單片機電子時鐘設計

緒論單片機在多功能數(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定。輸出設備顯示器可以用液晶顯示技術或數(shù)碼管來顯示技術。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LED數(shù)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)字時鐘具有編程靈活，便于功能的擴充等優(yōu)點。第一章概述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瑥V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的發(fā)展和采用了先進的石英技術，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域，因此進行電子鐘的設計是必要的。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計，因此進行電子鐘的設計是可行的。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)的技術改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，應用前景廣闊。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)研究的主導設計方向。帶有時鐘功能的電子產(chǎn)品和電子設備進年來廣泛地出現(xiàn)在國內(nèi)外市場中，例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，鼠標鍵盤等設備更易于使用。而在設計里加上語音提示、音樂或者其他語音功能，還使得設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，同時也能讓設計作品與眾不同，從而得到了各界領域的廣泛應用所以對語音的研究有很大的實際意義。課題設計目的與要求設計目的：按要求完成單片機實現(xiàn)電子時鐘系統(tǒng)。通過課題的設計與實現(xiàn)培養(yǎng)系統(tǒng)分析、設計的能力，從而達到以下能力訓練：(1)、調(diào)查研究、分析問題的能力(2)、使用設計手冊、技術規(guī)范的能力(3)、查閱中外文獻的能力(4)、制定設計方案的能力(5)、計算機應用的能力(6)、設計、計算和繪圖的能力(7)、技術經(jīng)濟指示的分析能力(8)、語言文字表達的能力設計要求：利用DJ-598K試驗儀的硬件資源，設計一個電子鐘，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、分一1、秒+1、秒一1改變時間值。

基本要求：(1)、設計實驗電路(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)、編寫課程設計說明書第二章總體方案設計課題總體功能分析與設計系統(tǒng)需求分析本課題要求設計一個電子鐘，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、分一1、秒+1、秒一1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、時一1、分+1、分一1、秒+1、秒一1來改變時間值。系統(tǒng)功能分析與設計有分析可得系統(tǒng)功能圖2-1所示：時間調(diào)整輸入單片機系統(tǒng)時間輸出顯示時間調(diào)整輸入單片機系統(tǒng)時間輸出顯示圖2-1系統(tǒng)功能分析設計圖系統(tǒng)設定詳細說明本課題設計需要六個數(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,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。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/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)義振蕩周期義12假設使用T/C0,方式1,50ms定時，晶振頻率fosc=12MHz。則初值X滿足：(216-X)X1/12MHzX12X1ps=50000psX=15536DfBf3CB0H⑵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)；⑶從秒到分和從分到時的計時是通過累加和數(shù)值比較實現(xiàn)。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電子鐘的時間調(diào)整時間調(diào)整：用6個按鍵S1、S2、S3、S4、S5、S6,通過P1.0?P1.5□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。總體方案介紹計時方案利用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、中斷及程序設計方面得到鍛煉與提高，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這門課程起到一定的提升作用?？刂品桨窤T89C51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。硬件介紹(1)AT89C51是一種低功耗，高性能的CMOS8位微型計算機。片內(nèi)有4KBflash(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。圖2-2顯示數(shù)碼管實形圖圖2-3顯示數(shù)碼管模塊電路圖數(shù)據(jù)插座：JS__LED位選掃描線；JLED__LED段選碼。第三章系統(tǒng)硬件電路設計根據(jù)以上的電子時鐘的設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，模塊之間的關系圖如下面得方框電路圖3-1所示。圖3-1硬件電路方框圖單片機模塊設計芯片分析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：圖3-2AT89C51MCS-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□: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。P2口可以作為通用的I/O口使用，這時多路轉(zhuǎn)接電路開關倒向鎖豐存器Q端。P3□: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。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)過觸發(fā)器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈。圖3-2晶振電路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，若時鐘頻率為12MHz,每機器周期為1ps,則只需2ps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。圖3-3復位電路數(shù)碼顯示模塊設計系統(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。圖3-4數(shù)碼顯示電路按鍵模塊設計圖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。圖4-1系統(tǒng)總體流程圖4.2源程序代碼S_SETBIT P1.0;秒+1端口SO_SETBIT P1.1;秒-1端口M_SETBIT P1.2;分+1端口MOSETBIT P1.3;分-1端口H_SETBIT P1.4;時+1端口HO_SETBIT P1.5;時-1端口SEQU30H;秒顯示寄存器單兀位MEQU31H;分顯示寄存器單兀位HEQU32H;時顯示寄存器單兀位ORG0000HLJMPSTARTORG000FHLJMPINT_T0ORG0100HSTART:MOVDPTR,#TABMOVH,#12MOVM,#0MOVS,#0MOVR0,#0MOVTMOD,#01HMOVTH0,#3CHMOVTL0,#0B0HSETBTR0SETBET0SETBEAS1: ACALLDELJBS_SET,A1INCS

MOVA,SCJNEA,#60,J1MOVS,#0LJMPK1S2:ACALLDELJBSO_SET,A1DECSMOVA,SCJNEA,#00,J2MOVS,#0LJMPA1S3:ACALLDELJBM_SET,A1K1:INCMMOVA,MCJNEA,#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,S5JNBLJMPHO_SET,S6A1J1:J2:J3:J4:J5:J6:INTJBACALLSJMPJBACALLSJMPJBACALLSJMPJBACALLSJMPJBACALLSJMPJBACALLSJMP_T0:MOVS_SET,A1DISPLAYJ1SO_SET,A1DISPLAYJ2M_SET,A1DISPLAYJ3MO_SET,A1DISPLAYJ4H_SET,A1DISPLAYJ5HO_SET,A1DISPLAYJ6TH0,#3CH;設置定時初值50msMOVTL0,#0B0HINC R0MOVA,R0CJNEA,#20,RETUNEINC SMOVR0,#0MOVA,SCJNEA,#60,RETUNEINC MMOVS,#0MOVA,MCJNEA,#60,RETUNEINC HMOVM,#0MOVA,HCJNEA,#24,RETUNEMOVH,#0MOVM,#0MOVS,#0MOVR0,#0RETUNE:RETIDISPLAY:MOVA,SMOVB,#10DIV ABCLRP2.6MOVCA,@A+DPTR;設置中斷20次;秒片選H位CPLAMOVP0,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+DPTRCPLAMOVP0,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,09H ;數(shù)字字碼表DEL: MOVR6,#10LOOP1:MOVR7,#100LOOP2:DJNZR7,LOOP2DJNZR6,LOOP1RETEND五、系統(tǒng)仿真與測試系統(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。圖5-1系統(tǒng)仿真圖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.1P2.JS.4P0.7JLED.0P2.JS.5接線2設置開關設置設置JK外接CPU卡上撥碼開關K1、K8ONuVision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。5.3實驗測試電子時鐘主要的設計要求是能夠?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：圖5-223:45:10時刻的仿真效果總結(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。通過本課程設計培養(yǎng)我的系統(tǒng)設計能力，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)、使用設計手冊、技術規(guī)范的能力(3)、查閱中外文獻的能力(4)、制定設計方案的能力(5)、計算機應用的能力(6)、設計計算和繪圖的能力(7)、技術經(jīng)濟指示的分