基于AT8951的电子钟带电路图及程序.docx

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基于AT8951的电子钟带电路图及程序

《单片机技术》课程设计任务

一、设计题目：

基于单片机并行口的电子钟的设计

二、适用班级：

电子0303

三、指导教师：

王韧

四、任务与要求：

在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以其高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器，单片机结合简单的接口电路即可构成电子钟，它可广泛应用于工业、农业、日常生活等领域，与传统钟表相比较，它具有高精度、高可靠性、操作方便、价格便宜、智能化等特点，是钟表的一个发展方向，具有一定的实用价值。

1、本课题任务如下：

设计一个具有特定功能的电子钟。

该电子钟上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入时钟准备状态；第一次按电子钟启动/调整键，电子钟从0时0分0秒开始运行，进入时钟运行状态；再次按电子钟启动/调整键，则电子钟进入时钟调整状态，此时可利用各调整键调整时间，调整结束后可按启动/调整键再次进入时钟运行状态。

2、本课题要求如下：

（1）在AT89S51的P0口和P2口外接由六个LED数码管（LED5～LED0）构成的显示器，用P0口作LED的段码输出口（P0.0～P0.7对应于LED的a～dp），P2.5～P2.0作LED的位控输出线（P2.5～P2.0对应于LED5～LED0），P1口外接四个按键A、B、C、D（对应于P1.0～P1.3）。

（2）、利用六个LED显示当前时间。

（3）、四个按键的功能：

A键用于电子钟启动/调整；B键用于调时,范围0-23,0为24点,每按一次时加1；C键用于调分,范围0-59，0为60分,每按一次分加1；D键用于调秒,范围0-59，0为60秒,每按一次秒加1。

（4）、单片机采用AT89S51，fosc=12MHZ。

（5）、电子钟供电电源电路的设计。

（6）、电子钟时钟电路，复位电路的设计。

（7）、编写系统监控程序、键扫子程序、显示子程序及其它所需子程序、功能程序和中断服务程序。

（8）、计算机输出课程设计说明书一份。

（9）、设计时间：

二周

（10）、制作电子钟实物。

五、课程设计说明书主要内容

1、课程设计说明书封面；

2、课程设计任务书封面及课程设计任务书；

3、前言；

4、课程设计说明书目录；

5、电子钟功能说明及总体方案介绍；

6、详细介绍电子钟的工作原理；

7、绘制电子钟整机电路框图、整机电路原理图、电源电路原理图及PCB图各1份；

8、列出电子钟元器件清单；

9、详细介绍电子钟单元电路工作原理（包括电源电路、时钟电路、复位电路、键盘/显示接口电路及所用主要芯片）；

10、单片机硬件资源的使用分配情况；

11、画出电子钟软件系统监控程序、各子程序、中断服务程序及各功能程序的流程框图；

12、列出电子钟软件系统程序清单；

13、写出电子钟的使用说明；

14、设计体会，谈谈本设计的重点、难点及精妙之处，是否存在不足之点及改进意见；

15、提出《单片机技术》课程教学建议；

16、参考资料。

六、课程设计说明书书写格式

参照“课程设计说明书书写格式”文件。

七、参考资料

[1]、曹巧媛，单片机原理及应用[M]，北京：

电子工业出版社，1997.7。

[2]、赵秀珍，单永磊，单片微型计算机原理及其应用[M]，北京：

中国水利水电出版社，2001.8。

[3]、张毅刚，修林成，胡振江，MCS-51单片机应用设计[M]，哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，1990.8。

[4]、张洪润，兰清华，单片机应用技术教程[M]，北京：

清华大学出版社，1997.11。

[5]、李华，MCS-51系列单片机实用接口技术[M]，北京：

北京航空航天大学出版社，1993.8。

[6]、陈景初，单片机应用系统设计与实践[M]，北京：

北京航空航天大学出版社。

[7]、马家辰，MCS-51单片机原理与接口技术[M]，哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社。

[8]、刘守义，单片机应用技术[M]，西安：

西安电子科技大学出版社。

电气自动化教研室

2005年9月10日

前言

电子科技日新月异，人们对现代电子设备的智能化和微型化及其精度提出了更高的要求，而单片机因其具有稳定可靠、体积小、价格低廉等特点，成为设计智能化仪器仪表的首选微控制器，因此本次我们没有选用传统的专用的时钟芯片，而是采用了AT89S51芯片，此款单片机可以使用软件对其进行在线编程，其灵活性和可靠性都相对提高。

通过此次实物制作,增强了我们的动手能力,把理论与实践融合在一起。

同时，也进一步加深了对单片机的硬件结构的理解和巩固，编程能力也得到了提高。

在此将电子钟制作过程中用到的知识进行了一些总结，并记录了遇到的问题，希望自己今后能注意。

同时也希望能成为读者的参考资料，能帮助读者避免出现相同的问题，并能从中得到一些启发。

在此要感谢王老师对我的指导，感谢同组人的合作及帮助过我的同学。

由于编者水平有限,书中的错漏在所难免，恳请读者批评指正。

编者:

吴海林

2005—11—13

1多功能电子表说明及总体方案介绍1

1.1多功能电子表计时方案1

1.2多功能电子表键盘/显示方案2

2电子钟的工作原理4

3多功能电子表原理框图、原理图及PCB图5

3.1多功能电子表原理框图5

3.2多功能电子表整机原理图5

3.3多功能电子表电路PCB图7

4多功能电子表元器件清单9

5多功能电子表单元电路工作原理及芯片11

5.1电源电路工作原理11

5.2时钟电路工作原理11

5.3复位电路工作原理12

5.4键盘电路工作原理12

5.5显示器工作原理13

5.6AT89S51芯片17

5.774LS244芯片20

5.8S8550PNP三极管21

5.9四位一体数码管23

6单片机硬件资源分配25

7程序流程图26

8电子钟程序清单32

9误差分析40

10电子钟使用说明43

11设计体会44

12教学意见45

13参考资料46

1多功能电子表说明及总体方案介绍

本次设计电子钟系统功能简单，用单片机的最小系统就能得以实现。

而单片机的最小系统设计中实际上最重要的就是对键盘/显示器接口电路的设计，由于系统功能不同所以要求就不同，接口设计也就不同。

对一个键盘/显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件特点。

下面是本人在设计前对各种设计方案的考虑：

1.1多功能电子表计时方案

方案一：

采用实时时钟芯片

实时时钟芯片具备年、月、日、时、分、秒计时功能和多点定时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不需程序干预。

计算机可通过中断或查询方式读取计时数据进行显示，因此计时功能的实现无需占用CPU的时间，程序简单。

此外，实时时钟芯片多数带有锂电池做后备电源，具备永不停止的计时功能；具有可编程方波输出功能，可用做实时测控系统的采样信号等；有的实时时钟芯片内部还带有非易失性RAM，可用来存放需长期保存但有时也需变更的数据。

由于功能完善，精度高，软件程序设计相对简单，且计时不占用CPU时间，因此，在工业实时测控系统中多采用这一类专用芯片来实现实时时钟功能。

方案二:

软件控制。

利用单片机内部的定时/计数器进行中断定时，配合软件延时实现时、分、秒的计时及秒表计时。

该方案节省硬件成本，且能使设计者对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而掌握单片机应用技术MCS-51汇编语言程序设计方法，因此，本系统设计采用此种软件控制方法来实现计时。

而由于ATMEL公司的AT89S51单片机是低功耗的具有4KB在线可编程Flash存储器的单片机。

它与通用80C51系列单片机的指令系和引脚兼容。

片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用通用非易失性存储器编程。

它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能价格比的微控制器。

它的功能强大，而且也较容易购买，故本设计中所选的单片机为AT89S51单片机。

1.2多功能电子表键盘/显示方案

方案一:

8279扩展。

该方案方框图如图1.2.1所示，8279是一种可编程的键盘/显示接口专用芯片，它含有键盘输入和显示输出两种功能，键扫描程序和动态显示程序全由8279硬件自动完成，此种方案能以比较简单的硬件

电路和较少的软件开销实现单片机与键盘、LED显示器的接口。

方案二:

8155扩展，LED动态显示。

该方案方框图如图1.2.2所示，8155是一块可编程的接口芯片，与单片机的接口非常简单，它的键盘、显示共用一个接口电路，可节省I/O口。

但动态扫描方式需占用CPU较多的时间，在单片机没有太多实时测控任务的情况下可以采用。

方案三:

串口扩展，LED静态显示。

该方案方框图如图1.2.3所示，独立式键盘配置灵活，软件结构简单，按键较多时不宜采用。

静态显示占用口资源少，采用串口传输实现静态显示，LED数码管与单片机之间通过6个移位寄存器相连，显示亮度有保证，但此方案的硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，比较适用于并行口资源较少的场合。

方案四:

独立式按键，LED动态显示。

该方案方框图如图1.2.4所示，独立式按键直接与单片机I/O口相连构成键盘，每个按键不会相互影响，因本系统用到的按键比较少，采用独立式键盘不会浪费I/O口线，所以本系统采用独立式键盘。

动态显示的亮度虽然不如静态显示，但其硬件电路较简单，可节省硬件成本，虽然动态扫描需占用CPU较多的时间，但本系统中的单片机没有很多实时测控任务，因此，本系统采用此种方案。

2多功能电子表的工作原理

本设计中的电子钟的核心是AT89S51单片机，其内部带有4KB在线可编程Flash存储器的单片机，无须外扩程序存储器，硬件电路主要由四部分构成：

时钟电路，复位电路，键盘以及显示电路。

时钟电路是电子表硬件电路的核心，没有时钟电路，电子表将无法正常工作计时。

本系统时钟电路采用的晶振的频率为12MHz，定时器采用的是定时器0工作在方式1定时，用于实现时、分、秒的计时，定时时间为62.5ms。

复位电路可使电子表恢复到初始状态。

键盘可对电子表进行开启、停止，还能实现时、分、秒的显示及设定等操作。

显示电路由两个共阳级4位一体LED数码管构成，它的段控端和位控端通过74LS244及其S8550PNP型号三极管与AT89S51单片机的I/O口相连，显示器可使电子表显示出时、分、秒。

多功能电子表的计时原理为：

上电后，电子表显示P.提示符，按下A键后，电子表从00：

00：

00开始计时。

当定时器0的定时时间满62.5ms后，定时器0溢出一次，溢出满16次后，电子表的秒加1，满60秒后，分加1，满60分后，时加1，满24时后，电子表重新从00：

00：

00开始计时。

3多功能电子表原理方框图、原理图及PCB图

3.1多功能电子表原理方框图

多功能电子表整机电路方框图如图3.1

3.2多功能电子表电路原理图

3.2.1多功能电子表电源电路原理图

直流稳压电源电路原理图如图3.2所示

3.2.2多功能电子表整机电路原理

3.3多功能电子表电路PCB图

3.3.1多功能电子表电源电路PCB图

电源电路PCB图如图3.4所示

3.3.2多功能电子表整机电路PCB图

多功能电子表整机电路PCB图如图3.5所示

3.5整机PCB图

4多功能电子表元器件清单

多功能电子表电路所有元器件清单如表4.1所示

表4.1多功能电子表元器件清单1

元件名称

封装形式

元件号

LED数码管（共阳极）

DIP-12

D1

LED数码管（共阳极）

DIP-12

D2

510Ω电阻

AXIAL0.4

R1

510Ω电阻

AXIAL0.4

R2

510Ω电阻

AXIAL0.4

R3

510Ω电阻

AXIAL0.4

R4

510Ω电阻

AXIAL0.4

R5

510Ω电阻

AXIAL0.4

R6

510Ω电阻

AXIAL0.4

R7

510Ω电阻

AXIAL0.4

R8

1K电阻

AXIAL0.4

R9

200电阻

AXIAL0.4

R10

4.7K电阻

AXIAL0.4

R11

4.7K电阻

AXIAL0.4

R12

4.7K电阻

AXIAL0.4

R13

4.7K电阻

AXIAL0.4

R14

4.7K电阻

AXIAL0.4

R15

4.7K电阻

AXIAL0.4

R16

4.7K电阻

AXIAL0.4

R17

4.7K电阻

AXIAL0.4

R18

电源插座

UIN

DIANYUAN

74LS244芯片

DIP-20

A1

S8550PNP三极管

TO-5

85501

S8550PNP三极管

TO-5

85502

S8550PNP三极管

TO-5

85503

S8550PNP三极管

TO-5

85504

S8550PNP三极管

TO-5

85505

S8550PNP三极管

TO-5

85506

轻触开关A

DIP04

A

轻触开关B

DIP04

B

轻触开关C

DIP04

C

轻触开关D

DIP04

D

轻触开关

DIP04

S5

12M晶振

XTAL1

Y1

33pF电容

RAD0.2

C1

33pF电容

RAD0.2

C2

22µF电容

RB.2/.4

C3

7805芯片

TO-220

U1

0.33µF电容

RAD0.2

C1

0.1µF电容

RAD0.2

C2

220µF电容

RB.2/.4

C3

220µF电容

RB.2/.4

C4

桥式整流

DIP-04

D2

二极管

DIODE0.4

D1

11V变压器

DIP-5

TR

扩展插针

SIP08

J0

扩展插针

SIP08

J1

5多功能电子表单元电路工作原理介绍

5.1电源电路工作原理

图5.1所示为集成直流稳压电源电路的原理图，本电源电路是由集成稳压器构成的。

电路可分成三部分：

电源变压器部分、整流滤波部分和稳压部分。

变压器原边为工频交流220V电压，经过变压后，变压器副边的电压变为交流11V，11V交流电压经过桥式整流电路整流后变为直流10V电压，直流10V电压作为CW7805的输入电压，CW7805输出+5V电压。

图中D2为整流桥，它由四个整流二极管接成电桥形式。

C3为滤波电容，C1用于抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰。

一般取0.1——1μF。

CW7805为三端固定输出集成稳压器，其输入和输出电压都为固定值，它的输入电压为+10V，输出电压为+5V。

C2和C4用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。

5.2时钟电路工作原理

图5.2所示为时钟电路原理图，在AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。

而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。

时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。

5.3复位电路工作原理

图5.3所示为复位电路原理图，复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序，并使其它功能单元处于一个确定的初始状态。

本复位电路采用的是按键复位，它是通过复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，它兼具上电复位功能。

因本系统的晶振的频率为12MHz，所以，复位信号持续时间应当超过2μS才能完成复位操作。

5.4键盘工作原理

图5.4所示为键盘原理图,本系统采用的是独立式键盘结构，每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。

它软件是采用查询式结构，首先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。

5.5显示器工作原理

系统采用动态显示方式，用P0口来控制LED数码管的段控线，而用P2口来控制其位控线。

动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。

图中的S8550作为驱动器，而8个510欧姆电阻则起限流作用。

由图5.5可知，要想让数码管那一段亮，在该数码管位控段为高电平的情况下给这段送低电平就可以了。

显示电路结构采用动态扫描的方式，所有数码管的段控端公用单片机P0口的8根输出口线，数码管的段控端a、b、c、d、e、f、g、dp分别接到P0口的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口线上，每个数码管的位控线单独占用单片机P2口一根输出口线，8位数码管从高位到低位分别接P2.0～P2.7引脚。

段控码（低电平有效）由P0口输出经上拉电阻上拉电压后通过锁存器74LS244送到数码管的段控端，位控码由P2口输出经三极管S8550驱动后送到数码管的位控端。

在单片机内部显示缓冲区79H、7AH、7BH、7CH、7DH、7EH内的值分别是秒的个位、秒的十位、分的个位、分的十位、时的个位、时的十位，显示器LED0、LED1、LED2、LED3、LED4、LED5分别显示秒的个位十位、分的个位十位、时的个位十位，由图5.5所示。

数码管动态显示：

由于显示的数据和LED数码管的段控码并不是一一对应的关系，即显示的数据与数码管的字型代码不相符。

显示数据与字型代码之间存在着转换关系，数码管段控数据和数码管各段的对应关系如表5.1、表5.2所示。

表5.1数码管数据和数码管每段的对应关系

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

LED显示码

a

1

1

1

1

1

1

1

0

0FEH

b

1

1

1

1

1

1

0

1

0FDH

c

1

1

1

1

1

0

1

1

0FBH

d

1

1

1

1

0

1

1

1

0F7H

e

1

1

1

0

1

1

1

1

0EFH

f

1

1

0

1

1

1

1

1

0DFH

g

1

0

1

1

1

1

1

1

0BFH

dp

0

1

1

1

1

1

1

1

7FH

表5.2数码管断码和字型的对应关系（共阳极）

字型

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

段码

dp

g

f

e

d

c

b

a

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0CO

1

1

1

1

1

1

0

0

1

0F9

2

1

0

1

0

0

1

0

0

0A4

3

1

0

1

1

0

0

0

0

0B0

4

1

0

0

1

1

0

0

1

99

5

1

0

0

1

0

0

1

0

92

6

1

0

0

0

0

0

1

0

82

7

1

1

1

1

1

0

0

0

0F8

8

1

0

0

0

0

0

0

0

80

9

1

0

0

1

0

0

0

0

90

A

1

0

0

0

1

0

0

0

88

B

1

0

0

0

0

0

1

1

83

C

1

1

0

0

0

1

1

0

0C6

D

1

0

1

0

0

0

0

0

0A0

E

1

0

0

0

0

1

1

0

86

F

1

0

0

0

1

1

1

0

8E

P.

0

0

0

0

0

1

1

0

06

全亮

0

0

0

0

0

0

0

0

00

全灭

1

1

1

1

1

1

1

1

0FF

从电子钟程序清单中的显示程序可以知道:

数据表格存储单元从首地址到最高位分别存放的是共阳极数码管0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、P.、灭的十六进制字型代码，所以只要把显示缓冲区内的数值加上偏移地址rel（偏移量计算方法如式3.1所示）,把和送到累加器A中，使用MOVCA,@A+PC就可以取出缓冲区内要显示数据的字型代码，当然要取P.和灭的字型代码就要分别给缓冲区送0AH、0BH。

偏移地址rel=数据表格首地址-MOVCA@A+PC指令单元首地址-1式3.1

在动态扫描时，显示缓冲区79H内部存放的是要显示的秒的个位的数值，使用MOVCA,@A+PC指令取出段控码，由P0口输出通过锁存器74LS244后送到数码管的段控端，给P2口送01H通过锁存器74LS244驱动以后，只有LED0位的位控端有效，此时只有LED0被点亮来显示秒的个位，延时持续点亮一段时间，然后把显示缓冲单元地址加1，位控值左移一位，取出段控码，再把段控码和位控码送到数码管显示器，此时只有LED1被点亮显示秒的十位，延时持续点亮一段时间，就这样通过逐个地从低位到高位点亮各个显示器，扫描到最高位时的十位被点亮就返回。

这样虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。

5.6AT89S51芯片介绍

如图5.7所示为AT89S51芯片的引脚图

兼容标准MCS-51指令系统的AT89S51单片机是一个低功耗、高性能CHMOS的单片机，片内含4KB在线可编程Flash存储器的单片机。

它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。

AT89S51单片机片内的Flash可允许在线重新编程，也可用通用非易失性存储编程器编程；片内数据存储器内含128字节的RAM;有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口;具有两个16位可编程定时器；中断系统是具有6个中断源、5个中断矢量、2级中断优先级的中断结构；震荡器频率0到33MHZ,因此我们在此选用12MHZ的晶振是比较合理的；具有片内看门狗定时器；具有断电标志POF等等。

AT89S51具有PDIP,TQFP和PLCC三种封装形式。

上图就是PDIP封装的引脚排列，下面介绍各引脚的功能。

P0口：

8位、开漏级、双向I/O口。

P0口可作为通用I/O口，但须外接上拉电阻；作为输出口，每各引脚可吸收8各TTL的灌电流。

作为输入时，首先应将引脚置1。

P0也可用做访问外部程序存储器和数据存储器时的低8位地址/数据总线的复用线。

在该模式下，P0口含有内部上拉电阻。

在FLASH编程时，P0口接收代码字节数据；在编程效验时，P0口输出代码字节数据（需要外接上拉电阻）。

P1口：

8位、双向I/0口，内部含有上拉电阻。

P1口可作普通I/O口。

输出缓冲器可驱动四个TTL负载；用作输入时，先将引脚置1，由片内上拉电阻将其抬到高电平。

P1口的引脚可由外部负载拉到低电平，通过上拉电阻