1、 1 基于单片机的电脑钟的设计 源码 +仿真图 一、 课程设计课题 基于单片机的电脑钟的设计 2 二、 课程设计要求 1. 掌握使用 proteus 软件的方法。 2. 理解单片机的时钟显示方法。 3. 明确设计指标，写出设计方案，设计出硬件原理图。 4. 基于硬件的软件设计与调试。 5. 将结果向指导教师演示，由教师提问验收通过； 6. 打印程序清单，撰写程序说明，完成课程设计报告书，进行分组讨论设计心得。 3 三、 课程设计工作量 1. 周一：明确课程设计任务和目标，熟悉单片机系统调试软件 仿真 实现。 2. 周二：明确设计指标，设计电路原理图。 3. 周三、周四：基于硬件的软件设计与 调
2、试。 4.周五：学生演示设计调试结果，教师提问验收。 打印程序清单，撰写程序说明，完成课程设计报告书。 四、 课程设计说明书内容（有指导书的可省略） 1， 单片机结构、原理。 2， 电脑钟硬件设计（原理图，原理图分析）。 3， 软件设计（软件简介，调试过程）。 4， 硬件、软件程序清单。 4 目 录 第一章 .前沿 1 第二章 .数字时钟 2 2.1 数字时钟方案 2 2.2 数码管显示方案 2 第 三 章 .单片机 3 3.1 数码管显示工作原理 3 3.2AT89C51 芯片的介绍 3 3.3 晶振原理 4 3.4 数字钟的调节开关 5 第四章 .硬件 6 4,1 Proteus 软件 介
3、绍 6 4.2 使用 Protues 软件 7 第 五 章 .软件 10 5.1 Keil 软件介绍 10 5.2 Keil 软件的基础知识 10 5.3 Keil 软件的优点 10 5.4 编程 11 5.4.1 数字电子时钟主程序流程图 11 5.4.2 中断服务程序流程图 12 第 六 章 .总结 13 参考文献 14 附录一 元件清单 15 附录二 程序清单 16 1 第 一 章 前言 时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间 计量的精度要求越来越高，应用越来越广。怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？这就要求人们
4、不断设计出新型时钟。 现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用 LED 显示器代替显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。 时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用 ，是保证系统正常工作的基础。在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指
5、系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时 /计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有： DS1302， DS12887， X1203 等都可以满足高精度的要求。 本文 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AT89S51 芯片和 LED 数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。 2 第二章 数字时钟 2.1 数字时钟方案 数字时钟是本设计的最主要的部分。根据需要，可利用两种方案实现
6、。 方案一：本方案采用 Dallas 公司的专用时钟芯片 DS12887A。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于 10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为 保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。 方案二：本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现 1 秒定时中断，
7、每产生一次中断，存储器内相应的秒值加 1；若秒值达到 60，则将其清零，并将相应的分字节值加 1；若分值达到 60，则清零分字节，并将时字节值加 1； 若时值达到 24，则将十字节清零。该方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。 基于硬件电路的考虑，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。 2.2 数码管显示方案 方案一：静态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个 8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮
8、度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的 I/O 口太多，造成了资源的浪费。 方案二：动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了 I/O 口，降低了能耗。 从节省 I/O 口和降低能耗出发，本设计采用方案二。 3 第 三 章 单片机 3.1 数码管显示工作原理 数码管是一种把多个 LED 显示段集成在一起的显示设备。有两 种类型，一种是
9、共阳型，一种是共阴型。共阳型就是把多个 LED 显示段的阳极接在一起，又称为公共端。共阴型就是把多个 LED 显示段的阴极接在一起，即为公共商。阳极即为二极管的正极，又称为正极，阴极即为二极管的负极，又称为负极。通常的数码管又分为 8 段，即 8 个 LED 显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 DP，其中 DP 是小数点位段。而多位数码管，除某一位的公共端会连接在一起，不同位的数码管的相同端也会连接在一起。即，所有的 A 段都会连在一起，其它的段也是如此，这是实际最常用的用法。数码管显 示方法可分为静态显示和动态显示两种。静态显示就是数码管的
10、8 段输入及其公共端电平一直有效。动态显示的原理是，各个数码管的相同段连接在一起，共同占用 8 位段引管线；每位数码管的阳极连在一起组成公共端。利用人眼的视觉暂留性，依次给出各个数码管公共端加有效信号，在此同时给出该数码管加有效的数据信号，当全段扫描速度大于视觉暂留速度时，显示就会清晰显示出来。 本实验采用 8 个一体的数码管如图（ 1）所示 图（ 1） 3.2AT89C51 芯片的介绍 AT89C51 是一个 8 位单片机，片内 ROM 全部采用 FLASH ROM 技 术，晶振时钟为 12MHz。 89C51是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，有 4 个八位的并行双向 I/O 端口
11、，分别记作 P0、P1、 P2、 P3。第 31 引脚需要接高电位使单片机选用内部程序存储器；第 40 脚为电源端 VCC，接 +5V 电源，第 20 引脚为接地端 VSS，通常在 VCC 和 VSS 引脚之间接 0.1 F 高频滤波电容。如图（ 2）所示 。 4 图（ 2） AT89C51 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
12、 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
13、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。 3.3 晶振原
14、理 振荡器主要用来产生时间标准信号。因为数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。所以要产生稳定的时标信号，一般是采用石英晶体振荡器。石英晶体不但5 频率特性稳定，而且品质因数很高，有极好的选频特性。一般情况下，晶振频率越高，准确度越高，但所用的分频级数越多，耗电量就越大，成本就越高，分频器也会增多。所以在确定频率时应考虑两方面的因素，然后在选定石英晶 体型号 。本实验才用内部时钟方式。如图（ 3）所示。 图（ 3） 3.4 数字钟的调节开关 开关的作用是用于，调节时间的，本实训中，共用到 4 个开关电路。分别是控制总开关，调时，调分，调秒开关。每个开关电路都由电阻，电源，接地，及
15、中断入口组成。也是本实训中必不可少的一部分。 其电路图，如图（ 4）示 如图（ 4） 6 第 四 章 硬件 4,1 Proteus 软件 介绍 (1） proteus 软件 是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件 （该软件 中国 总代理为广州 风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 Proteus 是世界上著名的 EDA 工具 (仿真软件 )，从原理
16、图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概 念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、 PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、 HC11、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、 AVR、 ARM、 8086 和 MSP430等， 2010 年又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、 Keil 和 MPLAB 等多种 编译器 。 （ 2） PROTEUS 是单片机课堂教学的先进助手 。 PROTEUS 不仅可将许多
17、单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、 软件调试 、运行结果等。 课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于 PROTEUS 提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台 随着科技的发展， “ 计算机仿真技术 ” 已成为许
18、多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特 点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中 PROTEUS 也能茯得愈来愈广泛的应用。 使用 Proteus 软件进行单片机 系统仿真 设计，是 虚拟仿真技术 和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在 单片机课程设计 和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开
19、发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率 。因此， Proteus 有较高的推广利用价值。 7 4,2 使用 Protues 软件 系统框图 整个系统用单片机作为中央控制器，由单片机执行采集芯片内部时钟信号，时钟信号通过单片机 I/O 口传给单片机，单片机模块控制驱动模块驱动显示模块，通过显示模块来实现信号的输出、 LED 的显示及相关的控制功能。系统设有按键模块用于对时间进行调整及扩展多个小键盘，系统整体框图如图 上图 所示 根 据系统框图及 实训要求， 使用 Proteus 软件进行添加元件，连线 如图（ 5） 图（ 5） (1) 时分秒都显 示的如图（ 6） 单片机模块 驱
20、动模块 按键模块 LED 显示模块 时钟 模块 电源模块 8 图（ 6） (2) 秒显示的电路图，如图（ 7） 图（ 7） (3) 分显示的电路图，如图（ 8） 9 图（ 8） (4) 时显示的电路图，如图（ 9） 图（ 9） 10 第五章 软件 5.1 Keil 软件介绍 。 Keil C51 是 美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比， C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil 提供 了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发
21、环境（ uVision）将这些部分组合在一起。运行 Keil 软件需要 WIN98、 NT、 WIN2000、 WINXP 等操作系统。如果你使用 C 语言编程，那么 Keil 几乎就是你的不二之选，即使不使用 C 语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。 5.2 Keil 软件的基础知识 。 1. 系统概述 Keil C51 软件提供丰富的 库函数 和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下 编译 后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多 数语句生成的汇编代码很紧凑，容
22、易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍 Keil C51 开发系统各部分功能和使用。 2. Keil C51 单片机软件开发系统的整体结构 C51 工具包的整体结构， uVision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成开发环境 (IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE 本身或其它 编辑器 编辑 C 或汇编源文件。然后分别由 C51 及 C51 编译器编译生成目标文件 (.OBJ)。目标文件可由 LIB51 创建生成库文件，也可以与库文件一起经 L51 连接定位生成绝对目标文件 (.
23、ABS)。 ABS 文件由 OH51 转换成标准的 Hex 文件，以供调试器 dScope51 或tScope51 使用进行 源代码 级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入 程序存贮器如 EPROM 中。 使用独立的 Keil 仿真器时，注意事项 * 仿真器标配 11.0592MHz 的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。 * 仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。 * 仿真芯片的 31 脚（ /EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内 ROM，不能使用片外 ROM；但仿真器外引插针中的 31 脚并不与仿真芯片的 31 脚相连，故该仿真
24、器仍可插入到扩展有外部 ROM（其 CPU 的 /EA 引脚接至低电平）的目标系统中使用。 5.3 Keil 软件 的优点。 1.Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。11 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 2.与汇编相比， C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。 5.4 编程 及流程图 在本次实训中也是通过 Keil 软件进行编程的，参考程序见附录二。 5.4.
25、1、数字电子时钟主程序流程图 主程序流程图如下图图 4 所 示。 图 4 数字电子时钟主程序流程图 MAIN 定义堆栈区 显示缓冲单元清 0 调用显示子程序 定时器 1工作方式 1 装载计数初值 定时开始 开中断 设置循环次数 等待定时中断请求 开始 12 5.4.2 中断服务程序流程图 中断服务程序流程图 如下图 所示 。 中断服务程序流程图 Y是 否 满24h? 显示缓冲单元清 0 返回 N Y是 否 满60m? 小时加 1 分值加 1 N 计数器重新加载 循环次数加 1 是否满1s? 是否满60s? 秒值加 1 N 开始 13 第六章 总结 本单片机数字电子钟系统的功能基本符合显示格式为
26、： XX： XX： XX， 即 时：分：秒。时间可采用 12 小时制显示或 24 小时制显示， 通过四个按键可以对时，分，秒进行调节。 过这次的 实训一方面 使 我认识到 本人 对单片机方面的知识知道的太少了，对于书本上的很多知识还不能灵活运用， 尤其是对程序设计语句的理解和运用，不能够充分理解每个语句的具体含义，导致编程的程序过于复杂，使得需要的存储空间增大 。 损耗了过多的内存资源。 另一方面，在这次实训中让我收获很多。 课程设计是培养学生综合运用所学知识 ,发现实际问题 、 提出实际问题 、 分析和解决实际问题 ,锻炼实践能力的重要环节 ,是对学生实际 学习能力、动手 能力的具体训练和考
27、察过程 。 在此次数字钟设计过程中 , 在学习新知识的同时，把 在 课程中学到的理论知识运用到实际 作品 设计 、操作 中 ， 更进一步地熟悉了 单片机 芯片的结构及掌握 了其 工作原理和具体的使用方法 与相关元器件的参数计算方法、使用方法，了解 了电路的开发和制作及 课程设计报告的编写 。加深了对相关理论知识及专业知识的掌握度， 增强 自身的 动手能力 ， 锻炼 及提高 了理解问题、分析问题、解决问题的能力 ，更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，进一步掌握画图软件的使用和提高相应的画图操作水平及技巧 14 参考文献 1 谢自美电子线路设计实验测试 M武汉：华中理工大学出版社， 1992.
28、2 何立民单片 机应用系统设计 M北京：北京航空航天大学出版社， 1993. 3 楼然笛单片机开发 M北京：人民邮电出版社， 1994. 4 付家才单片机控制工程实践技术 M北京：化学工业出版社 2004.3. 5 李光才单片机课程设计 实例指导 M 北京：北京航空航天大学出版社 2004. 6 朱定华单片机原理及接口技术实验 M北京：北方交通大学出版社 2002.11. 7 刘湘涛江世明单片机原理与应用 M. 北京 :电子工业出版社 ,2006. 15 附录一 元件清单 名称 数 量 型号 芯片 1 个 AT89C51 八个一体数码管 1 个 共阳 按键 4 个 晶振 1 个 12MHZ 电
29、容 3 个 电阻 13 个 16 附录 二 程序清单 org 0000h jmp main org 000bh ljmp time0 org 0030h main: mov 20h,#00h mov 21h,#00h mov 22h,#00h mov 10h,#20 mov th0,#3ch mov tl0,#0b0h mov tmod,#11h setb ea setb et0 setb tr0 loop: lcall display lcall anj sjmp loop anj: jnb p1.1,s_jia1 jnb p1.3,s_jia2 jnb p1.5,s_jia3 jnb p1
30、.0,s_jian4 jnb p1.2,s_jian5 jnb p1.4,s_jian6 lzq: ret s_jia1: lcall display jnb p1.1,s_jia1 mov a,22h 17 add a,#01h da a mov 22h,a cjne a,#24h,lzq mov 22h,#00h ljmp lzq s_jia2: lcall display jnb p1.3,s_jia2 mov a,21h add a,#01h da a mov 21h,a cjne a,#60h,lzq mov 21h,#00h ljmp lzq s_jia3: lcall displ
31、ay jnb p1.5,s_jia3 mov a,20h add a,#01h da a mov 20h,a cjne a,#60h,lzq mov 20h,#00h s_jian4: lcall display jnb p1.0,s_jian4 mov a,22h add a,#99h da a mov 22h,a cjne a,#99h,lzq mov 22h,#23h s_jian5: lcall display 18 jnb p1.2,s_jian5 mov a,21h add a,#99h da a mov 21h,a cjne a,#99h,lzq mov 21h,#59h s_j
32、ian6: lcall display jnb p1.4,s_jian6 mov a,20h add a,#99h da a mov 20h,a cjne a,#99h,lzq mov 20h,#59h ljmp lzq display: chaizi: mov a,20h anl a,#0FH mov 30h,a mov a,20h swap a anl a,#0fh mov 31h,a mov a,21h anl a,#0fh mov 32h,a mov a,21h swap a anl a,#0fh mov 33h,a mov a,22h anl a,#0fh 19 mov 34h,a
33、mov a,22h swap a anl a,#0fh mov 35h,a mov dptr,#tab mov a,30h movc a,a+dptr mov p0,a mov p2,#0feh lcall delay mov p0,#00h mov p2,#0ffh mov a,31h movc a,a+dptr mov p0,a mov p2,#0fdh lcall delay mov p0,#00h mov p2,#0ffh mov p0,#40h mov p2,#0fbh lcall delay mov p0,#00h mov p2,#0ffh mov a,32h movc a,a+d
34、ptr mov p0,a mov p2,#0f7h lcall delay mov p0,#00h mov p2,#0ffh mov a,33h movc a,a+dptr 20 mov p0,a mov p2,#0efh lcall delay mov p0,#40h mov p2,#0dfh lcall delay mov p0,#00h mov p2,#0ffh mov a,34h movc a,a+dptr mov p0,a mov p2,#0bfh lcall delay mov p0,#00h mov p2,#0ffh mov a,35h movc a,a+dptr mov p0,
35、a mov p2,#07fh lcall delay ret time0: mov th0,#3ch mov tl0,#0b0h djnz 10h,lq mov 10h,#20 mov a,20h add a,#01h da a mov 20h,a cjne a,#60h,lq mov 20h,#00h mov a,21h add a,#01h da a mov 21h,a 21 cjne a,#60h,lq mov 21h,#00h mov a,22h add a,#01h da a mov 22h,a cjne a,#24h,lq mov 22h,#00h lq:reti ret tab:db 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh ret delay: mov r7,#2 ly3:mov r6,#1 ly2:mov r5,#123 ly1:djnz r5,ly1 djnz r6,ly2 djnz r7,ly3 ret end
