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1、数字时钟课程设计 目 录第一章 设计任务与要求1第二章 总体方案设计2第三章 总体方案介绍5第四章 单片机基础介绍6第五章定时中断子程序流程.9第六章数字时钟系统运行及仿真.11第七章 程序清单12第八章 设计总结18参考文献.20一、设计任务与要求1.1 设计背景数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也
2、方便，但鉴于单片机的定时器功能也可以完成数字钟电路的设计，因此进行数字钟的设计是必要的。在这里我们将已学过的比较零散的数字电路的知识有机的、系统的联系起来用于实际，来培养我们的综合分析和设计电路，写程序、调试电路的能力。单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且已渗入到人们工作和和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前景广阔。1.2 课程设计目的(1)巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；(2)培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力
3、，提高组成系统、编程、调试的动手能力；(3)过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。1.3 设计要求1、主电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成2、秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器
4、”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时二、总体方案设计 2.1 电路的总体原理框图根据以上的数字时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块：单片机模块、数码显示模块与按键模块，模块之间的关系图如下面得方框电路图1所示图1 硬件电路方框图图2 仿真原理图2.2 实现时钟计时的基本方法利用STC系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现时钟计数。(1) 计数初值计算:把定时器设为工作方式1，定时时间为50ms，则计数溢出20次即得时钟计时最小单位秒，而100次计数可用软件方法实现。假设使用T/C0，方式1，50ms定时，fosc=12MHz
5、。则初值X满足（216-X）1/12MHz12s =50000sX=1553600111100101100003CB0H(2) 采用中断方式进行溢出次数累计,计满20次为秒计时（1秒）；(3) 从秒到分和从分到时的计时是通过累加和数值比较实现。2.3 电子钟的时间显示电子钟的时钟时间在六位数码管上进行显示，因此，在内部RAM中设置显示缓冲区共8个单元。LED8 LED7 LED6 LED5 LED4 LED3 LED2 LED137H 36H 35H 34H 33H 32H 31H 30H时十位 时个位 分隔 分十位 分个位 分隔 秒十位秒个位2.4 电子钟的时间调整电子钟设置3个按键通过程序
6、控制来完成电子钟的时间调整。A键按一次调整时，按第二次调整分钟，第三次推出时间调整；B键对小时或分钟进行加一；C键对小时或分钟进行减一；3 总体方案介绍3.1计时方案利用STC89C52单片机内部的定时/计数器进行中断时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高，对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而对学好单片机技术这门课程起到一定的作用。3.2控制方案STC89C52的P0口和P1口外接由八个LED数码管(LED8LED1)构成的显示器，用P0口作LED的段码输出口，P1口作八个LED数码管的位控输出线，P3口外
7、接四个按键A、B、C构成键盘电路。STC89C52 是一种低功耗，高性能的CMOS 8位微型计算机。它带有8K Flash 可编程和擦除的只读存储器（EPROM），该器件采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的80C51和80C52的指令系统及引脚兼容，片内Flash 集成在一个芯片上，可用与解决复杂的问题，且成本较低。简易电子钟的功能不复杂，采用其现有的I/O便可完成，所以本设计中采用此的设计方案。3.3数字钟基本原理它是利用单片机的内部的定时/计数器工作与定时方式，对机器周期计数形成基准时间（如10ms）然后用另外一个计数器或软件计数的形式对基准时间进行计数形成秒（如对
8、10ms计数100次），“秒”计数60次形成“分”，“分”计数60次形成“时”，“时”计数24次形成“天”并清零，然后通过译码器，数码管把他们的内容在相应的位置显示出来。在具体的设计时定时器采用中断方式工作，对时钟的形成在终中断序中实现，在主程序只是对定时/计数器的定义初始化，调用显示程序和控制程序的初始化。另外为了使用的方便，也设计了按键，可以通过按键对时分秒进行调整，这样程序就加了按键程序。四、单片机数字时钟的硬件系统4.1单片机最小系统的电路原理51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。晶振
9、Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。起振电容C2、C3一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。当某
10、周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2 ms。 4.2单片机AT89C51引脚功能介绍根据初步设计方案的分析，设计一个数字时钟的应用系统，以MCS-51系列单片机AT89C51芯片为基础，它将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能部件集成在一块芯片上，在我国应用非常广泛。AT89C51芯片是40引脚双列直插式封装芯片，如下图。其中有些
11、管脚具有两种功能。这40根引脚中包括电源引脚2根、外接晶振引脚2根、IO引脚32根、控制信号引脚4根。1、电源类引脚VCC(40脚)：接+5V电源正端。 VSS(20脚)：接地端。2、时钟类引脚XTAL1(19脚) 和XTAL2(18脚)：接外部石英晶体的一端。P0口(3932脚)：P0.0P0.7统称为P0口。P1口(18脚)：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。P2口(2128脚)：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用。P3口(1017脚)：P3.0P3.7统称为P3口。表3 P3.0口的第二功能：口线功能描述P3.0RXD (串行数据输入线)P3
12、.1TXD （串行数据输出线）P3.2INT0 （外部中断0输入引脚）P3.3INT1 （外部中断1输入引脚）P3.4 T0 （定时器/计数器0的外部输入引脚）P3.5 T1 定时器/计数器0的外部输入引脚）P3.6 WR（外部数据存储器写选通信号引脚）P3.7 RD（外部数据存储器读选通信号引脚）4.3、控制引脚RST/VPP(9脚)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。 LE/PROG(30脚)：地址锁存允许信号。PSEN(29角)：外部存储器读选通信号。EA/Vpp(31角)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令
13、。4.4时钟震荡电路1、时钟电路单片机要不断的从程序存储器中取出指令并执行，这些执行步骤是按节拍进行的，时钟电路就是提供CPU运行节拍的电路。AT89C51的时钟电路可以由内部或外部两种方式产生。AT89C51内部具有一个振荡电路，内部方式就是利用该电路在XTAL.1和XTAL.2两引脚之间外接晶振和电容C1、C2构成并联谐振电路，使内部震荡产生自激振荡如图所示。晶振频率可选择1.2-10MHZ，电容可选则15-100PF，以对时钟频率起微调作用。4.5、CPU时序的周期单位通过之中振荡电路，单片机的每一步工作都按照一定的节拍进行，步调得到同意.描述MCS-51系列单片机的时序单位有4中，即时
14、钟周期.状态周期，机器周期和指令周期。时钟周期P:既振荡周期，是MCS-51系列单片机的最小时序单位.例如:若时钟频率F=12MHZ，则时钟周期=1/F=0.0833us。状态周期S：连续两个振荡周期为一个状态周期。机器周期：单片机完成某种基本操作的时间称为机器周期。一个机器周期由6个状态周期（12个振荡周期）构成。指令周期：执行一条指令所需要的时间。MCS-51的指令周期一般需要1或2个机器周期，乘，除法指令为4个机器周期。若采用上例钟12MHZ的晶振，则执行一条指令相应地需要1us，2us或4us。晶振频率越高，指令执行的速度越快。4.6七段数码管的引脚图及使用数码管使用条件：a、段及小数
15、点上加限流电阻。b、使用电压：段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定。c、使用电流：静态：总电流 80mA（每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA。上面这个只是七段数码管引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一样的。LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，右图是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连在一起即为共阳式。以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻
16、。假如我们将b和c段接上正电源，其它端接地或悬空，那么b和c段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。而将a、b、d、e和g段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。其它字符的显示原理类同。表4： 数码管显示01234567893FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH6FH五，定时中断（走时）子程序流程5.1在编程上，首先进行了初始化，定义程序的的入口地址以及中断的入口地址，在主程序开始定义了一组固定单元用来储存计数的时.分.秒，在显示初值之后，进入主循环。在主程序中，对不同的按键进行扫描，实现秒表，时间调整，复位清零等功能，系统总流程图如下图图 系统总体流程图定时中
17、断（走时）子程序流程定时器中断时，先检测50ms脉冲是否计数20次，计数到20次，秒就加1；如果没计满60，就返回显示时间，如果秒计满60秒，就清零秒，给分加1；检测分钟，如果没计满60，继续计时，返回显示时间，如果满60，就清零分钟，给小时加1；检测小时，如果没计满24，就继续计时，返回显示时间，如果计满24，就清零，给秒加1，显示时间。脉冲溢满20?秒+1=60？分+1=60？分清零,时加1时+1=24？时清零中断返回图2定时中断（走时）子程序流程图秒清零,分加1秒加1定时中断口六、数字时钟系统运行及仿真6.1 WAVE6000仿真软件介绍1、单片机仿真原理图在线仿真时，开发系统应能将在线
18、仿真器中的单片机完整地出借给目标系统，不占用目标系统单片机的任何资源，使目标系统在联机仿真和脱机运行时的环境（工作程序、使用的资源和地址空间）完全一致，实现完全的一次性仿真。图 仿真原理图6.2系统调试软件调试：软件为老师所提供提供，其原理在上一模块以作说明，在这里再作说明，软件经调试无误，直接将其下再到单片机中，看是否达到所要的效果软件部分是先参考书上的例子，然后自己根据硬件电路写程序，由于以前所学是单片机汇编语言，所以这个系统在编写程序过程中都采用汇编语言编写。刚刚开始，编写不会一次性通过，经过仔细分析修改最后编译成功。七 程序清单 ORG 0000H LJMP START ORG 000
19、BH LJMP TO ORG 0245HSTART: MOV SP,#75H MOV 30H,#20 MOV 50H,#2 ;时 MOV 60H,#3 ;分 MOV 51H,#00;闹钟时 MOV 52H,#02;闹钟分 MOV 55H,#00; SETB 54H;启停闹钟 MOV 20H,#01000000B MOV DPTR,#TAB MOV TMOD,#21H MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#03CH MOV R0,#00;秒 MOV R1,#00;分 MOV R2,#00;时 SETB EA;总中断开放 SETB ET0;允许T0中断 SETB ET1 SETB TR0;
20、启开T0定时器 LOOP: MOV 40H,#2 MOV A,R0 MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV P2,#6 LCALL D2MS MOV A,B MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV P2,#7 LCALL D2MS MOV P0,#01000000B MOV P2,#5 LCALL D2MS MOV A,R1 MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV P2,#3 LCALL D2MS MOV A,B MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV P2,#4 LCA
21、LL D2MS MOV P0,20H MOV P2,#2 LCALL D2MS MOV A,R2 MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV P2,#0 LCALL D2MS MOV A,B MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV P2,#1 LCALL D2MS JNB 53H,GUO CLR C MOV A,51H SUBB A,R2 CJNE A,#00H,GUO CLR C MOV A,52H SUBB A,R CJNE A,#00H,GUO SETB 08H LJMP NAOZHONG GUO:CJNE R5,#20,L JN
22、B P3.1 ,EXT1 ;调分 JNB P3.0 ,EXT2 ;调时 JNB P3.2 ,EXT5;调闹钟 JNB P3.3 ,EXT6;启停闹钟 LCALL DELAY LJMP LOOPL: INC R5 LJMP LOOPEXT0:MOV R5,#00H INC R0 CJNE R0,#60,LOO MOV R0,#00 LJMP LOOPEXT1:MOV R5,#00H INC R1 CJNE R1,#60,LOO MOV R1,#00 LJMP LOOPEXT2:MOV R5,#00H INC R2 CJNE R2,#24,LOO MOV R2,#00 LJMP LOOPEXT3:
23、MOV R5,#00H CLR TR0 LJMP LOOPEXT4:MOV R5,#00H SETB TR0 LJMP LOOPEXT5:MOV R5,#00H CLR 08H LJMP NAOZHONGEXT6:CPL 07H CPL 53HLOO: LJMP LOOP ORG 0545HNAOZHONG:CLR 53H MOV 20H,#01000000B MOV 40H,#2 LCALL D2MS MOV A,51H ;时 MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV P2,#0 LCALL D2MS MOV A,B MOVC A,A+DPTR
24、MOV P0,A MOV P2,#1 LCALL D2MS MOV P0,#01000000B MOV P2,#2 LCALL D2MS MOV P0,#11110111B MOV P2,#11101111B LCALL D2MS MOV 40H,#2 MOV A,52H;分 MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV P2,#3 LCALL D2MS MOV A,B MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV P2,#4 LCALL D2MS MOV P0,#00H JNB 08H,GG LCALL SHENGYIN GG: CJNE R
25、5,#20,TM JNB P3.2 ,TIME ;返回时间界面 JNB P3.0 ,TIME0 ;调时 JNB P3.1 ,TIME1 ;调分 LJMP NAOZHONGTIME: MOV R5,#00H LJMP LOOPTM: INC R5 LJMP NAOZHONGTIME0: MOV R7,51H ;时 MOV R5,#00H INC R7 MOV 51H,R7 CJNE R7,#24,NAO MOV R7,#00 MOV 51H,R7 LJMP NAOZHONGTIME1: MOV R7,52H ;分 MOV R5,#00H INC R7 MOV 52H,R7 CJNE R7,#60
26、,NAO MOV R7,#00 MOV 52H,R7 LJMP NAOZHONGNAO:LJMP NAOZHONGTO: MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#03CH DJNZ 30H,TTT MOV 30H,#20 LCALL clockTTT: RETI ORG 0845Hclock: INC R0 CJNE R0,#60,RRR MOV R0,#00 INC R1 CJNE R1,#60,RRR MOV R1,#00 INC R2 CJNE R2,#24,RRR MOV R2,#00RRR: RETD2MS: MOV R3,#5 D1: MOV R4,#255 DJNZ R4,
27、$ DJNZ R3,D1 RETDELAY:MOVR7,#20LLA: DJNZR7,LLA RETSHENGYIN:MOV R6,#250SHENG: CPLP1.3 LCALLDELAY DJNZ R6, SHENG DJNZ 40H,SHENGYIN RETTAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,40H END八 设计总结课程设计是针对某一理论课程的要求，对学生进行综合性实践训练的实践教学环节，可以提高学生运用课程中所学的理论知识与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力。在这次课程设计过程中使我们们从中学到许多，特别是在课程设计过程
28、中查找资料及编程、调试的过程，从中学到许多以前在课本和课堂上所无法学到的并从中体会到许多的挑战和乐趣，从而丰富了自己，使自己无论是上课时还是在课余都感到很充实。在本次课程设计中，我通过动手实践操作，进一步学习和掌握了单片机原理的有关知识，特别是程序的编程方面，加深了对单片机原理及应用技术的认识，进一步巩固了对单片机知识的理解，掌握简单单片机应用系统的设计、制作的方法。在设计时根据课题要求，复习相关的知识，查询相关的资料。根据实验条件，找到适合的方案，找到需要的元器件及工具，进行实验。这次的单片机课程设计重点是通过实践操作和理论相结合，提高动手实践能力，提高科学的思维能力，更在一周的时间了解了更多的有关单片机的知识，使知识更加丰富，使自己更加充实。 设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过查阅大量有关资料，使自己学到了不少知识，也经历了不少参考文献张友德，赵志英，徐时亮，单片微机原理应用与实验，复旦大学出版社，2000。李精华，李兴富， 单片机原理及应用，高等教育出版社，2010。
