基于单片机的电子时钟设计.doc基于单片机的电子时钟设计.doc

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摘要近几年,单片机在各个领域得到广泛的应用。本文介绍的是基于AT89C51单片机的数字式电子时钟的设计,包括硬件以及软件的设计。该设计通过软件编程的方法实现了以24小时为一个周期并能同时显示小时、分钟和秒以及具有整点报时的功能。该电子时钟设有三个按键SB1、SB2和SB3,使之具有校时功能。关键词电子时钟;AT89C51单片机;蜂鸣器;数码管;设计与仿真ABSTRACTSINGLECHIPMICROCOMPUTERHASACHIEVEDAIMMERSEPOPULARITYINALLFIELDSINRECENTYEARSTHISARTICLEDESCRIBESISBASEDONAT89C51MCUDESIGNOFELECTRONICCLOCK,INCLUDINGTHEDESIGNOFHARDWAREANDSOFTWARETHEDESIGNMETHODOFSOFTWAREPROGRAMMING,THECLOCKCANDISPLAYHOUR,MINUTEANDSECONDATTHESAMETIMEINA24HOURCYCLEASWELLASTHEWHOLEPOINTTIMEKEEPINGFUNCTIONTHISKINDOFELECTRONCLOCKISEQUIPPEDWITHTHREEKEYSSB1,SB2ANDSB3,WHICHENABLETHECLOCKTOADJUSTTOKEEPACCURATETIMEKEYWORDSELECTRONCLOCK;AT89C51MCU;BUZZER;ALPHANUMERICDISPLAY;DESIGNANDSTIMULATION目录1绪论12单片机的简单介绍121单片机的定义及特点122单片机的分类223单片机的应用与发展23AT89C51单片机简介231单片机的结构232中央处理器CPU的结构3321运算器3322控制器333硬件结构及引脚说明434单片机的存储器7341程序存储器(ROM)7342数据存储器(RAM)7343特殊功能寄存器(SFR)84LED数码管简介95软件设计126时钟设计的硬件仿真1461仿真软件的介绍1462数字电子时钟硬件电路原理及设计1563数字电子时钟仿真18631选择仿真元件18632绘制仿真图1964整机仿真及调试197结论22参考文献23致谢24附录2511绪论近些年来随着计算机的普及和大规模集成电路的发展,单片机的应用迅猛发展,由于它体积小,耗能低,功能强,价格便宜,工作稳定,使用方便,因此单片机被广泛应用于越来越广泛地应用于智能化仪器,家用自动控制,数据系统采集,军工产品以及工业自化控制领域。石英晶体振荡器,简称为晶振,它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。由于其体积小、重量轻、可靠性高、极高的频率稳定性。因而被作为一种高精确的计时工具。电子钟,石英钟,石英表均采用了晶振计时技术,因而它们计时精确度高,性能稳定,使用方便,也不经常需要校准。数字式电子钟利用晶振计时,用LED显示器代替机械指针显示指示的时间,用译码器代替表针机械式传动,因而误差极小。这种电子时钟能够精确显示时,分,秒,还可以自动进行时和分的校准,大大地扩展了钟表原先仅有的报时功能。电子时钟的出现给人们生产生话带来了极大的方便。使得电子时钟被广泛的应用于个人家庭、码头、车站、办公室等场所的各个角落,已成为人们口常生话中不可缺少的必需品。目前的电子时钟大都基于单片机,并加以时钟芯片构成。以单片机为核心,可以很方便的扩展很多种外围电路进而可以增添多种功能,比如语音芯片,温、湿度传感器等。可以使电子时钟的功能更加强大。增添外围电路,增添新的程序,便可以使它实现不同的功能。比如说电子万年历就比普通的电子日历功能更多,就是以电子时钟为基础。而通常基于单片机设计数字时钟有两种(1)使用单片机自带的时钟来计时。这种设计方法硬件线路简单,但是程序相对比较复杂,系统功能跟软件设计有很大的关系。使用与对时间精度要求不高的场合。(2)是采用专门的时钟芯片,时钟芯片集成度高,功能强大,它能利用自带的时钟计时并具有自动校准功能,因而计时精度极高。这样设计软件编程相对简单,但是硬件成较高,适用于对时间精确度要求较高的场合使用。本文主采用单片机内部的定时/计数器来实现计时的方法,本设计基于单片机AT89C51芯片,显示电路采用LED数码管,辅以必要的外围电路,便构成了一机构简单,适用方便的新型电子时钟2单片机的简单介绍21单片机的定义及特点单片机是一种微型计算机,内部集成运算器,控制器、存贮器、总线等器件。存储器2包括程序存贮器ROM(用存储程序和常用的数据)、数据存贮器RAM(用于存储程序运行中的数据)、带有并行和串行接口(便于与外围电路相连)、自带定时器/计数器、和中断控制系统等。目前大部分单片机还支持外扩存储器的功能,随着集成电路的快速发展,单片机的功能也越来越强大,集成诸如高速计数端口、通讯接口、PW波调制、AD转换、DA转换。现在功能更为强大,它甚至可以将声音、网络、图像、复杂的输入输出功能全部集在一起。由于单片机体积小、安装适用方便价格低等优点因而很适合各种复杂度不高的控制场合里。22单片机的分类按照单片机的类型,单片机有(1)STC系列单片机;(2)具有ISP功能的单片机;(3)PIC系列单片机;(4)AVR单片机;(5)AT系列单片机。23单片机的应用与发展单片机已经出现在我们生活的各个领域。大到控制导弹的导航,飞机控制,小到洗衣机和玩具。计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的计时控制和处理数据,广泛使用的各种智能IC卡,数码相机,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,还有程控玩具、电子宠物等等,由于单片机价格低廉,性能稳定,因而越来越受到电子设计者的喜欢。单片机应用大致可分几个方面1智能仪器仪表;2工业控制;3家电管理;4计算机网络;5医疗设备;6机器人控制;单片机发展方向(1)向主流机型发展(2)软件嵌入(3)向RISC体系结构发展(4)专用性单片机发展5向全盘CMOS化发展。3AT89C51单片机简介31单片机的结构AT89C51采用CMS工艺,因而功耗很低。存储上采用非易失存储技术。片内含有高性能的4KB快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY)。COMS8位微控制器,其引脚和指令系统与80C51完全兼容。允许在芯片上的FPEROM在线编程或采用通用的非易失存储编程器对存储器重复编程。MCS51单片机内部结构框架,如图313端口0驱动器端口2驱动器RAM(1288)端口0锁存器端口2锁存器ROM(4K8)程序地址寄存器缓冲器PC加1寄存器程序计数器PC数据指针DPTR堆栈指示器SPPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUF(TX)SBUF(RX)IE中断、串行口和定时器RAM地址寄存器ACCB寄存器ALU状态寄存器暂存器2暂存器1定时与控制指令寄存器端口1锁存器端口3锁存器端口1驱动器端口3驱动器XTAL1XTAL2P00~P07P20~P27P10~P17P30~P37ALERSTPSENEAVCCVSS(+5V)图31MCS51单片机内部结构框架32中央处理器CPU的结构MCS51单片机内部有一个8位的CPU处理器,同时CPU内部包含了运算器,控制器、寄存器和总线组成。321运算器运算器(ALU)完成二进制的算术/逻辑运算部件为核心,再加上暂存器TMP、寄存器B、PSW程序状态标志寄、ACC存器累加器、B及布尔处理器。加器ACC(一个八位寄存器)是CPU中工作最频繁的器件。在进行算术和逻辑运算时,累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数(比如是被乘数),而运算后又保存其结果(比如代数积)。寄存器B主要用于乘法和除法运算操作。PSW标志寄存器(一个八位寄存器),用来存放运算结果的一些特征,如无进位、溢出标志位等。322控制器控制器是CPU的中枢神经,它带有定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、SP堆栈指针、DPTR地址指针及PC程序计数器等。PC程序计数器是一个16位寄存器构成的计数器。如果在单片机执行一个程序,必须把该程序按顺序预先装入存储器ROM的某个4区域。单片机启动后应该按顺序一条条取出指令来加以执行。因此,必须有一个电路可以找出指令在的单元地址,该电路就是程序计数器PC。当单片机开始执行程序时,PC装入第一条指令所在地址,每当它每取出一条指令(如为多字节指令,则每取出一个指令字节),PC的内容就会自动加1,代表指向下一条指令的地址,这样可以使指令能够顺序执行。只有遇到转移指令、序调子程用指令,或中断处理时,PC自动跳转到所需要的地方去。89C51CPU通过PC指定的地址,从ROM相应单元中取出指令字节并放在指令寄存器中寄存,然后翻译指令指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号,这些信号可以与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时和控制电路中相结合,形成按一定规律按节拍变化的电平和时钟,也就是我们所指的控制信息,协调在CPU内部寄存器之间的数据运算、传输操作结果保存等。33硬件结构及引脚说明MCS51单片机的内部结构,如图32所示。图32MCS51单片机内部结构AT89C51单片机运用40PIN封装的双列直接DIP封装结构,下图是它IO口的引脚配置,外部中断引脚与P3引脚复用,40个引脚中,包括电源正极和电源负极,外接石英振荡器的时钟线两根,4组8位双向32个I/O口,。现在我们对这些引脚的功能加以简单说明,如图33所示。时钟电路SF和RAMROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系统总线时钟源T0T1P0P1P2P3TXDRXDINT0INT15XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P00/AD039P01/AD138P02/AD237P03/AD336P04/AD435P05/AD534P06/AD633P07/AD732P27/A1528P20/A821P21/A922P22/A1023P23/A1124P24/A1225P25/A1326P26/A1427P101P112P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P37/RD17P36/WR16P35/T115U180C51图33AT89C51单片机引脚图P0口(39~32脚)P00~P07。可以作为准双向输入/输出口在不接片外存储器与不扩展I/O口时。在外扩片外存储器或扩展I/O口时,P0口可以分时复用为低8位地址总线和双向数据总线使用。它是为一个没有内部上拉电阻的IO口,在使用时一般需要外接上拉电阻。P1口(1~8脚)P10~P17,可以作为准双向I/O口使用内部含有上拉电阻。驱动电流为5毫安,灌电流为20毫安左右。P2口(21~28脚)P20~P2,一般作为准双向I/O口使用;在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时,P2口被用作高8位地址总线,实现片外数据读取。P3口(10~17脚)P30~P37,是一个复用口,它不仅可以作为准双向I/O口使用外,还具有第二功能,P3口的第二功能如表31所示。表31P3口的第二功能引脚第二功能P30RXD串行口输入P31TXD串行口输出端P32INT0外部中断0请求输入端,低电平有效P33INT1外部中断1请求输入端,低电平有效P34T0定时器/计数器0计数脉冲输入端6P35T1定时器/计数器1计数脉冲输入端P36WR外部数据存储器写选通信号输入端,低电平有效P37RD外部数据存储器读选通信号输入端,低电平有效ALE/PROG(30脚)地址锁存有效信号输入端,不用时候可以悬空。PSEN(29脚)片外程序存储器读选通信号输出端,当低电平时有效。在没有外扩存贮器时迎接高电平,不然会造成运行不稳定。RST/VPD引脚(9脚)该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。常见的复位电路有上电自动复位电路和上电加手动复位电路,如图34所示。EA/VPP(31脚)EA为片外程序存储器选用端,低电平时有效。XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)外部时钟接入端,分别为反向放大器的输入端和输出端。该反向放大器可以配置为片内振荡器,采用石晶振荡和陶瓷电容振荡。如果采用外部时钟源驱动器件,XTAL2不接。外部振荡输入至内部时钟信号需要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无太大要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度,如图35所示。C122ΜFRSTR11KΩ5V5V(A)上电复位电路(B)手动复位电路C122ΜFRSTR2200ΩR11KΩ图34MCS51单片机复位电路图7图35MCS51单片机振荡电路图34单片机的存储器单片机的结构有两种类型一种是程序存储器和数据存储器分开的形式341程序存储器(ROM)程序存储空间可以被映射为内部程序存储器或者外部程序存储器。AT89C51单片机内部具有的4KB程序存储器被映射到程序存储空间的0000H~0FFFH这些区间。这部分程序存储空间也可以被映射到外部程序存储器,引脚(引脚31)所接的电平决定它具体被映射为哪一种程序存储器。当引脚为低电平,外部程序存储器被映射到这部分程序存储空间;当引脚为高电平,内部程序存储器被映射到这部分程序存储空间;。高于0FFFH的程序存储空间只能被映射为外部程序存储器。ROM所存数据,一般是装入整机前事先写好的,整机工作过程中只能读出,而不像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。ROM所存数据稳定,断电后所存数据也不会改变;其结构较简单,读出较方便,因而常用于存储各种固定程序和数据。除少数品种的只读存储器(如字符发生器)可以通用之外,不同用户所需只读存储器的内容不同。为便于使用和大批量生产,进一步发展了可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程序只读存储器(EPROM)和电可擦可编程只读存储器342数据存储器(RAM)单片机的数据存储器是由读写存储器RAM组成。其中00H~7FH为内部随机存储器RAM,80H~FFH为专用寄存器区,其最大容量可扩展到64K,用于存储实时输入的数据。8051内部有256个单元的内部数据存储器,。8051内部数据存储器地址由00H至FFH共有256个字节的地址空间,该空间被分为两部分,其中00H~7FH(即0~127)为内部数据RAM的地址,80H~FFH作为特殊功能寄存器的地址。在此256个字节中,还开辟有XTAL2XTAL1MCS51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS515VVSSTTL外部时钟源内部振荡外部振荡
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