1、 兰州文理学院学生毕业论文题 目： 基于单片机的时钟设计 摘要：本文设计的是基于单片机的时钟设计。该设计主要利用单片机来实现其功能，在这次设计中，我们采用 LED 数码管显示时、分、秒，以 24 小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，用 12MHz 的晶振产生振荡脉冲，定时器计数，并采用数字电路实现对“时” 、 “分” 、 “秒”数字显示的计时装置，具有显示时间的基本功能，还可以实现对时间的调整，时钟走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化，在介绍本单片机的发展情况基础上，说明了本设计实现的功能，以及实验板硬件情况，并对各功能电路进行了分析。主要工作放在软件编程上，用实验板实现时间、
2、日期、定时及它们的设定功能，详细对软件编程流程以及调试进行了说明，并对计时误差进行了分析及校正，提出了定时音与显示相冲突问题及解决方案。实验证明效果良好，可以投入使用。因此，设计开发时钟具有良好的应用前景。关键词：单片机；时钟；定时器；数码管Abstract: This design is the clock design based on mcu. The design mainly uses single chip to achieve its function, in this design, we use LED digital display hours,minutes, secon
3、ds, to 24 hour time, according to the principle of dynamic display of digital tube to display, use the 12MHz crystal oscillation pulse, the timer count,and a digital circuit implementation of the “when“, “sub“, “seconds“ the figures show that the timing device, can display the basic function of time
4、, also can realize the adjustment of the time, the clock of high precision, convenient use,multiple functions, easy integration, based on introducing the development situation of the micro controller, the design and implementation of the function, as well as the experimental board hardware condition
5、s, and the function of each circuit are analyzed. The main work in the software programming, using experimental board to realize the time, date, time and setting of their functions,the software programming and debugging process in detail are described, and the timing error analysis and correction, t
6、he timing and tone and display conflict problems and solutions. The experiment proved that the effect is good, can be put into use. Therefore, the design and development of the clock has a good application prospect.Keywords: single chip microcomputer; clock; timer; digital tube- 1 -目录0 引言 .- 2 -1 设计
7、任务分析 .- 2 -1.1 电子时钟的背景 .- 2 -1.2 设计意义 .- 3 -1.3 时钟的应用 .- 3 -2 单片机的选择.- 3 -3 系统功能及操作 .- 5 -3.1 系统功能的确定 .- 5 -3.1.1 基本功能 .- 5 -3.1.2 扩展功能 .- 5 -3.2 系统操作说明 .- 6 -4 系统硬件设计 .- 6 -4.1 芯片的选择 .- 6 -4.2 实验板电路原理图 .- 7 -4.3 功能电路分析 .- 8 -4.3.1 时钟电路 .- 8 -4.3.2 复位电路 .- 8 -4.3.3 键盘电路 .- 9 -4.3.4 数码显示电路 .- 9 -4.3.
8、5 蜂鸣器电路 .- 10 -5 系统软件设计 .- 10 -5.1 数据单元分配 .- 11 -5.1.1 数据存储单元分配 .- 11 -5.1.2 标志位单元分配 .- 11 -5.2 计时时钟实现的基本方法 .- 11 -5.3 实现时钟程序设计步骤 .- 11 -5.3.1 主程序模块设计 .- 12 -5.3.2 计时子程序模块的实现 .- 12 -5.3.3 显示子程序模块的实现 .- 13 -5.3.4 时钟设定子程序模块的实现 .- 13 -5.3.5 日期、定时设定子程序模块的实现 .- 13 -5.4 程序说明 .- 13 -5.4.1 定时器初值计算 .- 13 -5.
9、4.2 程序初始化 .- 13 -5.4.3 误差分析及校正 .- 13 -5.4.4 实现闪动设定 .- 13 -5.4.5 实现连续加 1 .- 14 -5.4.6 定时音与显示相冲突问题及解决方案 .- 14 -6 设计程序 .- 14 -7 系统调试与功能说明 .- 25 -7.1 硬盘调试 .- 25 -7.2 系统性能测试与功能说明 .- 26 -7.3 系统时钟误差分析 .- 26 -7.4 软件调试问题及解决 .- 26 -结束语 .- 27 -致谢 .- 27 -参考文献 .- 27 - 2 -0 引言在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。早期常
10、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，随着单片机性价比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛。大则可以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，可以构成各种各样、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。这些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。根据这种实际情况，本
11、文设计了一个单片机多功能时钟系统，它有基本的时间功能，还有定时功能，既可作为闹铃，也可扩展为定时对家电等电气产品的自动控制，可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制；可增加温度传感器，进行实时温度显示，进一步扩展为利用不同的温度某些电气产品进行自动控制；也可增加湿度传感器，进行实时湿度显示，以便对湿度进行控制，方便人们的生活。1 设计任务分析1.1 电子时钟的背景20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对
12、人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。单片机模块中最常见的是数字
13、钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。- 3 -1.2 设计意义在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印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，随着单片机性价比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛。大则可以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
14、以构成各种各样、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。这些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。根据这种实际情况，设计了一个单片机多功能时钟系统，它有基本的时间功能，还有定时功能，既可作为闹铃，也可扩展为定时对家电等电气产品的自动控制，可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制；可增加温度传感器，进行实时温度显示，进一步扩展为利用不同的温度某些电气产品进行自动控制；也可增加湿度传感器，进行实时湿度显示，以便对湿度进行控制，方便人们的生活。1
15、.3 时钟的应用时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车站、码头、剧场、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。2 单片机的选择 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部
16、设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过 1、2、3、3 代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强 I/O 功能及较好的结构兼容性方向发展。其发展趋势不外乎以下几个方面：1、多功能 单片机中尽可能地把所需要的存储器和 I/O 口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。比如 A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器-看家狗）、高速 I/O 口及计数器的捕获/比较逻辑等。- 4 -有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。例如，有的芯片以 51 内核为核心，集成了 USB 控制器、SMART
17、 CARD 接口、MP3 解码器、CAN 或者 I*I*C 总线控制器等，LED、LCD 或 VFD 显示驱动器也开始集成在 8 位单片机中。2、高效率和高性能为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用 RISC、流水线和 DSP 的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内 ROM（FLASH）和 RAM 的容量都突破了以往的数量和限制。由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如 C 语言）来开发单片机的程序。使用高级语言可以降低开发 难度，缩短开发周期，增强软件的可
18、读性和可移植性，便于改进和扩充功能。3、低电压和低功耗单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。由于 CMOS 等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2V 或 0.9V），功耗已经降低到 uA 级。这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。4、低价格单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。下面大致介绍一下单片机的主要应用领域和特点。（1）家用电器领域用单片机控制系统取代传统的模拟和数字控制电路，使家用电器（如洗衣机、空调、冰箱、微波炉、和电视机等）
19、功能更完善，更加智能化和易于使用。（2）办公自动化领域单片机作为嵌入式系统广泛应用于现代办公设备，如计算机的键盘、磁盘驱动、打印机、复印机、电话机和传真机等。（3）商业应用领域商业应用系统部分与家用和办公应用系统相似，但更加注重设备的稳定性、可靠性和安全性。商用系统中广泛使用的电子计量仪器、收款机、条形码阅读器、安全监测系统、空气调节系统和冷冻保鲜系统等，都采用了单片机构成的专用系统。与通用计算机相比，这些系统由于比较封闭，可以更有效地防止病毒和电磁干扰等，可靠性更高。（4）工业自动化- 5 -在工业控制和机电一体化控制系统中，除了采用工控计算机外，很多都是以单片机为核心的单片机和多机系统。（
20、5）智能仪表与集成智能传感器目前在各种电气测量仪表中普遍采用了单片机应用系统来代替传统的测量系统，使得测量系统具有存储、数据处理、查询及联网等智能功能。将单片机和传感器相结合，可以构成新一代的智能传感器。它将传感器变换后的物理量作进一步的变化和处理，使其成为数字信号，可以远距离传输并与计算机接口。（6）现代交通与航空航天领域通常应用于电子综合显示系统、动力监控系统、自动驾驶系统、通信系统以及运行监视系统等。这些领域对体积、功耗、稳定性和实时性的要求往往比商用系统还要高，因此采用单片机系统更加重要。3 系统功能及操作3.1 系统功能的确定3.1.1 基本功能系统具有时间、日期、三路定时功能，并可
21、以对时间、日期、定时进行设定，有定时提示音。要求计时精度尽量提高。显示格式为：时间：“时” （第 1、2 位） 、 “分” （第 3、4 位） 、 “秒” （第 5、6 位） ；日期：“年” （第 1、2 位，如 2007 年显示为 07） 、 “月” （第 3、4 位） 、“日” （第 5、6 位） ；定时：“时” （第 1、2 位） 、 “分” （第 3、4 位） 、 “状态标志” （第 5、6 位） 。键盘及数码管排列如图 2-1 所示。3.1.2 扩展功能该系统可以增加温度传感器，实现温度测量，以实时显示温度，用 1、2 位数码管显示；还可以增加湿度传感器，实现湿度测量，以实时显示湿度
22、，用5、6 位数码管显示。多路定时器功能也可扩展为对多种家电等电气产品的自动控制，比如电饭煲等；也可利用温度对某些电气产品进行自动控制，比如空调等；还可利用湿度传感器对湿度进行调节。如图 3-1 所示。- 6 -图 3-1 系统功能图3.2 系统操作说明（1）按 K1 键显示日期，3 秒后自动返回时间显示，3 秒内按 K2 键进入日期设置，此时年位闪烁，按 K1 键进行年位加 1 或连续加 1 调整。按 K2 键依次切换到月位、日位，分别按 K1 键进行月位、日位调整，日位设置好后，再按K2 键保存日期设定值，并返回显示时间。（2）按 K2 键大于 1 秒进入时间设置，此时小时位闪烁，秒位自动
23、清零，按 K1 键进行小时调整，按 K2 键切换到分钟位，按 K1 键进行分钟调整，分位设置好后，再按 K2 键保存时间设定值，并返回显示时间，按所设定的时间值进行计时。（3）连续按 K3 键显示 3 路定时及其开关状态，当显示某一路定时时，3秒后自动返回时间显示，3 秒内按 K2 键进入定时设置，设置同日期（5、6 位显示 00 为当路定时关，显示 01 为当路定时开） 。当路定时设置完后按 K2 键保存定时设定值并返回时间显示。（4）按 K4 键显示实时温度和湿度，5 秒后自动返回时间显示。4 系统硬件设计4.1 芯片的选择本设计选用 AT89S52 芯片，它是一种低功耗、高性能 CMOS
24、 8 位微控制器，具有 8K（0000H1FFFH）在线系统可编程 Flash 存储器。片上 Flash 允许程序存储器在线编程，也适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、高效的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能：8K（0000H1FFFH）Flash，256 字节（00HFFH）数据存储器（RAM） ，64K（0000HFFFFH）程序存储器（ROM） ，32位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个6 向量 2 级中断结构，全双工串行口内晶振
25、及时钟电路。其中，数据存储器（RAM）用于存放各种运算的中间结果，作缓存和数据暂存，以及设置特征标志等。AT89S52 的片内数据存储器用位寻址方式，最大寻址范围为 256 字节（00HFFH） 。按使用情况不同可分成低 128 字节（00H7FH）和高 128 字节（80HFFH） 。其中低 128 字节为真正的 RAM 存储器，高 128 字节为特殊功能寄存器（SFR）区，如累加器 ACC、程序状态字 PSW、数据指针 DPTR、程序计数器 PC 等。整个片内 RAM 区分布如图 4-1 所示。- 7 -图 4-1 片内 RAM 区4.2 实验板电路原理图实验板电路结构框图如图 4-2 所
26、示，原理电路图如图 4-3 所示。图 4-2 实验板结构框图图 4-3 实验板原理图- 8 -4.3 功能电路分析4.3.1 时钟电路实验板的时钟振荡源电路如图 4-4 所示。其中 JT 为 11.0592MHz 的晶振，改变两电容 CB 的值即可对此晶振频率进行调节。该电路提供单片机工作所需的振荡频率，计算定时器初值即需此晶振频率，在通信时也需知道晶振频率，以对波特率进行计算。图 4-4 时钟电路4.3.2 复位电路如图 4-5 所示为实验板的复位电路，当 RESET 信号为低电平时，实验板为工作状态，当 RESET 信号为高电平时，实验板为复位或下载程序状态。由于AT89S52 具有 IS
27、P 的功能，即可以通过并口线直接将程序下载到单片机内，因此， AT89S52 具有两种状态，下载程序状态和运行状态。该复位电路能实现上电自动复位，也能手动复位，一般复位时 RESET 应保持 20 毫秒以上高电平，此复位时间由接地电容控制。图 4-5 复位电路4.3.3 键盘电路如图 4-6 所示为阵列按键电路，各设置及转换信号由此电路输入，实验板提供了 16 个按键，由 P1 口经 SN74F244（驱动芯片）输出扩展成 44 的阵列按键，P1.0P1.3 为行线，P1.4P1.7 为列线。SN74F244 有一片选信号线 ，G当此口线为低电平时，A1A4 与 Y1Y4 接通，反之，A1A4 与 Y1Y4 断开。此键盘用扫描工作方式，若有键按下，则相应位端口被拉低为低电平，由于本系统只用了 4 个按键，所以只需对 4 个按键进行扫描。扫描时，先置 P3.3口为高电平，向 P1 口送 0EFH（MOV P1，#0EFH ） ，再置 P3.3 口为低电平，读P1 口（MOV A，P1） ，最后判断 P1 口低 4 位哪位是低电平，若某位为低电平，则相应按键被按下，如 P1.0 为低电平（ACC.0=0） ，则 K1 键被按下。
