电气自动化专业论文-电子时钟.doc

摘要：
单片机即单片微型计算机。（Single-Chip Microcomputer ）,是集 CPU ,RAM ,ROM ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。他体积小，成本低，功能强，广泛应用于工业自动化上和智能产品。时钟，自从它被发明的那天起，就成为了人类的好朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，时钟的应用越来越广范，人们对时间计量的精度要求也越来越高。然而，我们可以利用单片机功能集成化高，价格又便宜的特点设计一款结构既简单，价格又便宜的单片机电子时钟。
用一扬声器来设计时钟电路，使用了AT89C51单片机芯片控制电路，单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路，使得电路简明易懂，使用键盘键上的按键来调整时钟的时、分、秒，进行定时提醒，同时使用汇编语言程序来控制整个时钟显示，使得编程变得更容易，这样通过四个模块：键盘、芯片、扬声器、显示屏即可满足设计要求。
单片机电子时钟它的基本功能，能够显示时、分、秒，并能够调整时、分、秒。并且它有一定的扩展功能，能够任意设置定时时间，定时时间到闹铃能够报警，实现了秒表功能。
关键词：单片机 ； 时钟 ； 计时

1 引言
单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有三十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。
单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。
本文讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。
20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。
在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。
随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。根据这种实际情况，设计了一个单片机多功能定时系统，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制，同时又可以进行时钟校准和定点打铃。它可以执行不同的时间表（考试时间和日常作息时间）的打铃，可以任意设置时间。这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可能。

2 MCS-51单片机的结构
MCS-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。
2.1 控制器
控制器是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。
单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送至指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。
2.2 存储器的结构
MCS-51单片机存储器采用的是哈佛结构,即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开,程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式,寻址空间和控制系统。
这种结构对于单片机面向控制的实际应用极为方便,有利.在8051/8751弹片击中,不仅在片内集成了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器,而且还具有极强的外存储器的扩展能力,寻址能力分别可达64KB,寻址和操作简单方便。MCS-51的存储器空间可划分为如下几类:
（1） 程序存储器
单片机系统之所以能够按照一定的次序进行工作,主要是程序存储器中存放了经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。程序实际上是一串二进制码,程序存储器可以分为片内和片外两部分。8031由于无内部存储器,所以只能外扩程序存储器来存放程序。
MCS-51单片机复位后,程序存储器PC的内容为0000H,故系统必须从0000H单元开始取指令,执行程序.程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址.一般在该单元存放一条绝对跳转指令,跳向用户设计的主程序的起始地址。
（2） 内部数据存储器
MCS-51单片机内部有128个字节的随机存取存储器RAM,作为用户的数据寄存器,它能满足大多数控制型应用场合的需要,用作处理问题的数据缓冲器。
MCS-51单片机的片内存储器的字节地址为00H-7FH.MCS-51单片机对其内部RAM的存储器有很丰富的操作指令,从而使得用户在设计程序时非常方便。地址为00H-1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区,每个区含8个8位寄存器,编号为R7-R0。用户可以通过指令改变PSW中的RS1,RS0这二位来切换当前的工作寄存器区,这种功能给软件设计带来极大的方便,特别是在中断嵌套时,为实现工作寄存器现场内容保护提供了极大的方便。
（3） 特殊功能寄存器(SFR-Special Function Register)
特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的状态,实际上是MCS-51单片机各功能部件的状态及控制寄存器。SFR综合的,实际的反应了整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式。SFR实质上是一些具有特殊功能的片内RAM单元,字节地址范围为80H-FFH.特殊功能寄存器的总数为21个,离散的分布在该区域中,其中]有些SFR还可以进行位寻址。128个字节的SFR块中仅有21个字节是由定义的。对于尚未定义的字节地址单元,用户不能作寄存器使用,若访问没有定义的单元，则将得到一个不确定的随机数。
2.3 并行I/O口
MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口（Port），分别记作P0-P3，共有32根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位寻址。由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有一些差异。
P0口是双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。P1口是8位准双向I/O口，可驱动4个LS 型负载。P2口是8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。P3口是8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。P1口、P2口、P3口各I/O口线片内均有固定的上拉电阻，当这3个准双向I/O口做输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O 口。
2.4 时钟电路与时序
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。
在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，这列信号很多。另一类用于片外存储器或I/O端口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。
2.5 单片机的应用领域
单片机应用领域可以归纳为以下几个方面。
（1） 智能仪表
用单片机系统取代老式的测量、控制仪表，实现从模拟仪表向数字化、智能化仪表的转化，如各种温度仪表、压力仪表、流量仪表、电能计量仪表等。
（2）测控系统
用单片机取代原有的复杂的模拟数字电路，完成各种工业控制、数据采集系统等工作。
（3）电能变换
应用单片机设计变频调速控制电路。
（4）通信
用单片机开发通信模块、通信器材等。
（5）机电产品
应用单片机检测、控制传统的机械产品，使传统的机械产品结构简化，控制智能化，提高了机电产品的可靠性，增强了产品的功能。
（6）智能接口
在数据传输中，用单片机实现外部设备与微机通信。

3 电子时钟的设计要求
3.1基本功能
（1）能够显示时、分、秒
（2）能够调整时、分、秒
3.2 扩展功能
（1）能够任意设置定时时间
（2）定时时间到闹铃能够报警
（3）实现了秒表功能
（4）基本实现设计要求的功能。

4 硬件总体设计方案
用一扬声器来设计时钟电路，使用了AT89C51单片机芯片控制电路，单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路，使得电路简明易懂，使用键盘键上的按键来调整时钟的时、分、秒，进行定时提醒，同时使用汇编语言程序来控制整个时钟显示，使得编程变得更容易，这样通过四个模块：键盘、芯片、扬声器、显示屏即可满足设计要求。

4.1系统功能实现总体设计思路
如图4-10 所示为AT89S51芯片的引脚图
此设计原理框图如图4-11所示，此电路包括以下四个部分：单片机，键盘，闹铃电路及显示电路。
闹铃电路

AT89C51

独立键盘
数码管显示

图4-11 设计原理框图

经多方论证硬件采用AT89C51单片机和7SED八位共阳极数码管等来实现单片机电子时钟的功能。
详细元器件列表如表4.12所示：
表4.12 详细元器件列表
AT89c51
1片
7SED八位共阳极数码管
1片
NPN三极管
1个
104p电容
6个
30p电容
2个
10K电阻
6个
560欧姆电阻
8个
200欧姆电阻
1个
100欧姆电阻
6个
4.2各部分功能实现
（1） 单片机发送的信号通过程序控制最终在数码管上显示出来。
（2） 单片机通过输出各种电脉冲信号来驱动控制各部分正常工作。
（3） 为使时钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的，键盘用来校正数码管上显示的时间。
单片机通过控制闹铃电路来完成 定时闹钟的功能
4.3系统工作原理
设计的电路主要由四模块构成：单片机控制电路，显示电路、闹铃电路以及校正电路。
本设计采用汇编语言程序设计，使单片机控制数码管显示时、分、秒，当秒计数计满60时就向分进位，分计数器计满60后向时计数器进位，小时计数器按“23翻0”规律计数。时、分、秒的计数结果经过数据处理可直接送显示器显示。当计时发生误差的时候可以用校时电路进行校正。设计采用的是时、分、秒显示，单片机对数据进行处理同时在数码管上显示。
详细电路功能图如图4-30：

详细电路功能图如图4-30

4.4时钟各功能分析及图解
（1） 时钟运行图
仿真开始运行时，或按下key4键时，时钟从12：00：00开始运行，其中key2键对分进行调整，key3对小时进行调整，key6可以让时钟暂停。
时钟运行图如图 4-41 所示：
（2）秒表计时图
当按下key1键进入秒表计时状态，key6是秒表暂停键，可按key4键跳出秒表计时状态。
秒表计时图如图 4-42所示：

图4-41 时钟运行图

图4-42 秒表计时图

（3）闹铃设置图及运行图
当按下key5，开始定时，分别按key2调分，key3调时设置闹铃时间，然后按下key4键恢复时钟运行状态(图4-43)当闹铃设置时间到时，蜂鸣器将发出10秒中蜂鸣声（图4-44）。

图4-43 闹铃时间设置图

该数字钟是用一片AT89C51单片机通过编程去驱动8个数码管实现的。通过6个开关控制,从上到下6个开关KEY1-KEY6的功能分别为：KEY1,切换至秒表；KEY2,调节时间,每调一次时加1；KEY3, 调节时间,每调一次分加1；KEY4,从其它状态切换至时钟状态；KEY5,切换至闹钟设置状态,也可以对秒表清零；KEY6,秒表暂停.控制键分别与P1.0~P1.5口连接．其中：
A通过P2口和P3口去控制数码管的显示如图所示P2口接数码管的a——g端，是控制输出编码,P3口接数码管的1——8端,是控制动态扫描输出．
B从P0.0输出一个信号使二极管发光，二极管在设置的闹钟时间到了时候发光，若有乐曲可以去驱动扬声器实现。

图4-44 闹铃运行图

4.5电路功能使用说明
（1） 各个控制键的功能：可对时间进行校准调节（只能加１）；按下设置键数字时钟进入闹钟设置状态，设置闹钟的时间；时加１、分加１键是在校准时间时或设置闹钟时间对小时数或分钟数调节而设置的；按下秒切换键就可以进入秒表模式，同时秒表也开始计时，按下秒表暂停、复位键就暂停、归零，如果要重新对秒计时则可以按秒表开始、复位；清零键可以对闹钟清零。
（2） AT89C51单片机，通过编写程序对数码显示进行控制。
（3） 八个7段数码管显示时钟和秒表信号。

5 软件总体设计方案
5.1 主程序流程图
软件程序从开始执行，先通过初始化各个寄存器，经过扫描按键来决定是否设定参数来执行相应功能的程序，进而在数码管上显示。

如图5-10：
开始
定时器及中断定时器初始化
执行时钟秒表
闹铃设定程序
是否设定参数
执行显示程序
N
Y

主程序流程图

分数值time..minute加1time.second归零
Tcount加1
返回主程序
实数值time1.boun加1time1.mintet归零
Time1.bour>23
时数值time1.hour归零
Tount1=100?
秒数值time1.second加1second归零
执行闹钟程序p0.0=1
判断时间与闹钟时间是否一致
闹钟程序是否行完全
Time1.second=60?
Time.minute=60?
恢复初值保护
5.2总中断程序流程

图5-20 中断流程图
时间的显示通过此中断程序来控制，并且通过与设定的时间进行比较来判断是否让闹铃工作。程序中包含时间的设定，如设定tcount来使秒等工作，进而来控制分和时。如上图图5-20。
（1） 秒表中断程序流程
秒表功能通过另一个程序来实现。通过保护主程序的数据来进行秒表功能。程序中需要设置秒表的具体显示方法。如图5-3：
恢复初值保护
10ms计数器加1恢复初值保护
秒计数器加1，10ms计数器归零,即sec++,ms=0
Sec>60?
Ms>100?
输出字码，中断结束，返回上级主程序
分计数器加1，秒计数器归零，即minit++,sec=0

N

N

图5-3秒表中断程序流程图
（2）按键程序流程
图5-4为时钟和闹钟的调节，程序中通过扫描来判断按键是否按下进行时间和闹钟的调节。
程序初始化
时十位归零alarms【7】=0
分时位归零alarms[4]=0
分十位归零
输出时钟时十位加一
输出闹钟时个位加一，延时
输出时钟十位加一
输出时钟十个位加一
输出时钟分个位加一，延时
输出闹钟时分位加一
输出闹钟时十位加一
输出闹钟分个位加一，延时
时十位归零
判断标志位是否为零
Alarms[4]>2

Alarms[7]>2
Alarms【3】>0
Dat1[6]>9
Dat1[7]
Alarms[6]>9
Dat1[3]>9
Dat1[4]>2
判断标志是否为零
判断时i加键是否按下
判断分加键是否按下

图5-4按键程序流程图
图5-5为进入中断和清零图，程序中通过扫描来判断按键是否按下进行执行相应的中断来事实现相应的功能。
判断分加键tminute是否按下，P1.1=0
判断秒表miaobiao1
是否按下按下,P1.0=0

，
tgsdhPP1.0=0

判断清零键miaobiao2是否按下，P1.3=0
进入秒表中断，执行秒表中断程序
返回上级主程序
清零所有的计数器，各个显示的字码。

图5-5 中断和清零程序流程图
5.3控制电路汇编语言源程序
定义管脚
S_SET BIT P1.0 ;数字钟秒控制位
M_SET BIT P1.1 ;分钟控制位
H_SET BIT P1.2 ;小时控制位
SECOND EQU 30H
MINUTE EQU 31H
HOUR EQU 32H
ORG 00H
SJMP MAIN
ORG 0BH
LJMP INT_T0
MAIN: MOV DPTR,#TABLE
MOV HOUR,#0 ;初始化
MOV MINUTE,#0
MOV SECOND,#0
MOV R0,#0
MOV TMOD,#01H
MOV TH0,#3CH ; 设置初值（定时50毫秒)
MOV TL0,#0B0H
SETB TR0 ;启动定时
SETB ET0
SETB EA
;*******************************************************************************
;判断是否有控制键按下
A1: LCALL DISPLAY
JNB S_SET,S1
JNB M_SET,S2
JNB H_SET,S3
LJMP A1
S1: LCALL DELAY ;去抖动
JB S_SET,A1

INC SECOND ;秒值加1
MOV A,SECOND
CJNE A,#60,J0 ;判断是否加到60秒
MOV SECOND,#0
LJMP K1
S2: LCALL DELAY
JB M_SET,A1

K1: INC MINUTE ;分钟值加1
MOV A,MINUTE
CJNE A,#60,J1 ;判断是否加到60分
MOV MINUTE,#0
LJMP K2
S3: LCALL DELAY
JB H_SET,A1

K2: INC HOUR ;小时值加1
MOV A,HOUR
CJNE A,#24,J2 ;判断是否加到24小时
MOV HOUR,#0
MOV MINUTE,#0
MOV SECOND,#0
LJMP A1
;****************************************************
;等待按键抬起
J0: JB S_SET,A1
LCALL DISPLAY
SJMP J0
J1: JB M_SET,A1
LCALL DISPLAY
SJMP J1
J2: JB H_SET,A1
LCALL DISPLAY
SJMP J2
;***********************************************
;定时器中断服务程序,对秒,分钟和小时的计数
INT_T0: MOV TH0,#3CH
MOV TL0,#0B0H
INC R0
MOV A,TCNT
CJNE A,#20,RETUNE ;计时1秒
INC SECOND
MOV R0,#0
MOV A,SECOND
CJNE A,#60,RETUNE
INC MINUTE
MOV SECOND,#0
MOV A,MINUTE
CJNE A,#60,RETUNE
INC HOUR
MOV MINUTE,#0
MOV A,HOUR
CJNE A,#24,RETUNE
MOV HOUR,#0
MOV MINUTE,#0
MOV SECOND,#0
MOV R0,#0
RETUNE: RETI
;******************************************
;显示控制子程序
DISPLAY: MOV A,SECOND ;显示秒
MOV B,#10
DIV AB
CLR P3.6
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.6
MOV A,B
CLR P3.7
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.7
CLR P3.5
MOV P0,#40H ;显示分隔符
LCALL DELAY
SETB P3.5
MOV A,MINUTE ;显示分钟
MOV B,#10
DIV AB
CLR P3.3
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.3
MOV A,B
CLR P3.4
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.4
CLR P3.2
MOV P0,#40H ;显示分隔符
LCALL DELAY
SETB P3.2
MOV A,HOUR ;显示小时
MOV B,#10
DIV AB
CLR P3.0
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.0
MOV A,B
CLR P3.1
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.1
RET
TABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H
DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH
DELAY: MOV R6,#5
D1: MOV R7,#250
DJNZ R7,$
DJNZ R6,D1
RET
END
这里的程序没用38译码器，若要用则显示子程序要改
如 要显示秒，程序如下

DISPLAY: MOV A,SECOND ;显示秒
MOV B,#10
DIV AB
MOV R7,#60H
ORG A,R7
MOV P0,A
LCALL DELAY
MOV A,B
MOV R7,#70H
ORL A,R7
MOV P0,A
LCALL DELAY

6 设计基本实现的功能
硬件部分设置了的六个按键。当按键一按下时，进入秒表显示状态，秒表开始计时，当按键六按下时，秒表暂停；当按键四按下时恢复到时间显示功能；当按键二按下时，进入调分状态，按一次，分加一，60一循环；按键三按下时，进入调时状态，按一次，时加一，60一循环；按键五按下时，进入闹铃设置功能，紧接着按下按键二和按键三进行时和分的设置，再按下按键4恢复显示时间，当显示的时间和定时设置的时间一致时，蜂鸣器发出蜂鸣声，蜂鸣时间我们设置为10秒。
另外，闹铃电路有音乐闹钟的扩展的功能(可以将蜂鸣器换成扬声器再加一段音乐程序即可实现)。
如果调试阶段，出现一些问题。比如，实际小时显示到29才归零，分钟显示到60才进一……经过软件调试，以上问题均一一排除，结果达到预期目标。但时间有限，部分扩展功能不能及时实现，比如音乐闹铃。

7 结束语
单片机多功能定时系统理论上能很好的达到了学校教学要求，发挥了单片机在智能化方面的应用。该系统的设计很好的满足当前学校教学的需要，是一个理想的智能化的设计。它具有一个走时精确的实时钟，可以任意设置时间，可以控制时间表的转换，时钟的显示功能等。可以通过按键操作和数字显示。该系统规模小，但是功能较多，操作简单，造价低，应用非常广泛。该系统的设计为向家庭数字化方向发展又前进了一步。同时又扩大了单片机的应用领域。

参考文献
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[7] 陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术.武汉：华中理工大学出版社，1999.

谢辞
本设计在选题及进行过程中得到了赵镭老师的悉心指导。在硬件电路设计当中赵老师帮助分析思路，开拓视角；在软件设计中赵老师帮助调试及修改程序。赵老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神将使我们终身受益。再多华丽的言语也显得苍白。在此，谨向赵镭老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！