基于51单片机数字时钟 课程设计论文.docx
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基于51单片机数字时钟课程设计论文
单片机设计与制作技术报告
同组姓名：
吕正春.葛文青.季开伟.
李治.刘啸.单媛媛.高田田
班级：
08电信转本1班
题目：
电子时钟
任课教师：
谢军
2011年12月16日
设计主要内容和完成功能
本文介绍了一款多功能数字时钟系统的软件设计。
该系统能够显示当前日期、时间，并且具有日期、时间设置等功能。
该系统采用AT89S52单片机，利用液晶显示器LCD1602显示数字时钟的结果。
本系统的软件设计使用C语言进行编程，利用Keil软件编程环境对源程序进行编译。
系统的软件程序主要包括主程序LCD1602显示程序、日期时间调整等子程序的设计。
该系统具有友好的用户界面、操作简单、性能稳定。
该数字时钟系统能够长期、连续、可靠、稳定地工作，同时系统还具有功耗低等特点，便于携带、使用方便。
1设计方案论证
1.1编程语言方案论证
1.1.1汇编语言
汇编语言（AssemblyLanguage）是面向机器的程序设计语言。
在汇编语言中，用助记符（Memoni）代替操作码，用地址符号（Symbol）或标号（Label）代替地址码。
这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成了汇编语言。
于是汇编语言亦称为符号语言。
使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序，汇编程序是系统软件中语言处理系统软件。
汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编。
汇编语言比机器语言易于读写、调试和修改，同时具有机器语言全部优点。
但在编写复杂程序时，相对高级语言代码量较大，而且汇编语言依赖于具体的处理器体系结构，不能通用，汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，它具有如下一些优点：
（1）能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口。
（2）能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制。
（3）能够对关键代码进行更准确的控制，避免因线程共同访问或者硬件设
备共享引起的死锁。
（4）能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度。
（5）能够最大限度地发挥硬件的功能。
同时还应该认识到，汇编语言是一种层次非常低的语言，它仅仅高于直接手工编写二进制的机器指令码，但是不可避免地也存在一些缺点：
（1）编写的代码非常难懂，不好维护。
（2）很容易产生错误，难于调试。
（3）只能针对特定的体系结构和处理器进行优化。
（4）开发效率很低，时间长且单调。
1.1.2C语言
C语言是CombinedLanguage（组合语言）的中英混合简称。
是一种计算机程序设计语言。
它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。
它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。
因此，它的应用范围广泛，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，归纳起来C语言具有下列特点：
（1）C是中级语言。
它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。
C语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。
（2）C是结构式语言。
结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。
这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。
C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，使程序完全结构化。
（3）C语言功能齐全。
具有各种各样的数据类型，并引入了指针概念，可使程序效率更高。
另外C语言也具有强大的图形功能，支持多种显示器和驱动器。
而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大。
（4）C语言适用范围大。
适合于多种操作系统，如Windows、DOS、UNIX等等；也适用于多种机型。
通过以上两种语言的比较，可以看出，C语言要优于汇编语言，编写时连贯性好，容易理解，而且在修改过程中可以很快发现问题所在，修改简便。
本次设计选用C语言作为编程语言。
1.2显示方式方案论证
1.2.1利用LED数码管显示结果
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）,七段数码管是指每只数码管由7条LED组成，使用时，接通相对应的数段，则可得到0～9一系列数字；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
LED数码管的主要特点如下：
（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。
（2）发光响应时间极短（<0．1µs），高频特性好，单色性好，亮度高。
（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。
（4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时，成本低。
1.2.2利用LCD液晶显示结果
液晶是介于固态和液态之间的晶状物质，它兼有液体的流动性和晶体的光学特性。
液晶显示器（LCD）自20世纪60年代末问世以来，其优异的显示性能决定了它在显示领域具有光明的发展前景。
在人类生活各显示领域已经得到了广泛的应用。
现已成为应用非常广泛的一种平板型显示器件。
其功能特点：
（1）液晶显示器属于被动发光型显示器件，它本身不发光，只能反射或透
射外界光线，因此环境亮度愈高，显示愈清晰。
其亮暗对比度可达100：
1。
（2）驱动电压低（一般为3V—6V）,驱动电流小，微功耗，能够用CMOS、
TTL电路直接驱动。
（3）必须采用交流驱动方式，驱动电压波形为不含直流分量的方波或其他
较复杂波形，频率约30Hz—300Hz。
（4）体积小、重量轻，像素尺寸小，分辨率高。
颜色分单色（黑白）、彩
色两种。
通过以上两种显示器件的比较，LCD液晶显示要优于LED数码管，LCD驱动电压低、驱动电流小，微功耗，显示效果直观，而且被动显示（无眩光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳），显示信息量大（因为像素可以做得很小）。
故对比之下本次设计选用LCD液晶显示作为显示器件。
1.3系统仿真方式方案论证
1.3.1利用Proteus软件仿真实现
Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路。
Proteus是电子技术工程师，电子设计专业带来很大帮助的软件。
单片机、数/模电路等仿真，还具有示波器器等虚拟软件。
是一款仿真和分析功能强大的软件。
Proteus实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合，支持AVR/PIC/8051/52主流单片机系统的仿真，有强大的原理图绘制功能。
其功能特点如下：
（1）原理图布局；
（2）PCB自动或人工布线；
（3）SPICE电路仿真。
Proteus革命性的特点：
（1）C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪
器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
（2）目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12
系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
（3）支持大量的存储器和外围芯片。
上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配
置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
1.3.2手工焊接电路板
焊接是一门科学，他的原理是通过加热的烙铁将固态焊锡丝加热熔化，再借助于助焊剂的作用，使其流入被焊金属之间，待冷却后形成牢固可靠的焊接点。
当焊料为锡铅合金焊接面为铜时，焊料先对焊接表面产生润湿，伴随着润湿现象的发生，焊料逐渐向金属铜扩散，在焊料与金属铜的接触面形成附着层，使两则牢固的结合起来。
所以焊锡是通过润湿、扩散和冶金结合这三个物理,化学过程来完成的
经过对Proteus软件仿真和手工焊接的对比，虽然Proteus软件仿真在应用范围上比较广泛，实现的功能也很强大，但我认为手工焊接才能正真锻炼自己的动手动脑能力，也使自己在以前的实习中学到的焊接技术得到更进一步的提升，故本次设计选用手工焊接电路板作为最终实现方案。
2系统硬件设计
2.1系统硬件组成及结构框图
数字时钟设计包括以下几部分:
时钟模块，按键输入模块，显示模块。
然后把键盘输入、显示、计时、闹钟等数据通过串行通信传输给主单片机进行显示。
其总体框图如图2.1所示
图2.1结构框图
该系统采用了AT89S52单片机系统来控制系统的工作，这样就可以根据自己和场合的需要实时显示时钟、日历等，如果选用液晶显示电路，还可以进行文字显示，用于温馨提示，消息或新闻的发布等。
该系统由于采用了单片机的软件编程实现控制各模块电路的工作，并且可以通过按键进行参数的设置，实现了自动控制，使得该系统变得更加完整，功能更多，同时可以进行扩展。
2.2单片机存储器结构及复位电路与时钟电路
MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。
外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。
程序存储器：
如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。
对STC89C51，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：
2000H-FFFFH。
数据存储器：
STC89C51有256字节片内数据存储器。
高128字节与特殊功能寄存器重叠。
也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。
当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。
直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。
例如，直接寻址指令MOV0A0H，#data访问0A0H（P2口）存储单元，使用间接寻址方式访问高128字节RAM。
例如，下面的间接寻址方式中，R0内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。
MOV@R0，#data堆栈操作也是简介寻址方式。
因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。
复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上两个机器周期以上的高电平信号，就可使STC89C51单片机复位。
复位的主要功能是把程序计数器（PC）初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，同时复位操作还对一些寄存器有影响。
STC89C51的复位是由外部的复位电路来实现的，复位电路分为上电复位和按键复位两种方式。
其电路图2.2所示.
图2.2复位电路
单片机的时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常见的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。
本系统选用内部时钟方式，STC89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，STC89C51时钟电路如图2.3所示。
电路中的电容的取值通常在20pF～30pF之间，对外接电容的值没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
由于单片机要进行串行通信，为了获得准确的波特率，选择晶振的频率为12MHz。
图2.3时钟电路
2.3LCD1602的结构及工作原理
LCD1602可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。
该模块也可以只用D4-D7作为四位数据分两次传送。
这样的话可以节省MCU的I/O口资源。
LCD1602引脚说明如表2.4所示：
表2.4LCD液晶显示器各引脚功能及结构
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
双向数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
双向数据口
3
VL
对比度调节
11
D4
双向数据口
4
RS
数据/命令选择
12
D5
双向数据口
5
R/W
读/写选择
13
D6
双向数据口
6
E
模块使能端
14
D7
双向数据口
7
D0
双向数据口
15
BLK
背光源地
8
D1
双向数据口
16
BLA
背光源正极
注意事项：
从该模块的正面看，引脚排列从右向左为：
15脚、16脚，然后才是1－14脚（线路板上已经标明）。
VDD：
电源正极，4.5－5.5V，通常使用5V电压；
VL：
LCD对比度调节端，电压调节范围为0－5V。
接正极时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；
RS：
MCU写入数据或者指令选择端。
MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；
R/W：
读写控制端。
R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据；
E：
LCD模块使能信号控制端。
写数据时，需要下降沿触发模块。
D0－D7：
8位数据总线，三态双向。
如果MCU的I/O口资源紧张的话，该模块也可以只使用4位数据线D4－D7接口传送数据。
本充电器就是采用4位数据传送方式；
BLA：
LED背光正极。
需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；
BLK：
LED背光地端。
LCD1602与单片机连接如图2.5所示。
+5
2
3
1K
1
16
GND6
155
4
图2.5LCD与单片机连接图
3系统软件设计
3.1系统软件设计概述
该软件系统的设计主要包含以下几个子程序模块：
初始化程序模块、按键扫描子程序模块、显示程序模块等。
通过系统的源程序代码能够实现以下功能：
a.能正常显示时间、日期、星期。
b.对错误的时间进行修改
3.2系统主程序设计
程序首先进行初始化，在主程序的循环程序中首先调用数据处理程序，然后调用显示程序，再判断是否有按键按下。
若有按键按下则转到相应的功能程序执行，没有按键按下则调用时间程序。
若没到则循环执行。
计时中断服务程序完成秒的计时及向分钟、小时的进位和日期、星期的进位。
调时闪烁中断服务程序用于被调单元的闪烁显示。
调时程序用于调整分钟、小时；整日期的程序用于调整年、月、日；主要由main（）组成通过对相关子程序的调用，如图3.2所示。
实现了对时间的设置与修改、LCD显示数值等主要功能。
相关的调整是靠对功能键的判断来实现的。
图3.2主程序流程图
4系统调试
4.1系统硬件调试
1）显示器部分调试为了使调试顺利进行，首先单片机与LCD显示分离，这样就可以用静态方法先测试LCD显示，分为两个步骤：
第一，对其进行初始化（即写入命令控制字，最好定义为输出方式）后；第二，将单片机与LCD结合起来，借助开发机，通过编制程序进行调试。
若调试通过后，就可以编制应用程序了。
2）键盘调试一般显示器调试通过后，键盘调试就比较简单，完全可以借助于显示器，利用程序进行调试。
利用开发装置对程序进行设置断点，通过断点可以检查程序在断点前后的键值变化，这样可知键盘工作是否正常。
4.2软件调试
4.2.1软件编程环境keil介绍
a.Keil工程的建立
从桌面上直接双击uVision的图标以启动该软件。
UVison启动后，程序窗口的左边有一个工程管理窗口，该窗口有3个标签，分别是Files、Regs、和Books。
（1）源文件的建立
使用菜单“File->New”或者点击工具栏的新建文件按钮，即可在项目窗口的右侧打开一个新的文本编辑窗口，在该窗口中输入汇编语言源程序，保存该文件，注意必须加上扩展名（汇编语言源程序一般用.asm或a51为扩展名）。
（2）建立工程文件
点击“Project->NewProject”菜单，出现一个对话框，要求给将要建立的工程起一个名字，你可以在编辑框中输入一个名字（设为321），不需要扩展名。
点击“保存”按钮，出现第二个对话框，如图4.2所示。
图4.2选择目标CPU
选择ATMEL公司的STC89C51芯片。
点击ATMEL前面的“+”号，点击其中的STC89C51，然后再点击“确定”按钮，回到主界面，点击工程窗口的文件页的“Target1”，前面的“+”号，可以看到下一层的“SourceGroup1”，点击“SourceGroup1”使其反白显示，然后，点击鼠标右键，出现一个下拉菜单，如图4.3所示。
选中其中的“AddfiletoGroupSourceGroup1”，出现一个对话框，点击对话框中“文件类型”后的下拉列表，找到并选中“*.CSourceFile（*.C）”，这样，在列表框中就可以找到exam1.asm文件了。
图4.3加入文件
双击exam1.C文件，将文件加入项目，然后点击“Close”即可返回主界面，返回后，点击“SourceGroup1”前的加号，会发现exam1.C文件已在其中。
双击文件名，即打开该源程序。
b.工程的详细设置
工程建立好以后，还要对工程进行进一步的设置，以满足要求。
首先点击左边Project窗口的Target1，然后使用菜单“Project->Optionfortarget‘target1’”即出现对工程设置的对话框，这个对话框可谓非常复杂，共有8个页面，要全部搞清可不容易，好在绝大部份设置项取默认值就行了。
设置对话框中的Target页面，如图4.4所示。
图4.4对目标进行设置
Xtal后面的数值是晶振频率值，默认值是所选目标CPU的最高可用频率值，一般将其设置成与你的硬件所用晶振频率相同，如果没必要了解程序执行的时间，也可以不设，这里设置为12MHZ。
设置对话框中的OutPut页面，如图4.5所示，这里面也有多个选择项，其中CreatHexfile用于生成可执行代码文件（可以用编程器写入单片机芯片的HEX格式文件，文件的扩展名为.HEX），默认情况下该项未被选中，如果要写片做硬件实验，就必须选中该项。
其余均保持默认情况，设置完成后按确认返回主界面，工程文件建立、设置完毕。
图4.5对输出进行控制
c.编译、连接
在设置好工程后，即可进行编译、连接。
选择菜单Project->Buildtarget，对当前工程进行连接。
图4.6有关编译、连接、项目设置的工具条
以上操作也可以通过工具栏按钮直接进行。
图4.6是有关编译、设置的工具栏按钮，从左到右分别是：
编译、编译连接、全部重建、停止编译和对工程进行设置。
4.2.2软件调试
通过keil软件上的编译，对编写好的软件进行编译，很容易就会发现自己在编写程序上的错误，然后根据提示找到问题的相应行，进行检查，排除问题。
一般会遇到丢失分号和未定义的问题，只要仔细检查，基本上问题都会排除，在软件编译没有错误后，点击左边Project窗口的Target1，然后使用菜单“Project->Optionfortargettarget1”即出现对工程设置的对话框，点击选中Output选项栏中CreatHexfile前面的框，点击编译连接生成”*.HEX”文件，至此，软件部分的调试就基本结束。
4.3Proteus与Keil连接调试结果
点击仿真按钮，则将出现本程序的主界面，即时间显示界面，结果如图4.14所示：
图4.14Proteus仿真图
结论
本系统利用了ATC89S52芯片，设计出了一个数字时钟系统，该系统的功能基本符合设计任务的要求。
实现了时、分、秒、日、月、星期、年的调整，实现了闹钟功能，根据Protel画出的电路原理图，利用C语言在编程软件Keil上编译程序。
在硬件的调试过程中有一下心得体会：
1）排除逻辑故障
这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。
主要包括错线、开路、短路。
排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。
应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。
必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。
2）排除元器件失效
造成这类错误的原因有两个：
一个是元器件买来时就已坏了；另一个
是由于安装错误，造成器件烧坏。
可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。
在保证安装无误后，用替换方法排除错误。
3）排除电源故障
在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。
加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V～4.8V之间属正常。
若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏
附录AProteus仿真图
附录B实物图
附录C系统源程序部分代码
#include
#defineucharunsignedchar
voidwrite_hms（uchar,uchar）;
voidtime_setup（）;
uchara,count,hh,mm,ss,year,year0=20,year1=8,mon=8,day=13,flagy,flagw=3,flagk;
ucharcodetable0[]="2008-08-13WED";
ucharcodetable1[]="00:
00:
00";
sbitRS=P2^0;
sbitLE=P2^1;
sbitkfun=P2^2;
sbitkadd=P2^3;
sbitksub=P2^4;
voiddelay（ucharz）
{ucharx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
voidwrite_com（ucharcom）
{RS=0;
P0=com;
delay（5）;
LE=1;
delay（5）;
LE=0;
}
voidwrite_data（ucharData）
{RS=1;
P0=Data;
delay（5）;
LE=1;
delay（5）;
LE=0;
}
voidinit（）
{LE=0;//初始化使能信号
write_com（0x38）;//设置显示模
write_com（0x0c）;write_com（0x06）;//屏幕移动操
write_com（0x80）;//写入数据地
write_com（0x01）;//清屏
//写入初始化显示值
write_com（0x80）;
for（a=0;a<15;a++）
{write_data（table0[a]）;
delay（5）;
}
write_com（0x80+0x40）;
for（a=0;a<12;a++）
{write_data（table1[a]）;
delay（5）;
}
TMOD=0x01;
TH0=（65536-5
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