基于AT89C51单片机的定时闹钟设计.docx
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基于AT89C51单片机的定时闹钟设计
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班级：
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基于89C51单片机的电子闹钟设计
一、设计要求
（1）设计并实现一个具有计时功能的电子时钟系统，电子表的时间精确到秒，并可以显示年、月、日、时、分、秒。
（2）利用液晶显示器显示定时器的日期和时间。
（3）使用键盘进行设置时间和设置闹钟。
（4）定时时间到通过蜂鸣器报警和发光二极管闪烁通知，并持续60s。
二、硬件设计
（1）系统设计框图
（2）选择硬件设备
单片机:
选择AT89C51;
液晶显示器：
具有16字符显示功能的1601
键盘:
选择4行*4列的矩阵键盘
LED：
选择红色的发光二极管
E2PROM：
X2545
图2时钟信号发生单元
基本元件：
蜂鸣器，电容，晶体振荡器，电阻，开关
电源：
使用+5v直流稳压源
基本模块的构成
①时钟信号发生单元如右图2
利用晶振和电容以及单片机内部
电路，构成晶体并联振荡器，产
生12MHz的时钟频率
②复位电路如右图3
利用一个简单的电容和按键实现
图3复位单元电路
实现对系统的复位功能
由此基本模块可以实现最小的单片机系统
（3）电子时钟硬件原理图
图4硬件电路原理电路
（4）主要器件的原理
①液晶显示原理
液晶显示器种类繁多，按输出样式分为，图案式，数码式，点阵式。
本设计方案利用的是点阵式液晶显示器，而液晶驱动方式又和数码管驱动截然不同，虽然比数码管需要更小的工作电压，但是其结构所需要的扫描方式较数码管来说，是比较复杂的，而且输入输出数据速度慢，市场上是常用点阵式液晶驱动器的，常用的有1601、1602……，“16”代表显示字符共有几列，“01”、“02”代表输出字符共有几行。
下面是驱动1601的驱动方法。
驱动1601的一个很重要的方面就是液晶显示器的初始化，主要是利用控制、数据复用总线来输入指令，进行初始化。
基本操作
读状态：
输入：
RS=L,RW=H,E=H输出：
D0~D7=状态字
写指令：
输入：
RS=L,RW=L,D0~D7=指令码，E=高脉冲输出：
无
读数据：
输入：
RS=H,RW=H,E=H输出：
D0~D7=数据
写数据：
输入：
RS=H,RW=L,D0~D7=数据，E=高脉冲输出：
无
状态字说明
Sta7
（读写操作能）
D7
Sta6
D6
Sta5
D5
Sta4
D4
Sta3
D3
Sta2
D2
Sta1
D0
Sta0
D0
1：
禁止
0：
允许
当前数据指针的数值
利用Sta7可以用来检测当前驱动器是否处于忙状态，这样的话可以避免在忙状态的情况下，进行写数据会产生漏写的错误；或者可以利用延时，具体时间可以参照datasheet，一般都为几毫秒左右。
初始化设置
初始化时首先要进行写命令操作，然后按照datasheet的说明进行写指令
显示模式设置
指令
指令使能
指令码
描述
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
显示模式
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
5*7点阵显示，8位数据接口
1）常用显示指令
指令
指令使能
指令码
描述
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
清屏
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
数据指针清零
所有显示清零
回车
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
数据指针清零
显示控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
D=1：
开；D=0：
关
C=1：
光标显示
C=1：
光标不显示
B=1：
光标闪烁
B=0：
光标不闪烁
2）屏幕移动指令
指令
指令使能
指令码
描述
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
入口
方式
设置
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
I/D=1:
cincrease;
I/D=0:
cdecrease;
S=1:
整屏移动；
S=0：
指针
或
显示移动
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
S/C=0,R/L=0:
指针左移显示不移
S/C=0,R/L=1:
指针右移显示不移
S/C=1,R/L=0:
显示和指针左移
S/C=1,R/L=1:
显示和指针右移
3）设置内部RAM地址
指令
指令使能
指令码
描述
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
设置CG
ADDR
0
0
0
1
A
A
A
A
A
A
对字符的点阵
进行编程
设置DD
ADDR
0
0
1
A
A
A
A
A
A
A
设置显示数据
存储器地址
②键盘扫描原理
键盘分为编码键盘，和非编码键盘。
编码键盘是靠硬件电路对每个键位进行编码，当有键按下时，输出固定的数码，并用来判断键位。
常见的编码键盘如PC键盘；非编码键盘是指，键盘不是靠固定的编码来实现对键位的识别的，而是靠一定的算法来对键位进行扫描，矩阵键盘就是常见的一种非编码键盘。
编码键盘一般需要较多的硬件电路，所以成本较非编码键盘较高，故一般的单片机系统都采用非编码键盘，目的是充分利用单片机的丰富的软件资源，弥补硬件的不足。
机械按键在按动的过程中，往往会产程抖动，这又是对一个控制系统的致命伤，因此必须采取措施消除抖动。
目前，消除抖动的方法主要有两种：
利用硬件RS锁存器进行消除抖动，将复杂跳变的信号变成稳定的信号；利用软件算法实现对抖动的排除，灵活性大，较常用，一般的，抖动的持续时间为数毫秒，所以为了简单起见，本设计方案利用延时来消除抖动。
对于键盘的扫描常用的有逐行扫描法和线反转法。
逐行或列扫描法的思路是，利用列线，做输入，行线做输出。
首先使四根列线的某一根置零，当在此列的某一行有键按下时，该行线即为低电平，其余均为高电平，这样这个键就被编码；然后再使另一列线置零，检测下一列是否有键按下；不断这样循环，就可以对整个键盘进行逐列扫描了。
线翻转法的思路是，把列线当做线，所以，对其中某条线置低电平，其余为高电平，然后去读行线状态，那么线的状态和行的状态相连就是当前按下的键的键值，例如，线的状态为1011，读得行的状态为1101，则当前按键的键值为10111101。
综观这两种方法，逐行扫描法，需要多次循环才能对整个键盘进行全扫描，速度慢，而且还有可能导致有些键检测不出，而线翻转法只需两句程序就可以扫描到键值，因此本设计采用先翻转法对键盘进行扫描。
键名
7
8
9
编码值
0x0EE
0x0DE
0x0BE
0x07E
索引值
7
8
9
15
键名
4
5
6
编码值
0x0ED
0x0DD
0x0BD
0x07D
索引值
4
5
6
14
键名
1
2
3
编码值
0xEb
0xDB
0xBB
0x07B
索引值
1
2
3
13
键名
0
编码值
0x0E7
0xD7
0x0B7
0x077
索引值
11
0
12
10
③E2PROM原理
三、软件仿真设计
（1）不同软件模块间的同步调度的总体设计
本系统的软件部分的功能模主要有初始化模块、定时器模块、液晶显示模块、键盘扫描模块、键盘识别模块、模式转换模块、常用调用子程序模块。
为了充分利用单片机的资源，对不同模块之间需要合理调度，对于只有一个任务的系统来说，实现该系统的程序往往是顺序执行的程序，各种模块之间也只是调用与被调用的关系，对于更复杂的系统，如菜单系统，也只不过是一个分支结构，菜单反复在死循环里检查输入状态，一旦选中某个选项，马上跳入分支当中顺序执行，执行完毕后立即返回到菜单检测模块。
对于这样的系统，往往不用考虑模块之间的并行关系，只需考虑顺序执行即可。
但是对于本次实现的系统中定时器模块属于中断模块，独立于任何模块；液晶显示模块，键盘扫描模块，键盘识别模块，模式转换模块均为同步的模块（从宏观上讲，各个模块是同步执行的，从微观上讲，是各个模块之间通过一定的标志变量顺序执行的），而初始化模块，子程序调用模块为调用与被调用的模块，无需考虑它与其他模块之间的同步关系。
现在介绍本次设计的各相互同步模块之间的调度关系。
定时器模块为本设计最为独立模块主要又定时器0和定时器1构成：
定时器0工作在方式1，为50ms的定时器，中断服务程序中软计数为键盘扫描模块、计时器运算模块的执行标志变量置位。
键盘扫描的执行可以是随机顺序执行或者时间片轮转方式执行，但是通过分析可以明确，随机顺序方法容易出现扫描失误。
所以采用中断方式的时间片轮转法调度键盘扫描模块，实践证明30ms的周期扫描键盘调度较为合适，但是考虑到计时器的计数触发基本单元是依靠定时器0得到1s的脉冲，而定时器0为50ms的定时间隔，所以利用定时器0产生的每50ms的中断信号，进行为键盘扫描模块的执行标志变量置位。
键盘扫描执行完毕后，进行键位判断，对于模式键的识别时，要调用模式变换模块。
软件框图如下：
（2）主要的功能模块设计说明
Ⅰ.应用的主要C语言关键字
A．位域的使用
设计中会用到很多标志变量，状态控制变量，如果单单利用CHAR型变量，会有0~255的个状态，会浪费很多存储器容量；所以这里使用位域，可以对一字节的某一位或者几位来操作，可以节省很多空间，利用一字节就可以设计出很多标志变量；然而对于状态变量，对状态变量会进行加减操作，往往还要判断是否溢出，而使用几位的位域变量来说，他的状态只在那几位所允许的状态，如3位，状态为0~7。
位域的声明方法：
Struct位域结构名
{
类型说明符位域名：
位域长度；
……；
……；
}
B.将数组声明成code类型的数据
（Const）数据类型名code变量名[]={…，…，…，…，…，…}
这样做可以节省较少的RAM空间，利用较大的ROM空间。
Ⅱ.初始化模块
A.定时器模块初始化：
定时器0和定时器1的初始化：
定时器0工作在方式1，初值为#3CB0，定时时间为50ms；定时器1工作方式1，初值为#FB1E，定时时间为1.25ms，产生400hz的脉冲。
B.液晶显示器驱动模块
显示模式初始化，数据总线初始化，光标显示初始化，当输入数据时，光标和显示右移。
C.标志变量初始化，系统变量初始化，状态变量初始化。
Ⅲ.定时器模块
键盘执行标志变量置位,计时器执行计数标志变量置位,闹钟检测模块执行标志变量置位
Ⅳ.液晶显示模块
反复对LcdStr字符数组进行扫描显示
Ⅴ.键盘扫描模块
利用线反转法进行扫描，调用keyscan（）子程序。
Ⅵ.计时器模块
主要包括闹表检测，闹表输出系统，冒号闪烁，闰年检测和月份检测，时间运算及时间显示。
另外还有加减校时系统，当本系统工作模式0时，可进行加减校时，并可以进行转换，进而加减校分。
Ⅶ.键位识别模块
当检测到有键按下时，读取返回键的编码，利用Switch语句进行分支判断，利用各个键的索引进行判断，分别调用不同的模块。
Ⅷ.模式变换模块
模式共有四个模式分别为模式0、模式1、模式2、模式3；
模式0：
计时器模块，显示万年历功能，精确到秒，可以显示年月日，并可以进行加减校时，并可以像真正的电子时钟一样，“：
”一闪一闪的显示，以体现秒的计时。
模式1：
闹表预置数定义，可以逐个置数，若置数值为非法值则显示错误信息，按确定键返回，继续输入当前的闹表预置数；在预置数时，可以按“+/-”来设置当前设置的闹钟索引。
模式2：
可以直接定义当前的时间，只能定义时分秒，同样具有非法值检测，可以重新输入，输入正确后可以继续设置新值，或者转换到其他模式。
模式3：
显示已设置闹表的时刻值，同样利用“+/-”可以进行显示当前闹表时刻值的索引，进行加减变化
对于这些模块中的可以输入的模块，可以利用“=”进行将已输入的值清空。
常用的调用子程序模块
常用的子程序有：
延时子程序，键盘扫描子程序，清屏子程序，字符串复制子程序，显示子程序。
（3）程序流程图
四、系统总体功能实现
具体功能：
在开机时刻，欢迎界面滚动显示“welcome”，按“on/c”进入正常模式。
数字输入功能：
在模式1，模式2可以进行手动输入时刻值。
模式切换模式：
按“除”号进行切换模式加减校时、校分的功能，并可以正常溢出返回初值。
利用“*”进行时分切换校准。
在闹表设置和显示的模式中，可以利用“+”，“-”进行选择设置闹表预置数的索引。
键名
7
8
9
功能
数字7
数字8
数字9
切换工作
模式
键名
4
5
6
功能
数字7
数字5
数字6
确定/分时切换
键名
1
2
3
功能
数字1
数字2
数字3
时刻减一/闹表
索引减一
键名
0
功能
启动电子时钟
数字0
模式1/2清屏
时刻加一/闹表
索引加一
键盘各键位的功能
五、程序清单
/*电子时钟设计实验（fosc=6MHZ）*/
#include"reg51.h"
//externchar*strcpy（char*s1,char*s2）;
sbitP3_0=P3^0;
sbitRS=P3^3;/*寄存器选择信号*/
sbitRW=P3^4;/*读/写控制信号*/
sbitE=P3^5;/*使能信号*/
sbitCON=P3^6;
sbitCLK=P3^7;
sbitAcc_b=ACC^7;/*定义累加器的第七位*/
sbitP0_0=P0^0;
sbitsign=PSW^5;
unsignedcharkey_value;
structfg
{
unsignedtim:
1;//秒增一允许标志位
unsigneddip:
1;//欢迎界面标志位
unsignedkey:
1;//有键按下标志位
unsignedkey1:
1;//键盘扫描调度时钟标志位
unsignedmode:
2;//状态模式控制
unsignederror:
1;//写数据超出范围错误标志位
unsignedsmart:
1;//闹表信号翻转标志位
}flag;
structffg
{
unsignedf1:
1;//
unsignedclk:
1;//
unsigneddm:
1;//校时较分标志位
unsignedclock:
3;//设置闹表时间索引
unsignedfclk:
1;//
unsignedf:
1;//
}ffg,ffg1;
structyear
{
unsignedren:
1;
unsignedeven:
1;
unsigneder:
1;
unsignedodd:
1;
unsignedfff:
4;
}y;
unsignedchartime,n,nn,sec,min,hour,day,month,cmin[8]={0},chour[8]={0};
unsignedintyear;
constcharcodedday[]={32,31,30,29};
constcharcodeerror[]="pleaseinputagain";
constcharcodeclock[]="CLOCK:
[]";
constcharcodetime1[]="settime:
";
constcharcodecurclk[]="CURCLOCK:
[]";
unsignedintcodetab[]={0xD7,0xEb,0xDB,0xBB,0x0ED,0x0DD,0x0bd,0x0EE,
0x0DE,0x0BE,0x077,0x0E7,0x0B7,0x07B,0x07D,0x07E};/*键码表*/
unsignedcharcodelt[]={0x7f,0x0bf,0x0df,0x0ef};/*行扫描码*/
unsignedcharcodedigit[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0};
voiddelay（unsignedcharn）
{
unsignedchari,j;
while（n--）
{
for（i=0;i<9;i++）
for（j=0;j<11;j++）
;
}
}
voidstrcpy（char*p1,char*p2）
{
while（*p2!
='\0'）
{
*（p1++）=*p2;
p2++;
}
*p1='\0';
}
voidPrint（void）/*写指令子程序*/
{
unsignedcharj;
RW=0;/*RW=0,写指令*/
E=1;
E=0;
for（j=0;j++<100;）;/*延时*/
return;
}
voidclear（char*p）
{
char*pstr;
pstr=p;
while（*pstr!
='\0'）
{
*（pstr++）='';
}
pstr=p;
}
void_clo_ck（）interrupt3
{
//ffg.clk=~ffg.clk;
CLK=~CLK;
TH1=0xFB;
TL1=0x1E;
return;
}
voidtimeint（）interrupt1using3/*定时器0中断程序，使用第3组寄存器*/
{
time--;/*循环次数减1*/
n--;
flag.key1=1;
if（time==0）/*若循环值为0，则对P1.0取反*/
{//cibuweifuzhugongnengbushibixude
time=20;/*恢复循环初值*/
flag.tim=1;
}
if（n==0）
{
n=10;
flag.smart=1;
sign=~sign;
}
TH0=0x3c;/*恢复计数初值*/
TL0=0x0b0;
return;/*中断返回*/
}
charscankey（void）
{
unsignedinti,a,b,y;
P2=0x0f;/*行线输出低电平,并判断是否有键按下*/
i=0;/*行计数器清零*/
b=lt[i];
for（i;i<4;i++）/*取行扫描码*/
{b=lt[i];
P2=b;/*送行扫描码到P2口*/
a=P2;/*读入列值*/
a=a&0x0f;/*保留低4位*/
if（a!
=0x0f）
break;
}
if（i<=3）
{/*循环到该列有键按下为止*/
b=b&0x0f0;/*取行扫描码的高4位*/
b=b|a;/*合并成为按键的扫描码*/
i=0;/*计数器清零*/
for（;b!
=tab[i];i++）;/*在键值表中查找相应的键值*/
for（y=0;y<2000;y++）;/*延时,去抖动*/
key_value=i;
for（P2=0x0f;P2!
=0x0f;）;/*判断按键是否结束*/
for（y=0;y<2000;y++）;/*延时*/
flag.key=1;
}
return（key_value）;
}
display（unsignedchartemp）
{
unsignedk;
for（k=0;k++<100;）;
RS=1;/*送出一个字母*/
RW=0;
E=1;
P1=temp;
for（k=0;k++<100;）;/*延时*/
E=0;
}
lcd_init（void）
{
unsignedchari,j;
RS=0;/*向LCD写入3条30H?
使之复位*/
RW=0;
P1=0x30;
for（i=3;i>0;i--）
{E=1;
E=0;
for（j=0;j++<100;）;/*延时*/
}
P1=0x38;/*设置8位数据总线方式*/
print（）;
P1=1;/*清屏指令01H*/
Print（）;/*调向LCD写指令子程序*/
P1=6;/*设置输入方式：
AC加1计数，光标右移1个字符*/
Print（）;/*设置显示方式：
开显示，光标显示；闪烁*/
P1=0x0c;
Print（）;
E=1;
E=0;
//j=0;/*显示计数器*/
RS=0;
RW=0;
P1=1;/*设置8位数据总线方式*/
print（）;
E=1;
E=0;
}
voidinit（void）
{
P0=0xc0;
n=10;
nn=12;
flag.tim=0;
ffg.f1=1;
ffg.clock=0;
}
time_init（void）
{
TMOD=0x11;/*设置计数器0工作方式1*/
TH0=0x3c;/*送计数器初值*/
TL0=0x0b0;
TH1=0xFB;
TL1=0x1E;
ET1=1;
TR1=1;
EA=1;/*开中断*/
ET0=1;
TR0=1;
time=20;/*设置循环次数初值*/
//TR0=1;/*开始计时*/
}
main（）/*主程序*/
{
unsignedchari,j,k,m,p=0,vp;
charLcdStr[16]={"welcome"};/*定义数组并初始化*/
char*pstr=LcdStr;
m=10;
lcd_init（）;
init（）;
time_init（）;
j=0;/*显示计数器*/
CON=0;
for（i=0;i<16;i++）/*显示字母*/
{
//busy（）;/*判忙*/
RS=1;/*送出一个字母*/
RW=0;
E=1;
P1=LcdStr[i];
for（k=0;k++<100;）;/*延时*/
E=0;
j++;/*显示计数器加1*/
//if（j==8）/*不到显示位置9跳转*/
//{
//for（k=
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