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数子钟DCL
单片机课程设计（报告）
数字电子钟设计
学生姓名：
都成亮
学生学号：
200510501204
院（系）：
电信学院
年级专业：
2005电子信息工程2班
指导教师：
范方灵
2008年6月28日
摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
本次做的数字钟是以单片机（AT89C51）为核心，结合相关的元器件（共阴极LED数码显示器、BCD-锁存/7段译码/驱动器CC4511等），再配以相应的软件，达到制作简易数字钟的目的，其硬件部分难点在于元器件的选择、布局及焊接。
关键词：
AT89C51单片机,共阴极LED数码显示器
目录
1绪论1
1.1单片机发展史1
1.2 单片机的特点1
1.3课程设计目的2
2MCS-51单片机的结构2
2.2存储器的结构3
2.3并行I/O口4
2.4时钟电路与时序4
2.5单片机的应用领域5
3硬件功能及特点5
3.1AT89C51单片机简介6
3.1.1单片机的构成6
3.1.2AT89C51单片机性能及特点7
3.1.3振荡器特性7
3.1.4芯片擦除7
3.1.5AT89C51单片机的引脚说明8
3.2LED数码显示器的结构10
3.3设计方案11
4程序设计11
4.1主程序模块介绍11
4.2主程序12
5仿真调试29
5.1KeiL调试29
5.2Proteus仿真30
总结31
参考文献32
附录33
致谢34
1绪论
1.1单片机发展史
如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段:
（1）第一阶段（1976-1978）：
单片机的控索阶段。
以Intel公司的MCS – 48为代表。
MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS–48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。
MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
（3）第三阶段（1982-1990）：
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS – 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。
随着MCS – 51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。
（4）第四阶段（1990—）：
微控制器的全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。
1.2 单片机的特点
由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著
的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。
单片机主要发如下特点：
（1）有优异的性能价格比。
（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
（3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
（5）外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
1.3课程设计目的
（1）巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；
（2）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；
（3）过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤；
（4）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；
（5）连接数字钟的工作原理。
2MCS-51单片机的结构
MCS-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。
如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。
它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。
2.1控制器
控制器是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。
单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。
首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送至指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。
这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。
控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。
2.2存储器的结构
MCS-51单片机存储器采用的是哈佛结构,即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开,程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式,寻址空间和控制系统。
这种结构对于单片机面向控制的实际应用极为方便,有利.在8051/8751弹片击中,不仅在片内集成了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器,而且还具有极强的外存储器的扩展能力,寻址能力分别可达64KB,寻址和操作简单方便.MCS-51的存储器空间可划分为如下几类:
1.程序存储器
单片机系统之所以能够按照一定的次序进行工作,主要是程序存储器中存放了经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。
程序实际上是一串二进制码,程序存储器可以分为片内和片外两部分。
8031由于无内部存储器,所以只能外扩程序存储器来存放程序。
MCS-51单片机复位后,程序存储器PC的内容为0000H,故系统必须从0000H单元开始取指令,执行程序.程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址.一般在该单元存放一条绝对跳转指令,跳向用户设计的主程序的起始地址。
2.内部数据存储器
MCS-51单片机内部有128个字节的随机存取存储器RAM,作为用户的数据寄存器,它能满足大多数控制型应用场合的需要,用作处理问题的数据缓冲器。
MCS-51单片机的片内存储器的字节地址为00H-7FH.MCS-51单片机对其内部RAM的存储器有很丰富的操作指令,从而使得用户在设计程序时非常方便。
地址为00H-1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区,每个区含8个8位寄存器,编号为R7-R0。
用户可以通过指令改变PSW中的RS1,RS0这二位来切换当前的工作寄存器区,这种功能给软件设计带来极大的方便,特别是在中断嵌套时,为实现工作寄存器现场内容保护提供了极大的方便。
3.特殊功能寄存器（SFR-SpecialFunctionRegister）
特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的状态,实际上是MCS-51单片机各功能部件的状态及控制寄存器.SFR综合的,实际的反应了整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式.SFR实质上是一些具有特殊功能的片内RAM单元,字节地址范围为80H-FFH.特殊功能寄存器的总数为21个,离散的分布在该区域中,其中]有些SFR还可以进行位寻址.128个字节的SFR块中仅有21个字节是由定义的.对于尚未定义的字节地址单元,用户不能作寄存器使用,若访问没有定义的单元,则将得到一个不确定的随机数.
2.3并行I/O口
MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口（Port），分别记作P0-P3，共有32根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。
实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。
这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位寻址。
由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有一些差异。
P0口是双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。
P1口是8位准双向I/O口，可驱动4个LS型负载。
P2口是8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。
P3口是8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。
P1口、P2口、P3口各I/O口线片内均有固定的上拉电阻，当这3个准双向I/O口做输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。
2.4时钟电路与时序
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。
MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。
在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。
CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，这列信号很多。
另一类用于片外存储器或I/O
端口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。
这也是单片机应用系统设计者普遍关心的问题
2.5单片机的应用领域
单片机应用领域可以归纳为以下几个方面。
1．智能仪表
用单片机系统取代老式的测量、控制仪表，实现从模拟仪表向数字化、智能化仪表的转化，如各种温度仪表、压力仪表、流量仪表、电能计量仪表等。
2.测控系统
用单片机取代原有的复杂的模拟数字电路，完成各种工业控制、数据采集系统等工作。
3．电能变换
应用单片机设计变频调速控制电路。
4．通信
用单片机开发通信模块、通信器材等。
5．机电产品
应用单片机检测、控制传统的机械产品，使传统的机械产品结构简化，控制智能化，提高了机电产品的可靠性，增强了产品的功能。
6．智能接口
在数据传输中，用单片机实现外部设备与微机通信
3硬件功能及特点
元件清单：
部件数量
其他元件
AT89C51
1
GRUOND
POWER
及若干导线
7SEG-MPX2-CC-BLUE
1
7SEG-MPX4-CC-BLUE
1
7409.IEC
3
LED-RED
2
SW-SPST
4
3.1AT89C51单片机简介
AT89C51单片机是一种低功耗，高性能的片内含有4KB可编程/擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的8位COMS微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造，并且与AT89C51引脚和指令系统完全兼容。
芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对存储器重复编程。
AT89C51单片机带有2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机，其内部的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51单片机是一种高效微控制器，也为嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，这就显示出了AT89C51单片机的优越性。
3.1.1单片机的构成
AT89C51单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件，AT89C51单片机单片机内包含下列几个部件：
（1）一个8位CPU；
（2）一个片内振荡器及时钟电路；
（3）4K字节ROM程序存储器；
（4）128字节RAM数据存储器；
（5）两个16位定时器/计数器；
（6）可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路；
（7）32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；
（8）一个可编程全双工串行口；
（9）具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
其内部机构框图如图3.1所示：
图3.1MCS-51单片机内部机构框图
3.1.2AT89C51单片机性能及特点
（1）与MCS-51微控制器产品系列兼容。
（2）片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器（FlashMemory）。
（3）存储器可循环写入/擦除1000次。
（4）存储数据保存时间为10年。
（5）工作电压范围：
Vcc可为2.7V～6V。
（6）全静态工作：
可从0HZ到16MHZ。
（7）程序存储器具有3级加密保护。
（8）128﹡8位内部RAM。
（9）32条可编程I/O线。
（10）两个16位定时器/计数器。
（11）中断结构具有5个中断源和2个优先级。
（12）可编程全双工串行通道。
（13）空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。
3.1.3振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用，如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.1.4芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51单片机设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
为了满足一些应用系统的特殊要求，有时要进行一些系统的扩展设计以弥补单片机内部资源的不足。
单片机的扩展系统通过并行I/O接口或串行I/O接口做总线，在外部扩展程序存储器、数据存储器或输入/输出接口及其他功能部件以满足一些控制系统的特殊要求，AT89C51单片机的扩展系统结构如图3.2所示。
图3.2AT89C51单片机扩展系统结构
3.1.5AT89C51单片机的引脚说明
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
图3.3AT89C51单片机引脚图
AT89C51单片机的内部硬件结构中除了程序存储器由FPEROM取代了87C51单片机的EPROM外，其余部分完全相同，其管脚说明如下：
（1）VCC：
供电电压
（2）GND：
接地
（3）时钟电路
XTAL1（19脚）——芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输入端。
XTAL2（18脚）——芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输出端。
（4）控制信号
RST（9脚）复位信号：
时钟电路工作后，在此引脚上将出现两个机器周期的高电平，芯片内部进行初始复位，P0口～P3口输出高电平，将初值07H写入堆栈指针。
ALE（30脚）地址锁存信号：
当访问外部存储器时，P0口输出的低8位地址由ALE输出的控制信号锁存到片外地址锁存器，P0口输出地址低8位后，又能与片外存储器之间传送信息。
另外，ALE可驱动4个TTL门。
（29脚）片外程序存储器读选通：
低电平有效，
作为程序存储器的读信号，输出负脉冲，将相应的存储单元的指令读出并送到P0口，
可驱动8个TTL门。
/Vpp（30脚）：
当
为高电平且PC值小于0FFFH时，CPU执行内部程序存储器程序；当
为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器程序。
（5）I/O接口
P0口（P0.0～P0.7，39～32脚）三态双向口：
P0口结构包括一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一个输出驱动电路和一个输出控制端。
P0口做地址/数据复用总线使用。
若从P0口输出地址数据信息，此时控制端为高电平，若从P0口输入数据指令信息时，引脚信号应从输入三态缓冲器进入地址总线，它可驱动8个TTL门。
P0～P3口上的“读-修改-写”功能，其操作是先将字节的全部8位数读入，再通过指令修改某些位，然后将新的数据写回到口锁存器中。
P1口（P1.0～P1.7，1～8脚）准双向口：
P1口做通用I/O接口使用，P1口的每一位口线能独立地作用于输入线，P1口可驱动4个TTL门。
P2口（P2.0～P2.7，21～28脚）通用I/O接口：
它做通用I/O接口使用时，是一个准双向口，此时转换开关MUX倒向左边，输出极与锁存器相连，引脚可作为用户I/O口线使用，输入/输出操作与P1口完全相同，P2口做地址总线使用。
当系统中接有外部存储器时，P2口用于输出高8位地址A8～A15，这时在CPU控制下，转换开关MUX倒向右边，接通内部地址总线。
P2口的口线状态取决于片内输出的地址信息，这些信息来源于PC、DPTR等。
在外接程序存储器中，由于访问外部存储器操作连续不断，P2口不断送出地址高8位。
AT89C51单片机的P2口一般只做地址总线使用，不做I/O接口直接连外部设备使用。
P3口（P3.0～P3.7，10～17脚）双功能口：
P3口做通用I/O接口使用，输出功能控制线为高电平，与非门的输出取决于锁存器的状态，此时锁存器Q端的状态与其引脚状态是一致的。
在这种情况下，P3口的结构和操作与P1口相同。
P3口第二功能是可作为系统具有控制功能的控制线，另外P3口可驱动4个LSTTL门电路。
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，这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口使用如：
P3.0RXD（串行输入口）；
P3.1TXD（串行输出口）；
P3.2/INT0（外部中断0）；
P3.3/INT1（外部中断1）；
P3.4T0（记时器0外部输入）；
P3.5T1（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）；
3.2LED数码显示器的结构
LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。
它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。
LED数码显示器有两种连接方法：
（1）共阳极接法。
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，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。
当阴极端输入低电平时，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，使用时公共阴极接地。
每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。
当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。
3.3设计方案
采用一种是用以AT89C51为核心的单片机控制方案。
利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，准确的控制4位LED数码管及2位LED数码管显示。
原理图如3.2.1。
图3.2.1LED数字钟原理图
当按下SW1一次后，按动SW2可以调节小时；当按下SW1两次后，按动SW3可以调节分钟；当按下SW1三次后，按动SW4可以对秒清零（当调到时分秒同时显示时，按动SW4一次为清零，按动SW4两次为恢复）；SW4对所有过程都又清零效果。
4程序设计
4.1主程序模块介绍
主程序主要完成普通运行时，循环显示时间的24小时。
即当没有按键按下的时候，单片机循环主程序，一旦有按键按下，便转向相应的子程序处理，处理结束再返回。
4.2主程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitP1_0=P1^0;
sbitP1_1=P1^1;
sbitP1_2=P1^2;
sbitP1_3=P1^3;
sbitP1_7=P1^7;
sbitP1_6=P1^6;
typedefstruct
{ucharhour;
ucharminute;
ucharsecond;
}time;
timenow={0,0,0};
timedingshi={0,0,0};
ucharcodenum_tab1[]={0x80,0x40,
0x20,0x10,0x08,0x04};
Ucharcodenum_tab2[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
//共阳极显示
ucharstate=0;
ucharcount=100;
ucharflag=0;//调整时间/定时的标志
ucharrecount=0;
ucharrecount1=0;
voiddelay（uinttime1）//延时子程序
{
inti;
intk;
for（i=0;ifor（k=0;k<100;k++）;
}
voiddisplay（timedisnum）//显示子
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