基于單片機(jī)的電子時(shí)鐘設(shè)計(jì).doc

摘要近幾年，單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文介紹的是基于AT89C51單片機(jī)的數(shù)字式電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，包括硬件以及軟件的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)通過(guò)軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)了以24小時(shí)為一個(gè)周期并能同時(shí)顯示小時(shí)、分鐘和秒以及具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能。該電子時(shí)鐘設(shè)有三個(gè)按鍵：SB1、SB2和SB3，使之具有校時(shí)功能。關(guān)鍵詞：電子時(shí)鐘；AT89C51單片機(jī)；蜂鳴器；數(shù)碼管；設(shè)計(jì)與仿真ABSTRACTSingleChipMicrocomputerhasachievedaimmersepopularityinallfieldsinrecentyears.ThisarticledescribesisbasedonAT89C51MCUdesignofelectronicclock,includingthedesignofhardwareandsoftware.Thedesignmethodofsoftwareprogramming,theclockcandisplayhour,minuteandsecondatthesametimeina24-hourcycleaswellasthewholepointtimekeepingfunction.Thiskindofelectronclockisequippedwiththreekeys.SB1,SB2andSB3,whichenabletheclocktoadjusttokeepaccuratetime.Keywords:Electronclock；AT89C51MCU；Buzzer；Alphanumericdisplay；Designandstimulation目錄1緒論.12單片機(jī)的簡(jiǎn)單介紹.12.1單片機(jī)的定義及特點(diǎn).12.2單片機(jī)的分類.22.3單片機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展.23AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介.23.1單片機(jī)的結(jié)構(gòu).23.2中央處理器(CPU)的結(jié)構(gòu).33.2.1運(yùn)算器.33.2.2控制器.33.3硬件結(jié)構(gòu)及引腳說(shuō)明.43.4單片機(jī)的存儲(chǔ)器.73.4.1程序存儲(chǔ)器（ROM）.73.4.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）.73.4.3特殊功能寄存器（SFR）.84LED數(shù)碼管簡(jiǎn)介.95軟件設(shè)計(jì).126時(shí)鐘設(shè)計(jì)的硬件仿真.146.1仿真軟件的介紹.146.2數(shù)字電子時(shí)鐘硬件電路原理及設(shè)計(jì).156.3數(shù)字電子時(shí)鐘仿真.186.3.1選擇仿真元件.186.3.2繪制仿真圖.196.4整機(jī)仿真及調(diào)試.197結(jié)論.22參考文獻(xiàn).23致謝.24附錄.2511緒論近些年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的普及和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用迅猛發(fā)展，由于它體積小，耗能低，功能強(qiáng)，價(jià)格便宜，工作穩(wěn)定，使用方便，因此單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于智能化儀器，家用自動(dòng)控制，數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集，軍工產(chǎn)品以及工業(yè)自化控制領(lǐng)域。石英晶體振蕩器，簡(jiǎn)稱為晶振，它是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。由于其體積小、重量輕、可靠性高、極高的頻率穩(wěn)定性。因而被作為一種高精確的計(jì)時(shí)工具。電子鐘，石英鐘，石英表均采用了晶振計(jì)時(shí)技術(shù)，因而它們計(jì)時(shí)精確度高，性能穩(wěn)定，使用方便，也不經(jīng)常需要校準(zhǔn)。數(shù)字式電子鐘利用晶振計(jì)時(shí)，用LED顯示器代替機(jī)械指針顯示指示的時(shí)間，用譯碼器代替表針機(jī)械式傳動(dòng)，因而誤差極小。這種電子時(shí)鐘能夠精確顯示時(shí)，分，秒，還可以自動(dòng)進(jìn)行時(shí)和分的校準(zhǔn)，大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先僅有的報(bào)時(shí)功能。電子時(shí)鐘的出現(xiàn)給人們生產(chǎn)生話帶來(lái)了極大的方便。使得電子時(shí)鐘被廣泛的應(yīng)用于個(gè)人家庭、碼頭、車站、辦公室等場(chǎng)所的各個(gè)角落，已成為人們口常生話中不可缺少的必需品。目前的電子時(shí)鐘大都基于單片機(jī)，并加以時(shí)鐘芯片構(gòu)成。以單片機(jī)為核心，可以很方便的擴(kuò)展很多種外圍電路進(jìn)而可以增添多種功能，比如語(yǔ)音芯片，溫、濕度傳感器等?？梢允闺娮訒r(shí)鐘的功能更加強(qiáng)大。增添外圍電路，增添新的程序，便可以使它實(shí)現(xiàn)不同的功能。比如說(shuō)電子萬(wàn)年歷就比普通的電子日歷功能更多，就是以電子時(shí)鐘為基礎(chǔ)。而通?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)數(shù)字時(shí)鐘有兩種：（1）使用單片機(jī)自帶的時(shí)鐘來(lái)計(jì)時(shí)。這種設(shè)計(jì)方法硬件線路簡(jiǎn)單，但是程序相對(duì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)功能跟軟件設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系。使用與對(duì)時(shí)間精度要求不高的場(chǎng)合。（2）是采用專門的時(shí)鐘芯片，時(shí)鐘芯片集成度高，功能強(qiáng)大，它能利用自帶的時(shí)鐘計(jì)時(shí)并具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能，因而計(jì)時(shí)精度極高。這樣設(shè)計(jì)軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單，但是硬件成較高，適用于對(duì)時(shí)間精確度要求較高的場(chǎng)合使用。本文主采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的方法，本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)AT89C51芯片，顯示電路采用LED數(shù)碼管，輔以必要的外圍電路，便構(gòu)成了一機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用方便的新型電子時(shí)鐘2單片機(jī)的簡(jiǎn)單介紹2.1單片機(jī)的定義及特點(diǎn)單片機(jī)是一種微型計(jì)算機(jī)，內(nèi)部集成運(yùn)算器，控制器、存貯器、總線等器件。存儲(chǔ)器2包括程序存貯器ROM（用存儲(chǔ)程序和常用的數(shù)據(jù)）、數(shù)據(jù)存貯器RAM（用于存儲(chǔ)程序運(yùn)行中的數(shù)據(jù)）、帶有并行和串行接口（便于與外圍電路相連）、自帶定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、和中斷控制系統(tǒng)等。目前大部分單片機(jī)還支持外擴(kuò)存儲(chǔ)器的功能，隨著集成電路的快速發(fā)展，單片機(jī)的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，集成諸如高速計(jì)數(shù)端口、通訊接口、PW波調(diào)制、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在功能更為強(qiáng)大，它甚至可以將聲音、網(wǎng)絡(luò)、圖像、復(fù)雜的輸入輸出功能全部集在一起。由于單片機(jī)體積小、安裝適用方便價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)因而很適合各種復(fù)雜度不高的控制場(chǎng)合里。2.2單片機(jī)的分類按照單片機(jī)的類型，單片機(jī)有：（1）STC系列單片機(jī)；（2）具有ISP功能的單片機(jī)；（3）PIC系列單片機(jī)；（4）AVR單片機(jī)；（5）AT系列單片機(jī)。2.3單片機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展單片機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)在我們生活的各個(gè)領(lǐng)域。大到控制導(dǎo)彈的導(dǎo)航，飛機(jī)控制，小到洗衣機(jī)和玩具。計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的計(jì)時(shí)控制和處理數(shù)據(jù)，廣泛使用的各種智能IC卡，數(shù)碼相機(jī)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，還有程控玩具、電子寵物等等，由于單片機(jī)價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，因而越來(lái)越受到電子設(shè)計(jì)者的喜歡。單片機(jī)應(yīng)用大致可分幾個(gè)方面：(1)智能儀器儀表；(2)工業(yè)控制；(3)家電管理；(4)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；(5)醫(yī)療設(shè)備；(6)機(jī)器人控制；單片機(jī)發(fā)展方向：（1）向主流機(jī)型發(fā)展：（2）軟件嵌入：（3）向RISC體系結(jié)構(gòu)發(fā)展：（4）專用性單片機(jī)發(fā)展：(5)向全盤CMOS化發(fā)展。3AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介3.1單片機(jī)的結(jié)構(gòu)AT89C51采用CMS工藝，因而功耗很低。存儲(chǔ)上采用非易失存儲(chǔ)技術(shù)。片內(nèi)含有高性能的4KB快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）。COMS8位微控制器，其引腳和指令系統(tǒng)與80C51完全兼容。允許在芯片上的FPEROM在線編程或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)存儲(chǔ)器重復(fù)編程。MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架，如圖3-13端口0驅(qū)動(dòng)器端口2驅(qū)動(dòng)器RAM（1288）端口0鎖存器端口2鎖存器ROM（4K8）程序地址寄存器緩沖器PC加1寄存器程序計(jì)數(shù)器PC數(shù)據(jù)指針DPTR堆棧指示器SPPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUF（TX）SBUF（RX）IE中斷、串行口和定時(shí)器RAM地址寄存器ACCB寄存器ALU狀態(tài)寄存器暫存器2暫存器1定時(shí)與控制指令寄存器端口1鎖存器端口3鎖存器端口1驅(qū)動(dòng)器端口3驅(qū)動(dòng)器XTAL1XTAL2P0.0P0.7P2.0P2.7P1.0P1.7P3.0P3.7ALERSTPSENEAVccVss（5V）圖3-1MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架3.2中央處理器(CPU)的結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)8位的CPU處理器，同時(shí)CPU內(nèi)部包含了運(yùn)算器，控制器、寄存器和總線組成。3.2.1運(yùn)算器運(yùn)算器（ALU）完成二進(jìn)制的算術(shù)/邏輯運(yùn)算部件為核心，再加上暫存器TMP、寄存器B、PSW程序狀態(tài)標(biāo)志寄、ACC存器累加器、B及布爾處理器。加器ACC（一個(gè)八位寄存器）是CPU中工作最頻繁的器件。在進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)，累加器ACC往往在運(yùn)算前暫存一個(gè)操作數(shù)（比如是被乘數(shù)），而運(yùn)算后又保存其結(jié)果（比如代數(shù)積）。寄存器B主要用于乘法和除法運(yùn)算操作。PSW標(biāo)志寄存器（一個(gè)八位寄存器），用來(lái)存放運(yùn)算結(jié)果的一些特征，如無(wú)進(jìn)位、溢出標(biāo)志位等。3.2.2控制器控制器是CPU的中樞神經(jīng)，它帶有定時(shí)控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、SP堆棧指針、DPTR地址指針及PC程序計(jì)數(shù)器等。PC程序計(jì)數(shù)器是一個(gè)16位寄存器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器。如果在單片機(jī)執(zhí)行一個(gè)程序，必須把該程序按順序預(yù)先裝入存儲(chǔ)器ROM的某個(gè)4區(qū)域。單片機(jī)啟動(dòng)后應(yīng)該按順序一條條取出指令來(lái)加以執(zhí)行。因此，必須有一個(gè)電路可以找出指令在的單元地址，該電路就是程序計(jì)數(shù)器PC。當(dāng)單片機(jī)開(kāi)始執(zhí)行程序時(shí)，PC裝入第一條指令所在地址，每當(dāng)它每取出一條指令（如為多字節(jié)指令，則每取出一個(gè)指令字節(jié)），PC的內(nèi)容就會(huì)自動(dòng)加1，代表指向下一條指令的地址，這樣可以使指令能夠順序執(zhí)行。只有遇到轉(zhuǎn)移指令、序調(diào)子程用指令，或中斷處理時(shí)，PC自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到所需要的地方去。89c51CPU通過(guò)PC指定的地址，從ROM相應(yīng)單元中取出指令字節(jié)并放在指令寄存器中寄存，然后翻譯指令：指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號(hào)，這些信號(hào)可以與單片機(jī)時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖在定時(shí)和控制電路中相結(jié)合，形成按一定規(guī)律按節(jié)拍變化的電平和時(shí)鐘，也就是我們所指的控制信息，協(xié)調(diào)在CPU內(nèi)部寄存器之間的數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸操作結(jié)果保存等。3.3硬件結(jié)構(gòu)及引腳說(shuō)明MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3-2所示。圖3-2MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89C51單片機(jī)運(yùn)用40Pin封裝的雙列直接DIP封裝結(jié)構(gòu)，下圖是它IO口的引腳配置，外部中斷引腳與P3引腳復(fù)用，40個(gè)引腳中，包括電源正極和電源負(fù)極，外接石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位雙向32個(gè)I/O口，?，F(xiàn)在我們對(duì)這些引腳的功能加以簡(jiǎn)單說(shuō)明，如圖3-3所示。時(shí)鐘電路SF和RAMROMCPU定時(shí)/計(jì)數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系統(tǒng)總線時(shí)鐘源T0T1P0P1P2P3TXDRXDINT0INT15XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115U180C51圖3-3AT89C51單片機(jī)引腳圖P0口（3932腳）：P0.0P0.7。可以作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出口(在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O口時(shí))。在外擴(kuò)片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口時(shí)，P0口可以分時(shí)復(fù)用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線使用。它是為一個(gè)沒(méi)有內(nèi)部上拉電阻的IO口，在使用時(shí)一般需要外接上拉電阻。P1口（18腳）：P1.0P1.7，可以作為準(zhǔn)雙向I/O口使用內(nèi)部含有上拉電阻。驅(qū)動(dòng)電流為5毫安，灌電流為20毫安左右。P2口（2128腳）：P2.0P2.，一般作為準(zhǔn)雙向I/O口使用；在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口且尋址范圍超過(guò)256字節(jié)時(shí)，P2口被用作高8位地址總線，實(shí)現(xiàn)片外數(shù)據(jù)讀取。P3口（1017腳）：P3.0P3.7，是一個(gè)復(fù)用口，它不僅可以作為準(zhǔn)雙向I/O口使用外，還具有第二功能，P3口的第二功能如表3-1所示。表3-1P3口的第二功能引腳第二功能P3.0RXD串行口輸入P3.1TXD串行口輸出端P3.2INT0外部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.3INT1外部中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.4T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端6P3.5T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào)輸入端，低電平有效P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸入端，低電平有效ALE/PROG（30腳）：地址鎖存有效信號(hào)輸入端，不用時(shí)候可以懸空。PSEN（29腳）：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)有效。在沒(méi)有外擴(kuò)存貯器時(shí)迎接高電平，不然會(huì)造成運(yùn)行不穩(wěn)定。RST/VPD引腳（9腳）：該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。常見(jiàn)的復(fù)位電路有：上電自動(dòng)復(fù)位電路和上電加手動(dòng)復(fù)位電路，如圖3-4所示。EA/Vpp（31腳）：EA為片外程序存儲(chǔ)器選用端，低電平時(shí)有效。XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）外部時(shí)鐘接入端，分別為反向放大器的輸入端和輸出端。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，采用石晶振蕩和陶瓷電容振蕩。如果采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2不接。外部振蕩輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)需要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)太大要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度，如圖3-5所示。C122FRSTR11K+5V+5V（a）上電復(fù)位電路（b）手動(dòng)復(fù)位電路C122FRSTR2200R11K圖3-4MCS-51單片機(jī)復(fù)位電路圖7圖3-5MCS-51單片機(jī)振蕩電路圖3.4單片機(jī)的存儲(chǔ)器單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型：一種是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)的形式3.4.1程序存儲(chǔ)器（ROM）程序存儲(chǔ)空間可以被映射為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器或者外部程序存儲(chǔ)器。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部具有的4KB程序存儲(chǔ)器被映射到程序存儲(chǔ)空間的0000H0FFFH這些區(qū)間。這部分程序存儲(chǔ)空間也可以被映射到外部程