基于AT89C51单片机电子时钟的设计.docx

本文由狗名叫旺旺贡献。基于单片机电子时钟的设计摘要单片机是集、定时、计数和多种接口于一体的微控制器。近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入而单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，本文介绍单片机结合设计时钟定时控制器实现的方案。为三态输出的八组缓冲器。本系统将单片机内部时钟读出并通过七段数码管（）显示出来，通过按键设定的时间来改变系统的闹钟时间，单片机依据设定的时间来响铃，从而实现了系统的智能化。关键词：电子时钟、，：；目录摘要目录第一章单片机概述单片机的定义单片机的特点单片机的应用领域第二章单片机简介单片机结构及引脚说明中央处理器（）的结构单片机的存储器第三章数码管及简介数码管的分类数码管的驱动方式数码管应用数码管使用的电流与电压简介第四章电子钟功能介绍系统功能介绍软件设计流程电子钟程序清单第五章电子钟软件实现仿真单片机模拟调试软件软件简介电子时钟仿真整机仿真及调试附录第页第一章单片机的定义单片机概述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块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。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（）是因为它最早被，用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有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。的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，型号全很多单片机厂家逐年扩大适应各种需要，有针对性地推出一系列型号产品，使系统开发工程师有很大的选择余地。大部分产品有较好的兼容性，保证了已开发产品能顺利移植，较容易地使产品进行升级换代。提高性能，扩大容量，性能价格比高集成度已经达到万个晶体管以上，总线速度达到数十微妙到几百纳秒，指令执行周期已经达到几微妙到数十纳秒，以往片外现已在物理上存入片内，容量已经扩充达，以致更大的空间。价格从几百到几元不等。增加控制功能，向真正意义上的“单片”机发展把原本是外围接口芯片的功能集成到一块芯片内，在一片芯片中构造了一个完整的功能强大的微处理应用系统。第页低功耗现在新型单片机的功耗越来越小，供电电压从降低到了，甚至，工作电流从降到级，频率从十几兆可编程到几十千赫兹。特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电等。语言开发环境，友好的人机互交环境多数单片机都提供基于语言开发平台，并提供大量的函数供使用，这使产品的开发周期、代码可读性、可移植性都大为提高。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，大致可分如下几个范畴在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。在家用电器中的应用现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电第页：冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。第页第二章单片机简介单片机结构及引脚说明单片机是美国公司于年推出的产品，与单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达条，单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，系列单片机主要包括、和等通用产品。、单片机结构框架图单片机结构框架第页、的引脚说明系列单片机中的、及均采用封装的双列直接结构，右图是它们的引脚配置，个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，组位共个口，中断口线与口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如图：图：复位信号复用脚，当通电，时钟电路开始工作，在引脚上出现个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器指向，输出口全部为高电平，堆栈指针写入，其它专用寄存器被清“”。由高电平下降为低电平后，系统即从地址开始执行程序。然而，初始复位不改变（包括工作寄存器）的状态，的初始态。的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。此外，还是一复用脚，掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部的数据不丢失。图：当访问外部程序器时，（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，端将有一个时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，会跳过一第页个脉冲。如果单片机是，在编程其间，将用于输入编程脉冲。：当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，的位地址数据将出现在和口上，部程序存储器则把指令数据放外到口上，由读入并执行。：程序存储器的内外部选通线，和单片机内置有的程序存储器，当为高电平并且程序地址小于时，读取内部程序存储器指令数据，而超过地址则读取外部指令数据。如为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的，端必须接地。中央处理器（）的结构单片机内部有一个位的，同时内部包含了运算器，控制器及若干寄存器。如图：图单片机内部结构框图第页图中虚线框内的就是的内部结构，位的单片机的内部有数术逻辑单元（）累加器（位）、寄存器（位）、程序状态字（位）、程序计数器（有时也称为指令指针，即，位）地址寄存器（位）数据寄存器（位）、指令寄存器（位）指令译码器、控制器等部件组成。、运算器（）的主要功能）算术和逻辑运算，可对半字节（一个字节是位，半个字节就是位）和单字节数据进行操作。）加、减、乘、除、加、减、比较等算术运算。）与、或、异或、求补、循环等逻辑运算。）位处理功能（即布尔处理器）。由于内部没有寄存器，参加运算的操作数，必须放在累加器中。累加器也用于存放运算结果。程序计数器的作用是用来存放将要执行的指令地址，共位，可对直接寻址，低位经口输出，高位经口输出。也就是说，程序执行到什么地方，序计数器就指到哪里，始终是跟蹿着程序的执行。程它我们知道，户程序是存放在内部的中的，们要执行程序就要从用我中一个个字节的读出来，然后到中去执行，那么具体执行到哪一条呢？这就需要我们的程序计数器来指示。程序计数器具有自动加的功能，从存储器中读出一个字节的指即令码后，自动加（指向下一个存储单元）。指令寄存器指令寄存器的作用就是用来存放即将执行的指令代码。下面先简单的介绍下执行指令的过程，首先由程序存储器（）中读取指令代码送入到指令寄存器，经译码器译码后再由定时与控制电路发出相应的控制信号，从而完成指令的功能。指令译码器用于对送入指令寄存器中的指令进行译码，所谓译码就是把指令转变成执行此指令所需要的电信号。当指令送入译码器后，由译码器对该指令进行译码，根据译码器输出的信号，控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，使单片机正确的执行程序所需要的各种操作。地址寄存器（位）第页的作用是用来存放将要寻址的外部存储器单元的地址信息，指令码所在存储单元的地址编码，由程序计数器产生，而指令中操作数所在的存储单元地址码，由指令的操作数给定。从上图中我们可以看到，地址寄存器通过地址总线与外部存储器相连。数据寄存器用于存放写入外部存储器或端口的数据信息。可见，数据寄存器对输出数据具有锁存功能。数据寄存器与外部数据总线直接相连。程序状态字用于记录运算过程中的状态，如是否溢出、进位等。时序部件由时钟电路和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。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（）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（）结构。的系列单片机采用的是哈佛结构的形式。、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。单片机内部具有的程序存储器被映射到程序存储空间的区间，如图所示。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）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。高于的程序存储空间只能被映射为外部程序存储器。、数据存储空间的内部数据存储器有字节，它们被分为两部分：高字节和低字节。低字节的内部数据存储器是真正的区，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部分，如图所示。第页图内部数据存储器低字节在内部数据存储器低字节中，地址从的最低个字节组成组工作寄存器，每组有个工作寄存器。每组中的个工作寄存器都被命名为从到。在一个具体时刻，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字节的程序状态字寄存器（）中第位（）和第位（）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。工作寄存器在内部数据存储器中的地址映射如表所示表组（，）地址。工作寄存器地址映射表组（，）寄存器组（，）组（，）寄存器地址地址寄存器地址寄存器在工作寄存器区上面，内部数据存储器的地址从的个字节范围内，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，位地址范围从到。字节地址与位地址的对应关系如表所示。第页表位字址字节地址与位地址的关系地址节地内部数据存储器地址从部分仅可以用作通用数据存储器。内部数据存储器的高字节被称为特殊功能寄存器（）区。特殊功能寄存器被用作和在片外围器件之间的接口，它们之间的联系方框图如图所示。图特殊功能寄存器（）工作框图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第页器件的工作结果。在单片机中，包括前面提到的程序状态字寄存器（）的特殊功能存储器共有个，们离散地分布在的内部数据存储器地它址空间范围内，如表所示。表单片机特殊功能存储器地址映射表在表中，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，它们读取数据将得到一个随机数。从对于字节地址低位为或者的特殊功能存储器，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（），它的地址为，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位（）或第位（）数据而不影响其他位的数据。低位地址不为或的特殊功能存储器只可以进行字节操作，需要修改这些特殊功能存当储器中的某些位时，对其他的位应注意保护。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。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。第页第三章数码管及简介数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。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“”可；分为位、位、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（）的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共极接到，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（）的数码管。阴极数码管在共应用时应将公共极接到地线上，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。数码管的驱动方式数码管要正常显示，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端口进行驱动，或者使用如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，缺点是占用端口多，驱动个数码管静态显示则需要根如端口来驱动，要知道一个单片机可用的端口才个呢：），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个显示笔划，的同名端连第页在一起，外为每个数码管的公共极增加位选通控制电各自独立的另线控制，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，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，能够节省大量的端口，而且功耗更低。数码管应用数码管是一类显示屏通过对其不同的管脚输入相对的电流会使其发亮从而显示出数字。可以显示、时间、日期、温度等所有可以用数字代替的参数。由于它的价格便宜使用简单，所以在电器特别是家电领域应用极为广泛，如：空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管其他家电也用液晶屏与荧光屏。数码管使用的电流与电压电流：静态时，推荐使用；动态时，动态扫描时，平均电流为，峰值电流。电压：当选择红色时，使用；当选择绿色时，使用。简介是一种带三态门的锁存器，其管脚示意图如下示：其中：为个输入端。为个输出端。为数据打入端：当为“”时，锁存器输出状态同输入状态；当由“”变“”时，数据打入锁存器。为输出允许端：当时，三态门打开；当时，三态门关闭，输出高阻。第页第四章系统功能介绍电子钟功能介绍采用六位数码管显示小时、分钟、秒，并且可以任意设定时间。可以查看并且设定日期，日期采用年、月、日的显示方式。可以查看并设定闹钟，闹钟的显示方式采用与时间相同的显示方式。可以查看并设定星期，数码管的最后一位显示星期，用数字表示星期日。系统设定详细说明：系统的初始状态为显示时钟状态，此时显示小时、分钟、秒。初始状态下，按键进入时间调整程序，按键查看闹钟，按键查看日期，按键查看星期。进入时间调整状态后，首先调整分钟，此时分钟闪烁显示，按键加一，按键减一。按键开始调整小时，此时小时闪烁显示，按键加一，按键减一，再按键后系统返回到显示时间状态。在调整时间状态下按下键进入调整闹钟状态，时显示原先的闹钟此时间，并且闹钟分钟闪烁显示，此时按键加一，按键减一；调整后按键转换到闹钟小时调整单元，此时按键加一，按键减一。闹钟调整完毕后按键回到调整时间状态，按键转到调整日期状态。在调整日期状态下，日单元闪烁显示，此时按键加一，按键减一；按下键进入调整月，此时按键加一，按键减一；按下键进入调整年，此时按键加一，按键减一。此时按下键返回到调整时间状态，按下键进入调整星期状态。在调整星期状态下，星期闪烁显示，此时按键加一，按键减一。按下键返回到调整时间状态。此时分钟闪烁显示，按键开始调整小时，此时小时闪烁显示，再按键后系统返回到显示时间状态。软件设计流程程序流程如下图所示：第页图主程序流程图第页图计时中断服务程序流程图电子钟程序清单见附录第页第五章电子钟软件实现仿真单片机模拟调试软件、单片机模拟仿真调试软件的安装和启动单片机模拟调试软件是目前获得广泛应用的一种开发系列兼容单片机的软件。该软件可以从公司中国代理处购买，也可以从公司的