基于51单片机数字时钟的设计.docx

1、基于51单片机数字时钟的设计基于单片机电子数字钟的设计 摘要 今天，单片机成为了解决低复杂度，中等复杂度控制问题的传统选择。文章介绍了单片机在定时方面的基本功能。生活中，我们发现，有时病人要在注射药物之前作皮试试验，防止过敏。护士们有必要在一定时间后记录结果。这时，时间的准确显得很重要的。但是，有些时候，由于病人的人数众多，忘了记录时间。根据这种情况，我们设计了一个设备解决此问题。 我们选择的方法是单片机开发设计使用的传统方法，通过本次设计，可以了解整个单片机开发的流程。文章首先介绍了单片机的基本知识。下来比较了一些可行的方法。同时给出了框图，流程图等。论文涵盖了从需求分析，系统设计，编程，原

2、理图，PCB图等设计的基本过程。关键词：单片机，软件仿真，原理图，PCB图Based on the design of single-chip digital clockAbstractSingle Chip Microcomputer has achieved a immemse popularity in all fileds in recent years.From industry to peoples common lives,most of technical applications are controlled by SCM. Before it appeared,the au

3、tomatic 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 performance,it has been welcomed by people. Now

4、adays, SCM has been selected as a traditional solution for low or medium complexity problems about devices controlling.This essay shows a basic application of SCM in timing for peoples life. We often find that patients sometimes has to receive medical tests before using medcines for fear that patien

5、ts may get allery,so it is necessary for nurses to record the result after a fixed time interval. Under this condition,time accuracy is a vital factor that effects the results.Unfornately,some nurses ignore some patients when a large number of patients waiteing for tests.Form this point,we design a

6、device which can solve this problem. The approach we choose is the common way for SCM developing from which we can get an acknowledge about the SCM develop flowing process.The paper first introduces knowledge on 51 serial SCM,then compares some possible methodologies.At the same time,it also shows b

7、lock diagrams,flowing process diagrams and so on. It presents the process including requirement analysis ,system design,SCM programming ,program emulation , PCB design and final welding Of the board which forms a complete procedure for product manufacture。Key words: SCM；software emulation；schemetic

8、；PCB第1章 绪 论1.1 课题背景单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、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，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等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。 单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需

9、要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。 本文讨论的单片机AT89S52可调数字钟系统设计的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，可调数字钟配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。 20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单

10、片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。1.2 课题来源在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印

11、过程中的曝光定时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。 随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。根据这种实际情况，设计了一个单片机多功能时间系统，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控

12、制器对多路电器进行控制，同时又可以进行时钟校准，可以任意设置时间。这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可能。第2章 MCS-51单片机的知识介绍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

13、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

14、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几个应用特点： （一）低功耗、宽电压工作范围，内部看门狗。（二）高速指令系统，单字节指令，精简指令集易学易用。（三）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

15、MASK风险。（四）程序保密功能，防止拷贝，保护成果。（五）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、

16、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，大致可分如下几个范畴：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。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

17、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。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。寄存器地址88H，位地址8FH88H。位地址8F8E8D8C8B8A8988位符号TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 这个寄存器既有定时器/计数器

18、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。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） MCS-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：位地址BFBEBDBCBBBAB9B8位符号PSP

19、T1PX1PT0PX0PX0 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。例如，对于外部中断0的响应，产生的长调用指令为：LCALL 000

20、3H生成LCALL指令后，紧接着就由CPU执行。首先将程序计数器PC的内容压入堆栈以保护断点，再将中断入口地址装入PC，使程序执行转向相应的中断区入口地址。但由于各中断区只有8个单元。一般情况下难以安排下一个完整的中断服务程序。因此通常总是在各中断区入口地址处放置一条无条件转移指令，使程序执行转向在其它地址存放的中断服务程序。中断返回中断响应后就转去执行中断服务程序，完成所需要的操作。中断服务程序的最后一条指令必须是中断返回指令RETI，CPU执行这条指令时，把响应中断时置位的优先级触发器复位，再从堆栈中弹出断点地址送入程序计数器PC，以便从断点处重新执行被中断的主程序。2.4.2 MCS-5

21、1 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

22、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。2.4.3MCS-51定时器/计数器的四种工作方式1. 定时工作方式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，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 （21

23、3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（s）。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T

24、L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。第3章 数字钟原理图元件清单及设计方案3.1 时钟电路原理图图3-1 时钟电路原理图 图3-1所示为时钟电路原理图，在AT89C52芯片内部

25、有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。3.2 单片机最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。下面给出一个51单片机的最小系统电路图。如图3-2 图3-2 最小系统电路图 复位电路:由电容串联电阻构成，由图并结合电容电压不能突变的性质可以知道，当系统一上电，RST脚将

26、会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C 取10u，R取8.2K。当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作) 特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的000

27、0H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.这一点是初学者容易忽略的。3.3 显示器工作原理系统采用动态显示方式，用P0口来控制LED数码管的段控线，而用P2口来控制其位控线。动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。3.4 元件清单数字钟元件清单如表1所示： 表1 电子钟元器件清单元件名称规格型号数量（个）单片机AT89c511晶振11.0592MHz1电容30pF2电容22F1按键BUTTON4排阻RESPAC

28、K-8/10K1锁存器74ls2452液晶显示7SEG-MPX6-CC13.5设计方案与实现本课题采用软件程序设计的方案,利用MCS51内部的定时/计数器进行中断定时，LED数码显示器和按键，配合软件延时实现时、分、秒的计时。运用串行通信方式且计时不占用CPU时间,能够充分利用好CPU。二、 软件流程及储器地址分配：本电子钟的软件流程可分为以下几个功能模块 主程序: 初始化与按键监控. 计时子程序: 为定时器1中断服务子程序,完成刷新计时缓冲区的功能 时间设置: 由按键输入设置当前时间. 显示: 完成6位动态显示.按键扫描: 判断是否有键按下,并取键号.（6）其它辅助子程序,如按键设置、显示、

29、延时等三、 完成功能： 时间显示: 上电后,系统自动进入时钟显示,从00:00:00开始计时,此时可以设定当前时间. 时间调整: 按下k1键,系统停止计时,进入设定状态,系统保持原有显示,等待键入当前时间,按下k2，k3键可以顺序设置时、分,并在相应数码管上显示设置值,直至6位设置完毕.放开k4开始计时显示.3.6 74LS245介绍3.6.1174LS245引脚图3.6.2 74LS245说明74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备,用法很简单如上图,这里简单的给出一些资料，他是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。*74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也

30、可以输入数据。*当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。*当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）*DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当/CE为高电平时，A、B均为高阻态。3.7 AT89C51介绍3.7.1AT89C51引脚功能介绍3 引脚结构（图2-1）与并行I/O口 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) RS

31、T/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： 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