单片机的电子时钟设计_毕业设计.doc

济源职业技术学院济源职业技术学院 毕毕 业业 设设 计计 题目 单片机的电子钟设计 系别 电气工程系 专业 应用电子技术 班级 电技 0801 姓名 肖见 学号 08020103 指导教师 苗绍强 日期 2010 年 12 月 济源职业技术学院毕业设计 ii 设计任务书 设计题目：设计题目： 单片机的电子钟设计 设计要求：设计要求： 1.设计一个具有特定功能的电子钟。该电子钟上电或按键复位后能自动显示系 统提示符“p.” ， 进入时钟准备状态；第一次按电子钟启动/调整键，电子钟从 0 时 0 分 0 秒开始运行，进入时钟运行状态；再次按电子钟启动/调整键，则电子钟进 入时钟调整状态，此时可利用各调整键调整时间，调整结束后可按启动/调整键再次 进入时钟运行状态。 2.设计完成上述功能的相应的硬件调试和软件调试。 3.完成焊接和实物电路的调试。 设计进度要求：设计进度要求： 第一周：选定设计题目,查找、搜集相关资料。 第二周：了解各元器件、模块的功能及使用方法。 第三周：硬件电路的设计。 第四周：相应软件设计（程序设计） 。 第五周：利用相关的仿真软件测试并记录相关的数据和错误。 第六周：焊接实物电路，并且在实物电路上调试并且记录相关的数据和问题。 第七周：写毕业论文。 第八周：毕业答辩。 指导教师（签名）：指导教师（签名）： 济源职业技术学院毕业设计 iii 摘 要 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。 数字电子钟的设计方法有多种，其中，利用单片机实现的电子钟具有编程灵活， 便于电子钟功能的扩充，即可用该电子钟发出各种控制信号，精确度高等特点，同 时可以用该电子钟发出各种控制信号。 本设计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 at89c52 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。与传统机械表相比，它具有走时精确,显示直观等特点。它的计时周期为 24 小时，显满刻度为“23 时 59 分 59 秒” ，另外具有校时功能等特点。 关键词关键词：电子钟，单片机，汇编 济源职业技术学院毕业设计 1 目 录 摘 要iii 目 录1 第 1 章总体方案的介绍.2 1.1 电子钟功能介绍 .2 1.2 总体方案介绍 .3 1.3 电子钟电路原理图 .4 1.4 元件清单 .4 第 2 章 硬件系统设计.4 2.1 单片机的选择.5 2.2 复位电路.8 2.3 晶振电路.9 2.4 显示电路.9 2.5 按键电路 .10 第 3 章软件系统设计11 3.1 电子钟主程序流程框图 11 3.2 键扫子程序流程框图 12 3.3 中断服务程序流程框图 13 3.4“p.”点显示子程序流程框图.14 3.5 显示子程序流程框图 15 第 4 章 电子钟的使用说明及调试运行.16 4.1 使用说明书 16 4.2 电子钟运行结果 17 4.4 误差分析21 参考资料.22 致 谢23 济源职业技术学院毕业设计 2 第 1 章总体方案的介绍 1.1 电子钟功能介绍 可调整运行的电子钟具有三种工作状态：“p.”状态、运行状态、调整状态。 （1） 、 “p.”状态，依靠上电或按复位键进入，在此状态下，按 b、c、d 键均无效， 按 a 键有效，进入运行状态； （2） 、运行状态，按奇数次 a 键进入，在此状态下，按 b、c、d 键均无效，只有 按 a 键有效，按下 a 键后，退出运行状态，进入调整状态； （3） 、调整状态，按偶数次 a 键进入，在此状态下，按 a、b、c、d 键均有效。如 按下 a 键，则退出调整状态，进入运行状态；按下 b、c、d 键，则分别对时、分、 秒加 1，调整结束后必须按 a 键，即可退出调整状态，进入运行状态。 基本功能要求： “p.”稳定地显示在 led 显示器的最左端数码管（led5）上，无 a 键按下（在 “p.”状态下，按下 b、c、d 键无效） ，则不进入电子钟的运行状态，继续显示 “p.” 。 按下 a 键后，电子钟以起始时间：00 时 00 分 00 秒开始运行。 再次按下 a 键后，电子钟退出运行状态，进入调整状态，利用 b、c、d 键把电 子钟的显示时间修改为当前实时时间，时间修改正确后可再次按下 a 键，电子钟则 退出调整状态，进入运行状态。 注意：每次按下 b、c、d 键，只允许加一，不允许连加。 （1） 、在调整状态下，按下 b、c、d 键，允许连加，而 a 键无论在何种状态下， 均不允许连击； （2） 、时、分、秒的间隔符“。 ”以一定频率闪烁； （3） 、时间显示以“灭零”方式进行； （4） 、可调整运行的电子钟用两个按键（例如：a 键、b 键）来控制。 济源职业技术学院毕业设计 3 1.2 总体方案介绍 1.计时方案 利用 at89c52 单片机内部的定时/计数器进行中断定时，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与提高，对单片机的指令系统能有更深入的了解。 2.键盘/显示方案 at89c52 的 p0 口和 p2 口外接由六个 led 数码管(led5led0)构成的显示器， 用 p0 口作 led 的段码输出口，p2 口作六个 led 数码管的位控输出线，p1 口外接四 个按键 a、b、c、d 构成键盘电路。 at89c52 是一种低功耗，高性能的 cmos 8 位微型计算机。它带有 8k flash 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，与工业上标准的 80c52 和 80s52 的指令系统及引脚兼容，片内 flash 集成 在一个芯片上，可用与解决复杂的问题，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，所以本书中采用此的设计方案，结构如图 1.1 如示。 图 1.1 硬件框图 济源职业技术学院毕业设计 4 1.31.3 电子钟电路原理图电子钟电路原理图 电子钟原理图 (见附录 1) 1.41.4 元件清单元件清单 电子钟元件清单如表 1 所示： 表 1 电子钟元器件清单 元件名称规格型号数量（个） 单片机at89c521 8 位一体的共阳 led 显示器 7seg-mpx8-ca-blue1 晶振12mhz1 电容33pf2 电容22f1 按键button5 电阻0.2k1 电阻1k1 限流电阻0.1k8 济源职业技术学院毕业设计 5 第 2 章 硬件系统设计 硬件电路主要包括：单片机、晶振电路、复位电路、显示电路、按键电路以及 电源等几部分。 。 单片机的选择：选用at89c52单片机，配备11.0592mhz晶振。p1.0p1.3接的是 按键电路，p0和p1口分别接的是位码和断码。 显示电路的选择：采用软件译码器动态显示，共阳极led数码管。 复位电路的选择：rc复位电路。 。 电源电路的选择：采用直流+5v电源供电。 2.12.1 单片机的选择单片机的选择 单片机实质上是一个芯片，在实际应用中，必须外加各种扩展接口电路、外部 设备等相关硬件和软件，才能构成一个单片机系统。尽管各类单片机很多，但无论 是从世界范围或是从全国范围来看，使用最为广泛的应属 mcs-51 单片机。 单片微型计算机市指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算 机的各种功能部件，包括 cpu、随机存储器 ram、只读存储器 rom、基本输入/输出 接口电路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计 算机，从而实现微型计算机的基本功能。 89c52 单片机是在一块芯片中集成了 cpu、存储器、定时器/计数器和多种功能 的 i/o 现等一台计算机所需的基本功能部件。主要包括 1 个 8 位 cpu、1 个片内振荡 器及时钟电路、128b ram、4kb rom、2 个 16 位定时器计数器、32 条可编程的 i/o 线和一个可编程的全双工串行接口、5 个中断源、2 个中断优先级套中断结构。 1、中央处理器 cpu 是单片机的内部核心部件，是一个 8 位二进制数的中央处 理单元，主要由运算器，控制器和寄存器阵列构成。 2、控制器 控制器是单片机内部各部件按一定时序协调工作的控制核心，是分 析和执行指令的部件。控制器主要由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、振荡 济源职业技术学院毕业设计 6 和定时控制逻辑电路等构成。 3、寄存器阵列 寄存器阵列式单片机内部的临时存储单元或固定用途单元，包 括通用寄存器组和专用寄存器组。 4、存储器 程序存储器是可读不可写的，用于存放编号的程序和表格常数。 5、数据存储器是即可读也可写的，用于存放运算的中间结果，进行数据暂存及 数据缓冲等。 6、定时器计数器 89c52 内部有 2 个 16 位可编程定时器计数器，简称为定时 器 0(t0)和定时器 1(t1)，t0 和 t1 在定时器控制寄存器 tcon 和定时器方式选择寄 存器 tmod 的控制下，可工作在定时器模式或计数器模式下，每种模式又有不同的工 作方式。89c52 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用 于控制程序转向。 7、并行输入输出(i/o)口 89c52 共有 4 组 8 位 i/o 口(p0、 p1、p2 或 p3)， 用于对外部数据的传输。 89c52 单片机内部总线是单总线结构，即数据总线和地址总线是公用的。 89c52 有 40 条引脚， 与其他 51 系列单片机引脚是兼容的。 这 40 条引脚可分为 i/o 接口线、电源线、控制线、外接晶体线 4 部分。 89c52 单片机为双列直插式封 装结构， 如图 3.2 所示。 图 2.1 89c52 引脚分配图 济源职业技术学院毕业设计 7 pin40：电源脚。工作电压为+5v pin20：接地端 p0 口：p0 口为一个 8 位漏极开路的双向 i/o 口，每脚可以吸收 8ttl 门电流。 当 p0 口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入，p0 口能够用于外部数据存储 器，它可以被定义为数据/地址的第八位，在 flash 编程时，p0 口作为原码输入口， 当 flash 进行校验时，p0 口输出原码，此时，p0 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能接收 输出 4ttl 门电流，p1 口管脚写入 1 时，被内部上拉为高，可用作输出，p1 口被外 部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验 时，p1 口作为第八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可以接收、 输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为 输入。因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流，这就是内部上拉的 缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，p2 口 输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地 址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程 和校验时接收八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可以接收输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”时，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入， 由于外部下拉为低电平；p3 口将输处电流（ill） ，这就是上拉的缘故。 p3 口也可以作为 at89c52 的一些特殊功能口，如下所示： p3.0： rxd (串行输入口) p3.1： txd (串行输出口) p3.2： (外部中断 0) p3.3： (外部中断 1) p3.4：t0 (定时/计数器 0) p3.5： t1 (定时/计数器 1) 济源职业技术学院毕业设计 8 p3.6： (外部数据存储器写选通线) p3.7： (外部数据存储器读选通线) p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 rst 复位输出：当振荡器复位时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电平时间。 xtal1：反向振荡器的输入及内部时钟工作电路的输入； xtal2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性 xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器 可以配置为片内振荡器，石英振荡器和陶瓷振荡器均可采用，如果采用外部时钟源 驱动器件，xtal2 应不连接，有余的输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器， 因此对外部时钟信号的脉冲没有任何严格的要求，但必须保证脉冲的高低电平要求 的宽度。 2.22.2 复位电路复位电路 单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循 环状态，在这种情况下都需要复位. 复位的作用是使中央处理器 cpu 以及其他功能 部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作. 89c52 单片机的复位靠外部电路实现,信号由 reset(rst)引脚输入,高电平有效, 在振荡器工作时,只要保持 rst 引脚高电平两个机器周期,单片机即复位. 复位后,pc 程序计数器的内容为 0000h,片内 ram 中内容不变. 复位电路一般有上电复位、手动 开关复位和自动复位电路 3 种,而本设计中用到的是手动开关复位电路。如图 4.3 所 示. 济源职业技术学院毕业设计 9 图 2.2 单片机复位电路 2.32.3 晶振电路晶振电路 1晶体振荡器的作用：石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率 和选择频率，是一种可以取代 lc 谐振回路的晶体谐振元件。 2本次设计所用的晶体振荡电路如图 4.4 所示： 电图 2.3 晶体振荡电路 路所选用的石英晶振频率为 12mhz。 时钟此晶振周期就是单片机外接晶振的倒数，例如 12m 的晶振，它的时间周期 就是 1/12us） ，是计算机中最基本的、最小的时间单位。 在一个时钟周期内，cpu 仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若采用 了 1mhz 的时钟频率，则时钟周期为 1us；若采用 4mhz 的时钟频率，则时钟周期为 济源职业技术学院毕业设计 10 250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计 算机的每一步都统一到它的步调上来） 。显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越 高，计算机的工作速度就越快。但是，由于不同的计算机硬件电路和器件的不完全 相同，所以其所需要的时钟周频率范围也不一定相同。我们学习的 51 系列单片机的 时钟范围是 1.2mhz-12mhz。 2.42.4 显示电路显示电路 显示电路中运用到的显示器为 8 为一体的共阳极 led 显示器，p0 和 p2 分别对 应的是断码和位码，共阳数码管在应用时应将公共极 com 接到+5v，当某一字段 发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时， 相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共 阴极(com)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极com 接到地线 gnd 上， 当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极 为低电平时，相应字段就不亮。 如图所示 图 2.4 显示电路 济源职业技术学院毕业设计 11 2 2. .5 5 按按键键电电路路 电子钟设置 4 个按键通过程序控制来完成电子钟的启、停及时间调整。 a 键控制电子钟的启、停； b 键调整时； c 键调整分； d 键调整秒。 它们所对应的管脚分别为： a 键对应的是 p1.0，b 键对应的是 p1.1，c 键 对应的是 p1.2，d 键对应的是 p1.3。如图所示： 图 2.5 按键电路图 济源职业技术学院毕业设计 12 第 3 章软件系统设计 3.13.1 电子钟主程序流程框图电子钟主程序流程框图 上电后程序开始系统初始化显示“p.”然后判断 a 键是否按下，若按下，进入 自动计时状态，如果 a 键再次按下则进入时间设置状态，再次按 a 键，则进入时间 调整后的状态，若没按下返回于时间设置状态。 见图 3.1 所示 开始 系统初始化 进入自动计时状态 a键按下否 检测到a键按下 进入时间设置状态 p.显示 检测到a键按下 n y n n y y 图3.1主程序流程框图 济源职业技术学院毕业设计 13 3.23.2 键扫子程序流程框图键扫子程序流程框图 进入开始后判断是否有键闭合若有，进入调显示子程序，在判断是否有键按下， 若有判断按键是否放开，若没有放开调用显示子程序，若放开保存键值（a 中） 。 见图 3.2 所示 图 3.2 键扫子程序流程框图程框 保存键值（a中） 结束 开始 有键闭合 调显示子程序延时去抖动 有键闭合 y y n n 键释放否调显示子程序 y n 济源职业技术学院毕业设计 14 3.33.3 中断服务程序流程框图中断服务程序流程框图 中断程序开始后进入现场保护，改变寄存器组组号，重装定时器计数初值， 中断次数减 1，然后判断是否满 8 次，若满 8 次秒值加 1，满 60 秒后，秒缓冲单元 清 0，分值加 1，满 60 分后，分缓冲单元清 0，时值加 1，满 24 时后，时缓冲单元 清 0，恢复寄存器组组号，现场保护。 见图 3.3 所示 开开始始 现场保护（入栈） 改变寄存器组组号 重装定时器计数初值 中断次数减1 满8次 秒值加1 满60秒 秒缓冲单元清0 分值加1 满60分 分缓冲单元清0 2 1 1 1 y y y n n n 济源职业技术学院毕业设计 15 时值加1 满24小时 时缓冲单元清0 恢复寄存器组组号 现场恢复（出栈） 结 束 1 2 1 y n 3.3 中断服务程序流程框图 3.4“p.”3.4“p.”点显示子程序流程框图点显示子程序流程框图 开始后堆栈初始化，psw 初始化，ram 初始化， “p.”字符序号送显示缓冲区， 然后调显子程序。 见图 3.4 所示 3.53.5 显示子程序流程框图显示子程序流程框图 图 3.4 “p.”点显示子程序流程框 图 开始 堆栈初始化 psw初始化 ram初始化 “p.”字符序号送显示缓冲区 调显示子程序 济源职业技术学院毕业设计 16 开始后，程序进入现场保护，开辟 3 组寄存器，地址指针 r0 初始化、位控寄 存器 r2 初始化，进出查表取段码，段控码送 p0 口，段位码送 p2 口，延时 1 毫秒， 位控码左移，显示缓冲区地址加 1,8 位 led 显示完否，若显示完恢复现场返回。若 没返回查表取段码。 电子钟的时钟时间在六位数码管上进行显示，因此，在内部 ram 中设置显示缓 冲区共 8 个单元。 led8led7led6 led5led4led3led2led1 37h36h35h 34h33h32h31h30h 时十位时个位分隔分十位分个位分隔秒十位秒个位 见图 3.5 所示 济源职业技术学院毕业设计 17 图 3.5 显示子程序框图 济源职业技术学院毕业设计 18 第 4 章 电子钟的使用说明及调试运行 4.14.1 使用说明书使用说明书 1.操作说明 时间显示： 电子钟上电后,8 个数码管显示初始状态即最左边的一个数码管显示 p.。如果未 显示 p.，只需按一下复位键即可使其显示出 p.。按下 a 键后电子钟进入自动计时状 态，电子钟显示 00 时 00 分 00 秒并开始运行。 时间调整： 若要进行时间调整，则需再次按下 a 键，进入时间调整状态，然后分别按下 b 键调时，按下 c 键调分，按下 d 键调秒，按下 b、c、d 键并松开可使电子钟的时， 分，秒分别加一。调整好时间后，按下 a 键就可以回到调整好的时间为基础的自动 计时状态。无论是在自动计时，还是在调整校正时，都可按下复位键使系统回到显 示 p.的初始状态。其中 b 键显示范围为 0-23,0 为 25 点；c，d 键显示范围为 0- 59,0 为 60 分。 济源职业技术学院毕业设计 19 4.24.2 电子钟运行结果电子钟运行结果 1.待机 （如图 4.1 所示） 图 4.1 待机框图 济源职业技术学院毕业设计 20 2.启动 （如图 4.2 所示） 图 4.2 启动框图 济源职业技术学院毕业设计 21 3.运行 （如图 4.3 所示） 图 4.3 运行框图 4.4 误差分析 在调试运行过程中，在所有参数正确的情况下，我的结果仍出现运行缓慢情况。 产生误差的主要原因是我们用软件计时，计时 1