基于单片机控制的时钟控制器

单片机控制的时钟控制器课程设计任务书1设计目的与要求设计出一个用单片机控制的时钟控制器。准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：（1） 显示： 可以显示时、分和秒。 （2） 调时功能：时（0-24） 、分和秒（0-60）可以连续可调） 。 （3） 性能： 时间日误差 2 秒。（4） 扩展功能：增加整点报时功能 、增加闹钟任意设定功能。2设计内容 （1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4）SCH 文件生成与打印输出；3编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。4答辩在规定时间内，完成叙述并回答问题。目 录1 引言12 总体设计方案12.1 设计思路12.1.1 软时钟的原理12.1.2 数码管的显示12.2 总体设计框图23 设计原理分析23.1 单片机最小系统的分析23.2 时间显示电路的设计33.3 时间调整电路和指示电路设计43.4 报警电路设计43.5 系统软件设计54 结束语6参考文献6附录 (一)7附录 (二)8单片机控制的时钟控制器摘要：本设计主要利用 AT89S51 和显示电路构成，硬件电路简单但时钟准确误差小。AT89S51 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。这次单片机课程设计通过对它的学习与应用，从而达到学习、设计、开发软、硬件的能力。随着电子技术产业结构的调整，生产工艺的飞速发展，人们生活水平的不断提高，家用电器逐渐普及，市场对于智能时钟控制系统的需求也越来越大。本文所述的智能时钟控制系统主要指时钟显示、时间设置、闹铃（可扩展功能）等控制系统。关键词：AT89S51 单片机 时钟电路 74LS164 1 引言数字时钟是生活中不可少的必需品数字钟是采用 AT89S51 和显示电路构成实现对时,分,秒.数字显示的计时装置，硬件电路简单但时钟准确误差小。AT89S51 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。这次单片机课程设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。随着电子技术产业结构调整，生产工艺的飞速发展，人们生活水平的不断提高，家用电器逐渐普及，市场对于智能时钟控制系统的需求也越来越大。本文所述智能时钟控制系统主要指时钟显示、时间设置、闹铃（可扩展功能）等控制系统。钟表的数字化以及很多功能的不断扩展给人们生产生活带来了极大的方便，不仅仅只有报时功能而且也增加了定时自动报警、时间程序自动控制、定时开关机家用电器、通断动力设备等。2 总体设计方案2.1 设计思路采用单片机设计的电子时钟通常有两种方法：一是通过单片机内部的定时器/计数器，采用软件编程实现时钟计数，一般称为软时钟。这种方法硬件线路简单，系统的功能一般与软件设计相关，通常用在对时间精度要求不高的场合。二是采用时钟芯片，它的功能强大，功能部件集成在芯片内部，自动产生时钟等相关功能。这种方法硬件成本相对较高，但软件编程较简单，通常用在对时钟精度要求校高的场合。由于本设计对时钟的误差要求不高所以采用第一种方案。2.1.1 软时钟的原理软时种是利用 AT89S51 内部的定时器/计数器来实现的，它的处理过程如下：首先设定单片机内部的一个定时器/计数器工作于定时方式，对机器周期计数形成基准时间 10ms 然后用对10ms 进行循环 100 次为 1 秒，秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，将标准秒信号送入“秒计数器” ， “秒计数器”采用 60 进制计数器，每累计 60 秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。 “分计数器”也采用 60 进制计数器，每累计 60 分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器” 。 “时计数器”采用 24进制计时器，可实现对一天 24 小时的累计。显示电路将“时” 、 “分” 、 “秒”计数器的输出，通过六个七段 LED 显示器显示出来。校时电路是直接加一个脉冲信号到时计数器或者分计数器或者秒计数器来对“时” 、 “分” 、 “秒”显示数字进行校对调整。2.1.2 数码管的显示数码管的显示可以采用两种方法：一是静态显示方式 所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。 二是动态显示方式所谓动态显示，就是将要显示的多位 LED 显示器采用一个 8 位的段选端口，然后采用动态扫描方式一位一位地轮流点亮各位显示器。由于人眼视觉的暂留性，当数码管重复的频率达到一定程度时看上去显示效果很稳定。由于采用动态显示方式时占用单片机的资源较多且电路连接时较复杂做板时跳线较多所以本设计采用第一种方法静态显示方式。2.2 总体设计方框图单片机控制的时钟控制器由单片机及最小系统、时间显示电路、时间调整电路、报警电路组成。单片机最小系统是单片机工作的前提条件必需保证最小系统的正常工作才能再继续扩展其它功能。单片机最小系统包括复位电路、晶振电路、以及 AT89S51 的 31 脚接高电平。时间调整电路是为调整时、分、秒的正确性而设置的。数码管显示电路采用 6 个七段数码管显示。报警电路采用蜂鸣器。设计总体框图如图 1 所示。图 1 总体框图3 设计原理分析3.1 单片机最小系统的分析最小系统一般包括:单片机、晶振电路、复位电路。复位电路由电容串联电阻构成，由图并结合电容电压不能突变 的性质,可以知道,当系统一上电,RST 脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的 RC 值来决定.典型的 51 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以 ,适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位.一般 C 取 10u,R 取 8.2K.而手动复位一般 C 取 22u,R1 取 200,R2 取 1k 原则就是要让 RCAT89S51单 片 机晶 振 电 路 时间调整电路报 警 电 路复 位 电 路数 码 显 示 电 路指 示 电 路组合可以在 RST 脚上产生不少于 2 个机周期的高电平。 晶振电路:典型的晶振取 11.0592MHz(因为可以准确地得到 9600 波特率和 19200 波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的 uS 级时歇,方便定时操作 )。特别注意:对于 31 脚(EA/Vpp),当接高电平时 ,单片机在复位后从内部 ROM 的 0000H 开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部 ROM 的 0000H 开始执行。单片机最小系统原理如图 2 所示。P0.7 32P0.633P0.5 34P0.4 35P0.336P0.2 37P0.1 38P0.039VCC 40P2.0 21P2.122P2.2 23P2.3 24P2.425P2.5 26P2.6 27P2.728ALE/PROG 30PSEN 29EA/VPP31P1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.5/MOSI6P1.6/MISO7 P1.7/SCK8REST9 P3.0/RXD10P3.1/TXD11 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014P3.5/T115 P3.6/WR16P3.7/RD17 XTAL218XTAL119 GND20U012MHzC130PFC230PFC322uFR21KS5R1200VCC图 2 单片机最小系统3.2 时间显示电路的设计时间显示电路采用静态显示，利用 74HC164 来驱动，数码管显示， 74HC164 是串行输入并行输出的移位寄存器，并带有清除端，其中 Q0-Q7 为并行输出端，MR 为清除端，当它为零电平时使 74HC164 清零，A、 B 为串行输入端，CLK 为时钟脉冲输入端，在脉冲的上升沿实现移位。当 CLK=0、MR=1 时，74HC164 保持原来的数据状态。图中外接 6 片 74HC164 作为 6位 LED 显示器的静态连接口，74HC164 的低电平输出电流为 8MA，可直接驱动共阳极 LED。采用软件译码向 74HC164 输出字型码，由于显示器是静态的主程序可不必扫描显示器。直接由单片机的串行口输出数据和时钟控制信号达到静态显示的目的。时间显示电路如图 3 所示。D1D2abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS1abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS2abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS3abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS4abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS5abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS6A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U174LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U274LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U374LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U474LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U574LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U674LS164D3VCCRXDTXD图 3 时间显示电路 3.3 时间调整电路和指示电路设计时间调整电路采用了四个独立连接式按键该电路采用查询方式，当任何一个键按下时，与之相连的输入数据线即被清 0（低电平） ，而平时该线为 1（高电平） 。其中 S1 是时间开始按键，当 S1 按下时时钟开始工作，初始值设定在 0 点整，当需要改变时间时，应按下 S2，该键是时、分、秒之间的切换，当 S2 按下时，显示电路中，秒的位置处于闪烁状态，处于当前可调，当再次按下该键时，显示电路的分应闪烁，处于当前可调，第三次按下时，显示电路中的时闪烁处于可调状态。当时或分被 S2 激活可调时，按下 S3 可对其进行加 1 调整，按下 S4 可对其进行减1 调整长按 S3 或 S4 时可以快速加或减调整。时间调整电路如图 4 所示。指示电路当时钟加电后按下 S1 键后时间开始正常工作时，AT89S51 的 P2.7 低电平从而工作指示灯 D0 发光指示正常运行状态。而 D1、D2、D3、D4 分别为 S1、S2、S3、S4 的按键指示灯。指示电路如图 5 所示。S1S2S3S4R710KR610KR510KR410KVCCP1.3P1.2P1.1P1.0R8 330D0R9 330D1R10330D2R11330D3P2.7P2.6P2.4P2.3R12330D4P2.2VCC 图 4 时间调整电路 图 5 指示电路 3.4 报警电路设计报警电路由于 PNP 三极管和蜂鸣器组成电路。当时钟设置闹铃或在整点时，当单片机使 P0.6口置 0 时，P0.6 接晶体管 T1（8850）的基极输入端，从而使蜂鸣器发出报警的声音。R3330SPT1 8550VCCP0.6图 6 报警电路 3.5 系统软件设计主程序首先是初始化部分,主要是计时单元清零，中断初始化，启动定时器工作，然后是调用显示子程序，接着是判断有无按键。无按键则回到调用显示子程序处；有按键，则执行按键处理子程序，执行完后回到调用显示子程序处，重复循环。主程序流程图如图 7 所示。为了保证系统的可靠运行,在主程序之外还增加了定时中断程序。电子钟的记时是用单片机内部的定时计数器 T0，定时 10ms，100 次中断即为 1s，60s 为 1min,60min 为 1h,24h 为 1 天，如此循环，从而实现记时功能。程序流程图如图 8 所示否是否是否T0 中断入口 秒单元加 1秒单元清零，分单元加 1分单元清零，时单元加 1时单元清零恢复现场 中断返回到 1 秒了吗？到 60 秒了吗？到 60 分了吗？到 24 时了吗？保护现场置定时器模式及工作方式启动定时器 T0 工作调用显示程序调按键判断子程序有键按下?按键处理开始设置初始常数N是否图 7 主程序流程图 图 8 中断程序流程图4 结束语从这次实习中我感受到对于硬件的设计以及制作电路板都还算顺利，自已的不足之处由于单片机已经很长时间没有看过了所以对很多常用的汇编语言指令不太熟悉，以至于在调制程序时多次出错。比如在这次时钟设计中本想认为可以将整点报时和闹铃功能都能实现呢可是光编程就花费了我 9 天的时间，本次时钟设计主要利用软件来完成功能。如果在要求时报电路较高的场所可以用时钟芯片来设计出精确的时钟，另外加上语单芯片可以完成整点报时和闹铃的功能。在本设计中虽然说有些简单但是时钟还是很准确的，电路简单稳定，不受外界的干扰环境的影响，充分发挥软件编程的优点，减小因元器件精度不够引起的误差。参考文献1 李朝青单片机原理及接口技术（第三版）M北京：北京航空航天大学出版社,200592 夏路易,石宗义电路原理图与电路设计教程 Protel 99SEM北京：北京希望电子出版社,2002 3 张桂红单片机原理与应用M福州:福建科学技术出版社,20072 4 汪道辉单片机系统设计与实践M北京:电子工业出版社,200665 孙涵芳MCS-51 系列单片机原理及应用M北京：北京航空航天大学出版社,19946周航慈.单片机应用程序设计基础M.北京:电子工业出版社,1997 年 7 月是是否附录（一）P0.7 32P0.633P0.5 34P0.4 35P0.336P0.2 37P0.1 38P0.039VCC 40P2.0 21P2.122P2.2 23P2.3 24P2.425P2.5 26P2.6 27P2.728ALE/PROG 30PSEN 29EA/VPP31P1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.5/MOSI6P1.6/MISO7 P1.7/SCK8REST9 P3.0/RXD10P3.1/TXD11 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014P3.5/T115 P3.6/WR16P3.7/RD17 XTAL218XTAL119 GND20U012MHzC130PFC230PFS1S2S3S4C322uFR21KS5R1200R710KR610KR510K R410KD1D2abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS1abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS2abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS3abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS4abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS5abfcg deDPY7 6 1 2 4 9 10a b c d e f g5dpdp 8DS6A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U174LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U274LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U374LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U474LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U574LS164A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9U674LS164VCCR3470SPSPEAKERD3T1R8330D0R9330D1R10330D2R11330D3R12330D4VCC图 9 总体原理图附录（二）ORG 0000HAJMP MAIN ; 转到主程序ORG 000BHAJMP SERVE ; 转到中断程序;*主程序*MAIN: MOV TMOD ,#01HMOV R0 ,#31HMOV 30H ,#00MOV R6 ,#00MOV R7 ,#00m_sec EQU 20H ;毫秒单元sec EQU 21H ;秒单元min EQU 22H ;分单元hour EQU 23H ;时单元SPEAK BIT P0.6 ;蜂鸣器LED1 BIT P2.7 ;按键指示灯LED2 BIT p2.6LED3 BIT p2.4LED4 BIT p2.3LED5 BIT p2.2SK1 BIT P1.0 ;数字钟开始键 SK2 BIT P1.1 ;数字钟调整时间部分切换键SK3 BIT P1.2 ;数字钟调整时间加 1 键SK4 BIT P1.3 ;数字钟调整时间减 1 键SETB ET0 ;允许 T0 中断SETB EA ;允许 CPU 中断MOV TH0 ,#0D8HMOV TL0 ,#0F0H ;赋计数器初值MOV m_sec ,#00 ;毫秒单元清零MOV sec ,#00 ;秒单元清零MOV min ,#00 ;分单元清零MOV hour ,#00 ;时单元清零SETB TR0LCALL RETURN ;调用显示程序;*数字钟按键程序*;*开始键*S1: JB SK1 ,S2 ;数字钟开始键LCALL DL10msJB SK1 ,S2 CLR LED1JNB SK1 ,$ SETB TR0MOV 30H ,#00MOV R7 ,#00;*调整时间部分切换键*S2: MOV A ,30HCJNE A ,#00 ,NET6JB SK2 ,S3 ;数字钟调整时间部分切换键LCALL DL10msJB SK2 ,S3CLR SPEAK CLR LED2INC 30HJNB SK2 ,$ SETB SPEAK SETB LED2 INC R7CLR TR0SJMP NET7NET6: JB SK2 ,NET7LCALL DL10msJB SK2 ,NET7 CLR SPEAK CLR LED3INC 30HJNB SK2 ,$ SETB SPEAK SETB LED3INC R7NET7: CJNE R7 ,#1 ,NET1LCALL MSH ;分闪烁SJMP S3NET1: MOV R7 ,#0LCALL HSH ;时闪烁SJMP S3NET9: LCALL RETURN;*调整时间加 1 键*S3: JB SK3 ,S4 ;数字钟调整时间键LCALL DL10msJB SK3 ,S4CLR SPEAKCLR LED4CJNE R7 ,#1 ,NET2 SETB SPEAK SETB LED4LCALL DL200msINC min ;分单元加 1MOV A ,minCJNE A ,#60 ,NET9 ;不等 60 时跳转显示，等 60 时将分单元清零MOV min ,#00LCALL NET3JB SK3 ,NET4LJMP S3NET2: SETB SPEAKSETB LED4LCALL DL200msINC hour ;时单元加 1MOV A ,hourCJNE A ,#24 ,NET9 ;不等 24 时跳转显示，等 24 时将时单元清零MOV hour ,#00LCALL NET3JNB SK3 ,NET4LJMP S3NET4: SJMP S4NET3: LCALL RETURN;*调整时间减 1 键*S4: JB SK4 ,NET11 ;数字钟调整时间键LCALL DL10msJB SK4 ,NET11 CLR SPEAK CLR LED4CJNE R7 ,#1 ,NET8 SETB SPEAK SETB LED4LCALL DL200msDEC min ;分单元减 1MOV A ,minCJNE A ,#0FFH ,NET3 ;不等 60 时跳转显示，等 60 时将分单元清零MOV min ,#59LCALL NET3JB SK4 ,NET11SJMP S4NET8: SETB SPEAKSETB LED4LCALL DL200msDEC hour ;时单元减 1MOV A ,hourCJNE A ,#0FFH ,NET3 ;不等 24 时跳转显示，等 24 时将时单元清零MOV hour ,#23LCALL NET3JB SK4 ,NET11LJMP S4NET11: LJMP S1;*中断程序*SERVE: PUSH PSWPUSH ACC ;保护现场MOV TH0 ,#0D8HMOV TL0 ,#0F0H ;重新赋计数初值INC m_sec ;毫秒单元加 1MOV A ,m_secCJNE A ,#100 ,NEXT1MOV m_sec ,#00INC sec ;秒单元加 1MOV A ,secCJNE A ,#