毕业设计（论文）-基于单片机的电子时钟的设计.doc

基于单片机的电子时钟的设计 基于单片机的电子时钟的设计 题 目： 基于单片机的电子时钟的设计 作者姓名： 杨宗翰 杨怡欣 学 号： 20131209011047 20131209011029 专 业： 计算机科学与技术 指导教师： 何志强 2015年 11月 27日 摘 要 传统的数字电子时钟采用了较多的分立元器件，不仅占用了很大的空间而且利用率也比很低，随着系统设计复杂度的不断提高，用传统时钟系统设计方法很难满足设计需求。单片机是集CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种接口于一体的微控制器。它体积小、成本低、功能强，广泛应用于智能产品和工业自动化上。而51系列的单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。本文设计的电子时钟是基于51单片机，同时使用c语言为程序设计语言，从而克服传统电子时钟的弊端。本设计拟实现的基本功能为单片机计时显示功能。能够体现单片机电子时钟的可扩展优越性，加入时间调整程序。关键词：单片机，电子时钟一、单片机的定义 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一个小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分单片机还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来，最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小、更容易集成于复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，它的应用已经渗透到各种嵌入式系统中。可以毫不夸张地说:掌握单片机技术是电子信息类专业学生就业的一个重要条件。同时单片机技术又是一门实践性很强的学科。只有我们不断地通过实践研究才能学习好单片机课程。二、单片机分类按照单片机的类型，单片机有：（1）51系列单片机，为首推系列单片机。其中首推Intel公司的单片机 4K字节的一次性程序存储器（OTP）。（2） 具有ISP功能的单片机，ISP功能能够实现在系统可编程，可以省去通用的编程器，单片机在用户板上即可下载和烧录用户程序，而无需将单片机从生产好的产品上取下。（3）PIC系列单片机，PIC单片机系列是美国微芯公司（Microship）的产品，CPU采用RISC结构，具有精简的指令集。PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。具有在线调试及编程（ISP）功能。（3） AVR单片机：AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机）其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。AVR型号的管脚，与对应的51系列兼容。（5） AT89S52 单片机： AT89S52是一种低功耗、性能高具有8K 在系统可编程Flash存储器，向下完全兼容51子系列。三、单片机的特点单片机是以工业测控对象、环境、接口特点出发向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性方向发展。主要特点如下：种类多，型号全提高性能，扩大容量，性能价格比高增加控制功能，向真正意义上的“单片”机发展低功耗四、单片机的应用领域目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域2，大致可分如下几个范畴： 在智能仪器仪表上的应用在工业控制中的应用在家用电器中的应用在计算机网络和通信领域中的应用 单片机在医用设备领域中的应用在各种大型电器中的模块化应用此外，单片机在金融，科研、教育航空航天等领域都有着十分广泛的用途。采用以上方案具有以下优势:从经济性、可移植性、可推广性角度讲，建立这样的课程设计平台是非常有意义的;利用仿真系统，可以节约开发时间和开发成本，同时具有很大的灵活性和可扩展性。为了更好地学习单片机，我们采用Proteus软件与Keil软件整合构建单片机虚拟实验平台。首先我们要在PC上利用Proteus软件自己搭建硬件电路，并利用系统提供的功能完成电路分析、系统调试和输出显示的硬件设计部分;同时在Keil软件中编制程序，进行相应的编译和仿真，完成系统的软件设计部分。当系统的设计工作完成后，就可以在PC上看到最终的运行效果。最后再通过proteus设计PCB，再完成真正硬件的调试。五、电子时钟的特点及应用领域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。在一个单片机的应用系统中，时钟有两方面的含义：一方面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3；另一方面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，一是用专门的时钟芯片实现。数字钟能长期、连续、可靠、稳定地下作;同时还具有体积小，功耗低等特点，便于携带，使用方便。同时由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表.钟表的数字化给人们生产生话带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能，数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒”数字显示的计时装置。使得电子时钟广泛应用于个人家庭、车站、码头、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。六、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，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式。（一）程序存储空间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0000H0FFFH区间。这部分程序存储空间也可以被映射为外部程序存储器，它具体被映射为哪一种程序存储器取决于引脚 （引脚31）所接的电平。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；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。高于0FFFH的程序存储空间只能被映射为外部程序存储器。（二）数据存储空间AT89C51的内部数据存储器有256字节，它们被分为两部分：高128字节和低128字节。低128字节的内部数据存储器是真正的RAM区，可以被用来写入或读出数据。这一部分存储容量不是很大，但有很大的作用。它可以进一步被分为3部分，如图2.4所示。图2.4 内部数据存储器低128字节在内部数据存储器低128字节中，地址从00H1FH的最低32个字节组成4组工作寄存器，每组有8个工作寄存器。每组中的8个工作寄存器都被命名为从R0到R7。在一个具体时刻，CPU只能使用其中的一组工作寄存器。当前正在使用的工作寄存器组由位于高128字节的程序状态字寄存器（PSW）中第3位（RS0）和第4位（RS1）的数据决定。程序状态字寄存器中的数据可以通过编程来改变，这种功能为保护工作寄存器的内容提供了很大的方便。如果用户程序中不需要全部使用4组工作寄存器，那么剩下的工作寄存器所对应的内部数据存储器也可以作为通用数据存储器使用。【4】工作寄存器在内部数据存储器中的地址映射如表1.1所示。表1.1 工作寄存器地址映射表0组（RS1=0，RS0=0）1组（RS1=0，RS0=1）2组（RS1=1，RS0=0）3组（RS1=1，RS0=1）地址寄存器地址寄存器地址寄存器地址寄存器00HR008HR010HR018HR001HR109HR111HR119HR102HR20AHR212HR21AHR203HR30BHR313HR31BHR304HR40CHR414HR41CHR405HR50DHR515HR51DHR506HR60EHR616HR61EHR607HR70FHR717HR71FHR7在工作寄存器区上面，内部数据存储器的地址从20H2FH的16个字节范围内，既可以通过字节寻址的方式进入，也可以通过位寻址的方式进入，位地址范围从00H到7FH5。字节地址与位地址的对应关系。内部数据存储器地址从30H7FH部分仅可以用作通用数据存储器。内部数据存储器的高128字节被称为特殊功能寄存器（SFR）区。特殊功能寄存器被用作CPU和在片外围器件之间的接口【6】，它们之间的联系方框图如图2.5所示。图2.5 殊功能寄存器（SFR）工作框图CPU通过向相应的特殊功能存储器写入数据实现控制对应的在片外围器件的工作，从相应的特殊功能存储器读出数据实现读取对应的在片外围器件的工作结果。在AT89C51单片机中，包括前面提到的程序状态字寄存器（PSW）的特殊功能存储器共有26个，它们离散地分布在80HFFH的内部数据存储器地址空间范围内7，对于没有定义的存储单元用户不能使用。如果向这些存储单元写入数据将产生不确定的效果，从它们读取数据将得到一个随机数。对于字节地址低位为8H或者FH的特殊功能存储器，既可以进行字节操作，也可以进行位操作。例如前面提到的用来确定当前工作寄存器组的程序状态字寄存器（PSW），它的地址为00H，因此对它可以进行字节操作，也可以进行位操作。采用位操作可以直接控制程序状态字寄存器中的第3位（RS0）或第4位（RS1）数据而不影响其他位的数据。低位地址不为8H或FH的特殊功能存储器只可以进行字节操作，当需要修改这些特殊功能存储器中的某些位时，对其他的位应注意保护【3】。片外数据存储空间可以被映射为数据存储器、扩展的输入/输出接口、模拟/数字转换器和数字/模拟转换器等。这些外围器件统一编址，所有外围器件的地址都占用数据存储空间的地址资源，因此CPU与片外外围器件进行数据交换时可以使用与访问外部数据存储器相同的指令。CPU通过向相应的外部数据存储器地址单元写入数据实现控制对应的片外外围器件的工作，从相应的外部数据存储器地址单元读出数据实现读取对应的片外外围器件的工作结果。七、数码管的简介数码管的分类数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳极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。共阴极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。共阴极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【8】。数码管驱动方式的分类数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动9静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示驱动数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低【5】。 电子时钟的设计总体功能1. 数字时钟可以显示小时、分钟和秒2. 可通过按键来选择设置“小时”、“分钟”和“秒”，设置时可通过“加”来调整时间3. 3.整点报警软件设计流程 采用外部中断0和T0中断实现电子时钟功能，T0用于设置定时时间，采用工作方式1,50ms溢出一次，定时1s，P3.0按键按下，启动计时，R0用于存储秒位数值，满10向十分秒位进一，同理R2用于存储分位数值，R4用于存储时位数值，P3.1按键按下时间归零，P3.4按键按下一下增加1s，P3.5按下一下增加一分钟，P3.6按下一下增加一小时，整点时将P3.7清零，报警电子时钟的仿真单片机调试仿真软件源文件的输入：Keil单片机模拟调试软件内集成了一个文本编辑器，用该文本编辑器可以编辑源程序。打开”FILE”“NEW”就打开的此编辑器。在图5.1中已经完成了汇编语言源文件的输入，并且完成了源程序向当前工程的添加。然后再创建工程的步骤如下：打开”project”“new uvision project”然后显示一个对话框，在对话框里选择ATMEL,在ATMEL的下拉框中找AT89C51选择后点击“OK”就创建了一个工程，注意：创建时把此工程保存在熟悉的文件夹里，以便于后面的查找使用。图5.1 Keil单片机模拟调试软件的集成开发环境完成c语言源文件的输入后，接着需要把c语言源文件加入工程之中。选择图5.1中的工程管理器窗口的子目录Source Group 1，再单击鼠标右键打开快捷菜单。在快捷菜单中选择“Add File to Group“Source Group 1”，加入文件对话框被打开。在这个对话框的“查找范围”下拉列表框中选择存储汇编语言源文件的文件夹，在“文件类型”下拉列表框中选择Asm Source file（*.a*；*.src），这时存储的d语言源文件将显示出来。双击要加入的文件名，或者选择要加入的文件名再单击Add按钮即可完成把d语言源文件加入工程。这时工程管理窗口的文件选项卡中子目录Source Group 1下出现一个c语言源文件，如图5.1所示。Proteus软件：Proteus 是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。PROTEUS软件由Labcenter公司开发，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具。微控制器系统相关的仿真需建立编译和调试环境，可选择Keil C51uVision2 软件。该软件支持众多不同公司的芯片，集编辑、编译和程序仿真等于一体，同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计。它的界面友好易学，在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能。 其革命性的功能是：将电路仿真和微处理器仿真进行协同，直接在基于原理图的虚拟原型上进行处理器编程调试，并进行功能验证，通过动态器件如电机、LED、LCD、开关等，实时看到运行后的输入、输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等， Proteus为我们建立了完备的电子设计开发环境。电子时钟的仿真选择仿真元器件在进行仿真之前对所需的仿真的元器件的选择也是很重要的，所需仿真元器件的好坏直接影响到仿真的效果，如果选择的元器件比较不太合理可能使仿真的结果不理想，甚至会导致仿真的失败。下表列出本次设计中用到的元器件【14】：在进行元器件的选择后，并且在keil上完成程序的编写测试后我们就可以着手进行电子时钟的仿真了。在数字电子时钟程序初步编完之后，利用单片机硬件仿真软件进行仿真和调试，同时对程序进行适当的修改11。该设计在仿真及调试过程中应注意以下几点：1.单片机时间基准振荡电路中振荡晶体频率的选择必须要和程序中的时间基准相一致。2.由于单片机处理数据过程中要响应中断等原因，而中断服务程序所花费的时间必须在中断返回后在计时单元中扣除掉，否则精确度会变差。3.在仿真调试中调试数码管的发光时间时，需要反复修改程序中的给定的时间，直到整体上的显示效果较好，不会有闪烁的现象产生12。在软件中进行电子时钟电路原理图的绘制，绘制结果如5.2所示，在电子时钟仿真的原理图此图中的核心部分是左边的89c51单片机中部有显示驱动芯片MAX7219，右上部分是一个八段的数码管显示屏，数码管下面为四个按键，图中的左下部的那个芯片为时钟芯片DS1302，时钟芯片右部为蜂鸣器，原理图中还有单片机的晶振电路和单片机的复位电路。DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。MAX7219是MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极数码管显示驱动芯片，一片MAX7219可驱动8个7段（包括小数点共8段）数字LED、LED条线图形显示器、或64个分立的LED发光二级管。该芯片具有10MHz传输率的三线串行接口可与任何微处理器相连，只需一个外接电阻即可设置所有LED的段电流。它的操作很简单，MCU只需通过模拟SPI三线接口就可以将相关的指令写入MAX7219的内部指令和数据寄存器，同时它还允许用户选择多种译码方式和译码位。此外它还支持多片7219串联方式，这样MCU就可以通过3根线（即串行数据线、串行时钟线和芯片选通线）控制更多的数码管显示。各器件的作用：89c51单片机是总体的控制器（整个电子时钟的CPU），源程序的加载、电路的控制、数据的加载、传送等都在单片机这一部分。显示驱动芯片MAX7219是连接单片机和数码管的芯片。数码管显示屏其显示作用，是信号的显示，是本设计中唯一的显示设备。按键是对时间、日期等的调整或输入，其具体操作方法下节有具体介绍。时钟芯片DS1302是系统中的计时芯片，它对时、分、秒等的计时，它采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号。蜂鸣器响起扬声功能。另外单片机的晶振电路和复位电路属于电路部分，是信号数据的传输。整机的仿真及调试调试：把编写完的源程序放在KEIL软件中，先自行检查下程序是否有误，更改有误的部分，再创建工程进行程序一个一个地调试，把调试结果显示有误的部分找出，检查错误的原因然后再进行更改，更改后再进行调试，再找出错误进行更改，依次循环进行，至到程序调试成功为止。调试结果如图5.2： 调试结果图5.2仿真：仿真是把KEIL中生成的源程序找出，并加载到单片机内，检查原理图的设计是否有误，更改有误的部分，然后进行仿真，看仿真结果是否正确，如果不正确或者不显示结果，就再此检查原理图进行更改直到能顺利地仿真出结果。 、结束语本文通过对电子时钟的设计仿真，使自己对单片机和c语言有了进一步的温故掌握。在设计过程中，吸收了前辈的一些先进的理论成果，也对彭小军同志的时钟设计经验进行了借鉴。我在设计中总结出了一个重要的经验:一切问题都要结合实际进行设计。因为不同的设计技术或者设计思想都有自身的优点和局限性，只有根据具体的设计要求，才能顺利地进行设计仿真，也才能对己有的设计方法进行创新。本装置所实现的功能为时钟功能。由于时间和日期都是通过特定的芯片来获得的，单片机只起到控制和转换的作用，在精度方面不受单片机性能和程序的限制，故容易保障其精度和效率。本次设计有较大的进展，取得了较好的效果，对单片机软硬件资源和接日扩展都有深入的学习。也学习了时钟芯片12887的基本原理和使用方法。本设计是学习单片机的较佳选择。但是设计还有诸多功能没有完善，以后有机会会继续完善其相应的功能。设计不足：本系统所采用的显示模块LED较多，占用了不少资源，包括线路板、 单片机端口等，同时使得电路稳定性下降； 由于时间比较紧迫，未能开发出更多的功能以体现单片机电子时钟的优越性。 本系统上可实现的功能:1.实现秒表功能； 2.实现闹铃功能，当所定的时间到时，产生断续的蜂鸣声；3.具有天数倒计时功能，例如：距科技文化艺术节开幕还有*天；以上的功能由于时间紧迫未能完成。 但这些功能的开发都具有可行性， 这也就是单片机可扩展功能的优越性之所见，有待于继续开发。报告结束，请老师和同学们批评指正！ 谢谢大家！致 谢本课题的研究和论文的完成是在何老师的悉心指导和热情关怀下完成的。老师严谨的治学态度、丰富的实践经验、兢兢业业的工作精神使我受益匪浅。老师豁达的胸怀对我树立正确的人生观和价值观产生了积极的影响。在老师的指导和帮助下，我的专业知识水平和学习能力都得到了很大的提高。我在人生道路上的每一个脚印都凝聚着老师的心血。跟随老师学习这一年所获得的知识将是我一生中最宝贵的财富。在此谨向何老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!感谢老师在研究工作中对我进行的悉心指导，并为我的学习提供了良好的条件，使我的论文的撰写得以顺利进行。感谢何老师在我的学习和生活中给予的教诲和帮助。最后感谢生我育我的父母!感谢你们一直以来对我的无私关爱和默默奉献。 参考文献 1周昌七，电大理工，2006年11月，总第225期，桌面电子时钟制作 2，彭小军，新余高专学报，2006年4月，第9卷第2期用单片机实现电子时钟 3陈同洲，郭华帅，中国传媒大学学报，2009年3月，第16卷第1期，电子时钟仿真及FPGA实现4吴镇宇，2005年9月，片上时钟系统的研究与的设计5 李建忠，2004年，西安电子科技大学出版社，单片机原理及应用6孙彩兰 蒋海琳，计算机与信息技术，软件纵横，基于C语言为内核的电子时钟设计 7彭小军，新余高专学报，2006年4月，第9卷第2期，用单片机实现电子时钟8颜学超，2006年5月，一种实时时钟芯片的设计附录：ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HLJMP INT_0ORG 000BHAJMP TIME_0ORG 0030H MAIN: ORL P3,#07FH MOV P2,#80H MOV 31H,#0 MOV R0,#0H MOV R1,#0H MOV R2,#0H MOV R3,#0H MOV R4,#0H MOV R5,#0H MOV R6,#7H MOV IP,#2H SETB IT0 SETB EX0 MOV TMOD,#01H MOV TH0,#60 MOV TL0,#176 SETB ET0 SETB EA SETB TR0START:JB P3.1,STA_6 MOV P1,#3FH AJMP MAINSTA_6:ACALL DIS MOV DPTR,#TAB CJNE R6,#7,STA_5 MOV A,R5 DEC R6 AJMP 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