单片机新颖60秒LED旋转电子钟Word格式.doc
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本实验设计的LED显示器件显示的电子时钟，可以有效的克服时钟存在误差的问题，在夜间不必照明就可以看到时间，且以60只发光管实现秒显示，接进传统的秒针显示秒的形式，用户更容易接受，而且美观大方。
1.1LED旋转电子钟概述
随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的LED旋转电子钟。
本设计以单片机89C2051为控制核心，由实时时钟模块、电源模块、人机接口模块、60秒旋转译码驱动模块等部分组成。
其中实时时钟采用DS12887可实现年月日时分秒等时间信息的采集和闹钟功能。
温度检测模块由DS18B20集成温度传感器对现场环境温度进行实时检测。
人机接口模块由3个键盘和4个LED数码管组成，可实现时间显示、闹钟设置、时间校对等功能。
60秒旋转译码驱动模块是由60个发光二级管组成，模拟“秒针”的行走。
1.2本次设计的要求
（1）用4只LED数码管输出显示时和分。
（2）可通过按键设置闹钟的功能，且停闹无须手工操作。
（3）可同过按键设置分校时。
（4）月计时误差小于45秒
（5）用60只LED发光管旋转显示，模拟“秒针”行走。
1.3系统主要功能
本设计完成了以下功能：
（1）4只LED数码管显示当前时分
（2）每隔一秒周边的60只LED发光管旋转一格。
（3）当发生停电的时候，由后备电池供电，系统进入低功耗状态，所有显示部件停止显示，当恢复供电后，系统自动恢复工作状态，不影响计时。
第2节系统硬件设计
2.1系统设计框架及实现
2.11系统原理图
图2-1电子钟系统原理图
2.1.2系统设计框图
电子钟的原理框图如图2-2所示。
它由以下几个部件组成：
单片机89C2051、电源、时分显示部件、60秒旋转译码驱动电路。
时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。
时分显示模块、60秒旋转译码驱动电路以及显示驱动都通过89C2051的I/O口控制。
电源部分：
电源部分有二部分组成。
一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作；
另一部分是由3V的电池供电，以保证停电时正常走时。
正常情况下电池是不提供电能的，以保证电池的寿命。
具体电路参见“新颖的60秒旋转电子钟参考电路原理图”。
图2-2电子钟系统设计框图
2.2系统硬件组成
2.2.1AT89C2051单片机及其引脚说明
AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。
内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。
由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3所示。
与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为：
图2-3AT89C2051引脚配置图2-4CD4017引脚图
VCC电源电压。
GND接地。
RST复位输入。
当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。
XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2来自反向振荡放大器的输出。
P1口8位双向I/O口。
引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。
P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；
P1口引脚写入“1”后，可用作输入。
在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。
P3口引脚P3.0～P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。
P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。
P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；
P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。
P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。
P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
表2-1P3口特殊功能
P3口引脚
特殊功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
2.2.260秒旋转译码驱动原理
按常规传统设计，需60进制译码驱动电路才能实现60秒旋转译码驱动，若用六片十进制计数译码器构成六十进制计数译码电路，则电路连线多（需要120根连线），硬件电路庞大，开销大。
为此，我们巧妙地采用了两片CD4017进行六十进制计数译码，实现60秒旋转译码驱动。
既减少了电路的复杂程度又可降低了成本。
图4为CD4017功能引脚图，图5为其时序图。
图2-5CD4017时序图
CD4017集成电路是十进制计数/时序译码器，共有10个译码输出Q0～Q9；
每个译码输出通常处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平；
每个高电平输出维持1个时钟周期；
每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。
在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时，只有输出端Q0为高电平，其余各输出端均为低电平“0”。
为实现对发光二极管的驱动，将每一个译码输出端口接一只发光二极管，并将二极管串联限流电阻后接地。
当译码端口Q0～Q9中任一端口为高电平，则对应的发光二极管点亮，如图6（左）所示。
仔细考查CD4017的功能，可发现其10个输出的高电平是相互排斥的，即任一时刻只有一只发光二极管点亮，因此可将图6（左）电路进一步简化为如图6（右）所示，从而简化电路设计。
图2-6CD4017控制发光二极管原理图
在本电子钟设计中，每秒点亮一个发光二极管，循环点亮一周共需60个发光二极管，若用上述的6片CD4017实现驱动，显然电路复杂。
为此我们选用两片CD4017和一片6反相器，采用“纵横双译码”技术，巧妙地实现60秒旋转译码驱动，其中一片接成10进制，一片接成6进制，实现6×
10=60的功能，具体连接方法如图7所示。
图2-7发光二极管“纵横双译码”循环点亮LED原理图
将周期为1秒的输入脉冲作为其中一片CD4017的时钟脉冲，而此片的级联进位输出端（QC）作为另一片的时钟输入，并将Q6与复位端相连。
在两片译码输出端交叉点上接入发光二极管，构成6×
10矩阵。
根据CD4017时序特点，在初始状态，作为高位（纵）的CD4017译码器输出端口Q0处于高平，经反相器反相后为低电平。
当作为低位（横）的CD4017译码器输出端口Q0～Q9依次输出高电平后，则对应的二极管LD1～LD10依次点亮；
此后由于QC端的进位，高位CD4017译码输出端口Q1输出高电平，反相后输出低电平，当低位的CD4017译码输出端口Q0～Q9依次输出高电平后，二极管LD11～LD20依次点亮。
如此往复，直至高位Q6向复位端输入高电平，CD4017复位，60秒循环点亮重新开始。
2.2.3时分显示部件
由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。
LED有共阴极和共阳极两种。
如图8所示。
二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。
一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。
当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；
不加电压则暗。
为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。
图2-8LED数码管结构原理图
众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。
本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。
所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的转换。
从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。
各段码位与显示段的对应关系如表2。
表2-2各段码位的对应关系
段码位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示段
dp
g
f
e
d
c
b
a
需说明的是当用数据口连接LED数码管a～dp引脚时，不同的连接方法，各段码位与显示段有不同的对应关系。
通常数据口的D0位与a段连接，D1位与b段连接，……D7位与dp段连接,如表2所示，表3为用于LED数码管显示的十六进制数和空白字符与P的显示段码。
表2-3LED显示段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
B
83H
7CH
3
BOH
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
84H
71H
7
F8H
07H
空白
FFH
00H
8
80H
7FH
P
8CH
73H
注：
（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。
（2）“空白”字符即没有任何显示。
根据AT89C2051单片机灌电流能力强，拉电流能力弱的特点，我们选用共阳数码管。
将AT89C2051的P1.0～P1.7分别与共阳数码管的a～g及dp相连，高电平的位对应的LED数码管的段暗，低电平的位对应的LED数码管的段亮，这样，当P0口输出不同的段码，就可以控制数码管显示不同的字符。
例如：
当P0口输出的段码为11000000，数码管显示的字符为0。
数码管显示器有二种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。
为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。
动态扫描显示方式需解决多位LED数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的“段控”（即要显示的段码的控制）通过P0口实现；
而每一位的公共端，即LED数码管的“位控”，则由P3口控制。
这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。
在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。
在本系统中,字位线的选通与否是通过PNP三极管的导通与截止来控制,即三极管处于“开关”状态。
系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成，前两只用于时的显示，后两只用于分的显示。
值得一提的是，在设计中需要实现时与分之间的两个闪烁点，为此，将第三只LED数码管倒置摆放，这样就形成了两个很自然的闪烁点。
与此同时，为了能使两点显示能够形象的表示时钟“秒”的变化，设计时，将两个点由P1.7单独控制，每隔一秒使P1.7发送一个正脉冲，从而实现了两个点的闪烁显示，闪烁周期为一秒。
第3节系统的软件设计
本系统的软件系统主要可分为主程序和定时器中断程序两大模块。
在程序过程中，加入了抗干扰措施。
3.1系统主程序设计
主程序的功能是完成系统的初始化，在显示时间之前，对系统是否停电状态进行检测；
若停电，将系统进入低功耗状态，用电池电压维持单片机计时工作，但此时不显示时间，用节省用电；
若不停电，则将时分发送显示。
程序流程如图3-1所示。
图3-1系统主程序流程图
3.2中断程序设计
中断程序（如图10所示）完成时间计数，时间调整，误差消除等功能。
中断采用AT89C2051内部T0中断实现，定时时间为125ms，当时间到达125ms×
8,即1分钟时，分计数缓冲器MINBUFFER增加1，到达1小时，则时计数缓冲器HOURBUFFER增加1，并将分、时的个位、十位放入显示缓冲器。
当分计数缓冲器和时计数缓冲器分别到达60min、24h时，则对它们清零，以便从新计数。
在中断设计中，还通过软件实现了累计误差消除功能，使整个系统时间的精确度得到保证。
图3-2定时中断程序
3.3程序清单
DPBIT24H.3;
定义半秒闪烁位单元
SECONDEQU31H;
定义计数单元
MBUFEQU32H;
定义分计数单元
HBUFEQU33H;
定义时计数单元
MBUF0EQU34H;
定义分个位计数存储单元
MBUF1EQU35H;
定义分十位计数存储单元
HBUF0EQU36H;
定义时个位计数存储单元
HBUF1EQU37H;
定义时十位计数存储单元
DMBF0EQU40H;
定义分个位显示缓冲单元
DMBF1EQU41H;
定义分十位显示缓冲单元
DHBF0EQU42H;
定义时个位显示缓冲单元
DHBF1EQU43H;
定义时十位显示缓冲单元
AMBF10EQU44H;
定义定闹1分个位缓冲单元
AMBF11EQU45H;
定义定闹1分十位缓冲单元
AHBF10EQU46H;
定义定闹1时个位缓冲单元
AHBF11EQU47H;
定义定闹1时十位缓冲单元
AMBF1EQU48H;
定义定闹1分计数单元
AHBF1EQU49H;
定义定闹1时计数单元
AMBF20EQU4AH;
定义定闹2分个位缓冲单元
AMBF21EQU4BH;
定义定闹2分十位缓冲单元
AHBF20EQU4CH;
定义定闹2时个位缓冲单元
AHBF21EQU4DH;
定义定闹2时十位缓冲单元
AMBF2EQU4EH;
定义定闹2分计数单元
AHBF2EQU4FH;
定义定闹2时计数单元
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG000BH
MOVTL0,#0DCH;
125毫秒定时器初值低8位
MOVTH0,#0BH;
125毫秒定时器初值高8位
LJMPINTTO
MAIN:
MOVSP,#6FH
MOVR2,#08H;
定时器1秒中断次数
MOVR4,#08H;
快校时定时计数，8X125ms后快校时
MOVSECOND,#3CH;
秒计数单元
MOVMBUF0,#0;
分个位计数存储单元0初值
MOVMBUF1,#0;
分十位计数存储单元1初值
MOVHBUF0,#0;
时个位计数存储单元0初值
MOVHBUF1,#2;
时十位计数存储单元1初值
MOVMBUF,#00H;
分计数存储单元初值
MOVHBUF,#20H;
时计数存储单元初值
MOVAMBF10,#1;
定闹1分个位计数存储单元0初值
MOVAMBF11,#5;
定闹1分十位计数存储单元1初值
MOVAHBF10,#0;
定闹1时个位计数存储单元0初值
MOVAHBF11,#2;
定闹1时十位计数存储单元1初值
MOVAMBF1,#51H;
定闹1分计数存储单元初值
MOVAHBF1,#20H;
定闹1时计数存储单元初值
MOVAMBF20,#3;
定闹2分个位计数存储单元0初值
MOVAMBF21,#5;
定闹2分十位计数存储单元1初值
MOVAHBF20,#0;
定闹2时个位计数存储单元0初值
MOVAHBF21,#2;
定闹2时十位计数存储单元1初值
MOVAMBF2,#53H;
定闹2分计数存储单元初值
MOVAHBF2,#20H;
定闹2时计数存储单元初值
MOVIE,#10000010B;
允许定时器0中断
MOVTMOD,#00100001B;
T0方式1
MOVTL0,R5;
MOVTH0,#0BH;
125毫秒定时器初值高8位
MOVIP,#00000010B;
定时器0高优先级
SETBTR0;
启动T0计时
LOOP:
MOVR4,#08;
喂狗
MOVA,HBUF;
取时整点
SUBBA,#7
JCLOOP1;
判断是否早7时前
早7时前----晚22时后为夜间
SUBBA,#22H
JNCLOOP1;
判断是否晚22时后
ACALLDISP
AJMPALARM1
LOOP1:
ACALLNDISP;
是夜间,调用夜间显示子程序
ALARM1:
MOVA,AHBF1;
判定闹1
CJNEA,HBUF,ALARM2;
判定闹1的小时是否与系统时间相等？
MOVA,AMBF1
CJNEA,MBUF,ALARM2;
判定闹1的分是否与系统时间相等？
MOVC,DP
MOVP3.3,C;
蜂鸣器响半秒,停半秒
MOVA,SECOND;
定闹1分钟
JNZLOOP
ALARM2:
MOVA,AHBF2
CJNEA,HBUF,LOOP2;
判定闹2的时是否与系统时间相等？
MOVA,AMBF2
CJNEA,MBUF,LOOP2;
判定闹2的分是否与系统时间相等？
MOVC,DP
MOVP3.3,C;
MOVA,S
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