基于单片机的数字钟设计 毕业论文1.doc

基于单片机的数字钟 第1章 1.1 课题背景 绪 论 单片机自 1976 年由 intel 公司推出 mcs-48 开始，迄今已有二十多年了。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， atmel、 如 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。 1.2 课题来源 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。 1.3 本章小结 本文介绍的设计是针对教学所用的多功能定时器，可以完成教学所需的功 能。该定时器操作简单，功能齐全，是单片机智能化的一种应用。 第2章 mcs-51 单片机的结构 mcs-51 单片机是把那些作为 2.1 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,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 5 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。 2.6 本章小结 本章介绍了单片机的一些基本硬件结构。单片机是微计算机的一个分支，在 原理和结构上，单片机与微型机之间没有根本性的差别，而且微计算机的许多技 术都被单片机继承下来。 单片机的基本结构依然是 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的集中控制方式。 第 3 章 电路的硬件设计 3.1 复位电路 mcs-51 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚 rst 通过一 个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期 的 s5p2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复 位操作所需要的信号。 上电复位：上电复位电路是种简单的复位电路，只要在 rst 复位引脚接一 个电容到 vcc，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位 电路通过电容加到 rst 复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着 vcc 对电容的充电过程而回落， 所以 rst 引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充 电时间。为了保证系统安全可靠的复位，rst 引脚的高电平信号必须维持足够长 的时间。 电路图如下： 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。 只要 vcc 的上升时 间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位。 3.2 时钟电路 时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有 条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的 质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部 时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式。 电路图如下： mcs-51 单片机内部有一个用于构 3.3 按键电路 按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相 应的 i/o 端口形成一个负脉冲。 闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳 定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时 间的常长短与开关的机械特性有关，一般在 5-10ms 之间。为了避免 cpu 多次处 理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，直接用 i/o 口线构成单个按键电路，每个按键占用一条 i/o 口线，每个按键的工作状态 不会产生互相影响。 电路图如下： p1.0 口表示功能移位键，按键选择要调整的时十位、时个位、分十位或分 个位。 p1.1 口表示数字“+“键，按一下则对应的数字加 1。 p1.2 口表示数字“-”键，按一下则对应的数字减 1。 p1.3 口表示时间表的切换，程序默认为日常时间表，当按下该开关，使输 入为低电平时， 表示当前执行的是考试时间表， 并有绿发光二极管显示。 再按键， 使键抬起，输入维高电平时，表示当前执行的是日常作息时间表，用红发光二级 管显示。 3.4 相关控制电路 3.4.1 控制打铃电路 p1.5 口控制继电器进而控制电铃工作。当时钟当前的时间和当前所执行的 时间表的时间一致时， 相应得标志位为 1， p1.5 口输出高电平， 控制继电器闭合， 从而合上开关，启动电铃进行打铃。打铃一定时间，标志位置 0，p1.5 输出低电 平，继电器打开，电铃停止工作。 电路图如下： 3.4.2 时间表显示电路 因为该电路可以执行两个时间表，即正常作息时间表和考试时间表。为了能 够从外观上看出当前正在执行的是那种时间表。为此，在电路中加上了红、绿两 个不同的发光二极管，当红发光二极管接通时，表示当前正在执行日常作息时间 表；当绿发光二极管接通时则表示当前正在执行的是考试时间表。有了红绿两发 光二极管表示，就可以明显看出当前执行的是何种时间表，不会混淆。 电路图如下： 3.5 数码管显示电路 数码管显示器成本低，配置灵活，与单片机接口简单，在单片机应用系统中 广泛应用。 1.数码管的工作原理 数码管是由 8 个发光二极管构成的显示器件。在数码管中，若将二极管的阳 极连在一起，称为共阳极数码管；若将二极管的阴极连在一起，称为共阴极数码 管。本文用到的 6 个数码管均是共阴极的。当发光二极管导通据，因此，当单片机输出第 9-14 位数据的时候， 第一个 164 芯片中的 8 位数据就被传到第二个 164 芯片中， 8 位数据就是段选 这 信号，控制数码管将要显示的字符。第 9-14 位数据输出后，控制 244 芯片的单 片机的 p1.7 口置为高电平，244 芯片选通。这六位数据经过 244 芯片以后是片 选信号，即控制动态显示的是哪一位数码管。在片选信号和段选信号的控制下， 数码管就正确的动态显示当前的时间。 3.6 电源电路设计 电源电路包括变压器、桥式整流器、电容和稳压器。通过变压器变压，使得 220v 电压变为 5 v，在通过桥式整流，电容的滤波作用，稳压器的稳压作用，可 输出 5v 的稳定电压。 3.7 本章小结 本章介绍的是本设计的硬件结构， 单片机的相关 i/o 口输入输出就可以实现相应 的控制功能。还介绍了单片机的复位电路和时钟电路。 第4章 4.1 软件程序内容 电路的软件设计 本设计的软件程序包括主程序、 中断子程序、 打铃子程序、 时钟显示子程序、 查询时间表切换程序和延时子程序等等。另外由于电路中有四个按键，还另外设 计了防抖动程序来防止干扰。 4.2 软件流程图 软件程序整个流程图如下： 11 开始 初始化 是 是否按时 间表切换 键 切换时 间表 否 查询功能 移位键 调整时间 是 是否与时 间表时间 匹配 调用打铃 子程序 否 4.3 定时程序设计 单片机的定时功能也是通过计数器的计数来实现的， 此时的计数脉冲来自单 片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每经过 1 个机器周期的 时间，计数器加 1。如果 mcs-51 采用的 12mhz 晶体，则计数频率为 1mhz，即 每过 1us 的时间计数器加 1。这样可以根据计数值计算出定时时间，也可以根据 定时时间的要求计算出计数器的初值。 mcs-51 单片机的定时器/计数器具有 4 种 工作方式，其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对特殊功能寄存器的编 程，可以方便的选择定时器/计数器两种工作模式和 4 种工作方式。 定时器/计数器工作在方式 0 时， 4.3.1 实时时钟实现的基本方法 时钟的最小计时单位是秒，但使用定时器的方式 1，最大的定时时间也只能 达到 131ms。我们可把定时器的定时时间定为 50ms。这样，计数溢出 20 次即可 得到时钟的最小计时单位：秒。而计数 20 次可以用软件实现。 秒计时是采用中断方式进行溢出次数的累积，计满 20 次，即得到秒计时。 从秒到分，从分到时是通过软件累加并进行比较的方法来实现的。要求每满 1 秒，则“秒”单元中的内容加 1； “秒”单元满 60，则“分”单元中的内容加 1； “分”单元满 60，则“时”单元中的内容加 1； “时”单元满 24，则将时、分、 秒的内容全部清零。 4.3.2 实时时钟程序设计步骤 （1）选择工作方式，计算初值； （2）采用中断方式进行溢出次数累计； （3）从秒分时的计时是通过累加和数值比较实现的； （4）时钟显示缓冲区：时钟时间在方位数码管上进行显示，为此在内部 ram 中要设置显示缓冲区，共 6 个地址单元。显示缓冲区从左到右依次存放时、 分、秒数值； （5）主程序：主要进行定时器/计数器的初始化编程，然后反复调用显示 子程序的方法等待中断的到来。 （6）中断服务程序：进行计时操作 （7）加 1 子程序：用于完成对时、分、秒的加操作，中断服务程序在秒、 分、时加 1 时共有三种条调用加 1 子程序，包括三项内容：合字、加 1 并进行十 进制调整、分字。 4.4 程序说明 在整个系统中，在单片机的 30h、31h 和 32h 中存储当前时间的小时、分钟 和秒。 由于要用数码管显示当前的时间， 必须用到分字和合字， 因此在 33h、 34h、 35h、36h、37h 和 38h 中存储当前时间的时十位、时个位、分十位、分个位、秒 十位和秒个位，方便显示。 本设计有由四个轻触按键组成的小键盘，这些按键可以任意改变当前的状 态。按功能移位键一次，表示当前要校对小时的十位；按第二次，表示当前校对 的是小时的个位；按第三次，则表示校对的是分钟的十位；第四次，表示的校对 的是分钟的个位。按下数字“+” 键和数字“-”键可在当前校对的数字上相应 加上 1 或者减去 1。 本设计采用查表方式，在程序里预先存储两个表格，即问题。对于发送器，为了保持最大的传输速率，一般不需要双缓冲， 因为发送时 cpu 是主动的，不会产生写重叠的问题。 4.5 本章小结 这一章介绍了本设计的软件设计，所有的功能在流程图里清晰的表现了出 来，体现了设计的合理性、可实现性。 第5章 5.1 结论 结论与展望 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。 5.2 单片机的发展趋势 自单片机出现至今，单片机技术已走过了几十年的发展路程。纵观几十年来 单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（mpu）技术及超大规 模集成电路技术的发展为先导，拉动广泛的应用领域，表现出比微处理器更具个 性的发展趋势： 1.采用先进结构以实现高性能 在过去的一段时间内，单片机的指令运行速度一直在 10mips 以下，这对于 应用在工业控制领域内的单片机来说是足够了，但当单片机被应用在通讯及 dsp 领域作为高速运算、编码或解码时，就会出现因指令运行速度不够而限制单片机 应用的情形，因此提高单片机指令运行速度已经成为迫切需要解决的问题。 2.进一步降低功耗、 基于 80c51 的飞利浦低功率、 低系统成本微控制器 51lpc 系列是业界推动单 片机向低功耗方向发展的主导单片机系列之一。51lpc 系列单片机采用以下三种 方法降低功： （1） 使系统进入空闲模式， 在空闲模式下， 只有外围器件在工作， 任意的复机的另一个发展趋势是在芯片上集成更多的功能。如模拟功能，包 括模拟比较器、 a/d 和 d/a 转换器等。 具体表现在： 兼容性作为设计的第一考虑； 额外的新的特点是透明的；使用同一种编程器；otp 使器件快速提升及标准化成 为可能。 5.强抗干扰能力 不 断 加 强 抗 干 扰 能 力 是 单 片 机 进 一 步 发 展 的 必 然 趋 势 。 st microelectronics 公司推出的 st62 系列单片机在这方面是佼佼者，其优良的抗 干扰能力使得许多大公司将其应用在系统中的关键部件上。 许多单片机开发商也 正朝着这