单片机课程设计--电子时钟设计.doc

电子时钟设计

课程设计： 单片机原理与应用课程设计
专 业：
班 级：

设计内容：
设计一个简易时钟，设计内容包括：
（1） 使用8051单片机片内定时器设计一个简易时钟。
（2） 使用8位LED对测量结果进行显示
1）确定系统设计方案；
2）进行系统的硬件设计；
3）完成必要的参数计算与元器件选择；
4）完成应用程序设计；
5）进行软硬件调试；
（3） 能通过键盘对对时钟
设计内容与设计要求进行实时调整。
（4） 具有闹钟功能●
注：带●者为选做
设计要求：
主 要 设 计 条 件
1、教材
2、单片机开发板、PROTEUS软件
3、参考书：
1）单片机原理及运用 电子工业出版社
2）单片机应用技术新教程 电子工业出版社

目 录

设计内容： 1
设计要求： 1
一、系统总体方案选择与说明 1
1.系统总体方案选择 1
2. 说明 1
二、系统结构框图与工作原理 3
1. 系统结构框图 3
2.工作原理 4
三、各单元硬件设计说明及计算方法 5
1.定时器\计数器 5
2 .中断系统: 6
3 .键盘 6
4 .LED数码管显示器： 7
5 .LED数码显示器有两种连接方法 7
图(1)LED引脚排列 8
四、软件设计与说明（包括流程图） 8
1．主程序 8
2．数码管显示模块 9
3．定时器/计数器T0中断服务程序 10
4．按键处理模块 11
五 、程序清单 13
1.中断子程序 13
2.延时程序 13
3.主程序和定时器中断子程序 13
4.LED显示子程序 14
5.按键控制子程序 15
6.数字电子时钟系统PROTUES仿真 19
六、参考文献 20
致 谢 21

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一、系统总体方案选择与说明
1.系统总体方案选择
该课程设计是利用MCS-51单片机内部的定时／计数器、中断系统、以及行列键盘和LED显示器等部件，设计的一个单片机电子时钟。设计的电子时钟通过数码管显示，并能通过按键实现设置时间和暂停、启动控制等，用定时／计数器T0，工作于定时，采用方式1，对12MHZ的系统时钟进行定时计数，初值设为50000。形成定时时间为50ms。计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外还有校时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由显示器“时”，“分”，“秒”和单片机，还有校时电路组成。8个数码管的段选接到单片机的P0口，位选接到单片机的P2口。数码管按照数码管动态显示的工作原理工作，将标准秒信号送入“秒单元”，“秒单元”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分单元”的时钟脉冲。“分单元”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时单元”。“时单元”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。显示电路将“时”、“分”、“秒”通过七段显示器显示出来。校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整，校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整，按一下second,秒单元就加1 ，按一下minute,分就加1，按一下hour，时就加1。
2. 说明
2.1、系统由AT89C51、LED 数码管、按键、电容、电阻等部分构成，能实现时间的调整、输出、调时间等功能。系统中按钮BUTTON能对时间进行调整功能的按钮，采用单键控制调时功能，运用软件去抖判断按键的时间从而选择完成相对应的功能
2.2 、时钟显示：在此部分的设计中，在显示时，首先将时间十进制数据转化为显示段码，然后送往数码管显示。显示段码采用动态扫描的方式。
2.3 、时间调整：该设计需要校对时间，所以用三个按键来实现。按hour来调节小时的时间，按 minute来调节分针的时间，按 sceond来调节秒的时间。按键处理是先检测秒按键是否按下，秒按键如果按下，秒就加1；如果没有按下，就检测分按键是否按下，分按键如果按下，分就加1；如果没有按下，就检测时按键是否按下，时按键如果按下，时就加1；如果没有按下，就把时间显示出来。
2.4、中断：中断技术在单片系统中有着十分重要的作用，它不仅可以提高单片机CPU的效率，也可以对突发事件处理。所谓中断就是当CPU正在执行程序A时，发生了另一个急需处理的事件B，这是CPU暂停当前执行的程序A，立即转去执行处理事件B的程序，处理完事件B后，再返回到程序A继续执行，这个过程被叫做中断。关于中断的概念有下列几个名词：（1）程序A称为主程序，（2）处理事件B的程序称为中断服务程序，（3）主程序中转向中断服务程序的地方称为断点，（4）引起中断的原因即事件B称为中断源，（5）转去执行中断服务程序称为中断响应。关于中断的概念可以打个如下的比喻。领导（CPU）在自己的房间办公（执行主程序），下属（外设）有问题打电话来请示（中断源），领导停下正在进行的工作，通过电话给下属做指示（执行中断服务程序），指示完后，领导挂断电话，继续做自己的工作（返回主程序继续执行）。

二、系统结构框图与工作原理
1. 系统结构框图
数字电子时钟的原理图

2.工作原理
软时钟是利用单片机内部的定时器\计数器来实现的，它的处理过程如下：首先设定单片机内部的一个定时器\计数器工作于定时方式，对机器周期计数形成基准时间，然后用另一个定时器\计数器或软件计数的方法对基准时间计数形成秒，秒计60次形成分，分计60次形成小时，小时计24次则计满一天。然后通过数码管把它们的内容在相应位置显示出来即可。
数码管显示可以采用静态显示方法或动态显示方法。静态显示方法需要数据锁存器等硬件，接口复杂，时钟显示用8个数码管。由于系统没有其他的复杂的任务处理，而且显示的时钟信息随时都可能变化，一般采用动态显示方式。动态显示方法线路相对简单，但需动态扫描，扫描频率要大于人眼视觉暂留频率，信息看起来才稳定。译码方式可分为软件译码和硬件译码，软件译码通过译码程序查得显示信息的字段码；硬件译码通过硬件译码器得到显示信息的字段码，实际中通常采用软件译码。
在具体处理时，定时器计数器采用中断方式工作，对时钟的形成在中断服务程序中实现。在主程序中只需对定时器计数器初始化、调用显示子程序和控制子程序。另外，为了使用方便，设计了简单的按键，可以通过按键实现时、分的调整，这样在主程序中就加入了键盘设置子程序。
单片机应用系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统是指单片机以及扩展的存储器、I\O接口、外围扩展的功能芯片以及接口电路。软件系统包括监控程序和各种应用程序。
在单片机应用系统中，单片机是整个系统的核心，对整个系统的信息输入、处理、信息输出进行控制。与单片机配套的有相应的复位电路、时钟电路以及扩展的存储器和I\O接口，使单片机应用系统能够运行。
在一个单片机应用系统中，往往都会输入信息和显示信息，这就涉及键盘和显示器。在单片机应用系统中，一般都根据系统的要求配置相应的键盘和显示器。配置键盘和显示器一般都没有统一的规定，有的系统功能复杂，需输入的信息和显示的信息量大，配置的键盘和显示器功能相对强大，而有些系统输入/输出的信息少，这时可能用几个按键和几个LED指示灯就可以进行处理了。在单片机应用系统在中配置的键盘可以是独立键盘，也可能是矩阵键盘。显示器可以是LED指示灯，也可以是LED数码管，也可以是LCD显示器，还可以使用CRT显示器。单片机应用系统中键盘一般用的比较多的是矩阵键盘，显示器用的比较多的是LED数码管还LCD显示器。

三、各单元硬件设计说明及计算方法
1.定时器\计数器
1、MCS-51系列中51子系列有两个16位的可编程定时\计数器可：定时\计数器T0和定时\计数器T1。它由加法计数器、方式寄存器TMOD、控制寄存器TCON等组成。方式寄存器用于设定定时计数器T0和T1的工作方式，控制寄存器用于对定时计数器启动、停止进行控制。
2、每个定时计数器既可以对系统时钟计数实现定时，也可以外部信号计数实现计数功能通过编程设定来实现。
3、每个定时计数器都有多种工作方式，其中T0有四种工作方式，T1有三种工作方式，T2有三种工作方式。通过编程可设定工作于某种方式。四种工作方式为：13位定时\计数器、16位定时\计数器、8位自动重置定时\计数器、两个8位定时\计数器（只有T0有）
4、每一个定时计数器定时计数时间到时产生溢出，使相应的溢出位置位，溢出可通过查询或中断方式处理。

2 .中断系统:
1、MCS-51单片机提供5个硬件中断源，2个外部中断源，2个定时计数器T0和T1的溢出中断TF0和TF1，1个串行口发送TI和接收RI中断。
2、MCS-51单片机中没有专门的开中断和关中断指令，对各个中断源的允许和屏蔽是由内部的中断允许寄存器IE的各位来控制的。中断允许寄存器IE的字节地址为A8H，可以进行位寻址。系统复位时，中断允许寄存器IE的内容为00H，如果要开放某个中断源，则必须使IE中的总控置位和对应的中断允许位置“1”。
3、MCS-51单片机有5个中断源，为了处理方便，每个中断源有两级控制，高优先级和低优先级。通过由内部的中断优先级寄存器IP来设置，中断优先级寄存器IP的字节地址为B8H，可以进行位寻址。如果某位被置“1”，则对应的中断源被设为高优先级；如果某位被清零，则对应的中断源被设为低优先级。对于同级中断源，系统有默认的优先权顺序，从高到低优先权顺序为外部中断0、定时计数器T0中断、外部中断1、定时计数器T1中断、串行口中断。通过设置中断优先级寄存器IP能够改变系统默认的优先级顺序。
4、MCS-51单片机响应中断的条件为：中断源有请求且中断允许。
3 .键盘
键盘是单片机应用系统中最常用的输入设备，在单片机应用系统中，操作人员一般都是通过键盘向单片机系统输入指令、地址和数据，实现简单的人机通信。键盘实际上是一组按键开关的集合，平时按键开关总是处于断开状态，当按下键时它才闭合。键盘的结构形式一般有两种：独立式键盘和矩阵式键盘。矩阵式键盘的工作方式有3种：查询工作方式、定时扫描工作方式和中断工作方式。

4 .LED数码管显示器：
LED数码管显示器在单片机应用系统中，经常用到LED数码管作为显示输出设备，LED数码管显示器虽然显示信息简单，但它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长、与单片机接口方便等特点，基本上能够满足单片机应用系统的需要，所以在单片机应用系统中经常用到。LED数码管显示器是由发光二极管按一定的结构组合起来的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的是8段式LED数码管显示器，它有共阴极和共阳极两种。所谓译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式。对于LED数码管显示器，通常的译码方式有两种：硬件译码方式和软件译码方式。LED数码管在显示时，通常有两种显示方式：静态显示方式和动态显示方式。在使用时可以把它们组合起来。在实际应用时，如果数码管个数较少，通常用硬件译码静态显示，在数码管个数较多时，则通常用软件译码动态显示。

5 .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。
在本设计中所采用的是共阴极LED数码显示器，其引脚排列如下图(1)所示：

图(1)LED引脚排列

四、软件设计与说明（包括流程图）

电子时钟的软件系统由主程序和子程序组成，主程序程序包含初始化参数设置、按键处理、数码管显示模块等，
1．主程序
主程序执行流程如下图（2），主程序先对显示单元和定时器/计数器初始化，然后重复调用数码管显示模块和按键处理模块，当有键按下，则转入相应的功能程序。
开始
显示单元清零
T0、T1设为16位计数模式
允许T0中断
调用显示子程序
进入功能程序
按下键否？
否
是

图（2）主程序执行流程
2．数码管显示模块
本系统共用8个数码管，从右到左依次显示秒个位、秒十位、横线、分个位、分十位、横线、时个位和时十位。采用软件译码动态显示。
流程图如下图（3）所示：
开始
秒单元加1，50ms计数器清0，秒写入秒个位和秒十位
50ms 计数器=20？
否
是
分单元加1，秒单元清0，分写入分个位和分十位
秒单元=60？
时单元加1，分单元清0，时写入时个位和时十位
分单元=60？
时单元清0
时单元=24？
结束
否
否
否
是
是
是

图（3） 数码管显示程序流程图
3．定时器/计数器T0中断服务程序
定时器/计数器T0用于时间计时。选择方式1，重复定时，定时时间设为50ms，定时时间到则中断，在中断服务程序中用一个计数器对50ms计数，计20次则对秒单元加1，秒单元加到60则对分单元加1，同时秒单元清0；分单元加到60则对时单元加1，同时分单元清0；时单元加到24则对时单元清0，标志一天时间计满。在对各单元计数的同时，把它们的值放到存储单元的指定位置。定时器/计数器T0中断服务程序流程图如下图（4）：

开始
现场保护，重置初值
启动下一个50ms
50ms 计数器加1

中断返回

图（4）定时器/计数器T0中断服务程序流程图

4．按键处理模块
按键处理设置为：如没有按键，则时钟正常走时。当按下K0按键时，进入调分状态，时钟停止走动；按K1可K2按键可进行加1或减1操作；继续按K0键可分别进行分和小时的调整；最后按K0键将退出调整状态，时钟开始计时运行

N
Y
N
Y
N
Y

hour加1
显示时间
结束
开始
sceond按键按下？
sceond加1
minute按键按下？
minute加1
hour按键按下？

图（5）按键控制程序流程图

五 、程序清单

采用8位LED软件译码动态显示程序
使用AT89C51单片机，12MHZ晶振，P0输出字段码，P2口输出位选码，用共阳
LED数码管，P1.0为调时位选择按键，P1.1为加1键，P1.2为减1键。

1.中断子程序
timer0 (void) interrupt 1 using 1
{
u++;
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
}
2.延时程序
void delay()
{
unsigned int time,p;
for(time=30;time>0;time--)
for(p=0;p<10;p++);
}
3.主程序和定时器中断子程序
#include<reg51.h>
char mod[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
char sceond,minute,hour,i,k,l,j,x,y;
int u;
sbit P1_0=P1^0;
sbit P1_1=P1^1;
sbit P1_2=P1^2;
void main()
{
TMOD=0x01;
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
do
{
kongzhi();
xianshi();
}
while(1);
}
4.LED显示子程序
void xianshi()
{
if(u==20)
{
u=0;
sceond++;
while(sceond==60)
{
sceond=0;
minute++;
if(minute==60)
{
minute=0;
hour++ ;
if(hour==24)
{
hour=0;
}
}
}
}
x=hour%10;
y=hour/10;
l=minute%10;
j=minute/10;
i=sceond%10;
k=sceond/10;
P2=0x7f;
P0=mod[i];
delay();
P2=0xbf;
P0=mod[k];
delay();
P2=0xdf;
P0=0x40;
delay();
P2=0xef;
P0=mod[l];
delay();
P2=0xf7;
P0=mod[j];
delay();
P2=0xfb;
P0=0x40;
delay();
P2=0xfd;
P0=mod[x];
delay();
P2=0xfe;
P0=mod[y];
delay();
}
5.按键控制子程序
void kongzhi()
{
if(P1_0==0)
{
TR0=0;
while(P1_0==0);
while(1)
{
if(P1_1==0)
{
sceond++;
if(sceond==60)
{
sceond=0;
}
}
while(P1_1==0);
if(P1_2==0)
{
sceond--;
if(sceond<0)
{
sceond=0;
}
}
while(P1_2==0);
i=sceond%10;
k=sceond/10;
P2=0x7f;
P0=mod[i];
delay();
P2=0xbf;
P0=mod[k];
delay();
if(P1_0==0)
{
while(P1_0==0);
while(1)
{
if(P1_1==0)
{
minute++;
while(minute==60)
{
minute=0;
}
}
while(P1_1==0);
if(P1_2==0)
{
minute--;
if(minute<0)
{
minute=0;
}
}
while(P1_2==0);
l=minute%10;
j=minute/10;
P2=0xef;
P0=mod[l];
delay();
P2=0xf7;
P0=mod[j];
delay();
if( P1_0==0)
{
hile(P1_0==0);
while(1)
{
if(P1_1==0)
{
hour++;
while(hour==24)
{
hour=0;
}
}
while(P1_1==0);
if(P1_2==0)
{
hour--;
if(hour<0)
{
hour=0;
}
}
while(P1_2==0);
x=hour%10;
y=hour/10;
P2=0xfd;
P0=mod[x];
delay();
P2=0xfe;
P0=mod[y];
delay();
if(P1_0==0)
{
while(P1_0==0);
TR0=1;
return;
}
}
}
}
}
}
}
}

6.数字电子时钟系统PROTUES仿真
用PROTUES软件，根据数字电子钟的原理图，仿真程序得如图（6）所示：

图（6）数字电子时钟的PROTES仿真

六、参考文献
1、《单片机C语言轻松入门》周坚编 北京航空航天大学出版社。
2、单片机人机接口实例 公茂法编著， 北京航空航天大学出版社。
3、李广，弟朱月，秀王秀山.《单片机基础》[M].北京航空航天出版社。
4、谢维成杨加国《单片机原理与应用及C51程序设计》[M].清华大学出版社。
5 、《单片微型计算机原理及接口技术》陈光东 等编 华中科技大学出版社
6、《单片机实用系统设计技术》房小翠 编 国防工业出版社

致 谢
首先感谢我们的指导老师王红梅老师和黄进财老师。在我学习单片机课程期间，王老师给了我无微不至的关心。她认真工作的态度一直感染着我，这必将激励我在今后的工作和生活中不断前进。以及黄老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
其次我要感谢一直陪同我完成单片机课程考试论文的同学，谢谢他们平时对我帮助和关心。我很高兴能生活在一个互助友爱和充满活力的集体中，从他们的身上我学到了很多，同时他们给我的大学生活留下了许多美好的回忆。
再次，我要特别感谢我的父母。在我求学的过程中他们付出的不仅仅是辛勤的劳动和汗水，而是世界上最崇高、最伟大的爱。他们所做的一切是我这一生都无法回报的。
最后，真诚感谢给予我热情帮助和关注的所有人。