单片机电子时钟毕业论文设计.doc

单片机电子时钟的设计

摘 要
单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习、应用，以AT89S51芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由4.5V直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间，调整时间，从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。

关键词：单片机 AT89S
摘 要 I
Abstract II
第一章 前言 1
第二章 方案论证与比较 2
2.1数字时钟方案 2
2.2数码管显示方案 2
第三章 系统设计 3
3.1总体设计 3
3.1.1系统说明 3
3.1.2系统框图 3
3.2模块设计 4
3.2.1电源部分 4
3.2.2复位电路 4
3.2.3程序下载接口 5
3.2.4位选部分 5
3.2.5数码管的连接电路 6
3.2.6控制部分 6
第四章 原理图与PCB图 8
第五章 软件设计 9
5.1程序流程图 9
5.2源程序 11
第六章 总结 18
6.1物品清单与元件特性 18
6.2设计总结 19
参考文献（References）： 20
致 谢 20

19

第一章 前言

时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？这就要求人们不断设计出新型时钟。
现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。
时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有：DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。
本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机AT89S51芯片和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。

第二章 方案论证与比较
2.1数字时钟方案
数字时钟是本设计的最主要的部分。根据需要，可利用两种方案实现。
方案一：本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS12887A。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。
方案二：本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将十字节清零。该方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。
基于硬件电路的考虑，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。
2.2数码管显示方案
方案一：静态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，造成了资源的浪费。
方案二：动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了I/O口，降低了能耗。
从节省I/O口和降低能耗出发，本设计采用方案二。

第三章 系统设计
3.1总体设计
3.1.1系统说明
利用单片机（AT89S51）制作简易电子时钟，由六个LED数码管分别显示小时十位、小时个位、分钟十位、分钟个位、秒钟十位、秒钟个位。6个PNP管（9012）分别控制六个数码管的亮灭，一个按键用于时间调整。
3.1.2系统框图
显示部分
控制部分
单片机（AT89S51）
按键S2
复位电路
电源部分
直流电源4.5V
6个七段共阴极数码管
显示秒，分钟及小时位

位选部分
6个PNP三极管（9012）

图3-1
3.2模块设计
3.2.1电源部分

图3-2
如图3-2所示，从外部引入4.5V的直流电，为单片机、复位电路提供电源。
3.2.2复位电路

图3-3
如图3-3所示，复位电路主要由型号为1N4148的二极管，型号为10UF/16V的电解电容，型号为104的瓷片电容，10K的电阻以及按键S1构成，S1接芯片的相应引脚RST，当开关按下时引脚RST为高电平1，断开时引脚为低电平0。
3.2.3程序下载接口

图3-4
如图3-4所示，由AT89S ISP构成的两排十针下载口，板图上有一个小方框，为1号引角；下载线的凸口为正方向，凸口的右侧边的第一个插孔为1号引角。
3.2.4位选部分

图3-5
图3-5为位选电路，三极管的集电极接数码管的公共端，当P2口对应的引脚输出高电平时三极管导通，对应的数码管显示数据。这样，在同一时刻，6位LED中只有选通的那1位显示出字符，而其他5位则是熄灭的。同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他个位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于LED的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。
3.2.5数码管的连接电路

图3-6

图3-6为数码管的引脚图，每位的段码线（a,b,c,d,e,f,g,dp）分别与1个8位的锁存器输出相连，由AT89S51控制组合0－9十个数据，如令其显示1则b,c引脚（即2，3引脚）送高电平，此时数码管显示1。由于各位的段码线并联，8位I/O口输出段码对各个显示位来说都是相同的。

3.2.6控制部分

图3-7
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。AT89S51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
如图3-7所示，AT89S51有40引脚，双列直插（DIP）封装，所用引脚功能如下：
1. VCC ——运行时加＋4.5V
2. GND ——接地
3. XTAL1 ——振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端
4. XTAL2 ——振荡器反相放大器的输出端
5. RST ——复位输入，高电平有效，在晶振工作时，在RST引脚上作用2个机器周期以上的高电平，将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFT AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
6. EA/VPP ——片外程序存储器访问允许信号。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地），如果EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
7. P1口,P2口——P1，P2是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口。运行时通过P1口控制驱动电路的工作，将数据送到数码管，显示相应的段码，为了达到减少功耗或满足端口对最大电流的限制，应加上一限流电阻。P2.0——P2.5口控制数码管的位选，使六个数码管轮流显示数据，等于1时位选三极管导通，等于0 时位选三极管截止。
8. 无自锁开关——（S2－P3.7）开关接相应引脚P3.7，当开关按下时，相应引脚为低电平0，断开时引脚为高电平1。

第四章 原理图与PCB图

图4-1

图4-2
第五章 软件设计
5.1程序流程图
主程序开始
设定定时器常数，开中断
显示时间
到1秒？
T0中断
现场保护
重装定时器初值
满20次否？
满24小时否？
满60秒否？
满60分否？
恢复现场
时值加1
时缓冲单元清零
秒值加1
分缓冲单元清零
秒缓冲单元清零
分值加1
结束

时钟调整程序
关闭显示，省电状态
分钟闪烁，调时状态
分值加1
按键S2时间t>1
时值=24？
按键S2时间t<0.5
按键S2时间t<0.5
时钟闪烁，调时状态
分值=60？
分值清零
时值加1
时值清零
返回显示
S2是否按下

5.2源程序
表5-1 P1口对应段码及数值：
显示数字
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
16进制代码
dp
g
f
e
d
c
b
a
0
0
0
1
1
1
1
1
1
3FH
1
0
0
0
0
0
1
1
0
06H
2
0
1
0
1
1
0
1
1
5BH
3
0
1
0
0
1
1
1
1
4FH
4
0
1
1
0
0
1
1
0
66H
5
0
1
1
0
1
1
0
1
6DH
6
0
1
1
1
1
1
0
1
7DH
7
0
0
0
0
0
1
1
1
07H
8
0
1
1
1
1
1
1
1
7FH
9
0
1
1
0
1
1
1
1
6FH
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; 中断入口程序;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;
ORG 0000H ;程序执行开始地址
LJMP START ;跳到标号START执行
ORG 0003H ;外中断0中断程序入口
RETI ;外中断0中断返回
ORG 000BH ;定时器T0中断程序入口
LJMP INTT0 ;跳至INTTO执行
ORG 0013H ;外中断1中断程序入口
RETI ;外中断1中断返回
ORG 001BH ;定时器T1中断程序入口
LJMP INTT1 ;跳至INTT1执行
ORG 0023H ;串行中断程序入口地址
RETI ;串行中断程序返回

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; 主 程 序 ;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;
START: MOV R0,#70H ;清70H-7AH共11个内存单元
MOV R7,#0BH
;clr P3.7 ;
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
MOV TMOD,#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: LCALL DISPLAY ;调用显示子程序
JNB P3.7,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: LJMP SETMM ;转到时间调整程序SETMM
;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; 1秒计时程序;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;T0中断服务程序
INTT0: PUSH ACC ;累加器入栈保护
PUSH PSW ;状态字入栈保护
CLR ET0 ;关T0中断允许
CLR TR0 ;关闭定时器T0
MOV A,#0B7H ;中断响应时间同步修正
ADD A,TL0 ;低8位初值修正
MOV TL0,A ;重装初值（低8位修正值）
MOV A,#3CH ;高8位初值修正
ADDC A,TH0 ;
MOV TH0,A ;重装初值（高8位修正值）
SETB TR0 ;开启定时器T0
DJNZ R4, OUTT0 ;20次中断未到中断退出
ADDSS: MOV R4,#14H ;20次中断到（1秒）重赋初值
MOV R0,#71H ;指向秒计时单元（71H-72H）
ACALL ADD1 ;调用加1程序（加1秒操作）
MOV A,R3 ;秒数据放入A（R3为2位十进制数组合）
CLR C ;清进位标志
CJNE A,#60H,ADDMM ;
ADDMM: JC OUTT0 ;小于60秒时中断退出
ACALL CLR0 ;大于或等于60秒时对秒计时单元清0
MOV R0,#77H ;指向分计时单元（76H-77H）
ACALL ADD1 ;分计时单元加1分钟
MOV A,R3 ;分数据放入A
CLR C ;清进位标志
CJNE A,#60H,ADDHH ;
ADDHH: JC OUTT0 ;小于60分时中断退出
ACALL CLR0 ;大于或等于60分时分计时单元清0
MOV R0,#79H ;指向小时计时单（78H-79H）
ACALL ADD1 ;小时计时单元加1小时
MOV A,R3 ;时数据放入A
CLR C ;清进位标志
CJNE A,#24H,HOUR ;
HOUR: JC OUTT0 ;小于24小时中断退出
ACALL CLR0 ;大于或等于24小时小时计时单元清0
OUTT0: MOV 72H,76H ;中断退出时将分、时计时单元数据移
MOV 73H,77H ;入对应显示单元
MOV 74H,78H ;
MOV 75H,79H ;
POP PSW ;恢复状态字（出栈）
POP ACC ;恢复累加器
SETB ET0 ;开放T0中断
RETI ;中断返回
;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; 闪动调时 程 序 ;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;T1中断服务程序，用作时间调整时调整单元闪烁指示
INTT1: PUSH ACC ;中断现场保护
PUSH PSW ;
MOV TL1, #0B0H ;装定时器T1定时初值
MOV TH1, #3CH ;
DJNZ R2,INTT1OUT ;0.3秒未到退出中断（50MS中断6次）
MOV R2,#06H ;重装0.3秒定时用初值
CPL 02H ;0.3秒定时到对闪烁标志取反
JB 02H,FLASH1 ;02H位为1时显示单元"熄灭"
MOV 72H,76H ;02H位为0时正常显示
MOV 73H,77H ;
MOV 74H,78H ;
MOV 75H,79H ;
INTT1OUT: POP PSW ;恢复现场
POP ACC ;
RETI ;中断退出
FLASH1: JB 01H,FLASH2 ;01H位为1时，转小时熄灭控制
MOV 72H,7AH ;01H位为0时，"熄灭符"数据放入分
MOV 73H,7AH ;显示单元（72H-73H），将不显示分数据
MOV 74H,78H ;
MOV 75H,79H ;
AJMP INTT1OUT ;转中断退出
FLASH2: MOV 72H,76H ;01H位为1时，"熄灭符"数据放入小时
MOV 73H,77H ;显示单元（74H-75H），小时数据将不显示
MOV 74H,7AH ;
MOV 75H,7AH ;
AJMP INTT1OUT ;转中断退出
;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; 加1子 程 序 ;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;
ADD1: MOV A,@R0 ;取当前计时单元数据到A
DEC R0 ;指向前一地址
SWAP A ;A中数据高四位与低四位交换
ORL A,@R0 ;前一地址中数据放入A中低四位
ADD A,#01H ;A加1操作
DA A ;十进制调整
MOV R3,A ;移入R3寄存器
ANL A,#0FH ;高四位变0
MOV @R0,A ;放回前一地址单元
MOV A,R3 ;取回R3中暂存数据
INC R0 ;指向当前地址单元
SWAP A ;A中数据高四位与低四位交换
ANL A,#0FH ;高四位变0
MOV @R0,A ;数据放入当削地址单元中
RET ;子程序返回
;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; 清零程序 ;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;对计时单元复零用
CLR0: CLR A ;清累加器
MOV @R0,A ;清当前地址单元
DEC R0 ;指向前一地址
MOV @R0,A ;前一地址单元清0
RET ;子程序返回
;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; 时钟调整程序;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;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 P3.7,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 P3.7,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 P3.7,SET3 ;等待键按下
LCALL DL05S ;有键按下，延时0.5秒
JNB P3.7,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
LCALL ADD1 ;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 P3.7,CLOSE ;无按键按下，等待。
LCALL DISPLAY ;有键按下，调显示子程序延时削抖
JB P3.7,CLOSE ;是干扰返回CLOSE等待
WAITH: JNB P3.7,WAITH ;等待键释放
LJMP START1 ;返回主程序（LED数据显示亮）
SETHH: CLR 00H ;分闪烁标志清除（进入调小时状态）
SETHH1: JNB P3.7,SET5 ;等待键释放
SETB 01H ;小时调整标志置1
SET6: JB P3.7,SET7 ;等待按键按下
LCALL DL05S ;有键按下延时0.5秒
JNB P3.7,SETOUT ;按下时间大于0.5秒退出时间调整
MOV R0,#79H ;按下时间小于0.5秒加1小时操作
LCALL ADD1 ;调加1子程序
MOV A,R3 ;
CLR C ;
CJNE A,#24H,HOUU ;计时单元数据与24比较
HOUU: JC SET6 ;小于24转SET6循环
LCALL CLR0 ;大于或等于24时清0操作
AJMP SET6 ;跳转到SET6循环
SETOUT: JNB P3.7,SETOUT1 ;调时退出程序。等待键释放
LCALL DISPLAY ;延时削抖
JNB P3.7,SETOUT ;是抖动，返回SETOUT再等待
CLR 01H ;清调小时标志
CLR 00H ;清调分标志
CLR 02H ;清闪烁标志
CLR TR1 ;关闭定时器T1
CLR ET1 ;关定时器T1中断
SETB TR0 ;开启定时器T0
SETB ET0 ;开定时器T0中断（计时开始）
LJMP START1 ;跳回主程序
SET1: LCALL DISPLAY ;键释放等待时调用显示程序（调分）
AJMP SET2 ;防止键按下时无时钟显示
SET3: LCALL DISPLAY ;等