简易时钟设计

1、目录毕业设计 3 设计任务书 4 1 单片机51.1 单片机简介 51.2 8051 简介51.3 课题的意义 8 2 总体方案82.1 电子钟设计的基本方法82.1.1 电子钟实现计时的方法82.1.2 电子中的时间显示92.1.3 电子中的时间调整92.2 数码管的动态显示103 硬件设计123.1 电子钟的硬件设计模块123.2 时钟电路模块123.3 复位电路模块143.4 数码管显示电路模块143.5 按键电路模块163.6 电子时钟系统的设计原理图163.7 相关引脚和元件184 软件设计18184.1 程序流程图4.2 程序清单205 调试275.1 硬件调试275.2 软件调试

2、276 总结29参考文献 30毕业设计题目：简易时钟系部:机电工程系班级：08 级矿山机电一班设计人： 武李伟 指导老师：张海杰完成时期： 2011 年 5 月 20 日设计任务书设计题目简易时钟设计任务1）可准确的显示北京时间2）时间显示选择 24 小时模式3）选用 8051 单片机将编写的程序下载 到单片机中4）采用伟福进行仿真设计方案利用单片机的定时和中断系统实现电 子钟的计数和调时， 采用 8051 定时中断 方式实现 24 小时时钟的精确计时， 通过 外部的 12MHZ晶振产生稳定的谐振，在 8051 内部定时器电路实现定时，当定时 器溢出时实现中断，累计定时器的定时 时间达 1 秒

3、时，数码管的秒显示器加 1， 判断数码显示管的秒显示达 60 秒时，秒 显示自动清零，显示加 1 判断分显示达 60 时，分显示自动清零，时显示加 1， 判断时显示达 24 时，是显示自动清零。 从而实现 00：00：00 23：59：59 之 间的任意时刻显示。任务分配硬件部分 软件部分内容摘要一、单片机1.1. 单片机简介单片机即单片微型计算机的简称。由 RAM、ROM、CPU构成，是集 定时/ 计数和多种 I/O 接口于一体的微控制器。它体积小、成本低、 功能强，广泛应用于智能设备和自动化控制系统上。 而 MCS-51系列 单片机是单片机中最为典型和最有代表性的一种。 这次设计通过对它

4、的学习和应用，从而达到学习设计开发软硬件的能力。本设计主要设计一个基于 8051 单片机的简易时钟，并在数码管 上显示相应的时间， 通过控制键进行时间的调节。 设计过程中采用伟 福开发平台进行仿真。1.2. 8051 简介8051是 51系列单片机的一个型号，它是 ATMEL公司生产的，是 一个低电压，高性能 CMOS位8 单片机，片内含 8K bytes 的可反复擦 写的 Flash 只读程序存储器和 256bytes 的随机存取数据存储器 （RAM），有 40个引脚， 32个外部双向输入 /输出（ I/0 ）端口，同时 内含 2个外中断口。主要管脚有： XTAL1（19脚）和 XTAL2（

5、18脚）为 振荡器输入输出端口，外接电阻电容组成的复位电路。 VCC（40 脚） 和 VSS(20 脚)为供电端口，分别接 +5V 电源的正负端。 P0P3为可 编程通用 I/0 脚，其功能用途由软件定义。 下面对相关引脚加以介绍： VCC:+5电源VSS:接地P0口：(P0.0P0.7)p0 口是一组 8位漏极开路型双向 I/0, 也即地址 / 数据总线分时复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱 动 8个 TTL逻辑门电路，对口 p0写“1”时，这组口线分时转换地址 (低 8 位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在 Flash 编程时， p0 口接收指令字节，而在程序校

6、验时，输出指令字节，校 验时，要求外接上拉电阻。P1口： (P1.0P1.7) p1 口是一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 口， p1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电源) 4 个 TTL逻辑门电路。对 口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平， 此时可做输入口。 做输入口使用时， 因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低 时会输出一个电流( IIL )。P2口： (P2.0P2.7) P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 口， P2的输出缓冲可驱动 4 个 TTL逻辑门电路。对端口 P2写“1”， 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平， 此时可作输入口， 作输入

7、口 使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出 一个电流 (IIL) 。Flash 编程或校验时， P2 亦接受高位地址和一些控 制信号。P3口： (P3.0P3.7) P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0口。P3口输出缓冲级可驱动 4个 TTL逻辑门电路。对端口 p3写“1”， 时，他们被内部上拉电阻高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3口将用上拉电阻输出电流 （IIL） 。P3口除了作为一般的 I/0 口线外， 更重要的是它的第二功能。 P3 口还能接受一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号I/O 口复用情况P0口低 8 位地址

8、/ 数据总线分时复用P1口只能做一般 I/O 口P2口高 8 位地址总线P3.0RXD （串行输入端）P3.1TXD （ 串行输出端 ）P3.2INT0（外部中断 0 输入）P3.3INT1（外部中断 1 输入）P3.4T0（定时器 0的外部输入 ）P3.5T1（定时器 1的外部输入 ）P3.6WR片（ 外数据存储器写选通控制输出 ）P3.7RD （片外数据存储器读选通控制输出 ）表 1：并行 I/O 口管脚第二功能RST：复位输入。当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期（ 24 个时钟周期）以上高电平将使单片机复位。ALE：为地址锁存允许输出信号。XTAL1: 振荡器反相放大器的内部

9、时钟发生器的输入端，是接地的。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端，是外部时钟信号源。1.3 课题意义 :单片机在硬件结构、 指令系统及 I/O 能力有区别于其它芯片的独 特之处，最主要的就是具有非常有效的控制能力。并且还有体积小、 结构简单、可靠性高、低电压、低耗能等特点。因此基于 MCS51 单 片机的数字时钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点，还具有 时间调整功能，该单片机简易时钟系统在集成化发展趋势的前提下在 模块化的基础上设计。 通过该时钟系统的设计， 对单片机的功能和原 理有了系统和全面的掌握，初步学习到了有关工程设计的方法和思 路。这样就会增加以后的就业面。二、总体方案系统

10、由 8051 单片机、 LED数码管、按键、电容、电阻等部分构 成，能实现时间的调整、输出、调时闪烁等功能。2.1 简易时钟设计的基本方法2.1.1 简易时钟实现计时的方法利用 8051系列单片机的可编程定时 / 计数，中断系统来实现时钟 的计时和调整。1）计数初值计算把定时器 T0设为工作方式 2，产生 0.25ms 定时中断，计数溢出 4000 次即得时钟计时最小单位秒，而 4000 次计数可用软件方法实现。（2）采用中断方法进行溢出次数累计，满 4000 次为秒计时（ 1 秒）（3）从秒到分和从分到时的计时是通过累计和数值比较实现的。2.1.2 简易时钟的时间显示简易时钟的时间在 8 位

11、数码管上进行显示，时、分、秒的显示值 可以在单片机的内部 RAM设置三个缓冲单元， 32H、 31H、30H分别存 储时、分、秒的值。显示如下表：时十位时个位分十位分个位秒十位秒个位LED8LED7LED6LED5LED4LED3LED2LED132H31H30H2.1.3 简易时钟的时间调整简易时钟设置 3 个按键通过程序控制来完成简易时钟的时间调 整A 键复位：按下 A键时钟显示初始值 12： 00：00B键调整分：快速按下 B键，分显示加 1，当分显示为 59，加 1 变成 00C键调整时：快速按下 C键，时显示加 1，当时显示为 23，加 1 变成002.2 数码管的动态显示驱动1、数

12、码管的动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示 方法之一，动态显示是将所有数码管的 8 个显示比划“ a、b、 c、d、 e、f 、g、dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路， 位选通由各自独立的 I/0 线控制， 当单片机输 出字形码时， 所有数码管都接受到相同的字形， 没有选通数码管就不 会亮。通过分时轮回控制各个数码管的 COM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 12ms，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 的效果和

13、静态显示是一样的， 能够节省大量的 I/0 端口，而且功耗更 低。2、显示输出显示器即 LED显示的是十进制的数，故需要数据进 制转换功能 DA。本设计选用的是共阳极八段八管 LED。用单片机芯片 8051的 P0口输出控制共阳极八段八管 LED的段选信号，用 P2口输 出共阳极八段八管 LED的位选信号。图 1： 八段八管共阴极数码管 LED八段 LED显示器（数码管）是发光器件的一种。数码管内部由七 个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成， 根据各管的亮暗组 成字符，常见的数码管有 10 根管脚。管脚排列如上图所示， 其中 COM 为公共端， 此数码管的内部接线形式为共阳极。 使用时共

14、阴极数码管 公共端接地，共阳极数码管公共端接电源。三、硬件设计3.1 简易时钟的硬件设备模块图时钟的总体硬件模块电路有：晶振、手动复位、数码管显示、时 间调整按键和单片机接口电路如下图。数码 显示时间调整 按键图 2：硬件模块图下面分别介绍各模块的设计：3.2 时钟电路模块如图为时钟电路原理图，在 8051 芯片内部有一个高增益反相放 大器，其输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。而在芯片 内部， XTAL1和 XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一 个稳定的时钟脉冲信号。图 3 ：时钟电路原理图3.3 复位电路模块在单片机的实际应用系统中， 除单片机本身需复位以

15、外， 外部扩 展的 I/0 接口电路等也需要一个复位， 因此需要一个系统的同步复位 信号，即单片机复位后， CPU开始工作，外部的电路一定要复位好。 以保证 CPU有效地对外部电路进行初始化编程。单片机复位的条件 是：必须使用 RST/VPD或 RST引脚加上持续两个机器周期的高电平。电路为上电按键复位电路， 它是利用电容充电来实现的。 在接电瞬间，RST端的电位与 VCC相同，随着充电电流的减少， RST的电位逐渐下降。只要保证 RST为高电平的时间大于两个机器周期， 便能正常复位。 该电路具有上电复位功能外，若要复位，只需按图中的 RST键，此时 电源 VCC经电阻 R1、R2分压，在 R

16、ST端产生一个复位高电平。图 4：复位电路3.4 数码管显示电路模块系统采用动态显示方法， 单片机 8051的 p0口控制 LED数码管的 段选线， p2 口控制数码管的位选线。动态显示通常都采用动态扫描 的方法进展显示， 即循环点亮每一个数码管， 这样虽然在任何时刻都 只有一位数码管被点亮， 但是由于人眼在视觉残留效应， 只要每位数 码管间隔足够短，就可以给人以同时显示的感觉。下图为共阳极 8 位数码管动态显示3.5 按键电路模块按键模块原理图： A 复位，B 分钟调控键， C时钟调控键， A、B 和 C 三个按键一路有上拉电阻连接高电平； 另一路接入单片机的控制 引脚 p1.0 、p1.1

17、 、p1.2。按钮断开时，控制引脚 p1.0 、 p1.1 、p1.2 均为高电平，按下某一个按键时，控制引脚变为低电平，由程序控制 其相应的作用。图 6：按键电路图3.6 简易时时钟系统的设计原理图结合所有的模块设计，综合得出时钟系统的总体设计原理图如下图 7: 设计原理图3.7 相关引脚和元件a) 8051单片机用到的引脚p0 口：用于控制数码管的段选p2 口：用于控制数码管的位选p1 口：p1 口的 p1.0 、p1.1 、p1.2 脚分别控制时钟的复位、分调整、 时调整XTAL1/XTAL2:接晶振的脉冲输入输出RST:复位电路 b)其他的元件和相关作用 电阻 R1、 R2：复位电阻的

18、充电电阻 其他电阻：上拉电阻；保护电路、起限电流的作用 电容 c1、c2：晶振的微电容。 单片机的脉冲周期产生的晶振为 12MHZ， 与电容构成晶振电路。四、软件设计4.1 程序流程图开始（初始化）显示初始值计数时加 1 复位 分加 1结束图 8：程序流程图4.2程序清单ORG0000HAJMPMAIN ;跳转到主程序ORG000BH ;T0中断入口AJMPPTF0ORG0013HAJMPPTF2ORG0100HMOV 30H ,#0MOV 31 .#0缓冲单元设置初值 12： 00：00主程序；MOV 32, #0MAIN: MOV S , #0EFHMOV 36H , #0FHMOV 37

19、H, #0A0HMOV TMOD,#2设置 4000 次中断计数定时器启动MOV TL0, #6MOV TH0, #6SETB TR0MOV IE , #86HMOV IP, #6数码管动态显示；LED6: MOV DPTR,#TAB ; 表的首地址给 16 为数据指针寄存 器 DPTRMOV A, 30HSWAP AANL A, #0FHMOVX A,A+DPTRMOV 40H, #80HMOV P2, 40HMOV P0, ALCALL DELAYMOV A,30H ; 时位的个位显示ANL A, #0FHMOVX A,A+DPTRMOV 40H, #0BFHMOV P2, 40HMOV

20、P0, ALCALL DELAYMOV A,31H ; 分位的个位显示SWAP AANL A, #0FHMOVX A,A+DPTRMOV 40H, #10 HMOV P2, 40HMOV P0, ALCALL DELAYMOV A,30H ; 秒位的个位显示ANL A, #0FH ；高四位变 0MOVX A, A+DPTRMOV 40H, #08HMOV P2, 40HMOV P0, ALCALL DELAYMOV A, 32HSWAP AANL A, #0FHMOVX A,A+DPTRMOV 40H, #02HMOV P2, 40HMOV P0, ALCALL DELAYMOV A , 32

21、HANLA , #0FHMOVXA,A+DPTRMOV40H, #01HMOVP2, 40HMOVP0, ALCALLDELAYAJMPLED6PTF0:PUSH PSWPUSH ACC；中断处理MOVPSH, #8DJNZ37H, PTF0RDJNZ36H, PTF0RMOV36H, #0FHMOV37H, #0A0HMOVR0,#32HMOVA,R0ADDA, #1DA AMOV R0, A；定时到一秒；进制转换CJNE A, #60H, PTF0RMOV R0.0DEC R0MOV A,R0ADD A, #1DA AMOV R0, ACJNE A, #60H, PTF0RMOV R0,

22、#0DEC R0MOV A,R0ADD A, #1DA AMOV R0, ACJNE A, #24H, PTF0RMOV R0, #0PTF0R:P0P ACCP0P PSW；恢复程序状态字原有数据即恢复现场RETI；中断返回PTFI: JNB P3.0, CLEARJNB P3.1, SET-MINUTEAJMP SET-HOURRETIDELAY:MOV R6, #8HL0: MOV R7, #16HDJNZ R7, $DJNZ R6, L0RETDELAYI:MOV R5, #1BHL1: MOV R6, #9HL2: MOV R7, 19HDJNZ R7, SDJNZ R6, L2DJ

23、NZ R5, L1RETCLEAR: MOV 30H, #12HMOV 31H, #0MOV 32H, #0RETSET_MINUTE: MOV A, 31HCJNE A, #59H, MIN动态显示延时；子程序返回调整时、分显示延时时钟显示复位 A 键调节分加 1 B 键MOV 31H, #0RETSET_HOUR: MOV R1, #30H ；调节时加 1 C 键MOV A,R1CJNE A, #23H, HOURMOV 30H, #0MIN; ADD A , #1DA AMOV 31H, ALCALL DELAY1AJMP LED6HOUR: ADD A, #1DA AMOV 30H,

24、ALCALL DELAY1AJLMP LED6TAB: DB COH, F9H, A4H, BOH, 99H ; 0, 1, 2, 3, 4DB 92H, 82H, F8H, 80H, 90H;5, 6, 7, 8, 9END五、调试5.1 硬件调试(a) 拿到电路板后，首先要检查加工质量，并确保没有任何方面 的错误，如短路和断路，尤其要避免电源短路；元器件在安装前要逐 一检查，用万用表测其数值，看是否与所用相同；完成焊接后，应先 控制上电，并检查各引脚的电位是否正确。若一切正常，方可在断电 的情况下将芯片插入， 再次检查各引脚的电位及其逻辑关系。 将万用 表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下，看是否符合要求。(b) 性能测试 先看走时；走时为默认状态， 按 24 小时制分别显 示“时时-分分-秒秒”，有 2个“- ”动态显示，时间会按实际时间以 秒为最小单位变化。(c) 走时调整：按 A 显示复位，按 B下加一分；按 C对时进行调 整，按一下加一小时，从而达到快速设定时间的目的。5.2 软件调试软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上， 统调是最后 一环。软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式。 前者不需要 硬件仿真器， 可借助于软件仿真器即可； 后者一般需要仿真系统的支 持。本次课题