数字时钟设计毕业论文.doc

摘要该文主要论述如何使用89S51型号的单片机来设计一个数字电子时钟。该设计是利用单片机原理，以AT89S51芯片为主要控制器。通过用Keil C51软件编程仿真,再通过protues软件进行硬件仿真，设计制作一个多功能数字电子时钟的硬件电路。其中通过单片机扩展的1602LCD显示器用来显示秒、分、时计数单元中的值。整个设计过程包括两大部分:软件部分和硬件部分。以单片机AT89S51芯片为核心,加上一定的外围电路、1602LCD显示器和键盘控制器组成。该电子时钟系统主要由时钟模块、液晶显示模块以及键盘控制模块。液晶显示模块能够准确显示时间（显示格式为时：分：秒（24小时制），键盘控制模块可方便进行时间调整，时钟模块主要控制时间的显示由二十四进制电路与六十进制电路组成。电路的设计以硬件和软件为指导思想，通过软件编程来实现模拟电路的设计。用单片机AT89S51为主要功能模块，采用1602LCD输出显示时间，用按钮做开关，软件计时、调试，辅助必要的电路，实现高效、准确的数字电子时钟系统。该数字电子时钟具有电路简单明了，系统稳定性高等优势，成本低，维护方便、调试简便、具有广泛的市场前景。关键词：单片机 AT89S51芯片 1602LCD 软件 动态扫描目录文献摘要2绪论41、设计总体方案52、主要器件介绍及功能实现52.1 AT89C52单片机52.2 1602LCD液晶显示72.3 计时功能的实现93、硬件电路93.1上电复位电路93.2时钟系统93.3按键电路93.4电子时钟的原理图103.5硬件调试113.6实物硬件电路114、软件设计124.1 程序流程124.2程序设计134.3生成代码文件194.4软件调试20结论22参考文献23附录24绪论传统时钟主要是机械式转动，由指针显示时间。往往存在计时误差，不能满足人们对时间计量的精度要求，与现代化技术发展不相符。随着科技的进步，以单片机为主要功能模块，采用LCD输出显示时间，用按钮做开关，软件计时、调试，辅助必要的电路，实现高效、准确的电子时钟系统逐渐代替的传统时钟。单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视与关注，应用很广、发展迅速。单片机具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易的优点。已经广泛的应用于工业自动化控制、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等领域。在单片机领域钟应用最多的是51系列。用1602LCD设计的可调式电子钟是以AT89S51为核心，辅以必要的电路而设计的。数字电子钟设计与制作可采用数字电路实现，也可以采用单片机实现。若用数字电路完成，所设计的电路相当复杂，需要十几片数字集成块，其功能也主要依赖与数字电路的各功能模块的组合来实现，焊接的过程也比较复杂，成本也非常高。若用单片机来设计制作完成，由于计数器功能实现主要通过软件编程来实现。降低的硬件电路的复杂性，而且成本也有所降低，所以在设计与制作钟采用单片机AT89S51，它是低功耗、高性能的CMOS型8位单片机。片内带有4KB的flash存储器，且允许在系统内改写或用编程器编程。此外，AT89S51的指令系统引脚与8051完全兼容，片内有128B的RAM、32条I/O口线、2个16位定时/计数器、5个中断源、一个全双工串行口等。液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的优点，近年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。LCD可分为段式LCD、字符式LCD和点阵式LCD。其中，段式LCD和字符式LCD只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线以及汉字、动画，并且可以实现屏幕滚动、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。 电子时钟用集成电路计时，译码代替机械式传动，用LCD显示器代替指针显示，减小了计时误差，该数字电子钟具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对。相对传统的电子时钟，数字电子时钟克服了电子时钟计时不精确的缺陷，加上调节方便，受到广大消费者的喜爱。1、设计总体方案1.1 电子钟的工作原理有振荡器产生稳定的分频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60向分计数器进位，分计数器满60向小时计数器进位，小时计数器按照0-23的显示规律计数。计数器的输出分别由译码器送显示器显示。计时出现误差时，可以通过校准电路校时、校分。1.2 设计总体方案图1.1为设计总体框图。该设计采用AT89C51单片机作为控制器，液晶显示时间，用按钮做开关。按键输入修改值，再加上软件设计，达到实验结果。按键功能：上电复位主控制器AT89S514个按键1602LCD显示器图1.1系统总体框图K1键：用于选择调节对象；K2键：增加当前小时或分钟；K3键：减小当前小时或分钟；K4键 确定调节值。2、主要器件介绍及功能实现2.1 AT89C52单片机MCS-51系列单片机是Intel公司1980年推出的高性能8位单片微型计算机，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要特性：（1）与MCS-51 兼容（2）4K字节可编程闪烁存储器 （3）寿命：1000写/擦循环 （4）数据保留时间：10年 （5）全静态工作：0Hz-24MHz （6）三级程序存储器锁定 （7）1288位内部RAM （8）32可编程I/O线 （9）两个16位定时器/计数器 （10）5个中断源 （11）可编程串行通道 （12）低功耗的闲置和掉电模式 （13）片内振荡器和时钟电路图2-1 AT89C51芯片管脚说明：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收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能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0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后，被内部上拉为高，可用作输入，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。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。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编程和校验时接收高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，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，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口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大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。 2.1.1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。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余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宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.2 1602LCD液晶显示单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED（Light Emitting Diode）；液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）；近几年也有配置CRT显示器的。液晶显示器简称是利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的。其特点是体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中有着日益广泛的应用。1602芯片：主要用于显示时间和定时时间。1602芯片由点阵字符液晶显示器件和专用的行、列驱动器、控制及必要的链接件、结构件组装而成，可以显示数字和西文字符，但不能显示图形，已经可以满足本次设计的需要。1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。（1） 外型尺寸：80X36X13（LXWXH）实物如图2-3图2-2 1602LCD实物图（2）接口信号说明如图表2-1编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读写选择端（H/L）13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极表2- 1 接口信号说明（3）主要技术参数如图表2-2显示容量16X2个字符芯片工作电压4.55.5V工作电流2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95X4.35(WXH)mm表2- 2 主要技术参数（4）基本操作程序读状态：输入：RS=L，RW=H，E=H输出：D0D7=状态字读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H输出：无写指令：输入：RS=L，RW=L，D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：D0D7=数据写数据：输入：RS=H，RW=L，D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无2.3 计时功能的实现时钟信号的产生可利用AT89C51片内的定时器0产生定时中断，进行时、分、秒的计时，并将信号送到显示电路。2.3.1定时方法（1）软件定时：软件定时靠执行一个循环程序以进行时间延时。特点是时间精确，且不需要外加硬件电路。但软件定时要占用CPU，因此软件定时时间不宜太长。(2)硬件定时：特点是不占用CPU，但需要改变的元件参数来调节定时时间，在使用上不够灵活。（3）可编程定时器定时：通过对系统时钟脉冲的计数来完成。计数值通过程序设定，改变计数值，也就改变了定时时间，在使用上比较灵活。2.3.2 定时/计数器的定时和计数功能LCD显示器：类似于LED数码管显示器。每个显示器的段电极包括a, b, c, d, e, f, g七个笔划（段）和一个背电极BP（或COM）。可以显示数字和简单的字符。点阵式LCD显示器：段电极与背电极呈正交带状分布，液晶位于正交的带状电极间。点阵式LCD的控制一般采用行扫描方式。MCS-51单片机内部有两个可编程的定时/计数器，分别称为定时/计数器0和定时/计数器1其功能如下：（1）计数功能：计数是指对外部事件进行计数。外部事件的发生以输入脉冲表示，因此计数功能的实质就是对外来脉冲进行计数。（2）定时功能：定时功能也是通过定时/计数器的计数来实现的。不过此时的计数脉冲来自单片机内部，机每个机器周期产生一个计数脉冲，也即是每个机器周期计数器加1。由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。这样不但可以根据计数值计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的初值。3、硬件电路3.1上电复位电路上电复位电路用电容接一个+5V的电源，当电容开始充电，向单片机输入一个高电平；当电容充电结束开始放电，此时单片机与一个电阻相连接地为低电平。可见，电容的充放电，单片机得到一个交替出现的高电平和低电平。RST是复位端。单片机的振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平就可以实现复位操作，是单片机回复到初始状态。3.2时钟系统单片机利用内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。最常用的内部时钟方式是采用外接晶振和电容组成的并联谐振回路。3.3按键电路按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。 按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。在本套设计中由于只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。（1）按键的软件结构：按键中有一个选择键、调时键加一键和减一键以及一个确定键，四个按键接在P1.0P1.4口，低电平表示有按钮按下；按钮没有接防抖电路，需要设计软件防抖。（2）调时：按下调时键后可以调时，过程如下：调时-时加/减-调时-分加/减-确定-完成时间设置。3.4电子时钟原理图图3-1该电子时钟电路主要包括：按键控制电路（P1口14脚引出）、声音电路（P3口10脚引出）和LCD显示器的驱动部分（3932、2123脚引出）C51的P0口和P2口以及1602LCD的供电源通过总线连接构成了电子钟的显示模块，P1口外接四个按键K1K4构成按键模块。此外，P3口外接一个蜂鸣器构成声音模块。当按一下P1口的按键时，单片机工作并通过P0和P2口对LCD对应的位进行读写操作，同时在LCD上显示出来，P3口的蜂鸣器发出响声。3.5 硬件调试是检测硬件电路正常工作的途径。常见故障：（1）1602LCD显示屛无显示，需检查电路，先从最小系统查起，再检查1602LCD的供源电路是否正常。接线是否错连，焊点焊接有没有出现问题。（2）1602LCD显示不够亮，检查LCD的供源电路，查看电阻有没有选错或这漏接，同时也要检查电阻的焊点是否有假焊，虚焊等。（3）1602LCD显示乱码或漏字显示，主要检查单片机接口部分，以及焊点有没有出现问题。3.6实物硬件电路图3-2 实物图4、软件设计4.1 程序流程图开始定义变量类型定义液晶显示器控制端口、按键控制设置LCD显示的值执行程序时间显示是否正确按K1键选择调整时或分按K2键调整增加按K3键调整减小按K4键确定调整值结束NY图4- 14.1.1编辑软件（Keil uVision2）Keil uVision2：是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，使您能在很短的时间内就能学会使用keil c51来开发您的单片机应用程序 。 另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。4.2电子时钟程序设计4.2.1 文件调用的头文件名：#include4.2.2定义变量类型：#define uint unsigned int#define uchar unsigned char4.2.3定义液晶显示器控制端口、按键控制：sbit rs=P20; sbit rw=P21;sbit en=P22;sbit s1=P10; sbit s2=P11;sbit s3=P12;sbit s4=P13;4.2.4 设置LCD显示的初值：uchar code table= Current Time ;4.2.5 编写延时程序：void delay(uchar time) uint j; for(;time0;time-) for(j=0;j125;j+); 4.2.6 编写写指令函数：void write_com(uchar com) en=0; rs=0; delay(5); P0=com; delay(5); en=1; delay(5); en=0;void write_data(uchar dat) /写数据函数 en=0; rs=1; delay(5); P0=dat; delay(5); en=1; delay(5); en=0;4.2.7 初始化void init() en=0; rw=0; write_com(0x38);/设置16X2显示,5X7点阵,8位数据接口 write_com(0x0c);/设置开显示，不显示光标 write_com(0x06);/写一个字符后地址指针加1 write_com(0x01);/显示清零，数据指针清零4.2.8 LCD开始写入程序： for(i=0;i(sizeof(table)-1);i+) /第一行写 write_com(0x80+i); write_data(tablei); for(i=0;i(sizeof(table1)-1);i+) /第二行写 write_com(0x80+0x40+i); write_data(table1i);miao=05;fen=30;shi=12; 4.2.9定时器工作方式的选择：TMOD=0x01; /time0作为定时器工作在模式1下TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;EA=1; /开启总中断ET0=1; /开启time0中断TR0=1; /启动time04.2.10时分秒显示函数：void write_sfm(uchar add,uchar num) sh=num/10; /分离出十位 ge=num%10; /分离出个位 write_com(0x80+0x40+add); /第二行数据指针位置调整 write_data(0x30+sh); /更改显示数据的十位 write_data(0x30+ge); /更改显示数据的个位4.2.11 中断函数：void timer0() interrupt 1 /time0中断 TH0=(65536-50000)/256; /重装初始值 TL0=(65536-50000)%256; count+; if(count=10) /20次到则满一秒 count=0; miao+; if(miao=60) miao=0; fen+; if(fen=60) fen=0; shi+; if(shi=24) shi=0; write_sfm(4,shi); write_sfm(7,fen); write_sfm(10,miao); 4.2.12 键盘扫描程序：void keyscan() if(K1=0) /按下K1 delay(5); if(K1=0) num1+; while(!K1);/等待释放 if(num1=1) TR0=0; write_com(0x0e); /显示光标，不闪烁 write_com(0x80+0x40+0x0b); /数据指针移动到秒的个位处 write_com(0x0f);/显示光标，闪烁 if(num1=2) write_com(0x80+0x40+0x08); /数据指针移到到分钟的个位处 if(num1=3) write_com(0x80+0x40+0x05); /数据指针移到到小时的个位处 if(num1=4) num1=0; /清零 write_com(0x0c); /重新显示 TR0=1; /重新启动计时 if(num1!=0) /按下K2则选择时/分/秒加1 if(K2=0) delay(5); if(K2=0) while(!K2); if(num1=1) delay(20); miao+; if(miao=60) miao=0; write_sfm(10,miao); write_com(0x80+0x40+0x0a); if(num1=2) fen+; if(fen=60) fen=0; write_sfm(7,fen); write_com(0x80+0x40+0x07); if(num1=3) shi+; if(shi=24) shi=0; write_sfm(4,shi); write_com(0x80+0x40+0x04); if(num1!=0) if(K3=0) /按下K3则选择时/分/秒 减1 delay(5); if(K3=0) while(!K3); if(num1=1) delay(20); miao-; if(miao=-1) miao=59; write_sfm(10,miao); write_com(0x80+0x40+0x0a); if(num1=2) fen-; if(fen=-1) fen=59; write_sfm(7,fen); write_com(0x80+0x40+0x07); if(num1=3) shi-; if(shi=-1) shi=23; write_sfm(4,shi); write_com(0x80+0x40+0x04); if(num1!=0) if(K4=0) /确定按键K4 delay(5); if(K4=0) while(!K4); num1=0; /清零 write_com(0x0c); /重新显示 TR0=1; /重新启动计时 4.2.13 主函数：void main() init(); while(1) keyscan(); 4.3生成代码文件（1）在选项卡项目栏下我们的时钟周期通常设置为12MHz（2）输出栏中选择产生HEX文件（此文件为最终仿真用文件）见图4-4图4-2（3）在C51栏中级别设置为2数据覆盖（4）添加并建立目标文件直至通过生成.HEX文件，如图4-5图4-3 4.4 软件调试4.4.1程序的仿真Proteue ISIS软件：Proteus ISIS是英国 Labcenter公司开发的电路设计、分析与仿真软件，功能极其强 大。该软件的主要特点是： （1）集原理图设计、仿真分析(ISIS) 和印刷电路板设计(ARES) 于一身。可以完成从绘制原理图、仿真分析到生成印刷电路板图的整个硬件开发过程。 （2）提供几千种电子元件（分立元件和集成电路、模拟和数字电路）的电路符号、仿 真模型和外形封装。 （3）支持大多数单片机系统以及各种外围芯片（RS232动态仿真I2C调试器、SPI调试器、键盘LCD系统仿真等）的仿