基于单片机的电子时钟设计毕业论文设计.docx
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基于单片机的电子时钟设计毕业论文设计
基于单片机的电子时钟设计
摘要：
随时代的发展，生活节奏的加快，人们的时间观念愈来愈强；随自动化、智能化技术的发展，机电产品的智能度愈来愈高，用到时间提示、定时控制的地方也会愈来愈多，因此，设计开发数字时钟具有良好的应用前景。
由于单片机价格的低成本、高性能，在自动控制产品中得到了广泛的应用。
本设计利用Atmel公司的AT89S52单片机对电子时钟进行开发，设计了实现所需功能的硬件电路，应用汇编语言进行软件编程，并用实验板进行演示、验证。
在介绍本单片机的发展情况基础上，说明了本设计实现的功能，以及实验板硬件情况，并对各功能电路进行了分析。
主要工作放在软件编程上，用实验板实现时间、日期、定时及它们的设定功能，详细对软件编程流程以及调试进行了说明，并对计时误差进行了分析及校正，提出了定时音与显示相冲突问题及解决方案。
实验证明效果良好，可以投入使用。
关键词：
单片机；AT89S52；电子时钟；汇编语言
1绪论
时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。
怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？
这就要求人们不断设计出新型时钟。
现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。
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。
2整体设计方案
2.1数字时钟方案
数字时钟是本设计的最主要的部分。
根据需要，可利用两种方案实现。
方案一：
本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS12887A。
该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。
为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。
当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。
而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。
方案二：
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。
2.2数码管显示方案
方案一：
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。
方案二：
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。
从节省I/O口和降低能耗出发，本设计采用方案二。
3数字钟的硬件设计
3.1总体设计
3.1.1系统说明
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
显示部分
控制部分
单片机（AT89S51）
按键S2
复位电路
电源部分
直流电源4.5V
6个七段共阴极数码管
显示秒，分钟及小时位
位选部分
6个PNP三极管（9012）
图3-1
3.2模块设计
3.2.1电源部分
图3-2
如图3-2所示，从外部引入4.5V的直流电，为单片机、复位电路提供电源。
3.2.2复位电路
图3-3
如图3-3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3-4
如图3-4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3-5
图3-5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3-6
图3-6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3-7
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：
1.VCC——运行时加＋4.5V
2.GND——接地
3.XTAL1——振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端
4.XTAL2——振荡器反相放大器的输出端
5.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。
6.EA/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。
7.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。
8.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。
4系统仿真
图4-1
图4-2
5数字钟的软件设计
5.1程序流程图
主程序开始
设定定时器常数，开中断
显示时间
到1秒？
Y
N
T0中断
现场保护
重装定时器初值
满20次否？
满24小时否？
满60秒否？
满60分否？
恢复现场
时值加1
时缓冲单元清零
秒值加1
分缓冲单元清零
秒缓冲单元清零
分值加1
结束
Y
N
Y
Y
Y
N
N
N
图5-1
图5-2
时钟调整程序
关闭显示，省电状态
分钟闪烁，调时状态
分值加1
按键S2时间t>1
时值=24？
按键S2时间t<0.5
按键S2时间t<0.5
时钟闪烁，调时状态
分值=60？
分值清零
时值加1
时值清零
返回显示
S2是否按下
N
N
N
Y
Y
N
N
Y
Y
图5-3
5.2源程序
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;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
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;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,7AH;
MOV75H,7AH;
AJMPINTT1OUT;转中断退出
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;显示程序;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;显示数据在70H-75H单元内，用六位LED共阳数码管显示，P0口输出段码数据，P3口作
;扫描控制，每个LED数码管亮1MS时间再逐位循环。
DISPLAY:
MOVR1,#70H;指向显示数据首址
MOVR5,#0FEH;扫描控制字初值
PLAY:
MOVA,R5;扫描字放入A
MOVP2,A;从P2口输出
MOVA,@R1;取显示数据到A
MOVDPTR,#TAB;取段码表地址
MOVCA,@A+DPTR;查显示数据对应段码
MOVP1,A;段码放入P0口
LCALLDL1MS;显示1MS
INCR1;指向下一地址
MOVA,R5;扫描控制字放入A
JNBACC.5,ENDOUT;ACC.5=0时一次显示结束
RLA;A中数据循环左移
MOVR5,A;放回R5内
AJMPPLAY;跳回PLAY循环
ENDOUT:
SETBP2.5;一次显示结束，P2口复位
MOVP1,#0FFH;P0口复位
RET;子程序返回
TAB:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH
;1MS延时程序，LED显示程序用
DL1MS:
MOVR6,#14H
DL1:
MOVR7,#19H
DL2:
DJNZR7,DL2
DJNZR6,DL1
RET
;20MS延时程序，采用调用显示子程序以改善LED的显示闪烁现象
DS20MS:
ACALLDISPLAY
ACALLDISPLAY
ACALLDISPLAY
RET
;延时程序，用作按键时间的长短判断
DL1S:
LCALLDL05S
LCALLDL05S
RET
DL05S:
MOVR3,#20H;8毫秒*32=0.196秒
DL05S1:
LCALLDISPLAY
DJNZR3,DL05S1
RET
END;程序结束
6调试与功能说明
6.1元件特性
表6-1AT89S51功能特性：
·兼容MCS-51指令系统
·4k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM
·32个可编程I/O口
·4.0-5.5V工作电压范围
·2个16位可编程定时/计数器
·全静态工作模式：
时钟频率0-33MHz
·全双工UART串行中断口线
·128x8bit内部RAM
·6个中断源
·低功耗空闲和掉电模式
·中断唤醒省电模式
·3级程序加密锁
·看门狗（WDT）电路
·掉电标识和快速编程特性
6.2设计总结
本设计能够很准确的走时，并能够通过硬件对时钟进行时间调整。
◆功能介绍：
1.显示XX：
XX：
XX时间
2.时间可调：
调整键（S2）按下时间小于1秒（t<1s），关闭显示（省电）。
调整键（S2）按下（t>0.5s）分钟位闪亮，此时按下S2键（t<0.5s）该个位数值加1，当加到9时，再按下S2键则该个位显示0，分钟十位加1。
继续按下调整键（S2）（t>0.5s）时钟位闪亮，此时按下S2键（t<0.5s）该个位数值加1，当加到9时再按下加S2键则该个位显示0，时钟十位加1。
继续按下调整键（S2）（t>0.5s），返回到正常显示状态。
3.下载线和电源线插接说明：
1.下载线插接说明：
两排十针下载口，板图上都有一个小方框，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，这一点一定要切记，不然的话程序下载不进去。
2.电源线插接说明：
电池盒的红线为正，黑线为负。
板子所留出来的电源插口用VCC（表示电源正）和GND（表示电源负）标明。
◆调试要点：
首先确保各器件的完好性，其次检测各芯片的电源线和地线是否接触良好，然后焊接器件，接好电源用万用表检测各电源端、地端的状态是否正常。
检查无误后插上AT89S51并烧写一简易的程序，观察电路是否能协同工作。
最后烧写工作程序，根据显示现象调试程序直至成功。
上电运行时，数码管开始显示00：
00：
00，时钟开始走时。
◆制作心得：
在这次课程设计的调试过程中，我遇到很多问题，如：
由于跳转指令出错，导致整个程序在运行时进入死循环，修改时没有根据流程盲目查找原因浪费许多时间，又由于考虑不周，时钟显示29：
89。
该电路缺少整点报时及闹钟功能，由于能力和时间问题只能到此为止，很是遗憾，但在查找资料的过程中学到了许多，同时在协作过程中增进同学间的友谊。
参考文献
[1]于海生．微型计算机控制技术[M]．清华大学出版社．1999-6
[2]孙涵芳．MCS-51系列单片机原理及应用[M]．北京航空航天大学出版社．1996-4
[3]黄正谨．综合电子设计与实践[M]．东南大学出版社．2002-3
[4]杨欣等．电子设计从零开始[M]．清华大学出版社．2005-10
[5]谢嘉奎．电子线路[M]．高等教育出版社．2003-2
[6]夏路易，石宗义．电路原理图与电路设计教程Protel99SE[M]．北京希望电子出版社．2002
[7]王毓银．数字电路逻辑设计[M]．高等教育出版社．2004-2
[8]邱关源．电路[M]．高等教育出版社
致谢
历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。
尤其要强烈感谢我的论文指导老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。
另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。
在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！
感谢这篇论文所涉及到的各位学者。
本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。
感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版等过程中提供热情的帮助。
由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正。
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