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单片机数字时钟设计之欧阳史创编

河南工程学院毕业设计（论文）

时间：

2021.02.10

创作：

欧阳史

单片机数字时钟设计

学生姓名：

吴小勇

系（部）:

电气信息工程系

专业：

对口应用电子

指导教师：

2009年4月2日

摘　　要

随着电子技术的迅速发展，特别是随大规模集成电路出现，给人类生活带来了根本性的改变。

由其是单片机技术的应用产品已经走进了千家万户。

电子万年历的出现给人们的生活带来的诸多方便。

我所设计的是一个数字时钟自动报时系统，自动报时系统用到的单片机芯片是AT89C51芯片，除此之外还包括：

DS1302芯片、晶振电路和复位电路构成单片机最小应用系统，还有独立式按键电路，动态显示电路等等。

它不仅能实现数字电子时钟的各种功能，如具有较时、调时、定时、闹钟等功能，而且还能实现定点报时的功能。

实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。

本设计还附加了定点报时的功能，从而进一步完成了自动报时系统的设计。

关键词：

单片机，闹铃时钟，位码，段码，显示

目　　录

前言

正文中首先简单描述了硬件系统的工作原理，且附以硬件系统的设计框图，论述了本次毕业设计所应用的各种硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程,并具体描述了外接电路接口的软、硬件调试。

其次阐述了程序的流程和实现过程。

本设计就是以单片机的基本语言汇编语言来进行软件设计，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。

使硬件在软件的控制下协调运作。

本文撰写的主导思想是软、硬件相结合，以硬件为基础，来进行各功能模块的编写。

1总体方案设计

1.1系统框图

我所设计的是一个数字时钟自动报时系统，它不仅具有数字电子时钟的各种功能，如具有较时、调时、定时、闹钟等功能，而且还具有驱动电铃，定点报时等功能。

总体设计框图如图1.1所示：

图1.1系统框图

1.2设计方案介绍

1.2.1硬件的选择方案

由于我设计的是一个数字时钟自动报时系统，它需要准确的走时、较时、调时、定时、定点报时等，因此我选用的是AT89C51单片机芯片，再配以DS1302、按键电路、晶振电路、复位电路以及LED动态显示器，就可以实现。

采用AT89C51的P0接口外接8路反相三态缓冲器74LS240作LED动态扫描的段码控制驱动信号,用P2接口的P2.0-P2.5外接一片集电极开路反相门电路7406做为6位LED的位选信号驱动口，6个数码管的8根段选线分别接74LS240的输出，LED共阴极端与74LS07的输出端相连；按键接口，由P1.7、P1.6、P1.5、P1.4来完成，四个按键的作用分别是：

一个为功能键K1；一个为数字调整键K2；一个为取消设置键K3，用来设置时间；一个为K4键，用来设置定时时间。

DS1302实时时钟由P1.0、P1.1、P1.2来控制。

DAS1302的X1、X2接口用来接蜂鸣器。

1.2.2软件的设计方案

由于我考虑到用单片机的汇编语言来做《自动报时系统》的设计比较简单。

对于程序我的设计思路是：

1.要有主程序，主程序一般是显示和中断的初始化。

2.要有显示子程序，当键入一个时间值时显示程序要把这个键入的时间值给显示出来。

2.要有中断服务程序，功能，走时，判断是否到定时时间等等。

3.要有按键程序，进入按键程序，判断是否有键按下，没有，则调用延时重新判断，如果到了，调用延时去抖程序，再次判断有键按下否，没有则返回延时程序，如果有按键，则判断键号，堆栈，判断键是否释放，没有，继续判断，释放了，则输入键号送往累加器。

2硬件设计

2.1单片机的选型

我的设计里用到的单片机芯片是AT89C51芯片，除此之外还包括：

DS1302芯片、晶振电路和复位电路构成单片机最小应用系统。

2.2AT89C51的特点

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、CMOS、8位单片机。

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。

AT89C51的管脚图如图2.1所示：

图2.1AT89C51管脚图

主要特性：

1、与MCS-51兼容

2、4K字节可编程闪烁存储器

3、寿命：

1000写/擦循环

4、数据保留时间：

10年

5、全静态工作：

0Hz-24Hz

6、三级程序存储器锁定

7、128*8位内部RAM

8、32可编程I/O线

9、两个16位定时器/计数器

10、5个中断源

11、可编程串行通道

12、片内振荡器和时钟电路

2.3AT89C51单片机复位方式

单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位。

复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作。

AT89C51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET（RST）引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位。

复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变。

复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种,如图2.2所示。

而本设计采用的是手动复位方式，如B图所示：

a上电复位电路b手动复位电路c自动复位电路

图2.2单片机复位电路

2.4DS1302的简介

2.4.1简介

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。

实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。

工作电压宽达2.5～5.5V。

采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。

DS1302串行时钟芯片主要是由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟、RAM以及电源组成，它的电路工作原理图如下图2.3所示：

图2.3DS1302的内部结构

在本设计中，它的I/O引脚、串行时钟SCLK引脚、CE引脚分别与AT89C51的I/O接口的P1.1口、P1.2口、P1.0口相接，X1、X2接口接蜂鸣器。

2.4.2DS1302的特点

DS1302时钟芯片包括：

（1）实时时钟/日历：

实时时钟/日历提供秒、分、时、日、星期、月、年等信息，每月天数以及闰年能自动调整，时钟可以采用24h或AM/PM的12h格式。

（2）31字节的静态RAM：

用于存放数据。

（3）带慢速充电控制备份电源的充电特性。

（4）简单的三线串行接口：

该芯片使用同步串行通信。

与时钟/RAM通信共需3根线:

RST（复位）、I/O（数据线）、SCLK（串行时钟）。

数据可以以每次1个字节或多个字节的形式传送到时钟/RAM或从其读出。

2.4.3各管脚描述

管脚描述如下

X1X232.768KHz晶振管脚

GND地

RST复位脚

I/O数据输入/输出引脚

SCLK串行时钟

Vcc1,Vcc2电源供电管脚

订单信息

部分#描述

DS1302串行时钟芯片8脚DIP

DS1302S串行时钟芯片8脚SOIC200mil

DS1302Z串行时钟芯片8脚SOIC150mil

2.DS1302内部寄存器

CH:

时钟停止位寄存器2的第7位12/24小时标志

CH=0振荡器工作允许bit7=1,12小时模式

CH=1振荡器停止bit7=0,24小时模式

WP:

写保护位寄存器2的第5位:

AM/PM定义

WP=0寄存器数据能够写入AP=1下午模式

WP=1寄存器数据不能写入AP=0上午模式

TCS:

涓流充电选择DS:

二极管选择位

TCS=1010使能涓流充电DS=01选择一个二极管

TCS=其它禁止涓流充电DS=10选择两个二极管

DS=00或11,即使TCS=1010,充电功能也被禁止

RS位电阻典型位

00没有没有

01R12K

10R24K

11R38K

2.4.4DS1302读写时序说明

DS1302是SPI总线驱动方式。

它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。

要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。

DS1302的控制字如表2.1所示：

表2.1控制字（即地址及命令字节）

控制字的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。

位6：

如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；

位5至位1（A4～A0）：

指示操作单元的地址；

位0（最低有效位）：

如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。

图2.4数据读写时序

控制字总是从最低位开始输出。

在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。

同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。

数据读写时序如图2.4。

2.5键盘方案

本设计的自动报时系统是一个具有电子时钟、闹钟、定点报时功能的系统，系统工作时应具备随时对当前时间进行调整，因此它只需要独立式键盘的四个按键即可完成操作。

独立式键盘的接口电路：

在单片机应用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息。

这时，可将每个按键直接接在一根I/O接口线上，这种连接方式的键盘称为独立式键盘。

如图2.5所示，每个独立按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响到其他I/O接口线。

这种按键接口电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O线，I/O接口线浪费较大。

故只在按键数量不多时采用这种按键电路。

在此电路中，按键输入都采用低电平有效。

上拉电阻保证了按键断开时，I/O接口线有确定的高电平。

当I/O接口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。

本设计中个按键的功能为：

一个为功能键K1；一个为数字调整键K2；一个为取消设置键K3，用来设置时间；一个为K4键，用来设置定时时间。

图2.5独立式键盘电路

2.5.1键盘接口工作原理

在单片机应用系统中，常用键盘作为输入设备，通过它将数据、内存地址、命令及指令等输入到系统中，来实现简单的人机通信。

2.5.2按键开关的去除抖动功能

目前,AT89C51单片机应用系统上的按键常采用机械触点式按键,它在断开、闭合时输入电压波形如图2.6所示.可以看出机械触点在闭合及断开瞬间均有抖动过程,时间长短与开关的机械特性有关,一般为5～10ms。

由于抖动，会造成被查询的开关状态无法准确读出。

例如，一次按键产生的正确开关状态，由于键的抖动，CPU多次采集到底电平信号，会被误认为按键被多次按下，就会多次进行键输入操作，这是不允许的。

为了保证CPU对键的一次闭合仅在按键稳定时作一次键输入处理，必须消除产生的前沿（后沿）抖动影响。

在本次设计中采用的是软件去抖。

图2.6按键过程

2.6七段LED显示工作原理

2.6.1显示的种类

1静态显示概念

静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。

这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。

每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。

采用静态显示方式的优点：

较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的接口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。

2动态显示概念

动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。

通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制。

动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。

依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。

虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。

采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。

此次设计中我们采用定时器来完成动态扫描显示。

用定时器T0定2ms的时间间隔，每次定时时间到时就输出一个LED信号，即显示1位。

定时器每中断6次后循环到第一位LED显示。

这样动态显示占用CPU的时间只有输出断码和输出位码的有限时间，提高了CPU的工作效率。

在本次设计中所使用的是动态显示，其显示电路图形如图2.7所示：

图2.7LED动态显示电路

2.6.2数码管简介

1数码管结构

数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0~9、字符A~F及小数点“·”。

数码管的外形结构如图2.8（a）所示。

数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图2.8（b）和图2.8（c）所示：

（a）外型结构；（b）共阴极；（c）共阳极

图2.8数码管结构图

2数码管工作原理

由于我们采用的是共阴极数码管，所以介绍共阴极数码管的工作原理如下:

共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。

通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。

当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。

根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。

此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

共阳极数码管的工作原理与共阴极的正好相反。

3数码管字形编码

要使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字形编码。

LED显示字型码表见表2.2：

表2.2LED显示字型码表

显示字符

共阴极

共阳极

显示字符

共阴极

共阳极

3FH

C0H

6FH

90H

06H

F9H

77H

88H

5BH

A4H

7CH

83H

4FH

B0H

39H

C6H

66H

99H

5EH

A1H

6DH

92H

79H

86H

7DH

82H

71H

8EH

07H

F8H

7FH

80H

2.7自动报时系统的工作原理及原理图

自动报时系统电路的核心是AT89C51单片机，其内部带有4KB的FlashROM,无须扩展程序存储器；电子时钟没有大量的运算和暂存数据，现有的128B片内RAM已能满足要求，也不必扩展片外RAM。

系统配备6位LED显示和4个单接口键盘，采用P0接口外接8路反相三态缓冲器74LS240作LED动态扫描的段码控制驱动信号,用P2接口的P2.0-P2.5外接一片集电极开路反相门电路7406做为6位LED的位选信号驱动口，6个数码管的8根段选线分别接74LS240的输出，LED共阴极端与74LS07的输出端相连；按键接口，由P1.7、P1.6、P1.5、P1.4来完成；DS1302实时时钟由P1.0、P1.1、P1.2来控制。

DS1302的X1、X2接口外接蜂鸣器。

电路原理图见附录A

3软件设计

3.1设计思路

由于我做的是自动报时系统，它需要具有较时、调时、定时、闹钟等功能，而且还具有驱动电铃，定点报时等功能。

另外当时钟走到24点时则自动清零。

所以我们考虑到用单片机的汇编语言来做我们的设计比较简单。

对于程序我们的设计思路是：

1.要有主程序，主程序一般是显示和中断的初始化。

2.要有显示子程序，当键入一个时间值时显示程序要把这个键入的时间值给显示出来。

2.要有中断服务程序，功能，走时，判断是否到定时时间等等。

3.2系统工作流程

1.时钟显示：

6位LED从左到右一次显示时、分、秒，采用24小时计时。

2.按键控制功能：

采用4个独立键盘，其中一个为功能键；一个为数字调整键；一个为取消设置键，用来设置时间；一个为ALM键，用来设置定时时间。

3.时间显示：

通电后，系统自动进入时钟设置，从00：

00：

00开始计时，此时可以设定当前时间。

4.时间调整：

按下功能键，系统停止计时显示，进入时间设定状态，系统只显示小时的内容，其余4位LED处于全暗状态，等待按键设置。

此时按动数字调整键后小时将会加1，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态；若再按动功能键则用来调整分钟，此时小时和秒的4位LED指示全暗，按数字调整键后可以对分钟增1调整，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态；再按动功能键则用来调整秒，此时小时和分钟的4位LED指示全暗，秒显示当前的秒数，暗数字调整键可以对秒进行增1调整，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态，按动功能键后系统将自动由设定后的时间开始计时显示。

5.闹钟设置/启闹：

按下K4键，系统继续计时，但显示为00：

00:

00,此时再按动功能键后进入闹钟设置状态，设置过程和时间调整相同，但是最后按功能键确定后显示定时时间30S后自动启动定时闹钟功能，并恢复时间显示。

定时时间到，蜂鸣器鸣叫1min后自动停闹，每次设置时只能定一次，下次需重新设置。

3.3主程序流程

首先，设置初始常数，设置定时器常数，它主要是显示和中断的初始化。

3.3.1主程序流程图如图3.1所示：

主程序的内容一般包括：

主程序的起始地址，中断服务程序的起始地址，有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等。

图3.1主程序流程图

3.3.2主程序如下：

START:

MOV R0，#70H 　；清70H-7AH共11个内存单元

MOV R7，#0BH 　　　　　；

CLEARDISP:

MOV @R0，#00H ；

INC R0 ；

DJNZ R7，CLEARDISP ；

MOV 20H，#00H ；清20H（标志用）

MOV 7AH，#0AH ；放入"熄灭符"数据

MOVTMOD，#11H ；设T0、T1为16位定时器

MOV TL0，#0B0H ；50MS定时初值（T0计时用）

MOV TH0，#3CH ；50MS定时初值

MOV TL1，#0B0H ；50MS定时初值（T1闪烁定时用）

MOV TH1，#3CH ；50MS定时初值

SETB EA ；总中断开放

SETB ET0 ；允许T0中断

SETB TR0 ；开启T0定时器

MOV R4,#14H ；1秒定时用初值（50MS×20）

START1:

LCALLDISPLAY ；调用显示子程序

JNBP3.2，SETMM1 ；P3.7口为0时转时间调整程序

SJMP START1 ；P3.7口为1时跳回START1

SETMM1:

LJMPSETMM ；转到时间调整程序SETMM

3.4按键程序模块

该系统的按键功能如下：

按下功能键，系统停止计时显示，进入时间设定状态，系统只显示小时的内容，其余4位LED处于全暗状态，等待按键设置。

进入按键程序，判断有键按下吗？

没有，则调用延时重新判断，如果到了，调用延时去抖程序，再次判断有键按下否，没有则返回延时程序，如果有按键，则判断键号，堆栈，判断键是否释放，没有，继续判断，释放了，则输入键号送往累加器,然后返回主程序。

图3.2按键程序流程图

按键程序如下：

当调时按键按下时进入此程序

SETMM：

cLR ET0 ；关定时器T0中断

CLR TR0 　　　　；关闭定时器T0

LCALL DL1S 　　　；调用1秒延时程序

JB P3.2，CLOSEDIS 　　　；键按下时间小于1秒，关闭显示（省电）

MOV R2，#06H 　　　；进入调时状态，赋闪烁定时初值

SETB ET1 　　　；允许T1中断

SETB TR1 　　　；开启定时器T1

SET2:

JNB P3.2,SET1 ；P3.7口为0（键未释放），等待

SETB 00H 　　　　；键释放，分调整闪烁标志置1

SET4:

JB P3.2，SET3 ；等待键按下

LCALL DL05S 　　　；有键按下，延时0.5秒

JNB P3.2，SETHH 　　　；按下时间大于0.5秒转调小时状态

MOV R0，#77H 　　　　；按下时间小于0.5秒加1分钟操作

LCALLADD1 　　　　；调用加1子程序

MOV A，R3 　　　　　；取调整单元数据

CLR C 　　　　　　；清进位标志

CJNE A，#60H，HHH 　　　；调整单元数据与60比较

HHH：

JC SET4 　　；调整单元数据小于60转SET4循环

LCALL CLR0 　　　　；调整单元数据大于或等于60时清0

CLR C 　　　　；清进位标志

AJMP SET4 　　　　；跳转到SET4循环

CLOSEDIS：

SETB ET0 ；省电（LED不显示）状态。

开T0中断

SETB TR0 　　　　；开启T0定时器（开时钟）

CLOSE：

JB P3.2，CLOSE ；无按键按下，等待

LCALL DISPLAY 　　　；有键

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