用单片机实现电子钟的设计

摘摘 要要 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 本文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 AT89S52 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 该电子钟可以做到的功 能 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 2 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 I 整键再次进入时钟运行状态 通过设置的 A B C D 四个键来调整 运行 并且利用了 8 位 LED 显示时分秒 关键词 电子钟 单片机 汇编 II 目录目录 摘要摘要 1 1 绪绪 论论 1 1 1 1 电子钟的发展史 1 1 2 设计的目的与意义 1 1 3 设计的基本思路与主要内容 2 2 2 时钟系统的整体设计时钟系统的整体设计 3 3 2 1 系统功能要求 3 2 2 整体方案 3 3 3 硬件设计与分析硬件设计与分析 5 5 3 1 硬件设计原理 5 3 2 各单元电路介绍 5 3 2 1 AT89C51 单片机介绍 5 3 2 2 单片机最小应用系统 6 3 2 3 显示电路 7 3 2 4 键盘及其接口 9 3 3 系统原理图 10 4 4 软件设计软件设计 1212 4 1 主程序的设计 12 4 2 键输入程序 13 4 3 显示程序 14 4 4 延时程序 15 III 4 5 中断程序 16 5 5 调试与运行调试与运行 1919 5 1 电路仿真 19 5 2 调试和运行 19 6 6 结结 论论 2121 参考文献参考文献 2222 致谢致谢 2323 0 1 1 绪绪 论论 1 11 1 数字时钟的发展史数字时钟的发展史 电子钟有着很长的历史 从民国 19 年的电钟 研制始於 60 年代中期的国 内电晶体 半导体管钟 到研制始於 70 年代末的石英电子钟 再到今天我们所 用的智能电子钟 以前的电子钟存在着很多缺点 其外观体积庞大 在功能上 有死摆 走时时间不长 走时精确度不高等缺点 如今无论是外观 还是在功 能上 电子钟都有了很大的改进 虽然世界绝大多数钟表都是中国制造 但钟表对于国内市场来说只是个小 行业 2003 年总盘子不过才 100 多亿 但不是没有前景 近年来 市场在急剧 膨胀 根据国外的统计数据显示 发达国家人均一生拥有手表 23 块 发展中国 家 12 块 而目前中国的城镇人口人均拥有量不多于 6 块 空间很大 比如彩电 一般是一个家庭一台 手表则是每人一块 但从销售量来看 光 TCL 一家公司 两个月的彩电销量可以接近 300 万台 而我们手表每年总共才卖 200 多万只 所以绝对不是市场潜力不够的问题 而是我们应该如何去做的问题 1 21 2 设计的目的与意义设计的目的与意义 人类的生活包括 工作 学习 休息以及参与社会的多种实践活动 环环 有条理 更加丰富多彩 应该说时钟的计时功能与人类的各种行为和活动有着 密切的联系 于是时钟的作用便体现出来 生活中有许多人 因为只顾工作而 忘记时间 从而耽误了重要的安排或者计划 造成不可挽回的损失 使之后悔 莫及 我们要养成良好的时间观念 就需要电子钟时刻提醒我们 因此 电子 钟已成为人们日常生活中必不可少 它的应用非常广泛 应用于家庭以及车站 码头 剧场 办公室等公共场所 给人们的生活 学习 工作 娱乐带来极大 的方便 现在投入生产的大多是智能时钟 它的功能很全面 但价格有点昂贵 大 多数学生或者经济条件较差的人 想要拥有它 都有点困难 因此 在这里设 1 计一个较简单的电子钟 它能完成计时和校时的功能 这个时钟系统很简单 投入生产的成本很低 因此 它的价格比较便宜 对于学生很实用 1 31 3 设计的基本思路与主要内容设计的基本思路与主要内容 设计一个电子产品 首先了解它能实现的功能 时钟系统最基本的功能就 是实现计时 在这里设计的数字电子时钟 它能实现计时和校时的功能 给电 子钟加上电自动计时 设计一个按键对时钟进行复位和三个按键对时间进行调 整 硬件设计很简单 主要包括 单片机 按键电路 驱动显示电路 以及 LED 显示器四个部分 单片机选用 AT89C51 芯片 它无须外扩程序存储器 设计电路很简单 由于只用了四个按键 所以采用独立式按键使设计更简单 显示时 分 秒加两个分隔符 采用 8 位的数码管 用常用的 74LS244 来驱动 LED 数码管显示字符 简易数字时钟可实现校时和整点报时功能 该软件采用 C 语言来实现 主要包括主程序 键输入程序 显示程序 定时程序和中断程序等软件模块 把原程序加入原理图 做出电子钟的仿真 以秒计数并显示时 分 秒 其中 秒和分为 60 进制 小时为 24 进制计数 可通过按键实现时钟复位和分 秒 时的校正 2 2 简易数字时钟系统的整体设计 2 12 1 系统功能要求系统功能要求 以单片机技术为核心 充分应用各种外围电路元器件 设计一个通过显 示器显示时间 时 分 秒 的电子钟 要求 1 上电时 时 分 秒显示为00时 00分 00秒 并以秒为单位开始计时 2 运行状态下 按动控制按扭S SET 对秒进行调整 3 运行状态下 按动控制按扭 M SET 对分进行调整 4 运行状态下 按动控制按扭 H SET 对小时进行调整 5 当数字时钟运行到正点时 实现自动报时功能 6 当按下 T SET 键是实现小时由 24 进制和 12 进制的相互转换 2 22 2 整体方案整体方案 电子钟的电路图主要由单片机 AT89C51 键盘电路 驱动显示电路和 LED 显示器四部分组成 它主要实现时钟的显示 以及对时 分 秒进行调整 即实现调时的功能 其数字钟系统整体结构如图 2 1 所示 七 段 数 码 管 AT89C51 驱 动 LED 显示器 位 选 按 键 图 2 1 电子钟系统整体结构 3 1 显示方案 方案一 静态显示就是当 CPU 将要显示的字或字段码送到输出口 显示器就 可以显示出所要显示的字符 如果 CPU 不去改写它 它将一直保持下去 静态 显示硬件开销大 电路复杂 信息刷新速度慢 方案二 动态显示则是一位一位地轮流点亮显示器地各个位 扫描 对于 显示器的每一位而言 每隔一段时间点亮一次 动态显示耗能较小 但编写程 序较复杂 动态显示硬件连接简单 信息刷新速度快 由于本次设计是对时间进行显示 如采用静态显示 则所占用的 I O 口较 多 电路较复杂 所以在此选择的是方案二 采用动态显示 2 键盘方案 方案一 独立式键盘 独立式键盘的各个按键相互独立 每个按键独立地与 一根数据输入线 单片机并行接口或其他芯片的并行接口 连接 独立式键盘 配置灵活 软件结构简单 但每个按键必须占用一根接口线 在按键数量不多 时 接口线占用多 所以 独立式按键常用于按键数量不多的场合 方案二 矩阵式键盘 矩阵式键盘采用的是行列式结构 按键设置在行列的 交点上 当接口线数量为 8 时 可以将 4 根接口线定义为行线 另 4 根接口线定 义为列线 形成 4 4 键盘 可以配置 16 个按键 由于本设计只用了四个按键 不需要采用矩阵式键盘 所以选用第一种方 案 采用独立式键盘 3 计时方案 采用软件控制 利用单片机内部的定时 计数器进行定时 配合软件定时实现时 分 秒的 计时 该方案能够使设计者 在设计的过程中容易实现 且节省硬件成本 因 此本系统将采用软件方法实现计时 4 3 硬件设计与分析 3 13 1 硬件设计原理硬件设计原理 时钟电路的核心是 AT89C51 单片机 其内部带有 2KB 的可反复擦写的只读 Flash 程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 无须外扩程序 存储器 电脑时钟没有大量的运算和暂存数据 现有的 128B 片内 RAM 已能满足 要求 也不必外扩片 RAM 系统配备 8 位 LED 数码管显示和 3 个独立式按键 用 P0 口作为键盘接口电路 P1 口和 P3 口作为段码和位码输出口 并在字段码 输出口接 74LS245 芯片 用该芯片来驱动 LED 数码管显示 利用 P0 0 P0 1 和 P0 2 作为功能按键输入口 3 23 2 各单元电路介绍各单元电路介绍 3 2 1AT89C51 单片机介绍 AT89C51 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 2k bytes 的 可反复擦写的只读 Flash 程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 所以说 AT89C51 是一个功能强大的单片机 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机 它有 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外中断口 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个 全双工串行通信口 AT89C51 可以按照常规方法进行编程 也可以在线编程 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本 同时 AT89C51 的时钟频率可以为零 即具备可用软件设置的睡眠省电功能 系统的唤醒方式有 RAM 定时 计数器 串行口和外中断口 系统唤醒后即进入 继续工作状态 省电模式中 片内 RAM 将被冻结 时钟停止振荡 所有功能停 5 止工作 直至系统被硬件复位方可继续运行 3 2 2 单片机最小应用系统 时钟电路和复位电路是单片机最小应用系统中必不可少的 单片机时钟电路图 如图 3 1 所示 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 图 3 1 单片机时钟电路图 复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态 单片机的 工作就是从复位开始的 当在单片机的 RST 引脚引入高电平并保持 2 个机器周 期时 单片机内部就执复位操作 若该引脚持续保持高电平 单片机就处于循 环复位状态 实际应用中 复位操作有两种基本的形式 一种是上电复位 另一种是上 电与按键均有效的复位 由于本次设计采用的是上电复位 所以这里只介绍上 电复位 如下图 3 3 所示 6 图 3 3 上电复位电路 上电复位要求接通电源后 单片机自动实现复位操作 常用的上电复位如 上图所示 上电瞬间 RST 引脚获得高电平 随着电容 C1 的充电 RST 引脚的高 电平将逐渐下降 3 2 3 显示电路 一 七段 LED 显示器的原理 显示器是单片机应用系统常用的设备 包括 LED LCD 等 LED 显示器由若 干个发光二极管组成 七段 LED 通常构成字型 8 还有一个发光二极管用来 显示小数点 每段 LED 分别引出一个电极 电极的名为 a b c d e d g dp 其中 dp 是小数点段的引出电极 当发光二极管导 通时 相应的一个笔画或一个点就发光 控制相应的二极管导通 就能显示出 对应字符 说明 在该设计中 没有用到电极 dp 而是用单位的数码管来显示 其 七段 LED 显示器如图 3 4 所示 7 图 3 4 七段 LED 显示器 二 动态显示 本设计共用了八位 LED 显示器 因此采用动态显示方式 所谓动态显示就 是一位一位的轮流点亮显示器的各个位 对于显示器的每一位而言 每隔一段 时间点亮一次 虽然在同一时刻只有一位显示器在工作 但由于人眼的视觉暂 留效应和发光二极管熄灭时的余晖 我们看到的却是多个字符 同时 显示 显示器亮度既与点亮时的导通电流有关 也与点亮时间长短和时间间隔有关 显示器的位数不大于 8 位 则控制显示器公共极电位只需要一个 I O 接口 称为扫描口或字位口 控制各位 LED 显示器所显示的字型也需要一个 8 位接口 称为段数据口或字型口 图 3 5 为驱动显示电路框图 8 图 3 4 驱动显示电路框图 74LS244 是我们常用的芯片 用来驱动 led 或者其他的设备 当 8051 单片机的 P1 口总线负载达到或超过 P1 最大负载能力时 必须接入 74LS244 等总线驱动器 当片选端 CE 低电平有效时 DIR 0 信号由 B 向 A 传输 接收 3 2 4 键盘及其接口 键盘是由若干个按键组成的 它是单片机最简单的输入设备 通过键盘输 入数据或命令 就可实现简单的人机对话 一 按键的抖动现象 按键就是一个简单的开关 当按键按下时 相当于开关闭合 当按键松开 时 相当于开关断开 按键在闭合和断开时 触点会存在抖动现象 按键抖动 时间一般为 5ms 10ms 抖动可能造成一次按键的多次处理问题 应采取措施 消除抖动的影响 消除的方法很多 本设计采用软件延时的方法来消除抖动 当单片机检测到有按键按下时先定时 然后再检测按键的状态 若仍是闭合状 态则认为真的有键按下 当检测到按键释放时 亦需要做同样的处理 9 二 按键电路 独立式键盘的各个按键相互独立 每个按键独立地与一根数据输入线 单片机并行接口或其他芯片的并行接口 连接 独立式键盘配置灵活 软件 结构简单 但每个按键必须占用一根接口线 在按键数量不多时 接口线占用 多 所以 独立式按键常用于按键数量不多的场合 该设计只用了三个按键 来实现功能控制 在运行状态下 按动控制按扭 S SET 可对秒进行调整 按动控制按扭M SET 可对分进行调整 按动控制按 扭H SET 可对时进行调整 因此采用独立式键盘方式 设计起来比较简单 如 图3 6所示 图3 5 键盘电路 3 33 3 系统原理图系统原理图 AT89C51的P1口接入三个按键 对时 分 秒进行调整 P0口输出字段码 控制要显示的字符 外接74LS245芯片 驱动LED显示 P3口输出字位码 去控 制要显示的位 其原理图如图3 6所示 10 A7A7 A6A6 A5A5 A4A4 A3A3 A2A2 A1A1 A0A0 S7 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 S SET M SET H SET A0 2 B0 18 A1 3 B1 17 A2 4 B2 16 A3 5 B3 15 A4 6 B4 14 A5 7 B5 13 A6 8 B6 12 A7 9 B7 11 CE 19 AB BA 1 U2 74LS245 图 3 6 电子钟原理图 当接入电源时 数字电子钟以秒为单位开始计时 运行状态下 按下控制 按键 S SET 对秒进行调整 按下 M SET 调整分钟 按下 H SET 对小时进行调 整 这样通过三个按键 分别对时 分 秒进行调整 从而实现调时 11 4 软件设计 在软件设计中 整个程序的主框架是以定时 1s 计算的方式来实现电子钟 定时 1s 的程序段 使用动态显示程序实现延时 既完成了延时 也完成了数字 的显示 在计算程序中 使对应于时 分 秒的变化量按照 60 进制和 24 进制 进行计算 动态显示程序直接引用这些变量 达到显示的数字也随之不断变化 即完成了电子钟的功能 其软件功能模块主要有键输入程序 中断程序 显示程序 以及延时程序 需要说明的是 这里设计的是简易的电子钟 主要是用程序运行来计算时 间 这样用程序来确定出 1s 的时间精度是很有限的 所以整个时钟的精度不太 高 4 14 1 主程序的设计主程序的设计 初始化将时 分 秒各单元的内容清空 置 T0 为计数器方式 1 分别给计 数器的高 8 位和低 8 位赋计数初值 启动 T0 工作 键入一个按键 如执行此动 作 秒值加 1 否则重新键如按键 主程序模块 主程序流程图 如图 4 1 所示 12 初始化 键输入 开始 键执行 结束 图 4 1 主程序流程图 4 24 2 键输入程序键输入程序 键输入程序用于调整时间 以秒为例 按下按键 S SET 判断 S SET 是否 真的被按下 若没有键按下 转到 A1 程序段 再次键入按键 重新判断 若按 键按下了 则调用延时程序 消除抖动现象秒值加 1 当秒值大于 60 时 秒清 零 进行下一次计时 同时分加一 并转到 J0 显示 此过程循环执行 其程序 流程图如图 4 2 所示 13 显示 S SET 是否按下 否按下 秒值加 1 秒 60 清零 N 调用延时 Y Y N 图 4 2 键输入程序流程图 A1 LCALLDISPLAY 调用延时程序 JNBS SET S1 判断按键是否按下 JNBM SET S2 JNBH SET S3 LJMPA1 S1 LCALL DELAY 去抖动 JBS SET A1 INCSECOND 秒值加 1 MOVA SECOND CJNEA 60 J0 判断是否加到 60 秒 MOVSECOND 0 秒清 0 LJMPJ0 J0 JBS SET A1 LCALLDISPLAY 调用显示 14 SJMPJ0 4 34 3 显示程序显示程序 显示其时 分 秒的数值 和两个分隔符 以显示秒为例 当 P3 7 输入高电平时 秒的个位所对应的字段码点亮 显示其秒的个位 当秒有十位 输入时 P3 6 输入高电平 秒所十位对应的字段码点亮 显示其秒十位 其程 序流程图如图 4 3 所示 取字段码 取字位码 显示秒个位 显示秒十位 调用延时 图 4 3 显示程序流程图 DISPLAY MOVA SECOND 显示秒 MOVB 10 DIVAB CLRP3 6 MOVCA A DPTR 取字段码 MOVP0 A LCALL DELAY 调用延时 SETBP3 6 显示秒十位 MOVA B CLRP3 7 15 MOVCA A DPTR 取字段码 MOVP0 A LCALLDELAY 调用延时 去抖动 SETBP3 7 显示秒个位 CLRP3 5 4 44 4 延时程序延时程序 按键抖动时间一般为 5ms 10ms 因此延时 10ms 其流程图如图 4 4 所示 10 送 R6 250 送 R7 返回 R6 R7 Y N 图 4 4 延时程序流程图 DELAY MOVR6 10 延时 10ms D1 MOVR7 250 DJNZR7 DJNZR6 D1 RET 4 54 5 中断程序中断程序 中断程序主要用于控制显示的字符 当秒值大于 60 时 秒清零 重 新计数 分值加 1 秒 分同时显示 当分值大于 60 时 分清零 重新计数 16 小时加 1 秒 分 时同时显示 当小时大于 23 时 一天的计时完毕 秒 分 时均清零 进行第二天的计时 此任务循环执行 其程序流程图如图 4 5 所示 秒加 1 秒 59 小时 23 分 59 秒清 0 分加 1 小时清 0 分清 0 时加 1 N Y Y Y N N 图 4 4 中断程序流程图 DISPLAY MOVA SECOND 显示秒 MOVB 10 DIVAB CLRP3 6 17 MOVCA A DPTR MOVP0 A LCALLDELAY 调用延时 SETBP3 6 显示秒的十位 MOVA B CLRP3 7 MOVCA A DPTR MOVP0 A LCALLDELAY SETBP3 7 显示秒的个位 CLRP3 5 MOVP0 40H 显示分隔符 LCALLDELAY SETBP3 5 MOVA MINUTE 显示分钟 MOVB 10 DIVAB CLRP3 3 MOVCA A DPTR MOV P0 A LCALLDELAY SETBP3 3 显示分的十位 MOVA B CLRP3 4 MOVCA A DPTR MOVP0 A LCALLDELAY SETBP3 4 显示分个位 CLRP3 2 18 MOVP0 40H 显示分隔符 LCALLDELAY SETBP3 2 MOVA HOUR 显示小时 MOVB 10 DIVAB CLRP3 0 MOVCA A DPTR MOV P0 A LCALLDELAY SETBP3 0 显示时的十位 MOVA B CLRP3 1 MOVCA A DPTR MOVP0 A LCALLDELAY SETBP3 1 显示时的个位 RET 19 5 调试与运行 5 5 1 1 电路仿真电路仿真 此设计的电路在单片机仿真软件 Proteus Professional 7 1 中进行仿 真 仿真电路如图 5 1 所示 A7A7 A6A6 A5A5 A4A4 A3A3 A2A2 A1A1 A0A0 S7 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11