51单片机电子时钟设计_课程设计

51单片机电子时钟课程设计 51单片机电子时钟课程设计 一、设计 1、准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间。 2、小时以24小时计时形式，分秒计时为60进位。 3、校正时间功能,即能随意设定走时时间。 4、闹钟功能，一旦走时到该时间，能以声或光的形式告警提示。 5、设计5V直流电源，系统时钟电路、复位电路。 6、能指示秒节奏，即秒提示。 7、可采用交直流供电电源，且能自动切换。 二、设计和论证 本次设计时钟电路，使用了ATC89C51单片机芯片控制电路，单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路，使得电路简明易懂，使用键盘键上的按键来调整时钟的时、分、秒，用一扬声器来进行定时提醒，同时使用汇编语言程序来控制整个时钟显示，使得编程变得更容易，这样通过四个模块：键盘、芯片、扬声器、LED显示即可满足设计要求。 2.1、总设计原理框图 如下图所示： 2.2、设计方案的选择 1.计时方案 方案1：采用实时时钟芯片 现在市场上有很多实时时钟集成电路，如DS1287、DS12887、DS1302等。这些实时时钟芯片具备年、月、日、时、分、秒计时功能和多点定时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不需要程序干预。因此，在工业实时测控系统中多采用这一类专用芯片来实现实时时钟功能。 方案2：使用单片机内部的可编程定时器。 利用单片机内部的定时计数器进行中端定时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，但程序设计较为复杂。 2.显示方案 对于实时时钟而言，显示显然是另一个重要的环节。通常LED显示有两种方式：动态显示和静态显示。 静态显示的优点是程序简单、显示亮度有保证、单片机CPU的开销小，节约CPU的工作时间。但占有I/O口线多，每一个LED都要占有一个I/O口，硬件开销大，电路复杂。需要几个LED就必须占有几个并行口，比较适用于LED数量较少的场合。当然当LED数量较多的时候，可以使用单片机的串行口通过移位寄存器的方式加以解决，但程序编写比较麻烦。 LED动态显示硬件连接简单，但动态扫描的显示方式需要占有CPU较多的时间，在单片机没有太多实时测控任务的情况下可以采用。 本系统需要采用6位LED数码管来分别显示时、分、秒，因数码管个数较多，故本系统选择动态显示方式。 2.3硬件部分 1、STC89C51单片机介绍 STC89C51单片机是由深圳宏晶公司代理销售的一款MCU，是由美国设计生产的一种低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复写的FlashROM和128bytes的RAM，2个16位定时计数器[5]。 STC89C51单片机内部主要包括累加器ACC(有时也简称为A)、程序状态字PSW、地址指示器DPTR、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、寄存器、并行I/O接口P0~P3、定时器/计数器、串行I/O接口以及定时控制逻辑电路等。这些部件通过内部总线联接起来，构成一个完整的微型计算机。其管脚图如图所示。 STC89C51单片机管脚结构图 VCC：电源。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程 序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作 输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻 拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存 储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器 的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器 时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， /EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 2、上电按钮复位电路 本设计采用上电按钮复位电路：首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被电路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，单片机芯片正常工作。其中电阻R2决定了电容充电的时间，R2越大则充电时间长，复位信号从VCC回落到0V的时间也长。 3、晶振电路 本设计晶振电路采用12M的晶振。晶振的作用是给单片机正常工作提供稳定的时钟信号。单片机的晶振并不是只能用12M，只要不超过20M就行，在准许的范围内，晶振越大，单片机运行越快，还有用12M的就是好算时间，因为一个机器周期为1/12时钟周期，所以这样用12M的话，一个时钟周期为12us，那么定时器计一次数就是1us了，电容范围在20-40pF之间，这里连接的是30pF的电容。 机器周期=10*晶振周期=12*系统时钟周期 4.下载端口 设计用到的STC89C52单片机芯片的ISP下载线是通过单片机的TXD，RXD引脚把程序烧进去的。管脚TXD和RXD用于异步串行通信。其实STC89C52单片机的ISP下载线就是一个max232芯片连接STC和计算机的串行通信口。计算机把程序从九针串口送到max232芯片，电平转换后送进单片机的串行口，也就是TXD和RXD。然后单片机的串行模块把数据送到程序区。 5、显示电路 就时钟而言，通常可采用液晶显示或数码管显示。由于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且液晶显示作为一种被动显示，可视性相对较差；对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块（字符或点阵），一般多采用并行接口，对微处理器的接口要求较高，占用资源多。另外，89C2051本身无专门的液晶驱动接口，因此，本时钟采用数码管显示方式。数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、价格便宜等优点，而且市场上也有专门的时钟显示组合数码管。 对于实时时钟而言，显示显然是另一个重要的环节。通常LED显示有两种方式：动态显示和静态显示。 静态显示的优点是程序简单、显示亮度有保证、单片机CPU的开销小，节约CPU的工作时间。但占有I/O口线多，每一个LED都要占有一个I/O口，硬件开销大，电路复杂。需要几个LED就必须占有几个并行口，比较适用于LED数量较少的场合。当然当LED数量较多的时候，可以使用单片机的串行口通过移位寄存器的方式加以解决，但程序编写比较麻烦。 LED动态显示硬件连接简单，但动态扫描的显示方式需要占有CPU较多的时间，在单片机没有太多实时测控任务的情况下可以采用。 本系统需要采用6位LED数码管来分别显示时、分、秒，因数码管个数较多，故本系统选择动态显示方式。 6、 时钟显示校正电路 本设计利用按键开关来校正时钟显示的数字。当按钮按下时，将在相应的端口输入一个低电平，通过相应的程序来改变时钟显示。其中S1按键开关用来选择要修改的数字；S2按键用来增加所选数字的数值；S3按键用来减少所选数字的数值。 7、蜂鸣器电路 电路接法：三极管选定PNP型，基极B连接5V电压，发射极E连接一个1K左右的电阻后接I/O口，集电极C连接蜂鸣器后接地。单片机在复位后的个I/O口是高电平，此时三极管是截止的，编写程序使选定的I/O为低电平，此时三极管导通，导通后蜂鸣器与电源正极连通，构成一个工作回路，从而发出滴滴的响声。其中电阻R1在电路里起分压限流的作用，PNP三极管起到模拟开关的作用。 8、外接电源电路 外接电源电路用于连接外部5V电源与电子时钟电路，通过自锁开关控制电路的导通与断开，当开关闭合时，电路导通，外部电源给电路正常供电，电子时钟正常工作。当开关断开时，电路停止工作。 9、总电路原理图 （五） 软件部分 根据上述电子时钟的工作，软件设计可分为以下几个功能模块： （1）主程序模块。主程序主要用于系统初始化：设置计时缓冲区的位置及初值，设置8155的工作方式、定时器的工作方式和计数初值等参数。主程序流程如下图所示。 开始 定义堆栈区 8155、 T0、数据缓冲区、标志位初始化 调用键盘扫描程序 否 是C/R键？ 是 地址指针指向计时缓冲区 调用时间设置程序 主程序流程图 （2）计时模块。即定时器0中断子程序，完成刷新计时缓冲区的功能。 系统使用6MHz的晶振，假设定时器0工作在方式1，则定时器的最大定时时间为65.536ms，这个值远远小于1s。因此本系统采用定时器与软件循环相结合的定时方法。设定时器0工作在方式1，每隔50ms溢出中断一次，则循环中断20次延时时间是1s，上述过程重复60次为1分，分计时60次为1小时，小时计时24次则时间重新回到00：00：00。 因定时器0工作在方式1，则50ms定时对应的定时器初值为：65536－50ms/2us=40536=9E58H，即TH0=9EH，TH0=58H。 但应当指出：CPU从响应T0中断到完成定时器初值重装这段时间，定时器T0并不停止工作，而是继续计数。因此，为了确保T0能准确定时50ms，重装的定时器初值必须加以修正，修正的定时器初值必须考虑到从原定时器初值中扣除计数器多计的脉冲个数。由于定时器计数脉冲的周期恰好和机器周期吻合，因此修正量等于CPU从响应中断到重装完TL0为止所用的机器周期数。CPU响应中断通常要3~8个机器周期。经过测试，定时器0重装的计数初值设为9E5FH~9E67H，可以满足精度要求。另外，MCS-51单片机只有二进制加法指令，而时间是按十进制递增，因此用加法指令后必须进行二-十进制转换。 计时模块流程图如下图所示。 保护现场 重装定时器初值 循环次数减1 否 满20次？ 是 秒单元加1 否 60s到？ 是 秒单元清0，分单元加1 否 60分到？ 是 分单元清0，时单元加1 否 24小时到？ 是 时单元清0 恢复现场 返回 计时模块流程图 （3）时间设置模块。该模块由键盘输入相应的数据来设置当前时间。程序通过调用一个键盘设置子程序通过键盘扫描将键入的6位时间值送入显示缓冲区。 设置时间后，时钟要从这个时间开始计时，而时分秒单元各占一个字节，键盘占6个字节。因此程序中要调用一个合字子程序将显示缓冲区中的6位BCD码合并为3位压缩BCD码，并送入计时缓冲区，作为当前计时起始时间。 该程序同时要检测输入时间值的合法性，若键盘输入的小时值大于23，分、秒值大于59，则不合法，将取消本次设置，清零重新开始计时。 时间设置和键盘设置子程序的流程图如下图所示。 保护现场 调用键盘设置子程序KETIN 调用合字子程序COMB 恢复现场 返回 时间设置流程图 保护现场 显示缓冲区首地址送R0键盘输入次数送R7 调用键盘扫描程序KEYSCAN 键号送@R0 显示缓冲区地址加1 循环次数减1 否 循环结束？ 是 恢复现场 返回 键盘设置子程序流程图 （4）显示模块。该模块完成时分秒6位LED的动态显示。因为显示为6位，二计时是3个字节单元，为此，必须将3字节计时缓冲区中的时分秒压缩BCD码拆分为6字节BCD码，并送入显示缓冲区中。 当按下调整时间键后，在6位设置完成之前，这6个LED应该显示键人的数据，不显示当前的时间。为此，我们设置了一个计时显示允许标志位F0，在时间设置期间F0=1，不调用刷新显示缓冲区的子程序。 显示程序流程图如下图所示。 保护现场 否 允许显示？ 调用拆字程序 是 动态扫描显示 返回 显示程序流程图 扫描键盘 否 调用显示程序 有键按下？ 是 调用显示程序 否 有键按下？ 是 求取键号 返回 键盘扫描程序流程图 程序： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP TIME ORG 0300H MAIN: mov 20h,#00h MOV 21H,#00H MOV 22H,#00H MOV 23H,#00H MOV IP,#02H ;IP,IE初始化 MOV IE,#82H MOV TMOD,#01H ;设定定时器工作方式? MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#3CH SETB TR0 ;启动定时? MOV SP,#40H ;重设堆栈指针 NEXT: LCALL DISP ;调用显示子程序? LCALL KEY ;调用按键检测子程序 JZ NEXT ; LCALL ANKEY ;调用按键处理子程序 SJMP NEXT ;重新循环 NOP NOP NOP ;定时中断处理程序： TIME: PUSH ACC ;保护现场 PUSH PSW MOV TL0,#0B4H ;赋定时初值 MOV TH0,#3CH INC 20H ; MOV A,20H CJNE A,#20,RETI1 MOV 20H,#00H ;一秒钟时间到 MOV A,21H ADD A,#01H DA A MOV 21H,A CJNE A,#60H,RETI1 MOV 21H,#00H ;一分钟时间到 MOV A,22H ADD A,#01H DA A MOV 22H,A CJNE A,#60H,RETI1 MOV 22H,#00H ;一小时时间到 MOV A,23H ADD A,#01H DA A MOV 23H,A CJNE A,#24H,RETI1 MOV 23H,#00H ;到时间达到24小时,清零. RETI1: POP PSW ;恢复现场 POP ACC RETI ;中断返回? NOP NOP ;显示子程序 DISP: ANL 2FH,#10H ;处理小数点 MOV A,21H ;处理秒21H-->2DH,2EH ANL A,#0FH ORL A,2FH MOV 2FH,A MOV A,21H ANL A,#0F0H SWAP A MOV 2EH,A ANL 2DH,#10H MOV A,22H ;处理分钟22H-->2CH,2DH ANL A,#0FH ORL A,2DH MOV 2DH,A MOV A,22H ANL A,#0F0H SWAP A MOV 2CH,A ANL 2BH,#10H MOV A,23H ;处理小时23H-->2AH,2BH ANL A,#0FH ORL A,2BH MOV 2BH,A MOV A,23H ANL A,#0F0H SWAP A MOV 2AH,A MOV R0,#2FH ;显示偏移量 MOV R3,#06H MOV DPTR,#TABLE MOV A,#0BFH LOOP1: MOV B,A ; MOV P2,a MOV A,@R0 MOVC A,@A+DPTR MOV P0,a ;送显示 MOV R2,#80H ;延时 DJNZ R2,$ DEC R0 MOV A,B RR A DJNZ R3,LOOP1 ;循环显示 RET TABLE: db 28h,7eh,0a2h,62h,74h,61h,21h ;不带小数点 DB 7ah,20h,60h,00,00,00,00,00,00 DB 8H,5eH,82H,42H,54H,41H,1H,5aH ;带小数点 DB 00H,40H,00,00,00,00,00,00 NOP NOP ;按键判断程序 KEY: MOV P3,#0FFH ; MOV A,P3 CPL A ANL A,#3CH JZ RETX ;无键按下则返回 LCALL DISP ; LCALL DISP MOV A,P3 CPL A ANL A,#3CH JZ RETX ;键盘去抖动。 MOV R6,A ;将键值存入R6。 LOOP2: LCALL DISP ; MOV A,P3 CPL A ANL A,#3CH JNZ LOOP2 ;等待键释放 MOV A,R6 RETX: RET NOP NOP ;按键处理子程序 ANKEY: CLR EA ;关中断 LX: MOV A,R6 JB ACC.2,L1 ;是功能键转L1 JB ACC.3,L2 ;是确认键转L2 JB ACC.4,L3 ;是减1键转L3 JNB ACC.5,L12 ;不是增1键，转L12 JB 2BH.4,L6 ;判断使哪一位（时、分、秒）的值加1 JB 2DH.4,L8 JB 2FH.4,L9 L12: LCALL DISP LCALL DISP LCALL KEY ;判断有无键按下。 JZ L12 LJMP LX L2: MOV 25H,#00H ;确认键处理程序 CLR 2BH.4 CLR 2DH.4 CLR 2FH.4 SETB EA RET L3: JB 2BH.4,L61 ;增一键处理程序 JB 2DH.4,L81 JB 2FH.4,L91 AJMP L12 L1: MOV A,25H ;功能键处理程序 JZ LB1 JB ACC.0,LB2 JB ACC.1,LB3 JNB ACC.2,L12 LB1: MOV 25H,#01H ;25H单元是标志位，（25H）=01H调节时单元的值 SETB 2BH.4 CLR 2DH.4 CLR 2FH.4 AJMP L12 LB3: MOV 25H,#04H ;25H单元是标志位，（25H）=01H调节秒单元的值 SETB 2FH.4 CLR 2DH.4 CLR 2BH.4 AJMP L12 LB2: MOV 25H,#02H ;25H单元是标志位，（25H）=01H调节分单元的值 SETB 2DH.4 CLR 2BH.4 CLR 2FH.4 AJMP L12 L61: AJMP L611 ; L81: AJMP L811 ; L91: AJMP L911 L6: MOV A,23H ;时加一 ADD A,#01H DA A MOV 23H,A CJNE A,#24H,L15 L15: JC L112 MOV 23H,#00H L112: AJMP L12 L8: MOV A,22H ;分加一 ADD A,#01H DA A MOV 22H,A CJNE A,#60H,L16 L16: JC L112 MOV 22H,#00H AJMP L12 L9: MOV A,21H ;秒加一 ADD A,#01H DA A MOV 21H,A CJNE A,#60H,L17 L17: JC L112 MOV 21H,#00H AJMP L12 L611: MOV A,23H ;时减一 ADD A,#99H DA A MOV 23H,A CJNE A,#99H,L112 MOV 23H,#23H AJMP L12 L811: MOV A,22H ;分减一 ADD A,#99H DA A MOV 22H,A CJNE A,#99H,L112 MOV 22H,#59H AJMP L12 L911: MOV A,21H ;秒减一 ADD A,#99H DA A MOV 21H,A CJNE A,#99H,L112 MOV 21H,#59H AJMP L12 NOP NOP END 微型控制器 时钟电路 声光报时 校时输入 数据显示