基于51单片机的电子钟的设计.docx

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基于51单片机的电子钟的设计

国立大学毕业设计

基于51单片机的电子钟的设计

学生XX沉默熊

系（部）电气信息工程系

专业应用电子技术

指导老师马各

2011年5月25日

摘要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。

电子时钟是现代社会中的主要计时工具之一，广泛应用于手机，电脑，汽车等社会生活需要的各个方面，及对时间有要求的场合。

本设计采用AT89C51单片机作为主要核心部件，附以上电复位电路，时钟电路及按键调时电路组成。

数字电子钟的设计方法有多种，例如，可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现电子钟等等。

这些方法都各有特点，其中，利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，便于电子钟功能的扩充，即可用该电子钟发出各种控制信号，精确度高等特点…………

该系统实用性强、操作简单、扩展性强。

关键词：

单片机电子钟LCD

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofSingleChipMachineiscontinuouslytofurther,traditionalcontroltestrapidlyupdated.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolofsingle-chipmicroputerapplicationsystem,isoftenusedasacoreponent,knowledgeisnotonlytheMCU,stillshouldaccordingtospecifichardwarestructure,andtheviewofthespecificapplicationsoftware,theobjectcharacteristics.

Electronicclockofmodernsocietyisoneofmaintimingtool,widelyusedinmobilephone,puter,automobile,etcallaspectsofsociallife,andtheneedfortime.ThisdesignUSESAT89C51asthemaincoreponents,attachmoreelectricityresetcircuit,clockingcircuitandthebuttonwhentheadjustablecircuit.

Digitalelectricclockdesignmethodsarevarious,forexample,usablesmallscaleintegratedcircuitponentelectricclock,Alsocanusespecialelectricclockchipswithdisplaycircuitandtheneedofperipheralcircuitelectricclock,Stillcanusetorealizeelectricclockchip,etc.Thesemethodshavedifferentfeatures,amongthem,usetheelectricclockmicrocontrollerprogramming,flexibleeasyelectricclockfunctionexpansion,canusetheelectricclockoutofcontrolsignal,theaccuracyishighercharacteristic......

Thissystemispractical,simpleoperationandextensible.

Keywords:

SingleChipMachineelectricclockLCD

前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

第一节单片机技术的发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

第二节单片机概况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

第一章数字钟的硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

第一节MSC-51系列芯片简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

第二节AT89C51芯片特性简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

第三节显示器简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

第四节键盘接口技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

一、键的识别．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

二、键的消抖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

第五节看门狗电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

一、软件看门狗．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

二、硬件看门狗．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

第二章数字钟系统设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

第一节设计方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

第二节系统的功能与要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

第三节系统硬件的选用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

第三章数字钟的软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

第一节延时的设定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

一、硬件延时．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

二、软件延时．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

第二节软件的调试与仿真....................．.............................18

第三节程序流程图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

第四节系统内存分配和I/O接口使用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23

第五节程序源代码....．..............................．．．..................23

第四章系统调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．......29

第一节软件，硬件调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29

第二节结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30

毕业设计总结．．．.........................................．．．...．．．.．．....31

致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32

参考文献..．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.．33

附录1.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.．34

前言

本文介绍一个采用8051单片机芯片制作的“数码显示电子钟”，该LCD数码管时钟电路采用24小时计时方式，时、分、秒、星期用5位数码管显示。

该电路采用8051单片机，使用5V电池供电，仅使用一个开关即可进入调时、效时和正常显示三种状态。

其具有电路简单、制作容易、设置方便、使用灵活等优点。

课题意义：

巩固加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合素质和灵活运用所学知识解决工业控制的能力；

培养针对课题需要选择和查阅有关手册，图表及文献资料的自学能力，提高组成系统编程调试的动手能力；

经过对课题设计方案的分析，选择，比较，熟悉单片机应用系统开发，研制的过程。

软硬件设计的方法，内容及步骤；

掌握计数器，加法器，半导体数码管显示器与七段码显示译码器的使用；

理解数字钟的工作原理。

课题要求：

1、本电路采用的内部振荡器方式，晶体振荡频率为6MHz，具有较高的频率稳定性，且延时系采用数字计数的方式进行，因而对时间的控制精度较高，可有效地控制时间不准、不可靠的问题出现。

2、初始加电时，显示初始状态，本电路的5位数码显示管将自动显示出程序默认的时间，只要不进行新的时间设置，数码管将从初始状态起计时。

本程序的初始状态设位00：

00：

0。

3、本电路允许用户随时通过调时按键自行输入设置新的时间参数，其X围可在1s~24H之间任意调试，使用户可以根据自身的需要来进行不同的时间设置。

4、当调时进行完毕后，数码管显示将根据程序的要求自动加1S。

秒两位累计到60时，向分位进1；分两位累计到60时，向时位进一；当时两位累计到23，且分位为59秒位为59时，时位、分位、秒位自动归零星期进1，即24小时（一天）结束，进入下工作日计时。

5、本电路的外接电源可用5V直流电池电源，亦可将交流电压转变为直流电，简单方便。

使用中应谨慎，避免硬件设施被烧坏。

6、在进行时间参数设置和整个显示过程中，系统采用5位数码管做“时位、分位、星期”计时显示，直观、准确。

单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。

单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

中央处理器、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗等。

绪论

第一节单片机技术的发展

 单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段【1】。

1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicroputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：

不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。

自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

下面是单片机的主要发展趋势。

CMOS化近年，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。

CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。

这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。

因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。

CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。

采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。

随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。

CHMOS和HMOS工艺的结合。

目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。

因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。

低功耗化单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。

低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。

低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。

允许使用的电压X围越来越宽，一般在3~6VX围内工作。

低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。

目前0.8V供电的单片机已经问世。

  低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。

  大容量化以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。

但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。

为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。

目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。

  高性能化主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。

采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。

现指令速度最高者已达100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。

这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。

由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。

  小容量、低价格化与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。

这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。

  外围电路内装化这也是单片机发展的主要方向。

随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。

除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。

第二节单片机概况

单片机是把中央处理器CPU、存储器、定时器I/O端口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块电路芯片上的微型计算机。

单片机的应用主要基于其控制功能，由于单片机具有集成度高、体积小、可靠性高、价格低和易实现产品化等特点，特别适合应用于测量和控制领域，可分为单片应用和多机应用，归纳其来可分为以下机方面【2】：

1智能化仪器仪表中的应用

2工业测量控制中的应用

3在交通、军事、计算机网络和通信技术领域中的应用

4保安报警、办公自动化领域的应用

5日常生活和家用电器领域的应用

第一章数字钟的硬件设计

第一节MSC-51芯片简介

MCS-51单片机内部结构

MCS-51由微处理器、存储器、I/O口以及专用寄存器SFR等构成。

现在我们分别加以说明：

·微处理器由运算器和控制器组成。

·存储器按读写功能分为只读存储器和随机读写存储器。

·并行输入输出（I/O）口：

89C51共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。

·时钟电路：

89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但89C51单片机需外置振荡电容。

图1-1是MCS-51系列单片机的内部结构示意图【3】：

图1-1

MCS-51的引脚说明【4】：

89C51采用40Pin封装的双列直接DIP结构，图1-2是它的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。

MCS-51的引脚说明：

图1-2

Pin9:

RESET/Vpd复位信号复用脚。

Pin29:

当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

Pin31:

EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，89C51和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。

在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。

第二节AT89C51芯片特性简介

①适于控制应用的8位CPU。

②扩展的逻辑处理能力。

③64K程序存贮器空间和64K数据存贮器空间。

④4KB片内程序存贮器。

⑤128B片内数据RAM。

⑥32根双向和可单独寻址的输入输出线。

⑦2个16位定时/计数器，片内时钟发生器。

⑧全双工异步发送/接收器。

⑨6源5向量中断结构，具有两个优先级。

第三节显示器简介

一、LED显示器介绍

LED数码管的接法有两种【5】：

1、共阳性，2、共阴性

（1）、共阳性接法

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管阴极通过与输入端相连。

当阴极端输入低电平时，8段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。

（2）、共阴极接法

把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，同时公共阴极接地。

每个发光二极管阳极通过与输入端相连，当阳极端输入高电平时，8段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。

本设计利提供+5V电压，所以采用共阳极的接法，它在焊接时，也比较容易连接。

（3）LED数码管电阻的计算

一般发光二极管上的电压为1.5～2V，本设计中选择发光二极管上的电压Va为2V。

由于流过发光二极管的电流I为5～10mA，能够保证8段数码管能够正常发亮，如果太大的电流，会使发光二极管击穿；如果太小，发光二极管会不发光，不能够正常显示8段数值。

计算公式如2-1所示（注：

电阻R=230Ω市场没有的卖，所以选择电阻R=100Ω。

）

∵Va=2V，I=10mA，VT1=0.7V

∴R9=（Vcc-VT1-Va）/I=（5-0.7-2）/10mA=230Ω（2-1）

（4）共阳型管

SM4105数码管是一个单独的七段数码管组成的

SM4105芯片说明

芯片第1脚，显示的g的段码

芯片第2脚，显示的f的段码

芯片第3脚和第8脚，为公共端可以接VCC或者接GND，由于SM4105管

是共阳型管，因而接VCC

二、LCD显示器介绍

LCD显示器也叫液晶显示器，它是一种被动式显示器，由于它的功耗极低，平板型结构，显示信息量大，寿命长因而得到越来越广泛的运用。

LCD显示器本身不发光，只是调节光的亮度，目前市售的LCD显示器都是利用液晶的扭曲——向列效应制成，这是一种电场效应，夹在两片导电玻璃电极间的液晶经过一定处理，它的分子显90°的扭曲，当线性偏振光透过其偏振面便会旋转90°。

当在玻璃电极上加上电压后，在电场作用下，液晶的扭曲效应结构消失，其旋光作用也消失了，偏振光便可以直接通过。

当去掉电场后液晶分子又恢复其扭曲结构。

把这样的液晶置于两个偏振片之间，改变偏振片的相对位置（正交或平行）就可以得到白底黑字或黑底白字的显示形式。

LCD显示器的主要参数有：

响应速度（200—300ms）；

交流驱动电压（1.5—3V）；

功耗（1毫瓦/平方厘米）；

工作温度（0—50摄氏度）。

现在以笔段型LCD显示器为例，说明其显示驱动原理。

显示器除了a—g这7个笔划以外，还有一个公共极，其笔划如普通数码管，它可用静态方式驱动，也可用动态方式驱动。

当加在笔划（a--g）中某个电极上的方波和公共电极（）上的方波信号相位相同时，相对电压为零，则该笔划段不显示；当加在某个笔划电极上的方波与公共电极上的方波信号相位相反时，则有幅值2倍于方波幅值的电压加在液晶上，该笔划被选中而显示，如1-3图：

不显示

显示

图1-3LCD显示控制波形

例如：

如果要显示数字“3”，则应使a，b，c，d，g笔划段电极上的方波与电极上的方波相位相反，而e，f笔划段电极上的方波与电极上的方波相位相同。

一般控制方波的频率为25——100赫兹，并保持其为对称方波，从而使加在液晶