单片机的电子时钟电路.docx
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单片机的电子时钟电路
陕西教育学院
高
职
毕
业
论
文
题目：
基于单片机的数字时钟设计
班级：
信息1031
姓名：
白海燕
专业：
信息工程
指导教师：
艾明祥
时间：
2012-10-22
【中文摘要】
单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。
单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。
由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。
这次毕业设计通过对它的学习、应用，以AT89S51芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由4.5V直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间，调整时间，从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。
【关键词】：
LCD显示单片机7段数码管
【Abstract】
Singlechipmicrocomputersincethenineteenseventiessince,withitshighcostperformance,bythepeopleˋsattentionandconcem,averywideapplication,developmentisveryrapid.Singlechipmicrocomputerhastheadvantagesofsmallvolume,lightweight,stronganti-interferenceability,environmentalrequirementisnothigh,lowprice,highreliabilityisgood,developmoreeasily.Duetotheabove-mentionedadvantages,inourcountry,Singlechipmicrocomputerhasbeenwidelyusedinindustrialautomaticcontrol,automaticdetection,intelligentinstruments,householdappliances,electricalandelectronic,electromechanicalintegrationequipmentandotheraspects,and51Singlechipmicrocomputeristhemosttypicalandthemostrepresentativeone.Thegraduationdesignthroughthestudy,application,toAT89S51chipasthecore,supplementedbynecessarycircuit,designasimpleelectronicclock,whichiscomposedof4.5VDCpowersupply,throughthedigitaltubecanaccuratelydisplaythetime,adjusttime,soastoachievethestudy,design,developmentsoftware,hardwarecapabilities.
【Keyword.】LCDdisplaychip67digitaltube
前言
时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。
在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：
一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：
一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有：
DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。
本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机AT89S51芯片和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。
第一章方案设计
1.1数字时钟目的
本方案完全用软件实现数字时钟。
原理为：
在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。
利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将十字节清零。
该方案具有硬件电路简单的特点。
但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。
而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。
基于硬件电路的考虑，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。
1.2数码管显示方案
1）静态显示。
所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。
该方式每一位都需要一个8位输出口控制。
静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。
但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，造成了资源的浪费。
2）动态显示。
所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。
利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。
显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。
调整参数可以实现较高稳定度的显示。
动态显示节省了I/O口，降低了能耗。
3）从节省I/O口和降低能耗出发，本设计采用方案二。
第二章单片机AT89S51
2.1AT89S51单片机简介
1.AT89S51主要功能列举如下：
1）为一般控制应用的8位单芯片
2）晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）
3）内部程式存储器（ROM）为4KB
4）内部数据存储器（RAM）为128B
5）外部程序存储器可扩充至64KB
6）外部数据存储器可扩充至64KB
7）7、32条双向输入输出线，且每条均可以单独做I/O的控制
8）8、5个中断向量源
9）9、2组独立的16位定时器
10）10、1个全多工串行通信端口
11）11、8751及8752单芯片具有数据保密的功能
12）12、单芯片提供位逻辑运算指令
2.AT89S51各引脚功能介绍：
VCC：
AT89S51电源正端输入，接+5V。
VSS：
电源地端。
XTAL1：
单芯片系统时钟的反相放大器输入端。
XTAL2：
系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。
RESET：
AT89S51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。
EA/Vpp：
"EA"为英文"ExternalAccess"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。
因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。
如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平。
此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。
ALE/PROG：
ALE是英文"AddressLatchEnable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。
AT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S51是以多工的方式送出地址及数据。
平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。
此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。
PSEN：
此为"ProgramStoreEnable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。
AT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。
PORT0（P0.0～P0.7）：
端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。
其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。
如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。
设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。
PORT2（P2.0～P2.7）：
端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。
P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。
PORT1（P1.0～P1.7）：
端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。
如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。
PORT3（P3.0～P3.7）：
端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。
其引脚分配如下：
P3.0：
RXD，串行通信输入。
P3.1：
TXD，串行通信输出。
P3.2：
INT0，外部中断0输入。
P3.3：
INT1，外部中断1输入。
P3.4：
T0，计时计数器0输入。
P3.5：
T1，计时计数器1输入。
P3.6：
WR：
外部数据存储器的写入信号。
P3.7：
RD，外部数据存储器的读取信号。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
AT89S51提供以下标准功能：
4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32I/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。
如图3-7所示，AT89S51有40引脚，双列直插（DIP）封装，所用引脚功能如下：
VCC——运行时加＋4.5V
GND——接地
XTAL1——振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端
XTAL2——振荡器反相放大器的输出端
RST——复位输入，高电平有效，在晶振工作时，在RST引脚上作用2个机器周期以上的高电平，将使单片机复位。
WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFTAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。
DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
/VPP——片外程序存储器访问允许信号。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地），如果EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
P1口,P2口——P1，P2是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
运行时通过P1口控制驱动电路的工作，将数据送到数码管，显示相应的段码，为了达到减少功耗或满足端口对最大电流的限制，应加上一限流电阻。
P2.0——P2.5口控制数码管的位选，使六个数码管轮流显示数据，等于1时位选三极管导通，等于0时位选三极管截止。
无自锁开关——（S2－P3.7）开关接相应引脚P3.7，当开关按下时，相应引脚为低电平0，断开时引脚为高电平1。
3.27段数码管
图3-2.6为数码管的引脚图，每位的段码线（a,b,c,d,e,f,g,dp）分别与1个8位的锁存器输出相连，由AT89S51控制组合0－9十个数据，如令其显示1则b,c引脚（即2，3引脚）送高电平，此时数码管显示1。
由于各位的段码线并联，8位I/O口输出段码对各个显示位来说都是相同的。
图3-2.57段数码管
2.1总体设计
利用单片机（AT89S51）制作简易电子时钟，由六个LED数码管分别显示小时十位、小时个位、分钟十位、分钟个位、秒钟十位、秒钟个位。
6个PNP管（9012）分别控制六个数码管的亮灭，一个按键用于时间调整。
3.1.2系统框图
图1-1系统总框图
3.2模块设计
3.2.1电源部分
图3-2.1引入直流电图3-2.2提供电源电路
如图3-2.1所示，从外部引入4.5V的直流电，图3-2.2为单片机、复位电路提供电源。
3-2.2复位电路
图3-2.3复位电路
如图3-2.3所示，复位电路主要由型号为1N4148的二极管，型号为10UF/16V的电解电容，型号为104的瓷片电容，10K的电阻以及按键S1构成，S1接芯片的相应引脚RST，当开关按下时引脚RST为高电平1，断开时引脚为低电平0。
3.2.3程序下载接口
图3-2.4下载接口
如图3-2.4所示，由AT89SISP构成的两排十针下载口，板图上有一个小方框，为1号引角；下载线的凸口为正方向，凸口的右侧边的第一个插孔为1号引角。
3.2.4位选部分
图3-2.4位选电路
图3-2.4为位选电路，三极管的集电极接数码管的公共端，当P2口对应的引脚输出高电平时三极管导通，对应的数码管显示数据。
这样，在同一时刻，6位LED中只有选通的那1位显示出字符，而其他5位则是熄灭的。
同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他个位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。
如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。
虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于LED的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。
3.2.5数码管的连接电路
图3-2.5数码管的连接图
图3-2.6数码引脚图
图3-2.6为数码管的引脚图，每位的段码线（a,b,c,d,e,f,g,dp）分别与1个8位的锁存器输出相连，由AT89S51控制组合0－9十个数据，如令其显示1则b,c引脚（即2，3引脚）送高电平，此时数码管显示1。
由于各位的段码线并联，8位I/O口输出段码对各个显示位来说都是相同的。
3.2.6控制部分
图3-2.6单片机AT89S51
4流程图
4.1程序流程图
图4-4
图4-5
4.2源程序
表4-2.1P1口对应段码及数值：
显示数字
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
16进制代码
dp
g
f
e
d
c
b
a
0
0
0
1
1
1
1
1
1
3FH
1
0
0
0
0
0
1
1
0
06H
2
0
1
0
1
1
0
1
1
5BH
3
0
1
0
0
1
1
1
1
4FH
4
0
1
1
0
0
1
1
0
66H
5
0
1
1
0
1
1
0
1
6DH
6
0
1
1
1
1
1
0
1
7DH
7
0
0
0
0
0
1
1
1
07H
8
0
1
1
1
1
1
1
1
7FH
9
0
1
1
0
1
1
1
1
6FH
中断入口程序
ORG0000H;程序执行开始地址
LJMPSTART;跳到标号START执行
ORG0003H;外中断0中断程序入口
RETI;外中断0中断返回
ORG000BH;定时器T0中断程序入口
LJMPINTT0;跳至INTTO执行
ORG0013H;外中断1中断程序入口
RETI;外中断1中断返回
ORG001BH;定时器T1中断程序入口
LJMPINTT1;跳至INTT1执行
ORG0023H;串行中断程序入口地址
RETI;串行中断程序返回
主程序;
START:
MOVR0,#70H;清70H-7AH共11个内存单元
MOVR7,#0BH
;clrP3.7;
CLEARDISP:
MOV@R0,#00H;
INCR0;
DJNZR7,CLEARDISP;
MOV20H,#00H;清20H（标志用）
MOV7AH,#0AH;放入"熄灭符"数据
MOVTMOD,#11H;设T0、T1为16位定时器
MOVTL0,#0B0H;50MS定时初值（T0计时用）
MOVTH0,#3CH;50MS定时初值
MOVTL1,#0B0H;50MS定时初值（T1闪烁定时用）
MOVTH1,#3CH;50MS定时初值
SETBEA;总中断开放
SETBET0;允许T0中断
SETBTR0;开启T0定时器
MOVR4,#14H;1秒定时用初值（50MS×20）
START1:
LCALLDISPLAY;调用显示子程序
JNBP3.7,SETMM1;P3.7口为0时转时间调整程序
SJMPSTART1;P3.7口为1时跳回START1
SETMM1:
LJMPSETMM;转到时间调整程序SETMM
;1秒计时程序
;T0中断服务程序
INTT0:
PUSHACC;累加器入栈保护
PUSHPSW;状态字入栈保护
CLRET0;关T0中断允许
CLRTR0;关闭定时器T0
MOVA,#0B7H;中断响应时间同步修正
ADDA,TL0;低8位初值修正
MOVTL0,A;重装初值（低8位修正值）
MOVA,#3CH;高8位初值修正
ADDCA,TH0;
MOVTH0,A;重装初值（高8位修正值）
SETBTR0;开启定时器T0
DJNZR4,OUTT0;20次中断未到中断退出
ADDSS:
MOVR4,#14H;20次中断到（1秒）重赋初值
MOVR0,#71H;指向秒计时单元（71H-72H）
ACALLADD1;调用加1程序（加1秒操作）
MOVA,R3;秒数据放入A（R3为2位十进制数组合）
CLRC;清进位标志
CJNEA,#60H,ADDMM;
ADDMM:
JCOUTT0;小于60秒时中断退出
ACALLCLR0;大于或等于60秒时对秒计时单元清0
MOVR0,#77H;指向分计时单元（76H-77H）
ACALLADD1;分计时单元加1分钟
MOVA,R3;分数据放入A
CLRC;清进位标志
CJNEA,#60H,ADDHH;
ADDHH:
JCOUTT0;小于60分时中断退出
ACALLCLR0;大于或等于60分时分计时单元清0
MOVR0,#79H;指向小时计时单（78H-79H）
ACALLADD1;小时计时单元加1小时
MOVA,R3;时数据放入A
CLRC;清进位标志
CJNEA,#24H,HOUR;
HOUR:
JCOUTT0;小于24小时中断退出
ACALLCLR0;大于或等于24小时小时计时单元清0
OUTT0:
MOV72H,76H;中断退出时将分、时计时单元数据移
MOV73H,77H;入对应显示单元
MOV74H,78H;
MOV75H,79H;
POPPSW;恢复状态字（出栈）
POPACC;恢复累加器
SETBET0;开放T0中断
RETI;中断返回
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;闪动调时程序;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;T1中断服务程序，用作时间调整时调整单元闪烁指示
INTT1:
PUSHACC;中断现场保护
PUSHPSW;
MOVTL1,#0B0H;装定时器T1定时初值
MOVTH1,#3CH;
DJNZR2,INTT1OUT;0.3秒未到退出中断（50MS中断6次）
MOVR2,#06H;重装0.3秒定时用初值
CPL02H;0.3秒定时到对闪烁标志取反
JB02H,FLASH1;02H位为1时显示单元"熄灭"
MOV72H,76H;02H位为0时正常显示
MOV73H,77H;
MOV74H,78H;
MOV75H,79H;
INTT1OUT:
POPPSW;恢复现场
POPACC;
RETI;中断退出
FLASH1:
JB01H,FLASH2;01H位为1时，转小时熄灭控制
MOV72H,7AH;01H位为0时，"熄灭符"数据放入分
MOV73H,7AH;显示单元（72H-73H），将不显示分数据
MOV74H,78H;
MOV75H,79H;
AJMPINTT1OUT;转中断退出
FLASH2:
MOV72H,76H;01H位为1时，"熄灭符"数据放入小时
MOV73H,77H;显示单元（74H-75H），小时数据将不显示
MOV74H,
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