、32可编程I/O线9、两个16位定时器/计数器10、5个中断源11、可编程串行通道12、片内振荡器和时钟电路2.3 AT89C51单片机复位方式单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位。 复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作。AT89C51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高

8、电平两个机器周期,单片机即复位。 复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变。 复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种,如图2.2所示。而本设计采用的是手动复位方式，如B图所示：a 上电复位电路 b 手动复位电路 c 自动复位电路图2.2 单片机复位电路2.4 DS1302的简介2.4.1 简介DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口和CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小和31天时可以自动调整

9、，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据和出现该数据的时间同时记录，因此广泛使用于测量系统中。DS1302串行时钟芯片主要是由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟、RAM以及电源组成，它的电路工作原理图如下图2.3所示：图2.3 DS1302的内部结构在本设计中，它的I/O引脚、串行时钟SCLK引脚、CE引脚分别和AT89C51的I/O 接口的P1.1口、P1.2口、P1.0口相接，X1、X2接口接蜂鸣器。

10、2.4.2 DS1302的特点DS1302时钟芯片包括：（1）实时时钟/日历：实时时钟/日历提供秒、分、时、日、星期、月、年等信息，每月天数以及闰年能自动调整，时钟可以采用24h或AM/PM的12h格式。（2）31字节的静态RAM：用于存放数据。（3）带慢速充电控制备份电源的充电特性。（4）简单的三线串行接口：该芯片使用同步串行通信。和时钟/RAM通信共需3根线:RST（复位）、I/O（数据线）、SCLK（串行时钟）。数据可以以每次1个字节或多个字节的形式传送到时钟/RAM或从其读出。2.4.3 各管脚描述管脚描述如下X1 X2 32.768KHz 晶振管脚GND 地RST 复位脚I/O 数据

11、输入/输出引脚SCLK 串行时钟Vcc1,Vcc2 电源供电管脚订单信息部分# 描述DS1302 串行时钟芯片8 脚DIPDS1302S 串行时钟芯片8 脚SOIC 200milDS1302Z 串行时钟芯片8 脚SOIC 150mil2. DS1302 内部寄存器CH: 时钟停止位寄存器2 的第7 位12/24 小时标志CH=0 振荡器工作允许bit7=1,12 小时模式CH=1 振荡器停止bit7=0,24 小时模式WP: 写保护位寄存器2 的第5 位:AM/PM 定义WP=0 寄存器数据能够写入AP=1 下午模式WP=1 寄存器数据不能写入AP=0 上午模式TCS: 涓流充电选择DS: 二

12、极管选择位TCS=1010 使能涓流充电DS=01 选择一个二极管TCS=其它禁止涓流充电DS=10 选择两个二极管DS=00 或11, 即使TCS=1010, 充电功能也被禁止RS 位电阻典型位00 没有没有01 R1 2K10 R2 4K11 R3 8K2.4.4 DS1302读写时序说明DS1302是SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。要想和DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。DS1302的控制字如表2.1所示：表2.1 控制字（即地址及命令字节）控制字的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。

13、位6：如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1（A4A0）：指示操作单元的地址；位0（最低有效位）：如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。图2.4 数据读写时序控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。数据读写时序如图2.4。2.5 键盘方案本设计的自动报时系统是一个具有电子时钟、闹钟、定点报时功能的系统，系统工作时应具备随时对当前时间进行调整，因此它只需

14、要独立式键盘的四个按键即可完成操作。独立式键盘的接口电路：在单片机使用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息。这时，可将每个按键直接接在一根I/O接口线上，这种连接方式的键盘称为独立式键盘。如图2.5所示，每个独立按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响到其他I/O接口线。这种按键接口电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O线，I/O接口线浪费较大。故只在按键数量不多时采用这种按键电路。在此电路中，按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O接口线有确定的高电平。当I/O接口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。本设计中个按键

15、的功能为：一个为功能键K1；一个为数字调整键K2；一个为取消设置键K3，用来设置时间；一个为K4键，用来设置定时时间。图2.5 独立式键盘电路2.5.1 键盘接口工作原理在单片机使用系统中，常用键盘作为输入设备，通过它将数据、内存地址、命令及指令等输入到系统中，来实现简单的人机通信。2.5.2 按键开关的去除抖动功能目前,AT89C51单片机使用系统上的按键常采用机械触点式按键,它在断开、闭合时输入电压波形如图2.6所示.可以看出机械触点在闭合及断开瞬间均有抖动过程,时间长短和开关的机械特性有关,一般为510ms。由于抖动，会造成被查询的开关状态无法准确读出。例如，一次按键产生的正确开关状态，

16、由于键的抖动，CPU多次采集到底电平信号，会被误认为按键被多次按下，就会多次进行键输入操作，这是不允许的。为了保证CPU对键的一次闭合仅在按键稳定时作一次键输入处理，必须消除产生的前沿（后沿）抖动影响。在本次设计中采用的是软件去抖。图2.6 按键过程 2.6 七段LED显示工作原理2.6.1 显示的种类1 静态显示概念静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的8个字段分别和一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段

17、码。采用静态显示方式的优点：较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的接口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。2 动态显示概念动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的

18、字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。此次设计中我们采用定时器来完成动态扫描显示。用定时器T0定2ms的时间间隔，每次定时时间到时就输出一个LED信号，即显示1位。定时器每中断6次后循环到第一位LED显示。这样动态显示占用CPU的时间只有输出断码和输出位码的有限时间，提高了CPU的工作效率。在本次设计中所使用的是动态显示，其显示电路图形如图2.7所示：图2.7 L

19、ED动态显示电路2.6.2 数码管简介1 数码管结构数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 9、字符A F及小数点“”。数码管的外形结构如图2.8（a）所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图2.8（b）和图2.8（c）所示：（a）外型结构； （b）共阴极； （c）共阳极图2.8 数码管结构图2 数码管工作原理由于我们采用的是共阴极数码管，所以介绍共阴极数码管的工作原理如下:共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段

20、导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阳极数码管的工作原理和共阴极的正好相反。3 数码管字形编码要使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字形编码。LED显示字型码表见表2.2：表2.2 LED显示字型码表显示字符共阴极共阳极显示字符共阴极共阳极03FHC0H96FH90H106HF9HA77H88H25BHA4HB7CH83H34FHB0HC39HC6H466H99HD5EHA1H56DH92HE79H86H67DH82HF71H8EH707HF8H87FH

21、80H2.7 自动报时系统的工作原理及原理图自动报时系统电路的核心是AT89C51单片机，其内部带有4KB的FlashROM,无须扩展程序存储器；电子时钟没有大量的运算和暂存数据，现有的128B片内RAM已能满足要求，也不必扩展片外RAM。系统配备6位LED显示和4个单接口键盘，采用P0接口外接8路反相三态缓冲器74LS240作LED动态扫描的段码控制驱动信号,用P2接口的P2.0-P2.5外接一片集电极开路反相门电路7406做为6位LED的位选信号驱动口，6个数码管的8根段选线分别接74LS240的输出， LED共阴极端和74LS07的输出端相连；按键接口，由P1.7、P1.6、P1.5、P

22、1.4来完成；DS1302实时时钟由P1.0、P1.1、P1.2来控制。DS1302的X1、X2接口外接蜂鸣器。电路原理图见附录A3 软件设计3.1 设计思路由于我做的是自动报时系统，它需要具有较时、调时、定时、闹钟等功能，而且还具有驱动电铃，定点报时等功能。另外当时钟走到24点时则自动清零。所以我们考虑到用单片机的汇编语言来做我们的设计比较简单。对于程序我们的设计思路是：1.要有主程序，主程序一般是显示和中断的初始化。2.要有显示子程序，当键入一个时间值时显示程序要把这个键入的时间值给显示出来。2.要有中断服务程序，功能，走时，判断是否到定时时间等等。3.要有按键程序，进入按键程序，判断是否

23、有键按下，没有，则调用延时重新判断，如果到了，调用延时去抖程序，再次判断有键按下否，没有则返回延时程序，如果有按键，则判断键号，堆栈，判断键是否释放，没有，继续判断，释放了，则输入键号送往累加器。3.2 系统工作流程1.时钟显示：6位LED从左到右一次显示时、分、秒，采用24小时计时。2.按键控制功能：采用4个独立键盘，其中一个为功能键；一个为数字调整键；一个为取消设置键，用来设置时间；一个为ALM键，用来设置定时时间。3.时间显示：通电后，系统自动进入时钟设置，从00：00：00开始计时，此时可以设定当前时间。4.时间调整：按下功能键，系统停止计时显示，进入时间设定状态，系统只显示小时的内容

24、，其余4位LED处于全暗状态，等待按键设置。此时按动数字调整键后小时将会加1，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态；若再按动功能键则用来调整分钟，此时小时和秒的4位LED指示全暗，按数字调整键后可以对分钟增1调整，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态；再按动功能键则用来调整秒，此时小时和分钟的4位LED指示全暗，秒显示当前的秒数，暗数字调整键可以对秒进行增1调整，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态，按动功能键后系统将自动由设定后的时间开始计时显示。5.闹钟设置/启闹：按下K4键，系统继续计时，但显示为00：00:00,此时再按动功能键后进入闹钟设置状态，设置过程和时间调整相同，但

25、是最后按功能键确定后显示定时时间30S后自动启动定时闹钟功能，并恢复时间显示。定时时间到，蜂鸣器鸣叫1min后自动停闹，每次设置时只能定一次，下次需重新设置。3.3 主程序流程首先，设置初始常数，设置定时器常数，它主要是显示和中断的初始化。3.3.1 主程序流程图如图3.1所示：主程序的内容一般包括：主程序的起始地址，中断服务程序的起始地址，有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等。图3.1 主程序流程图3.3.2 主程序如下：START: MOV R0，#70H ；清70H-7AH共11个内存单元MOV R7，#0BH ；CLEARDISP: MOV R0，#00H ；INC R0

26、；DJNZ R7，CLEARDISP ；MOV 20H，#00H ；清20H（标志用）MOV 7AH，#0AH ；放入熄灭符数据MOV TMOD，#11H ；设T0、T1为16位定时器MOV TL0，#0B0H ；50MS定时初值（T0计时用）MOV TH0，#3CH ；50MS定时初值MOV TL1，#0B0H ；50MS定时初值（T1闪烁定时用）MOV TH1，#3CH ；50MS定时初值SETB EA ；总中断开放SETB ET0 ；允许T0中断SETB TR0 ；开启T0定时器MOV R4,#14H ；1秒定时用初值（50MS20）START1: LCALL DISPLAY ；调用显示

27、子程序JNB P3.2，SETMM1 ；P3.7口为0时转时间调整程序SJMP START1 ；P3.7口为1时跳回START1SETMM1: LJMP SETMM ；转到时间调整程序SETMM3.4 按键程序模块该系统的按键功能如下：按下功能键，系统停止计时显示，进入时间设定状态，系统只显示小时的内容，其余4位LED处于全暗状态，等待按键设置。此时按动数字调整键后小时将会加1，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态；若再按动功能键则用来调整分钟，此时小时和秒的4位LED指示全暗，按数字调整键后可以对分钟增1调整，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态；再按动功能键则用来调整秒，此时小时和

28、分钟的4位LED指示全暗，秒显示当前的秒数，暗数字调整键可以对秒进行增1调整，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态，按动功能键后系统将自动由设定后的时间开始计时显示。进入按键程序，判断有键按下吗？没有，则调用延时重新判断，如果到了，调用延时去抖程序，再次判断有键按下否，没有则返回延时程序，如果有按键，则判断键号，堆栈，判断键是否释放，没有，继续判断，释放了，则输入键号送往累加器,然后返回主程序。图3.2 按键程序流程图按键程序如下：当调时按键按下时进入此程序SETMM：cLR ET0 ；关定时器T0中断CLR TR0 ；关闭定时器T0LCALL DL1S ；调用1秒延时程序JB P3.2，

29、CLOSEDIS ；键按下时间小于1秒，关闭显示（省电）MOV R2，#06H ；进入调时状态，赋闪烁定时初值SETB ET1 ；允许T1中断SETB TR1 ；开启定时器T1SET2: JNB P3.2,SET1 ；P3.7口为0（键未释放），等待SETB 00H ；键释放，分调整闪烁标志置1SET4: JB P3.2，SET3 ；等待键按下LCALL DL05S ；有键按下，延时0.5秒JNB P3.2，SETHH ；按下时间大于0.5秒转调小时状态MOV R0，#77H ；按下时间小于0.5秒加1分钟操作LCALL ADD1 ；调用加1子程序MOV A，R3 ；取调整单元数据CLR C ；清进位标志CJNE A，#60H，HHH ；调整单元数据和60比较HHH： JC SET4 ；调整单元数据小于60转SET4循环LCALL CLR0 ；调整单元数据大于或等于60时清0CLR C ；清进位标志AJMP SET4 ；跳转到SET4循环CLOSEDIS：SETB ET0 ；省电（LED不显示）状态。开T0中断SETB TR0 ；开启T0定时器（开时钟）