多功能數(shù)字鐘基于AT89C51單片機的電子鐘的設(shè)計

1、 課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱：微型計算機技術(shù)設(shè)計題目：多功能數(shù)字鐘基于at89c51單片機的電子鐘的設(shè)計電子鐘使用外接時鐘芯片作為時鐘源，精確到秒。顯示部分為led動態(tài)顯示設(shè)計；并有鍵盤設(shè)計；硬件設(shè)計：1）最小系統(tǒng)設(shè)計：at89c51單片機為本設(shè)計的控制器，包括外擴rom，ram各32 m（其大小由設(shè)計者自己設(shè)計），系統(tǒng)時鐘電路、復(fù)位電路等構(gòu)成的最小系統(tǒng)；2）接口電路的設(shè)計：設(shè)計者擴展一個并行接口8155或8255，鍵盤設(shè)計由設(shè)計者根據(jù)需要設(shè)計鍵盤的數(shù)量，顯示采用led顯示，顯示電路也根據(jù)顯示的內(nèi)容設(shè)計（年、月、日，時、分、秒；可用兩屏顯示）；3）有開機顯示狀態(tài)（如顯示888888）；4）在完成基

2、本設(shè)計功能同時可以增加功能。軟件設(shè)計： 1）主程序設(shè)計（包括初始化芯片，定時器，中斷以及sp指針等）； 2）各功能子程序設(shè)計，鍵盤子程序、顯示子程序設(shè)計，定時，中斷程序等；引言：單片機因?qū)⑵渲饕M成部分集成在一個芯片上而得名，單片機具有體積小、功能多、價格低廉、使用方便、系統(tǒng)設(shè)計靈活等優(yōu)點。它把中央處理單元、隨機存儲器、只讀存儲器、定時/計數(shù)器以及i/o接口電路等主要部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上。因此從某種意義上說，一塊單片機芯片就是一臺微型計算機。自20世紀70年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣、發(fā)展很快。目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域

3、沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制等等，這些都離不開單片機。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，以及移動通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用，從4位、8位、16位到32位，單片機功能越來越強大，價格越來越低，同時應(yīng)用領(lǐng)域的擴大也使得更多人加入到基于單片機系統(tǒng)的開發(fā)行列中，推動著單片機技術(shù)的創(chuàng)新進步。數(shù)字時鐘應(yīng)用廣泛，在現(xiàn)實生活中有著至關(guān)重要的作用，在工業(yè)控制和日常生活中它不僅可以用于計時、提醒又可用于對機器的控制。給人們的生活，學(xué)習(xí)，工作，娛樂帶來極大的方便，其一般由振蕩器，分頻器，譯碼器，顯

4、示器等部分組成，采用了先進的石英技術(shù)，使數(shù)字鐘具有走時準確，性能穩(wěn)定。本次課程設(shè)計采用外接時鐘芯片ds1302為系統(tǒng)提供計時信號，通過51單片機進行控制讀寫，由按鍵進行時間設(shè)置修改，最終將年月日時分秒等時間信息顯示到外界數(shù)碼管上，同時亦可用蜂鳴器來實現(xiàn)鬧鐘功能，具有穩(wěn)定準確，靈活方便的特點。1、 系統(tǒng)方案與論證 1.1整體方案論證本系統(tǒng)主要利用at89c51單片機外接8155擴展單片機io口，a口控制數(shù)碼管的位顯示， 51單片機p0口控制數(shù)碼管的段顯示，p3口與按鍵和蜂鳴器相接用于時間的校正和聲音提醒，使用外接rom2764和外接ram6264芯片各兩片擴展單片機的外部程序容量為24kb的 r

5、om和ram空間。本設(shè)計采用一節(jié)1.5v干電池為整個系統(tǒng)供電，通過一個升壓電路（從1.5v升至5v），產(chǎn)生+5v電壓用于給cpu及顯示電路提供工作電壓，這是數(shù)字時鐘正常工作時的總電壓。顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出，通過六個八段led顯示器顯示出來。校時電路是直接加一個脈沖信號到時計數(shù)器或者分計數(shù)器或者秒計數(shù)器來對“時”、“分”、“秒”顯示數(shù)字進行校對調(diào)整 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2主要模塊方案選擇比較與論證1.2.1單片機的選取選用at89c51作為控制器，具有價格低，性價比高，功能齊全的特點，擁有多個定時器和其他外圍功能。作為8位單片機運行速度快且工作穩(wěn)定。1.2.2輸入方案的選

6、擇方案1：采用實時時鐘芯片ds1287、ds12887、ds1302等具備年、月、日、時、分、秒計時功能和多點定時功能，計時數(shù)據(jù)的更新每秒自動進行一次，不需要程序干預(yù)。方案2：使用單片機內(nèi)部的可編程定時器。 利用單片機內(nèi)部的定時計數(shù)器進行中端定時，配合軟件延時實現(xiàn)時、分、秒的計時。該方案節(jié)省硬件成本，但程序設(shè)計較為復(fù)雜。經(jīng)比較 選擇方案二1.2.3輸入方案的選擇 方案一：通過矩陣鍵盤輸入數(shù)據(jù)，可調(diào)范圍廣，但占用單片機管腳較多，不易于其他功能的實現(xiàn)。方案二：通過獨立鍵盤輸入數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的加減來確定數(shù)據(jù)，占用管腳少，功能齊全且直接輸入方便快捷，易于控制。經(jīng)比較，故比較選用方二1.2.4顯示方案的

7、選擇 方案一：使用12864或1602液晶顯示，顯示信息的可讀性好，看起來更方便。而12864點陣液晶模塊具有微功耗，尺寸小，超薄輕巧，字跡美觀，視覺舒適，顯示信息量大等優(yōu)點，但本次設(shè)計中大部分功能用不到，造成浪費，且與矩陣鍵盤一樣占用管腳較多 方案二：數(shù)碼管顯示，顯示信息少，但控制簡單，相比12864復(fù)雜時序數(shù)碼管秩序位選段選控制。經(jīng)比較，故選用方案二進行設(shè)計。2、系統(tǒng)硬件電路模塊2.1 at89c51單片機 at89c51是一種低電壓、高性能cmos 8位微處理器，俗稱單片機。具有4k 字節(jié)flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部ram，32 個i/o 口線，2 個16 位定時/計數(shù)器，一

8、個5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器， at89c51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。同時，at89c51 降至0hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選的節(jié)電工作模式。空閑方式體制cpu 的工作，但允許ram，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram 中的內(nèi)容，但振蕩器體制工作

9、并禁止其他所有不見工作直到下一個硬件復(fù)位。 管腳原理圖見附圖1，2. 2晶振電路 51單片機晶振電路采用外置石英晶振，為單片機提供11.0592時鐘信號，電容c1.c2可以幫助起振典型值為30pf，調(diào)節(jié)他們可以達到微調(diào)晶振頻率的作用，見附圖32.3復(fù)位電路51單片機的復(fù)位電路有兩種，即上電復(fù)位和手動復(fù)位電路。本次設(shè)計采用如圖所示為手動復(fù)位電路。見附圖2。2.按鍵調(diào)整電路本系統(tǒng)采用3位按鍵，其中s1為功能選擇鍵，s2、s3為數(shù)字加減鍵。見附圖42. 蜂鳴器電路 蜂鳴器電路采用一個晶體管驅(qū)動，功率大，安全穩(wěn)定?？梢詾橄到y(tǒng)提供鬧鐘功能，同時由于51單片機管腳功率限制問題，故亦可作為功率報警電路見附圖

10、52-6電源指示電路 通過開關(guān)閉合時led燈的亮滅來提示51單片機是否正常工作，亦可系統(tǒng)電源是否正常。見附圖62.7電源轉(zhuǎn)換電路 本電源電路采用dc-dc轉(zhuǎn)換芯片rt9266實現(xiàn)1.5v-5v直流電壓轉(zhuǎn)換，輸出為（1+r大÷r小）*1.25 見附圖72.8外置時鐘芯片電路 ds1302時鐘芯片采用32.768mhz的石英晶振提供時鐘信號，具有年月日時分秒星期更能，且能通過51單片機控制來改變初始時間 見附圖82.9 74ls373芯片電路與管腳圖373為三態(tài)輸出的八 d 透明鎖存器,用以鎖存51低八位地址信號。當oe為低le為高時，鎖存器輸出信號o隨數(shù)據(jù)d而變 引出端符號： d0d7

11、 數(shù)據(jù)輸入端 輸入低八位地址信號oe 三態(tài)允許控制端（低電平有效） le 鎖存允許端 高電平有效o0o7 輸出端 輸出鎖存的低八位地址信號見附圖92.10 2764電路與管腳圖本系統(tǒng)使用了3片用與擴展外部rom 24kb 基本地址范圍為：0000h5fffh2764管腳說明a0到a13為14條地址信號輸入線。d0到d7為雙向數(shù)據(jù)線，d7為最高位，d0為最低位，用來傳送2764的讀寫信號ce為片選端，低電平有效。用以選通芯片工作oe為輸出允許信號，低電平有效pgm為編程脈沖輸入端，高電平時芯片正常工作，低電平時配合vpp上的高電壓處于處于編程狀態(tài)vcc和vpp都是接電源的，正常工作時是+5v見附

12、圖102.11 6264電路與管腳圖本系統(tǒng)使用了3片6264用以擴展外部ram 24kb 基本地址范圍6000hbfffha0到a12為13條地址信號輸入線。d0到d7為雙向數(shù)據(jù)線，d7為最高位，d0為最低位，用來傳送2764的讀寫信號oe為允許輸出線用以控制從芯片讀出的數(shù)據(jù)是否送到d0d7上，低電平有效 cs cs為片選輸入線，cs為1cs'為0時芯片選中工作 we讀寫命令線，高電平時讀出低電平時寫入vcc電源線，正常工作時是+5v見附圖112.12外部并行口擴展8155電路圖 本系統(tǒng)通過51單片機控制外部可編程i/o芯片8155的a口對數(shù)碼管進行位選8155各引腳功能說明如下： r

13、st：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。復(fù)位后，3個i/o口均為輸入方式。 ad0ad7：三態(tài)的地址/數(shù)據(jù)總線。與單片機的低8位地址/數(shù)據(jù)總線（p0口）相連。單片機與8155之間的地址、數(shù)據(jù)、命令與狀態(tài)信息都是通過這個總線口傳送的。 rd：讀選通信號，控制對8155的讀操作，低電平有效。 wr：寫選通信號，控制對8155的寫操作，低電平有效。 ce：片選信號線，低電平有效。 io/m ：8155的ram存儲器或i/o口選擇線。當io/m 0時，則選擇8155的片內(nèi)ram，ad0ad7上地址為8155中ram單元的地址（00hffh）；當io/m 1時，選擇 8155的i/o口，ad0ad7上的地址為

14、8155 i/o口的地址。 ale：允許地址輸入線，低電平有效。8155內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，在ale的下降沿將單片機p0口輸出的低8位地址信息及 io/ 的狀態(tài)都鎖存到8155內(nèi)部鎖存器。因此，p0口輸出的低8位地址信號不需外接鎖存器。 pa0pa7：8位通用i/o口，其輸入、輸出的流向可由程序控制。 pb0pb7：8位通用i/o口，功能同a口。 pc0pc5：有兩個作用，既可作為通用的i/o口，也可作為pa口和pb口的控制信號線，這些可通過程序控制。 timer in：定時/計數(shù)器脈沖輸入端。 timer out：定時/計數(shù)器輸出端。 vcc：5v電源。 2、8155的地址編碼及工作方式 在

15、單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，8155是按外部數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址的，為16位地址，其高8位由片選線 提供， ce0，選中該片。 當 ce0，io/m 0時，選中8155片內(nèi)ram，這時8155只能作片外ram使用，其ram的低8位編址為00hffh；當 ce0，io/m 1時，選中8155的i/o口，其端口地址的低8位由ad7ad0確定見附圖122.13 六位8段led數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管時間顯示分為 時、分、秒三部分時，jp5jp6為時位 采用24進制，jp3jp4為分位，采用60進制，jp1jp0為時位，采用60進制。當顯示為年月日三部分時jp5jp6為年位，jp3jp4為月位采用12進制，jp1jp

16、0為日位，采用365進制。見附圖133、系統(tǒng)軟件調(diào)試3.1 程序結(jié)構(gòu)3.1 程序結(jié)構(gòu)（1）主程序。 實現(xiàn)初始化與鍵盤監(jiān)控與鬧鐘檢測與報警 （2）定時器 t0 中斷服務(wù)程序。 時鐘電路的設(shè)計功能是利用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器進行中斷定時刷新計時緩沖區(qū)。定時器 t0 每隔 100ms 益處中斷一次（設(shè)系統(tǒng)使用 12mhz 晶振， 定時 t0 工作方式 1） 的定時初值為 3cboh(即 tho=3ch,tl0=0b0h),每循環(huán)中斷 10 次則延時時間為 1s，進入中斷服務(wù)程序后調(diào)用讀取ds1302始終數(shù)據(jù)及顯示程序 。 （3）時間設(shè)置與鬧鐘設(shè)置子程序。 實現(xiàn)當前時間及定時啟鬧鐘時間的鍵盤輸入設(shè)置

17、。key1鍵位段位循環(huán)選擇鍵根據(jù)key1鍵被按下的次數(shù)進行段位的選擇，依次為秒，分，時，日，月，年，設(shè)定完成并進入顯示時分秒模式。在每種段位模式下都可以改變該段時間實現(xiàn)時間調(diào)節(jié)功能。當key3為顯示模式及鬧鐘設(shè)定模式循環(huán)選擇鍵，分別為顯示年月日模式，顯示時分秒模式，及鬧鐘設(shè)置模式實現(xiàn)分屏顯示及 鬧鐘設(shè)置 功能 。（4）鍵盤掃描子程序。 判斷是否有鍵按下， 無鍵按下則循環(huán)等待， 有鍵按下則求取返回。 （5）顯示子程序。 實現(xiàn)顯示緩沖區(qū)的 6 位 bcd 碼的動態(tài)掃描方式顯示。 首先將 3 字節(jié)計時緩沖區(qū)中 時、分、和秒壓縮 bcd 碼拆分為 6 字節(jié) bcd 碼，由拆字子程序?qū)崿F(xiàn)。當按下時間 或

18、鬧鐘設(shè)置鍵后，在 6 位設(shè)置完成之前，應(yīng)顯示鍵入的數(shù)據(jù)而不顯示當前時間， 為此系統(tǒng)設(shè)置一個計時顯示允許標志位 f0，在時間/鬧鐘設(shè)置期間 f0=1，不調(diào)用 拆字子程序。 （6）定時比較子程序。 實現(xiàn)當前時間與預(yù)設(shè)的啟鬧鐘時間的比較，若二者完全相同時，啟動蜂鳴器名 叫并置位鬧鐘標志位。當按下key3鍵時退出報警程序。（7）ds1302初始化程序。包括往ds1302寫入1byte數(shù)據(jù)程序，從ds1302讀取1byte數(shù)據(jù)往ds1302寫入數(shù)據(jù)從程序，讀取ds1302某地址的數(shù)據(jù)程序，往ds1302寫入時鐘數(shù)據(jù)(多字節(jié)方式)程序，讀取ds1302時鐘數(shù)據(jù)程序及設(shè)置初始時間程序。（8）其他輔助功能子程序。 鍵盤設(shè)置子程序：將鍵入的 6 位時間值送入鍵盤設(shè)置緩沖區(qū)。 拆字程序：將 3 字節(jié)計時緩沖區(qū)中時、分和秒壓縮 bcd 碼拆分為 6 字節(jié) bcd 碼并刷新顯示緩沖區(qū)。 合字子程序：將鍵盤設(shè)置緩沖區(qū)中 6 位 bcd 碼合并為 3 位壓縮 bcd 碼，送入 計時緩沖