1、第 0 页 共 20 页基于单片机的简易电子时钟设计1 设计任务与要求1.1 设计背景数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于单片机的定时器功能也可以完成数字钟电路的设计，因此进行数字钟的设计是必要的。在这里我们将已学过的比较零散的数字电路的知识有机的、系统的联系起来用于实际，来培养我们的综合
2、分析和设计电路，写程序、调试电路的能力。单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且已渗入到人们工作和和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前景广阔。1.2 课程设计目的(1)巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；(2)培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；(3)过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。1.3 设计要求1）时制式为 24
3、小时制。2）采用 LED 数码管显示时、分，秒采用数字显示。第 1 页 共 20 页3）具有方便的时间调校功能。4）计时稳定度高，可精确校正计时精度。2 总体方案设计 2.1 实现时钟计时的基本方法利用 MCS-51 系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现时钟计数。(1) 计数初值计算 :把定时器设为工作方式 1，定时时间为 50ms，则计数溢出 20 次即得时钟计时最小单位秒，而 100 次计数可用软件方法实现。假设使用 T/C0，方式 1，50ms 定时，fosc=12MHz。则初值 X 满足（216-X）1/12MHz12s =50000sX=155360011110010110
4、000 3CB0H(2) 采用中断方式进行溢出次数累计,计满 20 次为秒计时（1 秒）；(3) 从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比较实现。2.2 电子钟的时间显示电子钟的时钟时间在六位数码管上进行显示，因此，在内部 RAM 中设置显示缓冲区共 8 个单元。LED8 LED7 LED6 LED5 LED4 LED3 LED2 LED137H 36H 35H 34H 33H 32H 31H 30H时十位 时个位 分隔 分十位 分个位 分隔 秒十位 秒个位2.3 电子钟的时间调整电子钟设置 3 个按键通过程序控制来完成电子钟的时间调整。A 键调整时；B 键调整分；C 键复位第 2 页 共
5、20 页2.4 总体方案介绍2.4.1 计时方案利用 AT89S51 单片机内部的定时/计数器进行中断时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高，对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而对学好单片机技术这门课程起到一定的作用。2.4.2 控制方案AT89S51 的 P0 口和 P2 口外接由八个 LED 数码管(LED8LED1) 构成的显示器，用 P0 口作 LED 的段码输出口，P2 口作八个 LED 数码管的位控输出线，P1 口外接四个按键 A、B、C 构成键盘电路。AT89S51 是一种低功耗，高性能的 C
6、MOS 8 位微型计算机。它带有 8K Flash 可编程和擦除的只读存储器（EPROM），该器件采用 ATMEL 的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的 80C51 和 80C52 的指令系统及引脚兼容，片内Flash 集成在一个芯片上，可用与解决复杂的问题，且成本较低。简易电子钟的功能不复杂，采用其现有的 I/O 便可完成，所以本设计中采用此的设计方案。3 系统硬件电路设计根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块：单片机模块、数码显示模块与按键模块，模块之间的关系图如下面得方框电路图 1 所示。图 1 硬件电路方框图第 3 页 共 20 页3.1 单片机模块设计3
7、11 芯片分析AT89C51 单片机引脚图如下：图 2 AT89C51 引脚图MCS-51 单片机是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，其各引脚功能如下：VCC：+5V 电源。VSS：接地。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用完成单片机的复位初始化操作。XTAL1 和 XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。P0 口：P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口，当作输出口使用时，必须接上拉电阻才能有高电平输出；当作输入口使用时，必须先向电路中的锁存器写入“
8、1”，使 FET 截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。第 4 页 共 20 页P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，它不再需要多路转接电路 MUX；因此它作为输出口使用时，无需再外接上拉电阻，当作为输入口使用时，同样也需先向其锁存器写“1”，使输出驱动电路的 FET 截止。P2 口：P2 口电路比 P1 口电路多了一个多路转接电路 MUX，这又正好与 P0 口一样。P2 口可以作为通用的 I/O 口使用，这时多路转接电路开关倒向锁丰存器 Q 端。P3 口：P3 口特点在于，为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。当作为 I/O 口使用时
9、，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。当输出第二功能信号时，该位应应置“1”，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出，具体第二功能如表 1 所示。3.1.2 晶振电路右图所示为时钟电路原理图，在 AT89S51 芯片内部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。图 3 晶振电路3.1.3 复位电路单片机复位的
10、条件是：必须使 RST/VPD 或 RST 引（ 9）加上持续两个机器周期（即 24 个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为 12 MHz，每机器周期为第 5 页 共 20 页1s，则只需 2s 以上时间的高电平，在 RST 引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位如图所示。电路为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RESET 端的电位与 VCC 相同，随着充电电流的减少，RESET 的电位逐渐下降。只要保证 RESET 为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图中的 RESET 键，此时电源 VCC 经电阻
11、 R1、R2 分压，在 RESET 端产生一个复位高电平。图 4 单片机复位电路3.2 数码显示模块设计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。第 6 页 共 20 页图 5 数码显示电路3.3 按键模块下图为按键模块电路原理图，A 为复位键，B 为时钟调控键， C 为分钟调控键。图 6 按键模块电路原理图第 7 页 共 20 页4、系统软件设计
12、4.1 软件设计分析在编程上，首先进行了初始化，定义程序的的入口地址以及中断的入口地址，在主程序开始定义了一组固定单元用来储存计数的时.分.秒，在显示初值之后，进入主循环。在主程序中，对不同的按键进行扫描，实现秒表，时间调整，复位清零等功能，系统总流程图如下图 7：图 7 系统总体流程图4.2 源程序清单ORG 0000H第 8 页 共 20 页MOV 30H,#1 设置时钟的起始时间 12.00.00，分配显示数据内存MOV 31H,#2 MOV 32H,#0MOV 33H,#0MOV 34H,#0MOV 35H,#0MOV TMOD,#01 启动计数器XS0: SETB TR0 使 TRO
13、 位置 1MOV TH0,#00H 计数器置零MOV TL0,#00HXS:MOV 40H,#0FEH 扫描控制字初值MOV DPTR,#TAB 取段码表地址MOV P2,40H 从 P2 口输出MOV A,30H 取显示数据到 AMOVC A,A+DPTR 查显示数据对应段码第 9 页 共 20 页MOV P0,A 段码放入 P0 中LCALL YS1MS 显示 1MSMOV P0,#0FFH PO 端口清零MOV A,40H 取扫描控制字放入 A 中RL A A 中数据循环左移MOV 40H,A 放回 40H 地址段内MOV P2,40HMOV A,31H ADD A,#10 进位显示MO
14、VC A,A+DPTR MOV P0,ALCALL YS1MSMOV P0,#0FFHMOV A,40HRL AMOV 40H,AMOV P2,40HMOV A,32H第 10 页 共 20 页MOVC A,A+DPTR MOV P0,ALCALL YS1MSMOV P0,#0FFHMOV A,40HRL AMOV 40H,AMOV P2,40HMOV A,33HADD A,#10MOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL YS1MSMOV P0,#0FFHMOV A,40HRL AMOV 40H,AMOV P2,40H第 11 页 共 20 页MOV A,34HMOVC A,A+D
15、PTRMOV P0,ALCALL YS1MSMOV P0,#0FFHMOV A,40HRL AMOV 40H,AMOV P2,40HMOV A,35HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL YS1MSMOV P0,#0FFHMOV A,40HRL AMOV 40H,AJB TF0,JIA 如果 TF0 为 1 时，则执行 JIA，否则顺序执行第 12 页 共 20 页JNB P1.0,P100 为 0 则 转移到 P100JNB P1.1,P1000 为 0 则 转移到 P1000JNB P1.2,P10000 为 0 则 转移到 P10000AJMP XS 跳转到 XSP100
16、: MOV 30H,#0 清零程序MOV 31H,#0MOV 32H,#0MOV 33H,#0MOV 34H,#0MOV 35H,#0JIA: CLR TF0 TF0 清零MOV A,35H 秒单位数据到 ACJNE A,#9,JIA1 与 9 进行比较，大于 9 就转移到 JIA1MOV 35H,0 秒个位清零MOV A,34H 秒十位数据到 ACJNE A,#5,JIA10 与 5 进行比较，大于 5 就转移到 JIA10MOV 34H,#0 秒十位清零P10000: JNB P1.2,P10000 为 0 则 转移到 P10000第 13 页 共 20 页MOV A,33H 取分的个位到
17、 ACJNE A,#9,JIA100 与 9 进行比较，大于 9 就转移到 JIA100MOV 33H,#0 分的个位清零MOV A,32H 分十位数据到 ACJNE A,#5,JIA1000 与 5 进行比较，大于 5 就转移到 JIA1000MOV 32H,#0 分的十位清零P1000: JNB P1.1,P1000 为 0 则 转移到 P1000MOV A,31H 时个位数据到 ACJNE A,#9,JIA10000 与 9 进行比较，大于 9 就转移到 JIA10000 MOV 31H,#0 时的个位清零MOV A,30H 时十位数据到 ACJNE A,#2,JIA100000 与 2
18、 进行比较，大于 5 就转移到 JIA100000 MOV 30H,#0 时的十位清零AJMP XS0 转移到 XSOJIA100000: INC 30H 加 1AJMP XS0 跳转到 XS0第 14 页 共 20 页JIA10000:CJNE A,#3,JIAJIA 与 3 进行比较，大于则转移到 JIAJIAMOV A,30H 将时的十位放到 ACJNE A,#02,JIAJIA 与 2 进行比较，大于则转移到 JIAJIAMOV 30H,#0 时段清零MOV 31H,#0AJMP XS0 跳转到 XSOJIAJIA:INC 31H 加一AJMP XS0 JIA1000:INC 32HA
19、JMP XS0JIA100: INC 33HAJMP XS0 JIA10: INC 34HAJMP XS0JIA1: INC 35HAJMP XS0第 15 页 共 20 页RET 返回YS1MS: MOV R6,#9H 延时程序YL1: MOV R7,#19HDJNZ R7,$DJNZ R6,YL1RETTAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,099H,092H,082H,0F8H,080H,090H 共阳段码表DB 040H,079H,024H,030H,019H,012H,002H,078H,000H,010H END5 系统仿真与实验测试5.1 系统仿真运用 proteu
20、s 软件进行仿真现在 proteus 软件中建立一个新的文件，再根据自己的要求选择所需的器件，把器件进行适当的排位后进行连接，连接后运行软件进行仿真。5.2 实验测试电子时钟主要的设计要求是能够实现时钟的一般功能，以及包括时间的调整功能，这个基于单片机的电子时钟基本上实现了上述功能，能够通过时间调整电路对时间进行调整以及复位。下述为 18：30：30 的仿真图：第 16 页 共 20 页图 8 18：30：30 时刻的仿真效果图6 心得体会单片机作为我们主要的专业课程之一，我觉得单片机课程设计很有必要，而且很有意义。但当拿到题目时，确实不知道怎么着手，有些迷茫，上网查资料，问老师，在老师的帮助
21、下，历时两个星期，解决一个又一个的困难，终于完成任务。在这次课程设计中，运用到了很多以前的专业知识，虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的一大收获。另外，要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；在设计课程过程中遇
22、到问题是很正常德，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。设计过程，好比是我第 17 页 共 20 页们人类成长的历程，常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，不能灵活运用。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。另外，要非
23、常感谢我的指导老师，是她指引我克服一个由一个的困难，让我学会对困难无所畏惧，以及对问题的一些很重要的思考方法。我学会对困难无所畏惧，以及对问题的一些很重要的思考方法。参考文献1 郑君里，应启珩，杨为理. 信号与系统（第二版）上册M. 高等教育出版社,20002 郑君里，应启珩，杨为理. 信号与系统（第二版）下册M. 高等教育出版社,20003 谭浩强. C 程序设计（第二版）M. 清华大学出版社 ,20034 W.Richard Stevens,范建华译. TCP/IP 详解卷 1：协议M. 机械工业出版社，20005 Androw S. Tanenbaum. 计算机网络（第 4 版）M. P
24、earson，20046 吴坚，刘高平 .基于 GPRS 网络的点对点图像传输方案J.计算机应用研究，2004，5：222-223,2317 W.Simpson, Editor. The Point-to-Point Protocol, RFC1661 EB/OL. July 19948 WAVECOM. AT Commands Interface Guide, Revision 002EB/OL.6th November 2003第 18 页 共 20 页附录附录 1 硬件电路总图第 19 页 共 20 页附录 2 元器件清单表 2 电子钟元器件清单序号 元件名称 规格型号/参数 数量（个）
25、 备注1 单片机 AT89S52 12 显示驱动三极管A1013 83 晶振 11.0592MHz 14 电容 30pF 25 电容 22F 16 按键 BUTTON 37 排阻 RESPACK-8/10K 1结 论过去人们应用时钟仅仅是为了明确当前时间。随着生产力的发展，社会的进步，生产生活对时钟的需求越来越大，对时钟的体型、功能的要求也各有不同。所以多功能电子时钟在今后的应用也会越来越广泛。基于单片机实现电子时钟，仅仅是众多方法之一。并且市场上的实时时钟日历芯片品类繁多，IC 化的传感器各种各样，显示方式也愈趋于人性化。所以多功能电子时钟有多种实现方案，能够实现的功能也很多，笔者已经通过仿真和调试，实现了时间日历显示和校对、闹铃等功能。本文采用 51 单片机 C 语言进行编程，当然也可以应用汇编语言编程。由于笔者能力有限，提供的程序还可以进一步优化，并且还可以根据需求为电子时钟增设新功能。(1)巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；第 20 页 共 20 页(2)培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；(3)过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。
