基于MCS51的电子时钟设计

1、Abstract镇江高专ZHENJIANG COLLEGE课 程 设 计（论文 ）基于MCS51的电子时钟设计Electronic clock design based on MCS51院 名：装备制造学院专业班级：机电 D142学生姓名：王伟学 号：指导教师姓名：冷承业指导教师职称：副教授2015 年 12 月II摘要本设计是一个以单片机AT89C52为核心部件，以LM016L为液晶屏的电子钟，本时钟可以在液晶屏上显示时间和字符，并可任意调整时间、日期、星期、闹钟，而且可以直观的显示所处环境的温度，系统具有简单清晰的操作界面，能在 4V-7V直流电源下正常工作。与传统机械表相比，它具有走时精

2、确, 显示直观等特点。它的计时周期为24 小时，另外具有校时功能。关键词 ：单片机AT89C52，电子时钟，液晶显示，温度传感器DS18B20摘要AbstractThis design is a microcontroller AT89C52 as the core component to LM016L as the LCD screen of the electronic clock this clock can be displayed on the LCD screen time and character and can adjust the time, date, week, al

3、arm clock, and can be intuitive display of the environment temperature, the system has a simple and clear interface, can work under 4V-7V DC power.Compared with the traditional mechanical watch, it has the time to go, the display is intuitive and so on. Its time period is 24 hours, and has the funct

4、ion of the school.Keywords： Single chip microcomputer AT89C51, electronic clock, liquidcrystal display, temperature sensor DS18B20I目录摘要 IAbstract I第一章 绪论 31.1 课题概述 31.1.1 设计背景 31.1.2 课程研究的目的及意义 31.2 国内研究现状 31.3 课题主要研究内容 4第二章 方案设计 52.1 电子时钟 52.2 常见设计方法 52.3 对比选择 6第三章系统的硬件电路设计 73.1 产品介绍 73.2 主控制模块 73.

5、3 显示模块 83.3.1 显示模块的数据连接 83.4 时钟模块 83.5 温度模块 93.6 电源转换模块 10第四章系统分析 114.1 时钟程序的设计 114.2 DS18B20 芯片程序设计 114.3 液晶程序的设计 12第五章测试与结果分析 145.1 硬件测试 145.2 软件测试 15结论 16参考文献 17致 谢 19III结论第一章 绪论1.1 课题概述1.1.1 设计背景由于单片机技术的不断发展，其控制系统已能够取代复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，单片机主要以软件编程来实现电子线路的外围控制，并能够实现智能化。单片机具有集成度高、处理功能强、可靠性高、性能稳定等优

6、点，在工业控制、智能仪器仪表、办公自动化、家用电器等诸多领域得到广泛的普及和应用。电子钟是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比， 它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到广泛应用。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到数字电子钟。在城市的主要营业场所、车站、 码头等公共场所使用LCD数字电子钟已经成为一种时尚。1.1.2 课程研究的目的及意义电子时钟的用途十分广泛，只要有计时的存在，便要用到数字时钟的原理及结构；同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费者的喜爱。随着人类科技文明的发展，人们对

7、于时钟的要求在不断提高。时钟已不仅仅被看出一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。在这种趋势下，时钟的数字化、多功能化已经成为现在时钟生产研究的主导设计方向。但目前市场上各式各样的LCD 数字电子钟大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂，功率损耗大等缺点，因此有必要对数字电子钟进行改进1.2 国内研究现状目前我国市场上有多种单片机数字时钟产品，各具特点，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几类情况：基于 8031 单片机控制的数字时钟。它是INTER 公司的早期产品， 其不足在于片内不带程序存储器ROM

8、， 使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM 的 2764 系列。用户若想对写入到EPROM 的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。基于8051 单片机的中断服务来实现控制的数字时钟。这种方式一方面需要采用计数器，其不足在于占用大量硬件资源，另一方面需要设计中断、查询等，同样耗费单片机的资源。而且某些测控系统可能不允许；有的则使用并行接口的时钟芯片，如 MC146818、 DS1287 等，他们虽然能满足单片机系统对实时时钟的要求，但是这些芯片与单片机接口复杂，占用地址、数据总线

9、多，芯片体积大，占用空间多，给其设计带来诸多不便。1.3 课题主要研究内容设计完成多功能数字时钟的设计。基本功能是时钟显示，能准确显示 “时”、 “分”、 “秒”，并具有快速校准时、分、秒的功能。时钟显示同时具有闹钟功能。扩展功能具有实时温度显示，星期调整，年、月、日校准。21第二章 方案设计2.1 电子时钟电子时钟是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置，只要有计时的存在，便要用到数字时钟的原理及结构。另外电子时钟也可以做到显示年份、日期、闹钟等功能。电子时钟的主要部件有：单片机AT89C52， 液晶显示LM016L， 温度传感器DS18B20调整时钟时间是利用了单片机的输入功能，把按键

10、开关作为单片机的输入信号，通过检测被按下的按键，从而执行赋予该开关调整时间功能，最终在液晶显示器上显示出来。2.2 常见设计方法基于微机系统的数字时钟设计：计时单元由定时/ 计数器 8253 的通道 0 来实现。定时釆用硬件计数和软件技术 2-4 式，即通过8253 产生一定的定时时间，然后再利用软件进行计数，从而实现 24 小时制定时。8253定时时间到了之后产生中断信号，8253在中断服务程序中实现时、分、秒的累加。时间显示采用实验平台上的6 个 LED数码管分别显示时、分、秒，采用动态扫描方式实现。校时和闹铃定时通过键盘电路和单脉冲产生单元来输入。按键包括校时键、闹钟定时键、加1 键和减

11、 1 键等。报警声响用蜂鸣器产生，将蜂鸣器接到8255 的一个端口，通过输出电平的高低来控制蜂鸣器的发声。系统硬件设计主要利用微机实验平台上的电路模块。硬件电路主要由键盘电路、 单脉冲产生单元、8253 定时计数器、8255 并行接口单元、8259中断控制器、LED显示电路和蜂鸣器电路等等。基于VHDL语言的数字时钟设计：基于VHDL语言，用Top Down的思想进行设计。用 CN6无进位六进制计数器选择数码管的亮、灭以及对应的数，循环扫描显示， 用 SEL61六选一选择器选择给定的信号输出对应的数送到七段码译码器。K4模块进行复位，设置小时和分，输出整点报时信号和时，分，秒信号。单元模块设计

12、部分共分三个部分，介绍数字钟选择显示数码管和对应的数模块 CN6， 信号选择模块SEL61， 七段码译码器模块DISP和复位，秒， 分， 时显示，设置模块。基于单片机的数字时钟设计：基于单片机的数字时钟设计是模块化设计，以单片机做主控制模块，控制时钟芯片、温度传感器芯片等，又将数据控制输出到显示模块。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IC 卡， 录像机、摄像机，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

13、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。单片机在多功能数字钟中的应用己是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘可以进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。2.3 对比选择本文选择的是基于89 系列的单片机先进的数字时钟设计，能够准确显示时间（显示格式为时时：分分：秒秒，24 小时制） ，可随时进行时间调整，具有闹铃时间设置

14、、闹钟开/关、止铃功能，能够对时钟所在的环境进行测量并显示。具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景。第三章系统的硬件电路设计3.1 产品介绍该时钟系统主要由主控制模块、时钟模块、环境温度检测模块、液晶显示模块以及键盘控制模块组成。系统的硬件电路设计框图如图1-1 所示。1-1 多功能数字时钟框图3.2 主控制模块在本次设计中釆用单片机技术来实现数字钟的功能。微处理器的选择：AT89C52。89C52 是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM Flash Programmableand Erasable R

15、ead Only Memory ) 的低电压，髙性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。89C2052是一种带2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100次。 该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的 89C52 是一种高效微控制器。89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.3 显示模块随着科技的发展，液晶显示的使用越来越方便，已被普遍的使用，所以本次设计采用液晶显示。液晶显示的原理是利用

16、液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示， 这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA 移动通信工具等众多领域。由于液晶显示与驱动都集成在一个芯片上，因此使用起来很方便。数字钟要显示现在的日历时间包括年、月、日、星期、时、分、秒，在这里采用LM016L液晶显示。3.3.1 显示模块的数据连接3-3 显示模块的数据连接LM016L的 D0 D7 的八位数据线分别接单片机AT89C52 的 P2.0 P2.7， RS复位键端接P1.0，EN 使能端接P1.2， R/W 读写

17、信号端接P1.1。数据连接如图3-3 所示。3.4 时钟模块单片机控制时钟模块，定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有：DS1302， DS12887， X1203 等都可以满足高精度的要求。本次设计采用DS1302 芯片。3-4 所示3-4 时钟模块3.5 温度模块多功能数字时钟拥有实时温度显示功能，由单片机将温度传感器数据控制输出由液晶显DS18B20。独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分

18、布式温度传感应用，无需外3.0 V 至 5.5 V，无需备用电源。测量温度范围为-55+125 。图如 3-5 所示3-5 温度模块3.6 电源转换模块日常用到的都是220V 的交流电源，所以需要用变压器将其转换为线路设计中所用到的直流电源。此转换后的直流电源为+12V 而线路设计中许多芯片所用到的电压为+5V 因此， 还需有 12V 到 5V 的转换电路。转换图如图3-6 所示。3-6 电源转换模块第四章系统分析4.1 时钟程序的设计因为使用了时钟芯片DS1302，阳历程序只需要从DS1302 各寄存器中读出年、周、月、日、小时、分、秒等数据，再处理既可。对其进行初始化，然后从DS1302

19、中读出数据，再经过处理后，送给显示缓存单元。时钟程序流程图如图4-1 所示。4-1 时钟程序流程图4.2 DS18B20 芯片程序设计系统程序的设计主要包括C 程序主函数、DS18B20 复位函数、DS18B20 写字节函数、DS18B20读字节函数、温度计算转换函数和显示函数等，系统主程序设计流程图如图4-2 所示。4-2 DS18B20 芯片程序流程图4.3 液晶程序的设计时钟需显示时间、温度。以上两个模块都需将数值送显示模块。液晶的一般初始化过程：延时15ms写指令38H （不检测忙信号）延时5ms写指令38H （不检测忙信号）延时5ms写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写

20、数据操作均需要检测忙信号写指令38H ：显示模式设置写指令08H ：显示关闭写指令01H ：显示清屏写指令06H ：显示光标移动设置写指令0CH ：显示开及光标设置START:MOV SP,#70HMOV R2,#20ACALL INIT_LCD 初始化液晶MOV R5,#00HMOV IN_0,#84H 写入显示起始地址（第一行第五个位置ACALL ENABLEMOV TH0,#3fH 50MSMOV TL0,#0b0HMOV TMOD,#01HACALL SJCZSTART1:SETB EASETB ET0SETB TR0LCALL WDATAAJMP START1时间初值*显示初值是08

21、:08:08SJCZ: MOV 40H,#8MOV 41H,#0MOV 42H,#10MOV 43H,#8MOV 44H,#0MOV 45H,#10MOV 46H,#8MOV 47H,#0RET第五章测试与结果分析5.1 硬件测试该数字钟的电路系统较大，庞大的电路系统中只要出于一处的错误，则会对检测造成很大的不便，而且电路的交线较多，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺破带有封皮的导线，使电路造成短路现象，另外，买来的元器件要先进行检测，如果有坏的器件要进行更换，还有就是要注意元器件的正确放置与安装以及布线的合理，便于成品电路的检测。刚开始最面包板的测试如图5-1 所示5-1 面包板测试在本

22、数字钟的设计调试中遇到了很多的问题。回想这些问题只要认真思考很多都是可以 避免的，以下为主要的问题：LCD 液晶显示屏显示部分，显示不亮。最终接好也就亮了。如图 5-1-2解决： 主要问题为接线时没有将液晶显示器的接地线接好， 所示5-1-2 液晶屏显示5.2 软件测试数字钟的功能虽然比较少，但是程序也较为复杂，特别对于初学者的我来说更是如此，所以在编写程序和调试时出现了相对较多的问题。最后经过多次的模块子程序的修改，一步一步的完成，最终解决了软件。在软件的调试过程中主要遇到的问题如下：（ 1 ）烧入程序后，LCD 液晶显示屏显示亮度不好解决：一边旋转10K 的滑动变阻器，一边观看LCD 显示

23、屏，知道看到合适的亮度为止。按键功能：按 S1 调节时间再按一次调节分钟再按一次调节时依次再按下去分别是星期 日 月 年。 S2 键为加 S3 为减 最后再按一次S1 时间重新开始走动，S4 为闹钟按键，按下 S4 再按 S3 为闹钟开启和关闭，闹钟响起时间为一分钟。如图5-2 所示5-2 按键功能结论本设计能够准确显示时间(显示格式为时时：分分：秒秒，24 小时制) ，可随时进行时间调整，具有闹钟时间设置、闹钟开/关、止闹功能，能够对时钟所在的环境温度进行测量并显示。 设计以硬件软件化为指导思想，充分发挥单片机功能，大部分功能通过软件编程来实现，电路简单明了，系统稳定性高。基于单片机的数字时

24、钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点，单片机所被占用的I/O 口不多，因此系统具有一定的可扩展性。电子时代已经到来。新时代的我们，更应该提高自身能力，适应新时代的发展。知识来自实践，多去生活中探询所需要的。对于上述所提到的研究课题，我们应尽量考虑到人的因素，增强时钟的实用性和操作性，为使用者提供切实的方便，营造一种舒适的生活氛围。所以，在设计的时候，应该从多方面、多角度去考虑问题，而且应该进一步提高时钟的质量。心得体会：整个系统研制与优化设计是个工作量很大的过程，从中我学习到了很多理论知识，得到了很多珍贵的实践经验。有很多收获，也经历了不少困难，写一些心得和体会，希望与大家分享：(1)由于

25、整个系统涉及到强电、模拟电路、数字电路、硬件设计及软件编程等方面的知识，是一个自动化知识综合应用的系统，需要大量的理论知识，所以，在理论学习阶段，要打下坚实的基础，这样就可以少走弯路；(2)在硬件设计和制作的过程中，要细心认真，态度端正，尽量减小硬件电路中的干扰和误差；(3)在软件编程过程中，要多思考一下程序设计的方法，发现问题要深入分析问题，不要急躁，要冷静思考;养成注释程序语句的习惯，对长而复杂的程序设计很有必要；(4)调试的结果也许不如想象中那么完美，因为理论和实践会有这样或那样的差别。这就需要进一步完善，不能一蹴而就，面对出现的问题要再接再厉，努力做到更好，培养钻研科学技术的热忱。展望

26、：数字钟控制系统取得了阶段性的成功，但仍有待进一步去完善与改进。由于我水平有限及时间仓促，还有许多工作没有完成，我认为，今后可从以下几方面对系统进行改进：(1) 基于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，单片机所被占用的 I/O 口不多，因此系统具有一定的可扩展性；(2) 应尽量考虑到人的因素，增强时钟的实用性和操作性，为使用者提供切实的方便，营造一种舒适的生活氛围；(3) 应从多方面、多角度去考虑问题，而且应该进一步提高时钟的质量；(4) 此次设计完成后的实验工作因为条件有限，不能做出实物，后续工作条件成熟后可以考虑实地实验；参考文献参考文献1 赵卫东 , 柳先辉 , 卫刚

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