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1、自学考试毕业论文电气工程与自动化专业 论文题目： 基于AT89C51单片机的数字钟设计作 者： 准考证号： 014208410161 指导教师： 2012年 5 月 22 日 目录目录1摘要2Abstract31.1引言41.2 本课题研究的目的和意义41.3 本课题的国内外的研究现状51.4 本课题的主要的研究内容5第2章 数字钟的硬件设计62.1 数字钟的功能和设计方案的选择62.2 AT89C51单片机简介62.2.1 AT89C51单片机主要特性72.2.2 AT89C51单片机管脚说明72.2.3 晶振电路的设计92.2.4 复位电路的设计102.3 显示电路的设计112.4 数字钟
2、总体电路图15第三章 数字钟的软件设计163.1 主程序流程图163.2 LED显示子程序设计163.3 定时器中断子程序17第4章 总结19致谢20参考文献21附录一 源程序22摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 本次做的数字钟是以单片机（AT89
3、C51）为核心，结合相关的元器件（共阴极LED数码显示器、三态输出的八组总线收发器74LS245等），再配以相应的软件，达到制作简易数字钟的目的，其硬件部分难点在于元器件的选择、布局及焊接。关键词：单片机 数字钟 共阴极LED数码显示器AbstractIn recent years, with computers in the infiltration and the development of large-scale integrated circuits. SCM application is steadily deepening, as it has strong function,
4、small size, low power dissipation, low prices, reliable, easy to use features, it is particularly suited to and control of the system, increasingly widely used in automatic control, intelligent instruments, gauges, data acquisition, military products and household appliances, and other areas, is oft
5、en microcontroller as a core component to use, In light of specific hardware architecture, and application-specific software features object combine to make perfect.The figures do bell on SCM (AT89C51) at the core, Combined with the components (a total of cathode LED digital display, eight sets ofth
6、ree-stateoutputbus transceiver), and factoring in the corresponding software, Easy to produce digital clock purposes, as part of the hardware components is a difficult choice, layout and welding.Keywords: Single Chip Microcomputer Digital Clock Total cathode LED figures display.第一章 绪论1.1引言20世纪末，电子技术
7、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。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、
8、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钟，数字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
9、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，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.2 本课题研究的目的和意义本课题是基于单片机系统，通过对数字钟的研究，熟悉掌握单片机系统程序设计，实现数字钟的走时。时间的概念自古到今都为人们所重视，能够准确
10、的知道时间能够提高人们的工作效率学习效率，能更好的去完成规定时间内的工作，所以能随时随地的知道当前时间显得十分重要。随着电子技术的飞速发展，现代电子产品用在每行每业，有力的推动了电子信息技术的发展。随着单片机的出现与技术的不断完善，使得数字钟的设计变的更加的简单 灵活，其功能更加的完善，计时也更加准确。比传统的机械表有更大的优势，而且基于单片机的设计更加简单 方便，能够对年、月、日、时、分、秒准确计时，可以让人们随时知道时间。1.3 本课题的国内外的研究现状 单片机的诞生于上个世纪70年代，经历了SCM MCU SOC三大阶段。从MCS-48问世，它成为单片微型计算机跨时代的里程碑。随着大规模
11、集成技术的发展，单片机的性能也随之发展，高性能的单片机相继问世。比如MCS-51、Z-8、AT89C51、AT89S51等等。到1983年Intel公司推出MCS-96单片机，尽管功能很强，但是由于内部硬件结构不理想，市场需求不大。已经停产。8XC196是继MCS-96之后出现的16位的高性能单片机，具有更加强大的功能.在今后的一段时间，单片机的发展趋势将具有以下特点：（1）不断推出高档、高性能单片机。（2）高技术下移，重点提高8位单片机性能。（3）不断采用新工艺，实现低功耗，宽电压，高速度，高可靠性。（4）日趋单片应用，应用的网络化。（5）进一步发展成COS嵌入式系统。数字钟作为单片机的重要
12、应用，也会随着单片机的发展不断更新换代，向着功能更加齐全，更加智能，可靠性高 ，价格便宜的方向发展。1.4 本课题的主要的研究内容 做一个基于AT89C51的简易的单片机数字钟。该数字钟有8个共阴极七段数码管，分别显示小时分钟和秒。其显示方式为：XX-XX-XX。（1）掌握51单片机的系统的原理及应用，能画出电路的原理图。（2）综合运用实验模块，用51开发设计出具有数字钟功能的单片机控制系统，使用伟福进行软件的设计。第2章 数字钟的硬件设计2.1 数字钟的功能和设计方案的选择这次的数字钟设计中，实现数字钟的走时，给数字钟上电显示00-00-00。方案的选择：方案一：基本门电路搭肩，用基本门电路
13、来实现数字钟，电路结构复杂，不易调试。方案二：单片机编程，用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式，所以电路结构简单。与第一种方案比较优点的是非常明显的。我们选择了第二种方案。通过对8031,8051,8751等多种单片机性能的分析，最终认为89C51是最理想的电子时钟开发芯片。8031片内不带程序存储器ROM，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中的程序进行修改，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。8051片内有4k ROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。但是你编的程序
14、你无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代你烧写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。而AT89C51比它们更加的实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。且可循环擦写1000次。数据保留时间为10年等特点，在学习单片机的过程中，我们重点学习的就是AT89C51系列单片机，所以AT89C51单片机是
15、最好的选择。将在下一节重点介绍AT89C51的主要特性。2.2 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C51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1000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AT89C51是
16、一种高效微控制器。AT89C51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。如图2-1为AT89C51单片机实物图图2-1 AT89C51单片机实物图如图2-2为单片机内部结构图图2-2 单片机内部结构图2.2.1 AT89C51单片机主要特性与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2.2.2 AT89C51单片机管脚说明如图2-3所示为AT89C51
17、芯片引脚图图2-3 AT89C51 芯片引脚图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，
18、P1口作为第八位地址接收。 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AT89C51的一些特殊功能口，如下表2-1所示：口管脚P3.0 RXDP3.1 TXDP3.2 /INT0P3.3 /INT1P3.4 T0P3.5 T1P3.6 /WR备选功能串行输入口串行输出口外部中断0外部中断1计时器0外部输入计时器1外部输入外部数据存储器写选通P3.7 /RD外部数据存储器读选通表2-1 P3口功能表RST：复
19、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
20、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。2.2.3 晶振电路的设计外接晶体引脚如图2-4所示图2-4 外接晶体管引脚Pin19:时钟XTAL1脚， Pin18:时钟XTAL2脚。XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。如图2-5为本设计的晶振电路图电容选取的是22PF，晶振选取的是12MHZ图2
21、-5 晶振电路2.2.4 复位电路的设计在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的0000H处开始运行程序复位操作不会对内部RAM有所影响。当AT89C51通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。什么叫复位？复位是单片机重新执行程序代码的意思。AT89C51的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位。此外，RESET/Vpd还是一
22、复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源， 以保证单片机内部RAM的数据不丢失。如图2-6所示位单片机常用的2种复位电路。图2-6单片机常用复位电路如下图2-7所示数字钟设计中复位电路图2-7 复位电路图2.3 显示电路的设计发光二极管LED 是单片机应用系统中的一宗简单而常用的输出设备，其在系统中的主要作用是显示单片机的输出数据、状态等。因而作为典型的外围器件，LED 显示单元是反映系统输出和操作输入的有效器件。LED 具备数字接口可以方便的和大年纪系统连接；它的优点是价格低，寿命长，对电压电流的要求低及容易实现多路等，因而在单片机应用系统中获得了广泛的应用，所以在此设计中我首先选用了LE
23、D作为显示器件。在实验中AT89C51单片机带负载能力有限，单片机的I/O口不能驱动8位LED数码管正常工作，我们选用了74LS245来驱动显示器。74ls245芯片如图2-8所示:图2-8 74LS245芯片 74ls245是我们常见的芯片，在这里它用来驱动LED，它是8路同相三态双向总线收发器，可以双向传送数据。89c51的带负载能力不强，对于8位LED显示器单用单片机带载，显示器不能正常工作，这里我们选用74LS245来驱动LE显示。74ls245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须介入74L245等 总线驱动
24、器。当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）*DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当/CE为高电平时，A、B均为高阻态。如图2-9所示为8位LED数码管图2-9 8位LED数码管数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管。LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。（1）静态显示：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管
25、的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O口来驱动，故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，如74LS164。增加了硬体电路的复杂性。（2） 动态显示：数码管动态显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划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增加位元选通控制电路，位元选通由自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM
26、端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED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，每位元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体的余辉效应，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，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。在本设计中所采用的是共阴极LED数码显示器，显示方式为动态显示。LED显示器由七段发光二极管组成，排列成8字形状，因此也成为七段LE
27、D显示器器排列形状如下图2-10所示：图2-10 LED段码为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，即字形代码。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供的字形代码的长度正好是一个字节。本次数字钟用到的数字09及分隔符“-”的共阴极字形代码如下表2-2所示：表2-2 09及“-”七段数码管共阴级字形代码显示0123456789- gfedcba段码0111101111101110001110110011000011011001013fh10101111111001106h011101115bh4fh66h6dh7dh1107h117fh110010106fh40h本次设计中的
28、显示电路如下图2-11所示。选用P0口通过驱动器74LS245来接显示器段码，P3口接LED显示器的位码控制。图2-11 数字钟显示电路2.4 数字钟总体电路图如下图2-13所示：数字钟总体电路图第三章 数字钟的软件设计3.1 主程序流程图如下图3-1所示位主程序流程图3.2 LED显示子程序设计如下图3-2为显示子程序流程图显示子程序是数字钟软件中重要组成部分，当数字钟的显示需要改变时，单片机就要调出显示子程序，通过查表区段码，取位码来显示要显示的LED数码管。3.3 定时器中断子程序如下图3-3所示为定时器中断子程序数字钟设计中，为了实现时间的准确计数，选用的是AT89C51内部的定时/计
29、数器。定时计数器对单片机内部的时钟脉冲经12分频之后进行计数。来实现定时功能。如主频为12MHZ的时候，机器周期为1S，从而对机器周期的计数就转换为定时，实现定时功能。我们选用的是AT89C51的定时器0的工作方式1来完成定时功能。方式1是16位的计数器，可计数的最大值为216=65536.可定时65536S。为了实现对1S中的定时，将定时器0定时50MS，计数器计数到20次时，秒加1。第4章 总结 通过两个月的学习，终于完成了单片机数字钟的工作。并且使数字钟完成了预期的目标。从单片机数字钟的设计过程中也找到了一些单片机开发的规律：先了解所有元件的具体内容，从而画出其电路图，使数字钟从简易变成
30、多功能的方式，虽没有做多功能数字钟，却知晓了其方法。在程序编程方面，有很多不足，学习单片机编程，只有在经常的写与读的过程中才能提高。希望能够在以后的不断深入学习中能够弥补自己的不足之处。从这次的毕业设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，理论指导实践，在实践中对理论知识加以理解。还要有独立思考能力和团队协作的精神，个人能力固然重要，集体的力量更是伟大的。由于时间比较仓促，我所设计的这个数字钟非常简单，我们可以考虑在以后来改进一下，使它的功能更加完善，强大。致谢本次毕业设计得到导师刘益剑老师的热心指导，在这里对刘老师表示最衷心的感谢。刘老师平
31、易近人，对学生的设计进度和学习很关心。在毕业设计的前期，首先给我们介绍了不少有用的资料和书籍和软件；在硬件设计等方面给予悉心的指导；在写毕业设计论文的阶段，刘老师让我们论文有进展就给他评审，不论内容字体，还是格式上的问题都一一指出。待人平和、工作认真、治学严谨他的给我留下很深刻的印象。不仅在毕业设计上给我及时的指导，更为我大学最后阶段的学习提出了许多宝贵的意见。这一切都在潜移默化地影响着我，为我以后进入工作岗位树立了良好的榜样。参考文献待添加的隐藏文字内容31 孙育才编著， MCS-51系列单片微型计算机及其应用，东南大学出版社，20042 楼然苗，李光飞 编著， 单片机课程设计指导 北京航空
32、航天大学出版社 2007年第一版。3 李群芳、肖看编著， 单片机原理、接口及应用嵌入式系统技术基础，清华大学出版社2005版。4 何立民编著， MCS-51单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社，2000.5 丁元杰编著， 单片机原理及应用 机械工业出版社,20086 谢自美编著， 电子线路设计实验测试 华中科技出版社，20067 张正明、卓郑安编著，电路与电子技术 北京航空航天大学出版社 2004年9月8 李全利编著， 单片机原理及应用技术 北京：高等教育出版社，2006附录一 源程序S_SET BIT P1.0M_SET BIT P1.1H_SET BIT P1.2SECOND EQU
33、 30HMINUTE EQU 31HHOUR EQU 32HTCNT EQU 34H ORG 0000H SJMP START ORG 000BH LJMP INT_T0START:MOV DPTR,#TABLE MOV HOUR,#0 MOV MINUTE,#0 MOV SECOND,#0 MOV TCNT,#0 MOV TMOD,#01H MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H MOV IE,#82H SETB TR0 *INT_T0:MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B0H INC TCNT MOV A,TCNT CJNE A,#20,RETUNE INC SE
34、COND MOV TCNT ,#0 MOV A,SECOND CJNE A,#60,RETUNE INC MINUTE MOV SECOND ,#0 MOV A,MINUTE CJNE A,#60,RETUNE INC HOUR MOV MINUTE ,#0 MOV A,HOUR CJNE A,#24,RETUNE MOV HOUR,#0 MOV MINUTE ,#0 MOV SECOND,#0 MOV TCNT,#0RETUNE:RETI*DISPLAY:MOV A,SECONDMOV B,#10DIV AB CLR P3.6 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DEL
35、AY SETB P3.6 MOV A,B CLR P3.7 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAYSETB P3.7CLR P3.5MOV P0,#40HLCALL DELAYSETB P3.5MOV A,MINUTEMOV B,#10DIV ABCLR P3.3MOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL DELAYSETB P3.3MOV A,BCLR P3.4MOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL DELAYSETB P3.4CLR P3.2MOV P0,#40HLCALL DELAYSETB P3.2MOV A,HOURMOV B,#10DIV ABCLR P3.0MOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL DELAYSETB P3.0MOV A,BCLR P3.1MOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL DELAYSETB P3.1RET*TABLE:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH*DELAY:MOV R6,#10HD1: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RET END
