单片机电子时钟设计

绪论单片机在多功能数字电子钟中的应用已是非常普遍，人们对电子时钟的功能及工作顺序都已非常熟悉了，但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为电子时钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号来实现计时功能，将时间数据由单片机输出，利用显示器将时间显示出来。通过键盘可以进行时间的设定。输出设备显示器可以用液晶显示技术或数码管来显示技术。本系统利用单片机实现具有计时、校时等功能的数字电子时钟，是以单片机AT89C51为核心元件同时采用LED数码管显示器动态显示“时”，“分”，“秒”的现代计时装置。与传统机械表相比，它具有走时精确,显示直观等特点。另外具有校时功能，利用单片机实现的数字时钟具有编程灵活，便于功能的扩充等优点。第一章概述1.1课题研究的目的和意义数字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。由于电子集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使电子钟具有走时准确、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，因此进行电子钟的设计是必要的。尽管目前市场上已有现成的电子钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于单片机定时器的功能也可以完成电子钟电路的设计，因此进行电子钟的设计是可行的。在这里我们将已学过的比较零散的数字电路和单片机的知识有机的、系统的联系、组织起来应用于实际，来培养我们的综合分析和设计电路，写程序，调试电路、程序的能力。单片机具有体积小、功能强、可靠性高、价格低廉等一系列优点，不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且已渗入到人们工作和和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前景广阔。1.2国内外研究的现状及发展趋势从单片机电子时钟近年的发展趋势来看，正朝着多层次用户、多品种、多规格、高精度、小体积、低能耗等方面发展。在这种趋势下，时钟的数字化，智能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。带有时钟功能的电子产品和电子设备进年来广泛地出现在国内外市场中，例如奥运会倒计时显示屏、铁路安全显示屏、生产线看板、体育比赛记时屏、大型室外高亮度时钟等，这类产品覆盖银行、医院、地铁车站、体育运动、电视台、监控系统、高大建筑物等行业。作为一种人机接口方式，语音比显示屏，鼠标键盘等设备更易于使用。而在设计里加上语音提示、音乐或者其他语音功能，还使得设计显得既人性化又有趣，不但能提高开发者的兴趣和积极性，同时也能让设计作品与众不同，从而得到了各界领域的广泛应用所以对语音的研究有很大的实际意义。1.3课题设计目的与要求1.3.1设计目的：按要求完成单片机实现电子时钟系统。通过课题的设计与实现培养系统分析、设计的能力，从而达到以下能力训练：(1)、调查研究、分析问题的能力(2)、使用设计手册、技术规范的能力(3)、查阅中外文献的能力(4)、制定设计方案的能力(5)、计算机应用的能力(6)、设计、计算和绘图的能力(7)、技术经济指示的分析能力(8)、语言文字表达的能力1.3.2设计要求：利用DJ-598K试验仪的硬件资源，设计一个电子钟，利用四个数码管，在其上显示分、秒；用4个小键盘分别进行分＋1、分－1、秒＋1、秒－1改变时间值。基本要求：(1)、设计实验电路(要求利用试验仪的硬件资源)(2)、分析实验原理(3)、列出实验接线表(4)、采用汇编语言写实验程序(5)、通过实验验证功能的实现(6)、编写课程设计说明书第二章总体方案设计2.1课题总体功能分析与设计2.1.1系统需求分析本课题要求设计一个电子钟，利用四个数码管进行时间显示，在其上显示分、秒；用4个小键盘分别进行分＋1、分－1、秒＋1、秒－1改变时间值。但考虑到电子钟的实用性，这里将对其进行扩充，是利用六个数码管进行时间显示，在其上显示时、分、秒；用6个小键盘分别进行时＋1、时－1、分＋1、分－1、秒＋1、秒－1来改变时间值。2.1.2系统功能分析与设计有分析可得系统功能图2-1所示：图2-1系统功能分析设计图2.1.3系统设定详细说明本课题设计需要六个数码管进行时间显示，刚打开电源时，系统初始状态显示的时间为12:00:00，然后电路会自动开始计时。当秒到60时，则分上加1同时秒位清零显示00，然后再从00自动开始计时；当分到60时，则小时上加1同时分位清零显示00，然后再从00开始；当小时显示变为23:59:59时，接下来的显示则变为00:00:00，电路自动开始计时，然后循环上述过程进行计时。电路中有对时、分、秒进行加/减1的各自单独的时间调整按钮，时间调整按钮每按一次，则相应调整的显示时间值加/减1。按S1键，则秒＋1；按S2键，则秒－1；按S3键，则分＋1；按S4键，则分－1；按S5键，则小时＋1；按S6键，则小时－1。2.2实现时钟计时的基本方法时间调整输入单片机系统时间输出显示显示器利用MCS-51系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现时钟计数。(1)计数初值计算:把定时器设为工作方式1，定时时间为50ms，则计数溢出20次即得时钟计时最小单位1s。定时器方式1为16位定时/计数器工作方式，用于定时工作方式时，计数时间为：T=(216-T0初值)×振荡周期×12假设使用T/C0，方式1，50ms定时，晶振频率fosc=12MHz。则初值X满足：（216-X）×1/12MHz×12×1μs=50000μsX=15536D→0011110010110000B→3CB0H(2)采用中断方式进行溢出次数累计,计满20次则为秒计时（1秒）；(3)从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比较实现。2.3电子钟的时间显示电子钟的时钟时间要在六位数码管上进行显示，则要在内部RAM中设置缓存地址单元。显示寄存器单元位：32H31H30H时显示寄存器单元位分显示寄存器单元位秒显示寄存器单元位2.4电子钟的时间调整时间调整：用6个按键S1、S2、S3、S4、S5、S6，通过P1.0～P1.5口将调整信号输入单片机，再通过程序控制来完成时间调整的功能。2.5总体方案介绍2.5.1计时方案利用AT89C51单片机内部的定时/计数器进行中断时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高，对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而对学好单片机技术这门课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显示数码管的段选信号，P2口外接6位LED显示数码管的位选信号，P1口外接6个调整时、分、秒加减的按键。2.5.3硬件介绍（1）AT89C51是一种低功耗，高性能的CMOS8位微型计算机。片内有4KBFLASH（EPROM）可系统编程的只读存储器，该器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的8031、8051和8751的指令系统及引脚兼容，它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，片内Flash集成在一个芯片上，可用与解决复杂的问题，且成本较低。简易电子钟的功能不复杂，可灵活应用于各种领域。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。（2）六位LED显示数码管由于考虑到充分利用DJ-598K试验仪的硬件资源，所以使用DJ-598K试验仪的六位数码管作为显示器，其是带有驱动器的六位数码显示管，如图2-2。图2-2显示数码管实形图图2-3显示数码管模块电路图数据插座：JS__LED位选扫描线；JLED__LED段选码。第三章系统硬件电路设计根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块：单片机模块、数码显示模块与按键模块，模块之间的关系图如下面得方框电路图3-1所示。图3-1硬件电路方框图3.1单片机模块设计3.1.1芯片分析MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，AT89C51单片机引脚图3-2所示：图3-2AT89C51MCS-51单片机是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，其各引脚功能如下：VCC：+5V电源。VSS：接地。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用完成单片机的复位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，当作输出口使用时，必须接上拉电阻才能有高电平输出；当作输入口使用时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使FET截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，它不再需要多路转接电路MUX；因此它作为输出口使用时，无需再外接上拉电阻，当作为输入口使用时，同样也需先向其锁存器写“1”，使输出驱动电路的FET截止。P2口：P2口电路比P1口电路多了一个多路转接电路MUX，这又正好与P0口一样。P2口可以作为通用的I/O口使用，这时多路转接电路开关倒向锁丰存器Q端。P3口：P3口特点在于，为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。当作为I/O口使用时，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。当输出第二功能信号时，该位应应置“1”，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出，具体第二功能如表所示。3.1.2晶振电路图3-2所示为时钟电路原理图，在AT89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉。图3-2晶振电路3.1.3复位电路单片机复位的条件是：必须使RST/VPD或RST引（9）加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，每机器周期为1μs，则只需2μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位如图所示。电路为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。图3-3复位电路3.2数码显示模块设计系统采用动态显示方式，动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。图3-4数码显示电路3.3按键模块设计图3-5为按键模块电路原理图，时钟调整按键，分钟调整按键，秒钟调整按键。图3-5按键模块电路图四、系统软件设计4.1系统总体流程图基本的程序流程应该是：程序执行，先通过初始化各个寄存器，在主程序中经过扫描按键来检测各个时间按键是否有动作，从而决定是否设定参数来执行相应功能的程序，进而在数码管上显示，若有就储存并修改相关的的时间寄存器的值，若没有就继续检测。在计时子程序中将各时间寄存器的值逐个加1，每加一次就要检查是否已超过显示的上限值，这样在后面就便于处理，在扫描显示子程序中，将扫描位数指针与数字字码表首地址相加，从而得到相应的显示数据；