单片机数字时钟课程设计.doc

目 录第一章 选题背景2第二章 课程设计说明31.1 课程设计目的31.2 课程设计要求4第三章 系统方案与总体结构4第四章 数字时钟硬件构成54.1 数字时钟框图设计54.2 选用芯片简介54.2.1 80C51简介54.2.2 BCD 7段译码74LS47简介104.2.3 3-8线译码器74LS138简介104.2.4 LED数码显示器简介114.3 数字时钟工作原理图114.3.1 数字时钟电路总图114.3.2 复位电路原理图124.3.3 按键电路原理图134.3.4 时钟电路原理图134.3.5 LED数码管硬件电路原理图13第五章数字时钟软件设计14第六章 数字时钟汇编程序17第七章 心得体会25参考文献26第一章 选题背景 20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。单片机模块中最常见的是数字时钟，数字时钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字时钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭、车站、码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字时钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 第二章 课程设计说明 1.1 课程设计目的课程设计是本课程教学中极为重要的实践性教学环节，它不但起着提高本课 程教学质量、水平和检验学生对课程内容掌握程度的作用，而且还将起到从理论过渡到实践的桥梁作用。因此，必须认真组织，周密布置，积极实施，以达到下述教学目的。 1通过课程设计，使学生进一步巩固、深化和扩充在单片机原理及相关课程方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决实际问题的能力。 2通过课程设计，使学生养成严谨科学、严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风，达到提高学生基本素质的目的。 3.通过课程设计，让学生独立完成利用单片机实现某一实际控制系统的基本设计工作，达到培养学生综合应用所学知识和实际查阅相关设计资料的能力的目的。 4.通过课程设计，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，掌握设计内容，达到培养学生设计电路、实现软件编程和编写设计说明书能力的目的，为学生今后从事相关方面的实际工作打下良好基础。 1.2 课程设计要求 （1）根据设计课题的技术指标和给定条件，在教师指导下，能够独立而正确地进行方案论证和设计计算，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；（2）要求学生掌握单片机的设计内容、方法和步骤；（3）要求会查阅有关参考资料和手册等；（4）要求学会选择有关元件和参数；（5）要求学会绘制有关电路图和设计流程图；（6）要求学会编写设计说明书。第三章 系统方案与总体结构 系统采用通用的80C51芯片，显示器为6个共阳极LED数码管，用1个BCD 7段译码器74LS47驱动数码管（74LS47的输入为BCD码，其输出级为集电极开路输出，可直接驱动7段译码管，具有首尾消零等特点），用3-8译码器74LS138的输出作为动态扫描时数码管的选通信号，因为采用了上述两个芯片，所以在对数码管进行扫描显示时，只需要单片机的7条I/O线就能完成显示功能了。 选用P0.0-P0.3作为显示数据值的输出，连接在BCD 7段译码器74LS47的BCD码输入端，P0.4-P0.6作为扫描值的输出连接在3-8译码器74LS138的输入端（74LS138的A、B、C），因此，写程序时应以P0口高4位为位扫描值，低4位为显示数据值（分离BCD码）。由于LED数据管点亮时耗电量较大，因此使用了排阻作为电源驱动输出，以保证数码管的正常亮度。单片机的P1.0-P1.5口分别接在S1-S6 6个按键上，以控制“时”，“分”，“秒”的调整。时间以24小时为一个周期，数字时钟钟的格式为：XX XX XX，由左向右分别为：时、分、秒。完成显示由秒加1，一直加1至59，再恢复为00；分加1，一直加1至59，再恢复00；时加1，一直加1至23，再恢复00。* 按键功能* 1.启动时，数字时钟从23：59：00 开始自动计时； 2.按键S1控制对“时”的调整，每按一次时计数值加1； 3.按键S2控制对“分”的调整，每按一次分计数值加1； 4.按键S3控制对“秒”的调整，每按一次秒计数值加1； 5.按键S4控制对“时”的调整，每按一次时计数值减1； 6.按键S5控制对“分”的调整，每按一次分计数值减1； 7.按键S6控制对“秒”的调整，每按一次秒计数值减1。第四章 数字时钟硬件构成 4.1 数字时钟框图设计图1 数字时钟框图4.2 选用芯片简介 4.2.1 80C51简介虽然目前单片机的品种很多，但其中最具代表性的当属Intel公司的MCS-51单片机系列。MCS-51以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。MCS-51系列的典型芯片是80C51（CHMOS型的8051）。为此，众多的厂商都介入了以80C51为代表的8位单片机的发展，如Philips、Siemens（Infineon）、Dallas、ATMEL等公司，我们把这些公司生产的与80C51兼容的单片机统称为80C51系列。特别是在近年来，80C51系列又有了许多发展，推出了一些新产品，主要是改善单片机的控制功能，如内部集成了高速I/O口、ADC、PWM、WDT等，以及低电压、微功耗、电磁兼容、串行扩展总线和控制网络总线性能等。 鉴于80C51系列在硬件方面的的广泛性、代表性和先进性以及指令系统的兼容性，可用其作为本教材的介绍对象；至于其他类型的单片机，在深入学习和掌握了80C51单片机之后再去学习已不是什么难事。图2 80C51单片机管脚图 单片机内部结构图为如图3所示： 图3单片机内部结构图 80C51单片机管脚说明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P1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80C51的一些特殊功能口，如下所示：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0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 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表1 管脚P3口表P0，P1，P2，P3口引脚图为如图4： 图4 P0，P1，P2，P3口银角图 其中我们用了P0口和P1口。 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。 4.2.2 BCD 7段译码74LS47简介 该电路是由与非门、输入缓冲器和7 个与或非门组成的BCD-7 段译码器/驱动器。通常是低电平有效，高的灌入电流的输出可直接驱动显示器。7 个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的BCD 数据及其补码至7 个与或非译码门。剩下的与非门和3 个输入缓冲器作为试灯输入（LT）端、灭灯输入/动态灭灯输出(BI/RBO)端及动态灭灯输入(RBI )端。 该电路接受4 位二进制编码十进制数（BCD）输入并借助于辅助输入端状态将输入数据译码后去驱动一个七段显示器。输出结构设计成能承受7 段显示所需要的相当高的电压。驱动显示器各段所需的高达24mA 的电流可以由其高性能的输出晶体管来直接提供。BCD 输入计数9 以上的显示图案是鉴定输入条件的唯一信号。 该电路有自动前、后沿灭零控制（RBI和RBO）。试灯（LT）可在端处在高电平的任何时刻去进行，该电路还含有一个灭灯输入（BI），它用来控制灯的亮度或禁止输出。 该电路在应用中可以驱动共阳极的发光二极管或直接驱动白炽灯指示器。图5 74LS47管脚图4.2.3 3-8线译码器74LS138简介 当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（/E2)和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。图6 74LS138管脚图 4.2.4 LED数码显示器简介 LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。 LED数码显示器有两种连接方法（1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。（2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。在本设计中所采用的是共阴极LED数码显示器，其引脚排列如图7所示：图7 LED数码显示器两种连接方法图4.3 数字时钟工作原理图4.3.1 数字时钟电路总图图8数字时钟电路总图4.3.2 复位电路原理图 图9复位电路原理图当RST引脚高电平到时，单片机复位。RST/VPD端的高电平，若直接由启动瞬间产生，则为启动复位，若通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。图中，上电时，接通电源，电容器C相当于瞬间短路，+5V加到了RST/VPD端，该高电平使8051全机复位。若运行过程中，需要程序从头执行，只需按动按钮S，则直接把+5V加到了RST/VPD端，从而复位。显然，该电路即可以上电复位，也可以手动复位，是常用复位电路之一。4.3.3 按键电路原理图图10 电路原理图4.3.4 时钟电路原理图 晶体振荡器电路给数字时钟提供一个频率稳定准确的12MHz的方波信号，不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。图11 时钟电路原理图4.3.5 LED数码管硬件电路原理图 图12 LED数码管硬件电路原理图第五章数字时钟软件设计由于电路设计得极其巧妙，许多功能都可以由硬件完成，因此软件设计就比较简单了。下面介绍软件设计的要点：主程序：首先进行初始化，设置数字时钟的计时初值为23：59：00，启动T0进行50ms定时，且允许T0中断。然后检测S1-S6是否按下，当按键S1-S6按下时，转入时、分、秒计数值的调整程序，系统主程序流程图如图13所示。图13 系统主程序流程图定时器T0中断子程序：中断服务子程序的作用是进行时、分、秒的计时与显示。定时器T0用于定时，定时周期设为50ms，中断累计20次（即1s）。定时器T0中断服务程序流程图如图14所示。图14定时器T0中断服务程序流程图时、分、秒计数值调整子程序TIME：时间计数单元分别在40H(s),41H(min),42H(h)内存单元中，在计数单元中采用组合BCD码计数。TIME子程序的作用是当满1秒时，对秒计数单元进行加1操作，满60向分进位；对分计数单元进行加1操作，满60向时进位；对时计数单元进行加1操作，满24清零。显示子程序VIEW：VIEW子程序的作用是分别将时间计数单元40H(s),41H(min),42H(h)中的十进制时间值（组合BCD码）转化为个位和十位（分离BCD码）存放在显示缓冲区中，显示缓冲区地址为30H-35H。其中30H-31H存放秒数据，32H-33H存放分数据，34H-35H存放时数据。由于每一个地址单元内均为分离BCD码，用BCD一个7段译码器74LS47直接进行译码，因此不需要软件方式对BCD码数据进行译码。扫描子程序SCAN：SCAN子程序的作用是把显示缓冲区中的数据依次送往显示器显示。把扫描值作为高4位，显示数据值作为低4 位，输出P0口，以完成显示，因为采用了3-8译码器74LS47作为扫描输出，所以用36H单元存放扫描指针，即36H中存放的是数码管的序号，显示时，只需取出30H-35H某一地址中的数据，并从P0口的低4位输出，同时P0口的高4位作为扫描值输出，就能保证数码管的正常工作。 第六章 数字时钟汇编程序*主程序* ORG 0000H LJMP START ORG 000BH LJMP TT0 ORG 0050H START: MOV SP,#70H MOV 36H,#00H ;（36H）为扫描指针 MOV 40H,#00H ;秒控制 MOV 41H,#59H ;分控制 MOV 42H,#23H ;时控制 MOV 30H,#00H MOV 31H,#00H ;显示秒 MOV 32H,#09H MOV 33H,#05H ;显示分 MOV 34H,#03H MOV 35H,#02H ;显示时 MOV TMOD,#01H ;定时器T0工作方式设定 MOV TL0,#0B0H ;设置定时器T0低4位初值 MOV TH0,#3CH ;设置定时器T0高4位初值 MOV IE,#82H ;闭合EA,ET0 MOV 50H,#20 ;定时1秒循环次数 SETB TR0 LOOP: JB P1.0,N2 ;S1按下时加1 CALL DE ;消除抖动 MOV A,42H ADD A,#01H DA A MOV 42H,A CJNE A,#24H,N1 MOV 42H,#00HN1: JNB P1.0,$ CALL DEN2: JB P1.1,N4 ;S2按下分加1 CALL DE MOV A,41H ADD A,#01H DA A MOV 41H,A CJNE A,#60H,N3 MOV 41H,#00HN3: JNB P1.1,$ CALL DEN4: JB P1.2,N6 ;S3按下秒加1 CALL DE MOV A,40H ADD A,#01H DA A MOV 40H,A CJNE A,#60H,N5 MOV 40H,#00HN5: JNB P1.2,$ CALL DEN6: JB P1.3,N8 ;S4按下时减1 CALL DE MOV R7,34H CJNE R7,#00H,N60 MOV R6,35H CJNE R6,#00H,N61 MOV 42H,#23H JMP N7N60: MOV A,34H DEC A MOV 34H,A MOV A,35H SWAP A ADD A,34H MOV 42H,A JMP N7N61: MOV 34H,#09H MOV A,35H DEC A SWAP A ADD A,34H MOV 42H,AN7: JNB P1.3,$ CALL DEN8: JB P1.4,N10 ;S5按下分减1 CALL DE MOV R7,32H CJNE R7,#00H,N80 MOV R6,33H CJNE R6,#00H,N81 MOV 41H,#59H JMP N9N80: MOV A,32H DEC A MOV 32H,A MOV A,33H SWAP A ADD A,32H MOV 41H,A JMP N9N81: MOV 32H,#09H MOV A,33H DEC A SWAP A ADD A,32H MOV 41H,AN9: JNB P1.4,$ CALL DEN10: JB P1.5,N11 ; S6按下秒减1 CALL DE MOV R7,30H CJNE R7,#00H,N100 MOV R6,31H CJNE R6,#00H,N101 MOV 40H,#59H JMP N11N100: MOV A,30H DEC A MOV 30H,A MOV A,31H SWAP A ADD A,30H MOV 40H,A JMP N11N101: MOV 30H,#09H MOV A,31H DEC A MOV 31H,A SWAP A ADD A,30H MOV 40H,AN11: JNB P1.5,$ CALL DE *T0中断服务子程序*TT0: MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H PUSH ACC PUSH PSW DJNZ 50H,TINT0 CALL TIME CALL VIEWTINT0: CALL SCAN POP ACC POP PSW LJMP LOOP*显示扫描子程序*SCAN: MOV R0,#36HSCAN0: MOV A,R0 ADD A,#30H ;A加30H即为显示缓冲区地址 MOV R1,A MOV A,R0 SWAP A ORL A,R1 MOV P0,A ;P0高4位为扫描值,低4位为显示数据值 CALL DELAY INC R0 CJNE R0,#06H,SCAN0 MOV R0,#00H RET*时、分、秒计数值调整子程序*TIME: MOV A,40H ADD A,#01H DA A MOV 40H,A CJNE A,#60H,TTI MOV 40H,#00H MOV A,41H ADD A,#01H DA A MOV 41H,A MOV A,41H CJNE A,#60H,TTI MOV 41H,#00H MOV A,42H ADD A,#01H DA A MOV 42H,A CJNE A,#24H,TTI MOV 42H,#00HTTI: RET*向显示缓冲区写数据*VIEW: MOV A,40H ;30H为显示缓冲区首地址 ANL A,#0FH MOV 30H,A MOV A,40H SWAP A ANL A,#0FH MOV 31H,A MOV A,41H ANL A,#0FH MOV 32H,A MOV A,41H SWAP A ANL A,#0FH MOV 33H,A MOV A,42H ANL A,#0FH MOV 34H,A MOV A,42H SWAP A ANL A,#0FH MOV 35H,A RET*延时子程序*DELAY: MOV R7,#65 DJNZ R7,$ RETDE: MOV R4,#10 ;延时5msDE1: MOV R5,#249 DJNZ R5,$ DJNZ R4,DE1 RET END第七章 心得