單片機電子時鐘設(shè)計

1、單片機在多功能數(shù)字電子鐘中的應用已是非常普遍，人們對電子時鐘的功能及工作順序都已非常熟悉了，但是卻很少知道它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理。由單片機作為電子 時鐘的核心控制器，可以通過它的時鐘信號來實現(xiàn)計時功能，將時間數(shù)據(jù)由單片機輸出， 利用顯示器將時間顯示出來。通過鍵盤可以進行時間的設(shè)定。輸出設(shè)備顯示器可以用液 晶顯示技術(shù)或數(shù)碼管來顯示技術(shù)。本系統(tǒng)利用單片機實現(xiàn)具有計時、校時等功能的數(shù)字電子時鐘，是以單片機at89c51 為核心元件同時采用le躁碼管顯示器動態(tài)顯示“時”，“分”，“秒”的現(xiàn)代計時裝置。 與傳統(tǒng)機械表相比，它具有走時精確，顯示直觀等特點。另外具有校時功能，利用單片 機實現(xiàn)的數(shù)字時鐘具有

2、編程靈活，便于功能的擴充等優(yōu)點。1第一章概述1.1 課題研究的目的和意義數(shù)字鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵罚?廣泛用于個人家庭以及辦公室等公共 場所，給人們的生活、學習、工作、娛樂帶來極大的方便。由于電子集成電路技術(shù)的發(fā)展和 采用了先進的石英技術(shù)，使電子鐘具有走時準確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點， 它還用于計 時、自動報時及自動控制等各個領(lǐng)域，因此進行電子鐘的設(shè)計是必要的。 盡管目前市場上已 有現(xiàn)成的電子鐘集成電路芯片出售， 價格便宜、使用也方便，但鑒于單片機定時器的功能也 可以完成電子鐘電路的設(shè)計，因此進行電子鐘的設(shè)計是可行的。 在這里我們將已學過的比較 零散的數(shù)字電路和單片機的知識有

3、機的、系統(tǒng)的聯(lián)系、組織起來應用于實際，來培養(yǎng)我們的 綜合分析和設(shè)計電路，寫程序，調(diào)試電路、程序的能力。單片機具有體積小、功能強、可靠性高、 價格低廉等一系列優(yōu)點，不僅已成為工業(yè)測控 領(lǐng)域普遍采用的智能化控制工具，而且已滲入到人們工作和和生活的各個角落， 有力地推動 了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，應用前景廣闊。1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢從單片機電子時鐘近年的發(fā)展趨勢來看，正朝著多層次用戶、多品種、多規(guī)格、高精度、小體積、 低能耗等方面發(fā)展。 在這種趨勢下，時鐘的數(shù)字化，智能化已經(jīng)成為現(xiàn)代時鐘生產(chǎn)研究的主導設(shè)計方向。 帶有時鐘功能的電子產(chǎn)品和電子設(shè)備進年來廣泛地出現(xiàn)在國內(nèi)外市場中，例

4、如奧運會倒計時顯示屏、鐵 路安全顯示屏、生產(chǎn)線看板、體育比賽記時屏、大型室外高亮度時鐘等，這類產(chǎn)品覆蓋銀行、醫(yī)院、地 鐵車站、體育運動、電視臺、監(jiān)控系統(tǒng)、高大建筑物等行業(yè)。作為一種人機接口方式，語音比顯示屏， 鼠標鍵盤等設(shè)備更易于使用。而在設(shè)計里加上語音提示、音樂或者其他語音功能，還使得設(shè)計顯得既人 性化又有趣，不但能提高開發(fā)者的興趣和積極性，同時也能讓設(shè)計作品與眾不同，從而得到了各界領(lǐng)域 的廣泛應用所以對語音的研究有很大的實際意義。41.3 課題設(shè)計目的與要求1.3.1 設(shè)計目的: 按要求完成單片機實現(xiàn)電子時鐘系統(tǒng)。通過課題的設(shè)計與實現(xiàn)培養(yǎng)系統(tǒng)分析、設(shè)計的能力，從而達到以下能力訓練:(1)、

5、調(diào)查研究、分析問題的能力(2)、使用設(shè)計手冊、技術(shù)規(guī)范的能力(3)、查閱中外文獻的能力(4)、制定設(shè)計方案的能力(5)、計算機應用的能力(6)、設(shè)計、計算和繪圖的能力(7)、技術(shù)經(jīng)濟指示的分析能力(8)、語言文字表達的能力 1.3.2設(shè)計要求:利用dj-598k試驗儀的硬件資源，設(shè)計一個電子鐘，利用四個數(shù)碼管，在其上顯示分、 秒；用4個小鍵盤分別進行分+ 1、分1、秒+ 1、秒1改變時間值?；疽螅?1)、設(shè)計實驗電路(要求利用試驗儀的硬件資源)(2)、分析實驗原理(3)、列出實驗接線表(4)、采用匯編語言寫實驗程序(5)、通過實驗驗證功能的實現(xiàn)(6)、編寫課程設(shè)計說明書第二章總體方案設(shè)計2

6、.1 課題總體功能分析與設(shè)計2.1.1 系統(tǒng)需求分析本課題要求設(shè)計一個電子鐘，利用四個數(shù)碼管進行時間顯示，在其上顯示分、秒；用 4 個小鍵盤分別進行分+ 1、分1、秒+1、秒1改變時間值。但考慮到電子鐘的實用性， 這里將對其進行擴充，是利用六個數(shù)碼管進行時間顯示，在其上顯示時、分、秒；用 6個小 鍵盤分別進行時+ 1、時1、分+ 1、分1、秒+ 1、秒1來改變時間值。2.1.2 系統(tǒng)功能分析與設(shè)計有分析可得系統(tǒng)功能圖2-1所示：單片機系統(tǒng)顯示器圖2-1系統(tǒng)功能分析設(shè)計圖2.1.3 系統(tǒng)設(shè)定詳細說明本課題設(shè)計需要六個數(shù)碼管進行時間顯示，剛打開電源時，系統(tǒng)初始狀態(tài)顯示的時間為 12:00:00 ,

7、然后電路會自動開始計時。當秒到 60時，則分上加1同時秒位清零顯示00,然 后再從00自動開始計時；當分到60時，則小時上加1同時分位清零顯示00,然后再從00 開始；當小時顯示變?yōu)?3:59:59時，接下來的顯示則變?yōu)?0:00:00 ,電路自動開始計時， 然后循環(huán)上述過程進行計時。電路中有對時、分、秒進行加/減1的各自單獨的時間調(diào)整按鈕，時間調(diào)整按鈕每按一次，則相應調(diào)整的顯示時間值加/減1。按s1鍵，則秒+ 1;按s2鍵，則秒一1;按s3鍵，則分+ 1;按s4鍵，則分一1;按s5鍵，則小時+ 1;按s6鍵，則 小時一 1 02.2實現(xiàn)時鐘計時的基本方法利用mcs-51系列單片機的可編程定時

8、/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)來實現(xiàn)時鐘計數(shù)。(1)計數(shù)初值計算：把定時器設(shè)為工作方式1,定時時間為50ms則計數(shù)溢出20次即得時鐘計時最小單位1s。定時器方式1為16位定時/計數(shù)器工作方式，用于定時工作方式時，計數(shù)時間為： t=(216-t0初值)x振蕩周期x 12假設(shè)使用t/c0,方式1, 50ms定時，晶振頻率f osc=12mhz則初值x滿足：16(2 -x) x 1/12mhzx 12x1 ps = 50000 sx=15536d>0011110010110000b> 3cb0h(2)采用中斷方式進行溢出次數(shù)累計，計滿20次則為秒計時(1秒)；(3)從秒到分和從分到時的計時是通過累加

9、和數(shù)值比較實現(xiàn)。2.3 電子鐘的時間顯示電子鐘的時鐘時間要在六位數(shù)碼管上進行顯示，則要在內(nèi)部ram中設(shè)置緩存地址單元。顯示寄存器單元位：32h31h30h時顯示寄存器單元位分顯示寄存器單元位秒顯示寄存器單元位2.4 電子鐘的時間調(diào)整時間調(diào)整：用6個按鍵s1、s2、s& s4 ss s6,通過p1.0p1.5 口將調(diào)整信號輸入 單片機，再通過程序控制來完成時間調(diào)整的功能。52.5 總體方案介紹2.5.1 計時方案利用at89c51單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器進行中斷時，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，且能使讀者在定時 /計數(shù)器的使用、中斷及程序設(shè)計方面得到 鍛煉與提高

10、，對單片機的指令系統(tǒng)能有更深入的了解，從而對學好單片機技術(shù)這門課程起到 一定的提升作用。2.5.2 控制方案at89c51的p0 口外接6位led顯示數(shù)碼管的段選信號，p2 口外接6位led顯示數(shù)碼 管的位選信號，p1 口外接6個調(diào)整時、分、秒加減的按鍵。2.5.3 硬件介紹(1) at89c51是一種低功耗，高性能的 cmos 8位微型計算機。片內(nèi)有4kb flash (eprom)可系統(tǒng)編程的只讀存儲器，該器件采用 atmel公司的高密度非易失性存儲器 技術(shù)制造，與工業(yè)上標準的8031、8051和8751的指令系統(tǒng)及引腳兼容，它集 flash程序存 儲器既可在線編程(isp)也可用傳統(tǒng)方法

11、進行編程及通用 8位微處理器于單片芯片中，片內(nèi)flash集成在一個芯片上，可用與解決復雜的問題，且成本較低。簡易電子鐘的功能不復 雜，可靈活應用于各種領(lǐng)域。at89c51提供以下標準功能：4k字節(jié)flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部ram , 32個i /o 口線，看門狗(wdt),兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時/計數(shù)器，一個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。同時， at89c51可降至0hz的 靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止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

12、蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。(2)六位led顯示數(shù)碼管由于考慮到充分利用dj-598k試驗儀的硬件資源，所以使用 dj-598k試驗儀的六位數(shù) 碼管作為顯示器，其是帶有驅(qū)動器的六位數(shù)碼顯示管，如 圖2-2。9 1fi8fi|8|sis圖2-2顯示數(shù)碼管實形圖軌艇口jled wlk3402-fil 5 pa4圖2-3顯示數(shù)碼管模塊電路圖數(shù)據(jù)插座：js_leg選掃描線；jled_le改選碼7第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計根據(jù)以上的電子時鐘的設(shè)計要求可以分為以下的幾個硬件電路模塊：單片機模塊、數(shù)碼顯示模塊與按鍵模塊，模塊之間的關(guān)系圖如下面得方框電路圖3-1所示。系統(tǒng)數(shù)碼管顯示12圖

13、3-1硬件電路方框圖3.1 單片機模塊設(shè)計3.1.1 芯片分析mcs-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40pin封裝的雙列直接dip結(jié)構(gòu)，at89c51單片機引腳圖3-2所示：p 1 pi p 1 p 1 pi pi p 1 p 1r! (rxo) p3 txd) p3 (ento p3匚匚匚匚匚匚匚匚匚1|匚匚匚匚匚匚匚itu匚o12 345 6 7to12345 6 721d, - - - l l w 3 3 3 3 3 -kn p p p p p gnnnnnnnnnnnnngnrmrmnvccp0.0(adq >p0.1(adi)p0.2(ad3)pa.3(a

14、d3)pa.4(ad4)po.s(ad5>pas(ad6)p0.7(ad7)tt； vppa le/progp senp2.7 p2 6 p2.s p2.4p2.3p2.2p2.1p2.q(a15) (a14) (a13) (a 1 2) (a 1 1) (a 1 0 ) (a9)(aft)mcs-51單片機是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，其各引腳功能如下：vcc : +5v 電源。vss:接地。rst:復位信號。當輸入的復位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用完 成單片機的復位初始化操作。xtal1和xtal2 :外接晶體引線端。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端用于外

15、接石 英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。p0 口： p0 口為一個8位漏極開路雙向i/o 口，當作輸出口使用時，必須接上拉電阻才 能有高電平輸出；當作輸入口使用時，必須先向電路中的鎖存器寫入“1”，使fet截止,以避免鎖存器為“ 0”狀態(tài)時對引腳讀入的干擾。p1 口： p1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向i/o 口，它不再需要多路轉(zhuǎn)接電路 mux;因此它作為輸出口使用時，無需再外接上拉電阻，當作為輸入口使用時，同樣也需 先向其鎖存器寫“ 1”，使輸出驅(qū)動電路的fet截止。p2 口： p2 口電路比p1 口電路多了一個多路轉(zhuǎn)接電路 mux ,這又正好與p0 口一樣

16、。 p2 口可以作為通用的i/o 口使用，這時多路轉(zhuǎn)接電路開關(guān)倒向鎖豐存器 q端。p3 口： p3 口特點在于，為適應引腳信號第二功能的需要，增加了第二功能控制邏輯。 當作為i/o 口使用時，第二功能信號引線應保持高電平，與非門開通，以維持從鎖存器到輸 出端數(shù)據(jù)輸出通路的暢通。當輸出第二功能信號時，該位應應置“1”，使與非門對第二功能信號的輸出是暢通的，從而實現(xiàn)第二功能信號的輸出，具體第二功能如 表所示。端口引腳第二珈自p30rxd （串行輸入口）p3jtxd （奉行哈出口）p3.2into （外中斷。）p33intt （外中斷1）p3.4to（定b17計數(shù)器口）p35t1 f定時/計數(shù)器1）

17、p36wr 外部數(shù)據(jù)存儲器寫連通）p37rd （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）3.1.2 晶振電路圖3-2所示為時鐘電路原理圖，在 at89c51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳xtal1 ,輸出端為引腳xtal2 。而在芯片內(nèi)部，xtal1和xtal2之間跨 接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過外說時鐘方式觸發(fā)器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈。51千1 中c1ru2cl 士內(nèi)部時鐘方式圖3-2晶振電路3.1.3 復位電路單片機復位的條件是：必須使 rst/vpd或rst引（9）加上持續(xù)兩個機器周期（即24 個振蕩周期）的高電平。例如

18、，若時鐘頻率為12 mhz,每機器周期為1ps,則只需2s以上時間的高電平，在 rst引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機器周期執(zhí)行復位。單片機常見的 復位如圖所示。電路為上電復位電路，它是利用電容充電來實現(xiàn)的。在接電瞬間，reset端的電位與vcc相同，隨著充電電流的減少，reset的電位逐漸下降。只要保證 reset 為高電平的時間大于兩個機器周期，便能正常復位。reset5151reset上電自動里應 手動復位電路圖3-3復位電路系統(tǒng)采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示通常都是采用動態(tài)掃描的方法進行顯示， 即循環(huán)點亮 每一個數(shù)碼管，這樣雖然在任何時刻都只有一位數(shù)碼管被點亮， 但由于人眼存在視覺殘留效 應，只

19、要每位數(shù)碼管間隔時間足夠短，就可以給人以同時顯示的感覺。a gmh 共鬧會丫段融利營+s-v共陽極t段前碼首h14圖3-4數(shù)碼顯示電路3.3按鍵模塊設(shè)計圖3-5為按鍵模塊電路原理圖，時鐘調(diào)整按鍵，分鐘調(diào)整按鍵，秒鐘調(diào)整按鍵。圖3-5按鍵模塊電路圖四、系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)總體流程圖基本的程序流程應該是：程序執(zhí)行，先通過初始化各個寄存器，在主程序中經(jīng)過掃描按 鍵來檢測各個時間按鍵是否有動作，從而決定是否設(shè)定參數(shù)來執(zhí)行相應功能的程序，進而在 數(shù)碼管上顯示，若有就儲存并修改相關(guān)的的時間寄存器的值，若沒有就繼續(xù)檢測。在計時子程序中將各時間寄存器的值逐個加 1,每加一次就要檢查是否已超過顯示的上限值，這

20、樣在 后面就便于處理，在掃描顯示子程序中，將掃描位數(shù)指針與數(shù)字字碼表首地址相加， 從而得 到相應的顯示數(shù)據(jù)；然后按照顯示的位數(shù)將數(shù)據(jù)從 p0和p2 口輸出到數(shù)碼管上去顯示，當 然還有定時中斷子程序，在這里，它實現(xiàn)計時 1s的時間延時。回生存卷巨f l圖4-1系統(tǒng)總體流程圖4.2源程序代碼s_setbitp1.0渺+1端口so_setbitp1.1渺-1端口m_setbitp1.2;分+1端口mo_setbitp1.3;分-1端口h_setbitp1.4;時+1端口ho_set bitp1.5;時-1端口sequ30h;秒顯不寄存器單兀位mequ31h;分顯示寄存器單元位hequ32h;時顯不寄

21、存器單兀位16start:s1:s2:s3:k1:org0000hljmpstartorg000fhljmpint_t0org0100hmovdptr,#tabmovh,#12movm,#0movs,#0movr0,#0movtmod,#01hmovth0,#3chmovtl0,#0b0hsetbtr0setbet0setbeaacalldeljbs_set,a1incsmova,scjnea,#60,j1movs,#0ljmpk1acalldeljbso_set,a1decsmova,scjnea,#00,j2movs,#0ljmpa1acalldeljbm_set,a1incmmova,m

22、cjnea,#60,j3movm,#0ljmpk2s4:acalldeljbmo_set,a1decmmova,mcjnea,#00,j4movm,#0ljmpa1s5:acalldeljbh_set,a1k2:inchmova,hcjnea,#24,j5movs,#0movm,#0movh,#0ljmpa1s6:acalldeljbho_set,a1dechmova,hcjnea,#00,j6movh,#0ljmpa1a1:acalldisplayjnbs_set,s1jnbso_set,s2jnbm_set,s3jnbmo_set,s4jnbh_set,s5jnbho_set,s6ljmp

23、a1j1:jbs_set,a1acalldisplaysjmpj1j2:jbso_set,a1acalldisplaysjmpj2j3:jbm_set,a1acalldisplaysjmpj3j4:jbmo_set,a1acalldisplaysjmpj421j5:jbh_set,a1acalldisplaysjmpj5j6:jbho_set,a1acalldisplaysjmpj6int_t0:movth0,#3ch，設(shè)置定時初值50msmovtl0,#0b0hincr0mova,r0cjnea,#20,retune;設(shè)置中斷20次incsmovr0,#0mova,scjnea,#60,re

24、tuneincmmovs,#0mova,mcjnea,#60,retuneinchmovm,#0mova,hcjnea,#24,retunemovh,#0movm,#0movs,#0movr0,#0retune:retidisplay:mova,smovb,#10divabclrp2.6;秒片選h位movca,a+dptrcplamovp0,a;段選信號輸出口acalldelsetbp2.6mova,bclrp2.7;秒片選l位movca,a+dptrcplamovp0,aacalldelsetbp2.7mova,mmovb,#10divabclrp2.3；分片選h位movca,a+dptrc

25、plamovp0,aacalldelsetbp2.3mova,bclrp2.4;分片選l位movca,a+dptrcplamovp0,aacalldelsetbp2.4mova,hmovb,#10divabclrp2.0;時片選h位movca,a+dptrcplamovp0,aacalldelsetbp2.0mova,bclrp2.1;時片選l位movca,a+dptrcplamovp0,aacalldelsetbp2.1rettab:db03h,9fh,25h,0dh,99h,49h,41h,1fh,01h,09hdel:movr6,#10loop1: movr7,#100loop2: dj

26、nzr7,loop2djnzr6,loop1retend;數(shù)字字碼表五、系統(tǒng)仿真與測試5.1系統(tǒng)仿真運用proteus軟件進行仿真現(xiàn)在proteus軟件中建立一個新的文件，再根據(jù)自己的要求選擇所需的器件，把器件進行適當?shù)呐盼缓筮M行連接，連接后運行軟件進行仿真。如圖 5-1 o nnnnnic uuuu?fppj兄）即明u2;bt回 <1?1ktalii口口mofiianfic»d3w 7口 mu防m(xù) 皿他d*i加 ricsqcrg ?3in>® fmate faatrr p3n1q f3st1 戶工白質(zhì) p3.t1to1lepzjt.fle f3.m 陽金rfl

27、 p23a.-h pz.-e 限且加 f?副將 pz-tm<qi圖5-1系統(tǒng)仿真圖5.2實驗接線此接線以在dj-598k試驗儀上為例，因為課題要求利用 dj-598k試驗儀的硬件資源, 又由于dj-598k試驗儀內(nèi)關(guān)于電源線、地線、晶振、復位等部分接線均以接好，且最終也 要在dj-598k試驗儀上實現(xiàn)系統(tǒng)。接線1接到接到接到秒加p1.0p0.0jled.7p2.js.0秒減p1.1p0.1jled.6p2.js.1分加p1.2p0.2jled.5分減p1.3p0.3jled.4p2.js.2時加p1.4p0.4jled.3p2.js.3時減p1.5p0.5jled.2p0.6jled.1

28、p2.js.4p0.7jled.0p2.js.5接線2設(shè)置開關(guān)設(shè)置設(shè)置jk外接cpu卡上撥碼開關(guān)k1、k8onu vision中的debuguse： keilmonitor-51driverport:com1 口kb651k2、k3、k4、k5、k6、k7offbandrate:57600仿真實驗接線，則按系統(tǒng)仿真圖進行線路的連接。225.3實驗測試電子時鐘主要的設(shè)計要求是能夠?qū)崿F(xiàn)時鐘的一般功能，以及包括時間的調(diào)整功能，這個基于單片機的電子時鐘基本上實現(xiàn)了上述功能，能夠通過時間調(diào)整電路對時間進行調(diào)整以及時間計時。圖5-2為23:45:10的仿真圖：e3h5 10圖5-2 23:45:10時刻的

29、仿真效果23總結(jié)單片機作為我們主要的專業(yè)課程之一，我覺得單片機課程設(shè)計很有必要，而且很有意義。但當拿到題目時，確實不知道怎么著手，有些迷茫，但想到謝永寧老師在上課時，給我們很詳細的開發(fā)、分析過一個工業(yè)實例，在這個案例的啟發(fā)、幫助下，歷時一個星期，解決了一 個又一個難題，終于完成本次課題任務。通過本課程設(shè)計培養(yǎng)我的系統(tǒng)設(shè)計能力，使我得到了能力上的訓練，培養(yǎng)和提高我以下方面的能力：(1)、調(diào)查研究、分析問題的能力(2)、使用設(shè)計手冊、技術(shù)規(guī)范的能力(3)、查閱中外文獻的能力(4)、制定設(shè)計方案的能力(5)、計算機應用的能力(6)、設(shè)計計算和繪圖的能力(7)、技術(shù)經(jīng)濟指示的分析能力(8)、語言文字表達的能力在這次課程設(shè)計中，運用到了很多以前的專業(yè)知識，雖然過去從未獨立應用過它們，但 在學習的過程中帶著問題去學，我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計的一大收獲。另外， 要做好一個課程設(shè)計，就必須做到：在設(shè)計程序之前，對所用單片機