课程设计51单片机电子时钟.docx
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课程设计51单片机电子时钟
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,使用很广、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,单片机已广泛地使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、使用,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。
第一章前言
数字电子钟具有走时准确,一钟多用等特点,在生活中已经得到广泛的使用。
虽然现在市场上已有现成的电子钟集成电路芯片,价格便宜、使用也方便,但是人们对电子产品的使用要求越来越高,数字钟不但可以显示当前的时间,而且可以显示期、农历、以及星期等,给人们的生活带来了方便。
另外数字钟还具备秒表和闹钟的功能,且闹钟铃声可自选,使一款电子钟具备了多媒体的色彩。
单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点,不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具,而且已渗入到人们工作和和生活的各个角落,有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代,使用前景广阔。
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。
在一个单片机使用系统中,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。
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制使用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
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。
第二章关于电子时钟
2.1电子时钟简介
1957年,Ventura发明了世界上第一个电子表,从而奠定了电子时钟的基础,电子时钟开始迅速发展起来。
现代的电子时钟是基于单片机的一种计时工具,采用延时程序产生一定的时间中断,用于一秒的定义,通过计数方式进行满六十秒分钟进一,满六十分小时进一,满二十四小时小时清零。
从而达到计时的功能,是人民日常生活补课缺少的工具。
2.2电子时钟的基本特点
现在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、石英钟、石英表都采用了石英技术,因此走时精度高,稳定性好,使用方便,不需要经常调试,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。
2.3电子时钟的原理
该电子时钟由89C51,BUTTON,六段数码管等构成,采用晶振电路作为驱动电路,由延时程序和循环程序产生的一秒定时,达到时分秒的计时,六十秒为一分钟,六十分钟为一小时,满二十四小时为一天。
而电路中唯一的一个控制键却拥有多种不同的功能,按下又松开,可以实现屏蔽数码管显示的功能,达到省电的目的;直接按下不松开,则可以通过按键实现分钟的累加,每按一次分钟加一;而连续两次按下按键不放松,则可实现小时的调节,同样每按一次小时加一。
.
第三章方案论证和比较
3.1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。
利用定时器和软件结合实现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。
3.2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。
显示器的亮度既和导通电流有关,也于点亮时间和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。
第四章系统设计
4.1总体设计
计时方案
利用AT89S51单片机内部的定时/计数器进行中断时,配合软件延时实现时、分、秒的计时。
该方案节省硬件成本,且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼和提高,对单片机的指令系统能有更深入的了解,从而对学好单片机技术这门课程起到一定的作用。
控制方案
AT89S51的P0口和P2口外接由八个LED数码管(LED8~LED1)构成的显示器,用P0口作LED的段码输出口,P2口作八个LED数码管的位控输出线,P1口外接四个按键A、B、C构成键盘电路。
AT89S51是一种低功耗,高性能的CMOS8位微型计算机。
它带有8KFlash可编程和擦除的只读存储器(EPROM),该器件采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术制造,和工业上标准的80C51和80C52的指令系统及引脚兼容,片内Flash集成在一个芯片上,可用和解决复杂的问题,且成本较低。
简易电子钟的功能不复杂,采用其现有的I/O便可完成,所以本设计中采用此的设计方案。
4.2.具体设计分析
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。
结合本设计实验来说,要求显示的时间为时,分,秒,并且都用两位数码管来实现显示。
因此,具体设计程序时,应尽可能多用一些子程序和数据暂寄存器单元。
本程序设计中,在主程序之外,可以设置时间值处理子程序,时间值显示前的处理子程序,按键情况扫描子程序,1S定时中断子程序以及5ms延时消除按键抖动子程序等多个小型的子程序。
另外,可以设置一些数据单元作为数据寄存器。
用28H,2AH,2BH和2CH地址单元分别作为显示位数的扫描指针值寄存器,时寄存器,分寄存器和秒寄存器,再用20H地址单元作为显示寄存器
系统框图
4.2模块设计
4.2.1芯片分析
4.2.1.1AT89S51芯片
选用的AT89S51和同系列的AT89C51在功能上有明显的提高,最突出是的可以实现在线的编程。
用于实现系统的总的控制。
其主要功能列举如下:
1、为一般控制使用的8位单片机
2、晶片内部具有时钟振荡器(传统最高工作频率可至33MHz)
3、内部程式存储器(ROM)为4KB
4、内部数据存储器(RAM)为128B
5、外部程序存储器可扩充至64KB
6、外部数据存储器可扩充至64KB
7、32条双向输入输出线,且每条均可以单独做I/O的控制
8、5个中断向量源
9、2组独立的16位定时器
10、1个全双工串行通信端口
11、8751及8752单芯片具有数据保密的功能
12、单芯片提供位逻辑运算指令
AT89S51各引脚功能介绍:
VCC:
ATAT89S51电源正端输入,接+5V。
VSS:
电源地端。
XTAL1:
单芯片系统时钟的反向放大器输入端。
XTAL2:
系统时钟的反向放大器输出端,一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了,此外可以在两个引脚和地之间加入一个20PF的小电容,可以使系统更稳定,避免噪声干扰而死机。
RESET:
AT89S51的重置引脚,高电平动作,当要对晶片重置时,只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间,AT89S51便能完成系统重置的各项动作,使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态,并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。
EA/Vpp:
"EA"为英文"ExternalAccess"的缩写,表示存取外部程序代码之意,低电平动作,也就是说当此引脚接低电平后,系统会取用外部的程序代码(存于外部EPROM中)来执行程序。
因此在8031及8032中,EA引脚必须接低电平,因为其内部无程序存储器空间。
如果是使用8751内部程序空间时,此引脚要接成高电平。
此外,在将程序代码烧录至8751内部EPROM时,可以利用此引脚来输入21V的烧录高压(Vpp)。
ALE/PROG:
ALE是英文"AddressLatchEnable"的缩写,表示地址锁存器启用信号。
ATAT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器(如74LS373),将端口0的地址总线(A0~A7)锁进锁存器中,因为ATAT89S51是以多工的方式送出地址及数据。
平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6,因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。
此外在烧录8751程序代码时,此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。
PSEN:
此为"ProgramStoreEnable"的缩写,其意为程序储存启用,当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时(EA=0),会送出此信号以便取得程序代码,通常这支脚是接到EPROM的OE脚。
ATAT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM和EPROM,使得数据存储器和程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。
PORT0(P0.0~P0.7):
端口0是一个8位宽的开路电极(OpenDrain)双向输出入端口,共有8个位,P0.0表示位0,P0.1表示位1,依此类推。
其他三个I/O端口(P1、P2、P3)则不具有此电路组态,而是内部有一提升电路,P0在当作I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。
如果当EA引脚为低电平时(即取用外部程序代码或数据存储器),P0就以多工方式提供地址总线(A0~A7)及数据总线(D0~D7)。
设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0~A7,再配合端口2所送出的A8~A15合成一组完整的16位地址总线,而定位地址到64K的外部存储器空间。
PORT2(P2.0~P2.7):
端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口,每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载,若将端口2的输出设为高电平时,此端口便能当成输入端口来使用。
P2除了当作一般I/O端口使用外,若是在ATAT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时,也提供地址总线的高字节A8~A15,这个时候P2便不能当作I/O来使用了。
PORT1(P1.0~P1.7):
端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口,其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载,同样地,若将端口1的输出设为高电平,便是由此端口来输入数据。
如果是使用8052或是8032的话,P1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚,而P1.1可以有T2EX功能,可以做外部中断输入的触发引脚。
PORT3(P3.0~P3.7):
端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口,其输出缓冲器可以推动4个TTL负载,同时还多工具有其他的额外特殊功能,包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。
其引脚分配如下:
P3.0:
RXD,串行通信输入。
P3.1:
TXD,串行通信输出。
P3.2:
INT0,外部中断0输入。
P3.3:
INT1,外部中断1输入。
P3.4:
T0,计时计数器0输入。
P3.5:
T1,计时计数器1输入。
P3.6:
WR:
外部数据存储器的写入信号。
P3.7:
RD,外部数据存储器的读取信号。
4.2.1.274LS47芯片说明
74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器,74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码,可以直接把数字转换为数码管的显示数字,从而简化了程序。
74LS47译码器原理:
译码为编码的逆过程。
它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。
实现译码的逻辑电路成为译码器。
译码器输出和输入代码有唯一的对应关系。
74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器,它在这里和数码管配合使用,
下表列出了74LS47的真值表,表示出了它和数码管之间的关系。
输入输出显示数字符号
LTRBIA3A2A1A0BIRBOabcdefg
110000100000010
1X0001110011111
1X0010100100102
1X0011100001103
1X0100110011004
1X0101101001005
1X0110111000006
1X0111100011117
1X1000100000008
1X1001100011009
XXXXXX01111111熄灭
10000001111111熄灭
0XXXXX100000008
74LS138芯片说明
74HC138:
74LS138为3线-8线译码器,共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式,其74LS138工作原理如下:
当一个选通端(G1)为高电平,另两个选通端(/(G2A)和/(G2B))为
低电平时,可将地址端(A、B、C)的二进制编码在一个对应的输出端以低
电平译出。
74LS138的作用:
利用G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成24线译码器;若外接一个反
相器还可级联扩展成32线译码器。
若将选通端中的一个作为数据输入端时,74LS138还可作数据分配器
74LS138和74HC的引脚图
用和非门组成的3线-8线译码器74LS138
无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出引脚,任何时刻要么全为高电平1—芯片处于不工作状态,要么只有一个为低电平0,其余7个输出引脚全为高电平1。
如果出现两个输出引脚同时为0的情况,说明该芯片已经损坏。
71LS138有三个附加的控制端、和。
当、时,输出为高电平(S=1),译码器处于工作状态。
否则,译码器被禁止,所有的输出端被封锁在高电平,如表3.3.5所示。
这三个控制端也叫做“片选”输入端,利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。
3线-8线译码器74LS138的功能表
带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。
在图3.3.8电路中如果把作为“数据”输入端(同时),而将作为“地址”输入端,那么从送来的数据只能通过所指定的一根输出线送出去。
这就不难理解为什么把叫做地址输入了。
例如当=101时,门的输入端除了接至输出端的一个以外全是高电平,因此的数据以反码的形式从输出,而不会被送到其他任何一个输出端上。
4.2.2晶振电路
右图所示为时钟电路原理图,在AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。
而在芯片内部,XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激振荡器。
时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后,才成为单片机的时钟脉冲信号。
图3晶振电路
4.2.3复位电路
单片机复位的条件是:
必须使RST/VPD或RST引(9)加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。
例如,若时钟频率为12MHz,每机器周期为1μs,则只需2μs以上时间的高电平,在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。
单片机常见的复位如图所示。
电路为上电复位电路,它是利用电容充电来实现的。
在接电瞬间,RESET端的电位和VCC相同,随着充电电流的减少,RESET的电位逐渐下降。
只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期,便能正常复位。
该电路除具有上电复位功能外,若要复位,只需按图中的RESET键,此时电源VCC经电阻R1、R2分压,在RESET端产生一个复位高电平。
图4 单片机复位电路
4.2.4数码显示模块设计
数码管的引脚图
共阴数码管
数码管是一种把多个LED显示段集成在一起的显示设备。
有两种类型,一种是共阳型,一种是共阴型。
共阳型就是把多个LED显示段的阳极接在一起,又称为公共端。
共阴型就是把多个LED显示段的阴极接在一起,即为公共商。
阳极即为二极管的正极,又称为正极,阴极即为二极管的负极,又称为负极。
通常的数码管又分为8段,即8个LED显示段,这是为工程使用方便如设计的,分别为A、B、C、D、E、F、G、DP,其中DP是小数点位段。
而多位数码管,除某一位的公共端会连接在一起,不同位的数码管的相同端也会连接在一起。
即,所有的A段都会连在一起,其它的段也是如此,这是实际最常用的用法。
数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。
静态显示就是数码管的8段输入及其公共端电平一直有效。
动态显示的原理是,各个数码管的相同段连接在一起,共同占用8位段引管线;每位数码管的阳极连在一起组成公共端。
利用人眼的视觉暂留性,依次给出各个数码管公共端加有效信号,在此同时给出该数码管加有效的数据信号,当全段扫描速度大于视觉暂留速度时,显示就会清晰显示出来。
系统采用动态显示方式,用P0口来控制LED数码管的段控线,而用P2口来控制其位控线。
动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示,即循环点亮每一个数码管,这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮,但由于人眼存在视觉残留效应,只要每位数码管间隔时间足够短,就可以给人以同时显示的感觉。
按键模块
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器、时个位和时十位计数器及星期计数器电路构成,其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器,时个位和时十位计数器为24进制计数器。
下图为按键模块电路原理图。
5.2.5整个电路原理图
第五章控制系统的软件设计
基本的程序流程应该是:
在主程序中检测各个时间按钮是否有动作若有,就储存并修改相关的的时间寄存器的值,若没有,就继续检测。
在计时子程序中将各时间寄存器的值逐个加1,每加一次就要检查是否已超过显示的上限值,这样在后面就便于处理,在扫描显示子程序中,将扫描位数指针和20H相加,从而得到相应的显示数据;然后按照显示的位数加显示数就的格式,将数据从P1口输出到数码管上去显示,当然还有定时中断子程序,在这里,它实现计时1S的时间延时。
源程序代码
ORG00H;主程序起始地址
JMPSTART;主程序START
ORG0BH;定时器T0中断起始地址
JMPTIM0;定时器T0中断子程序TIM0
START:
MOVSP;#70H;设置堆栈指针
MOV28H,#00;设置显示位数扫描指针初值为0
MOV2AH,#12H;设置时钟显示寄存器初值为12H
MOV2BH,#00;设置分钟显示寄存器初值为00H
MOV2CH,#00;设置秒钟显示寄存器初值为00H
MOVTMOD,#01H;设置定时器T0工作在方式1
MOVTH0,#0F0H;定时4ms的初值,即0F060H
MOVTL0,#60H;初值的低位
MOVIE,#82H;定时器T0中断允许
MOVR4,#250;保证后面实现中断250次,即1s的延时
SETBTR0;启动定时器T0
LOOP:
JBP0.0,N2;若秒没有按键,就转去下一步检查分
CALLDELAY;延时5ms消除抖动
MOVA,2CH;将秒寄存器的值载入累加器A
ADDA,#01H;A的内容加1
DAA;十进制调整
MOV2CH,A;A的值存入秒寄存器
CJNEA,#60H,N1;看是否已经是60秒,若不是就继续检查
MOV2CH,#00;已经是60秒,就清空秒寄存器的值
N1:
JNBP0.0,$;秒按键还没有放开就循环等待
CALLDELAY;延时5ms,消除抖动
N2:
JBP0.1,N4;若分没有按键,就转去下一步检查时钟
CALLDELAY;延时5ms,消除抖动
MOVA,2BH;将分寄存器的值载入累加器A
ADDA,#01H;A的内容加1
DAA;十进制调整
MOV2BH,A;A的值存入分寄存器
CJNEA,#60H,N3;看是否已经是60分
MOV2BH,#00;已经是60分,就清空秒寄存器的值
N3:
JNBP
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