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1、基于AT89S51控制的数字时钟摘要本系统采用MSC-51系列单片机以AT89S51为中心器件来设计多功能数字时钟。文中详细介绍了51单片机应用中的数据转换显示，数码管显示原理，动态扫描显示原理，单片机的定时中断原理。该时钟系统能实现时钟日历的功能：能进行时、分、秒的显示;也具有日历计算、显示和时钟，日历的校准、定时时间的设定，实现秒表，整点报时等功能。1.引言1.1 设计的意义近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月异更新.在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构,以
2、及针对具体应用对象特点的软件结合,加以完善.本文通过用对一个能实现定时，日历显示功能的时间系统的设计学习，详细介绍了51单片机应用中的数据转换显示，数码管显示原理，动态扫描显示原理，单片机的定时中断原理、从而达到学习，了解单片机相关指令在各方面的应用。1.2 设计所要做的工作系统AT89S51、LED数码管、按键、发光二极管，电容，电阻，蜂鸣器，晶震等部分构成，能实现的功能有：时间显示、日期显示、定时、整点报时、秒表、报警。左键：切换功能显示，按一下显示日期，再按一下显示定时时间，再按一下显示秒表。中键：进行位置选择，按一下则选择最右边两位，再按一下则选择中间两位，再按一下则选择左边两位，再按
3、一下则选择下一功能左边两位，如此循环。当选择某个数的时候，按左键加一，秒的时候则直接清0。当有选择某个数的时候或显示日期、定时时间的时候按右键则返回显示时间。右键：定时时间到时会放音乐，按右键时就停止播放。右上角按键和指示灯：显示是否有定时功能，亮时则有定时功能，按一下按键则灯灭取消定时功能，再按下开启定时功能。当显示秒表的时候：按中间键进行开始计时和暂停，按右键清0。按左键时回到显示时间。2.硬件电路原理分析2.1.电路原理分析 时钟电路驱动电路显示电路复位电路AAAT89S51定时音乐播放键盘电 路 图2-1总体方案方框图图2-2电路原理图电路中单片机的P1口送数据，P2口送地进行选择某位
4、数码管。用74LS245进行驱动，P3.0接蜂鸣器，P3.2,P3.3,P3.4,P3.5接按键，0.1uF电容起抗干扰作用。2.1.1电路显示原理23456电路原理图见图2。由两个四位的数码管组成时、分、秒、年、月、日的显示。P1口的8条数据线P1.0 至P1.7 分别与第一片74LS245译码的A0-A7口相接，P2口的 P2.0至P2.7分别与第二片74LS245 A0-A7相接。这样通过P0 口送出一个存储单元的高位、低位代码，通过P2口送出扫描选通代码地址，就会将要显示的数据在数码管中显示出来。从P1口输出的代码是段选码，从P2口输出的就是位选码。这是扫描显示原理。2.1.2内部震荡
5、电路1:图2-3晶体震荡电路AT89S51中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端,这个放大器与作为反馈元件的石英晶体构成自激震荡电路。外接石英晶体及电容C1,C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。2.1.3键盘消抖原理1310键盘是人与微机打交道的主要设备,按键的读取容易引起误动作。可采用软件去抖动的方法处理，软件的触点在闭合和断开的时候会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不采取妥善处理的话，将引起按键命令错误或重复执行，在这里采用软件延时的方法来避开抖动。2.1.4复位电路原理【2】9复位电路的基本功能是：系统上电时提供
6、复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。下图所示的RC复位电路可以实现上述基本功能,Sm为手动复位开关。图2-4复位电路图2.2四位数码管原理图4810图2-5 数码管管脚图2.3 AT89S51的管脚说明2： 图2-6 AT89S51管脚图VCC 电源电压.GND 接地.RST 复位输入.当RST变为高电平并保持2个机器周期时,将使单片机复位.WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFR AUXR的DISRTO位(地址8EH)可打开或关闭该功能.DISKRTO位缺省为RESET输出
7、高电平打开状态.XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入.XTAL2 来自反向振荡放大器的输出.P0口 一组8位漏极开路型双向I/O口.也即地址/数据总线复用口.作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写1可作为高阻抗输入端用.在访问外部数据存储器或程序存储器时,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,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻.P1口 一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路.对端口写1,通过内部的上拉电
8、阻把端口拉到高电平,此时可作输入口.作输入口使用时,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).Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址. P2口 一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口.P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路.对端口写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).在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时,P2口送出高8位地址数据.在访问8位地址的外部数据存储器时,P2口线上的内容在整个访问期间不改变.Flash编程
9、和程序校验期间,P2亦接收低8位地址.P3口 一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口.P3的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路.对P3口写1时,它们被内部的上拉电阻把拉到高电并可作输入端口.作输入端口使用时,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/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下图所示.P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验期间的控制信号.PSEN/ 程序储存允许输出是外部程序存储器的读先通信号,当AT89S51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN/有效,即输出两个脉冲.当访问外部数据存储器,
10、没有两次有效的PSEN/信号.EA/VPP 外部访问允许.欲使CPU仅访问外部程序存储器,EA端必须保持低电平,需注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态.Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程电压VPP.3.数字时钟各个功能实现的设计思路3.1数据与代码转换148由前述可知，从P2口输出位选码，从P1口输出段选码，LED就会显示出数字来。但P1口的输出的数据是要BCD码，各存储单元存储的是二进制数，也就是和要显示出的字符表达的含义是不一致的。可见，将要显示的存储单元的数据直接送到P1口去驱动LED数码管显示是不能正确表达的，必须在系统内部将要显示的数据经过BCD
11、码行转换后，将各个单元数据的段选代码送入P1口，给74LS245译码后去驱动数码管显示。具体转换过程如下：我们先将要显示的数据装入数据指针累加器A中，再将A中的数据转换成高低两位，再放回A中，然后将通过MOVC A，A+DPTR查表将A中的值输出。如：有一个单元存储了45这样一位数，则需转换成高低两位放在两个地址中,然后通过查表取得5, P1口送出数据, P2口送出地址。延时1毫秒后同样的道理将高位4送出。高位4,低位5先后送入译码器中，译码后45字就在LED中显示出来。3.2计时功能的实现与中断服务程序2 时间的运行依靠定时中断子程序对时钟单元数值进位调整来实现的。计数器T0打开后，进入计时
12、，满10毫秒后，重装定时。中断一次，满一秒后秒进位，满60秒后即为1分钟，分钟单元进位，60分到了后，时单元进位，24小时满后，天单元进位。这样然后根据进率，得到年、月、日、时、分、秒存储单元的值，并经译码后，通过扫描程序送LED中一位一位显示出来，实现时钟计时功能。累加是用指令INC来实现的。 进入中断服务程序以后，执行PUSH PSW和PUSH A将程序状态寄存器PSW的内容和累加器A中的数据保存起来，这便是所谓的保护现场。以保护现场和恢复现场时存取关键数据的存储区叫做堆栈。在软件的控制之下，堆栈可在片内RAM中的任一区间设定，而堆栈的数据存取与一般的RAM存取又有区别，对它的操作，要遵循
13、i后进先出i的原则。3.3定时,音乐播放控制功能与比较指令12系统的另一功能就是实现对执行设备的定时开关控制，其主要控制思想是这样的：先将执行设备开启的时间和关闭时间置入RAM某一单元，在计时主程序当中执行几条比较指令，如果当前计时时间与执行设备的设定开启时间相等，就执行一条STEB 12H指令，将对应的那路置为高电位，开启，定时时间到，调用音乐播放子程序；如果当前计时时间与执行设备设定的关闭时间相等，就执行CLR对应的12H置低电位，关闭，音乐播放停止。实现此控制功能用到的比较指令为CJNE A，#direct，rel，其转移条件是累加器A中的值与立即数不等则转移。3.4整点报时控制功能当时
14、间的秒开始进入到59分55秒时,开蜂鸣器,56秒时关蜂鸣器,57秒开蜂鸣器,58秒关蜂鸣器,59秒开蜂鸣器,60秒关掉。这样实现了整点报时功能。如果有播放音乐则不进行整点报时，这点也在程序中加以控制，以免产生混乱。3.5秒表功能的实现秒表是通过定时100毫秒的时间。将0.1秒位通过CJNE 的不等转移的比较指令和10比较，如果不等，则0.1秒位继续每100毫秒加1；如果等于10，0.1秒位清0，秒位则加1。秒位通过CJNE 的不等转移的比较指令和60比较，如果不等，则秒位继续每1毫秒加1；如果等于60，秒位清0，分位加1。分位则也是通过CJNE 的不等转移的比较指令和60比较，如果不等，则分位
15、继续每60秒加1；如果等于60，分位清0，秒位清0，0.1秒位清0，停止计数。4软件设计4.1程序流程图图4-1 主程序流程图图4-2定时器0流程图图4-3 外部中断0流程图图4-4 外部中断1流程图5调试中的问题与解决方法数字时钟设计刚完成时,我经过检查,发现了一些问题147:1 刚弄好电路板并烧写程序进去后发现数码管不能正确显示时间，每个数码管中显示的数字几乎一样。经过询问老师，自己查阅资料，终于找出问题的原因：由于我在电路中采用的是动态数码管显示，需准确地调整延时子程序DEL1MS。我在程序中采取的延时时间为1毫秒。2整点报时不准确，本来我是定在55秒开始启动蜂鸣器报警，却提前了两秒钟，
16、经过检查程序后发现是报时程序里错写成了53秒，才造成提前报时。3复位电路中的开关不能使电路复位到初始状态即12：00：00，经过认真检查电路后我发现我是开关的管脚没接对。测试后重新接下开关的管脚就可以了。6结束语经过调试之后,我发现我做的基于AT89S51设计的数字时钟,经过调试，一天的时间里面，差不多在1秒，计时、定时时间是相对准确。而且该设计的成本不高,硬件电路简单，可以用在对时间精度要求不高的场合. 由于时钟电路的重要性,时钟电路在很多应用系统中必不可少,用软件方法可以实现,但误差很大。在对时间精度要求很高的情况下,通常采用时钟芯片来实现。典型的时钟芯片有:DS1302,DS12887,
17、X1203等都可以满足精度要求。附录ORG 0000HLJMP MAIN ;跳到主程序ORG 0003HLJMP INT0 ;跳到外部中断0ORG 000BH LJMP T0 ;跳到定时器0ORG 0013HLJMP INT1 ;跳到外部中断1ORG 001BHLJMP T1 ;跳到定时器1ORG 0100HMAIN: ;主函数CLR P3.0 ;关蜂鸣器ACALL INITIAL ;调用初始化函数DONE:JNB 00H,DONE1 ;是否显示时间MOV R0,#73H ;显示时间ACALL CONVERT ;把时间存储器转化到显示存储器AJMP TEST ;是否处于调整状态DONE1:JN
18、B 01H,DONE2 ;是否显示日期MOV R0,#70H ;显示日期ACALL CONVERT ;转化AJMP TEST ;是否处于调整状态DONE2:JNB 02H,DONE3 ;是否显示定时时间MOV R0,#63H ;显示定时时间ACALL CONVERT ;转化AJMP TEST ;DONE3:MOV R0,#60H ;显示秒表ACALL CONVERT ;转化LJMP DISP ;跳到显示函数TEST: ;判断是否处于调整状态 JNB 18H,TEST10 ;是否按键已经按下 JNB P3.5,TEST7 ;按键是否已经释放 AJMP TEST11TEST10:JB 16H,TE
19、ST8 ;判断是否有按键按下 JB P3.5,TEST7 SETB 16H AJMP TEST7TEST8:JB P3.5,TEST9 SETB 18H AJMP TEST7 TEST11:CLR 18H CPL 17H MOV C,17H MOV P0.0,C CLR 16H CLR 12H ;定时结束 CLR TR1 ;关定时器1 CLR P3.0 ;关蜂鸣器 CLR 13H ; MOV 59H,#00H ; MOV 58H,#01H AJMP TEST7 TEST9:CLR 16H TEST7:JNB 12H,TEST6 JB P3.4,TEST6 CLR 12H ;定时结束 CLR T
20、R1 ;关定时器1 CLR P3.0 ;关蜂鸣器 CLR 13H ; MOV 59H,#00H ; MOV 58H,#01H ;TEST6:JNB 01H,TEST5 ;是否处于日期状态 JB P3.4,TEST4 ;案键3是否按下 MOV 20H,#01H ; 返回时间状态 MOV 21H,#00H LJMP DISP TEST5:JNB 02H,TEST4 ;是否处于定时时间状态 JB P3.4,TEST4 ;按键3是否按下 MOV 20H,#01H ;返回时间状态 MOV 21H,#00H LJMP DISP TEST4:JNB 15H,DO ;闪烁标志是否有效 LJMP DISP ;无
21、效则进入显示函数DO: MOV A,21H ; CJNE A,#00H,TEST2 ;是否在调整状态 LJMP DISP ;不处于调整状态则进入显示函数 TEST2: JB P3.4,TEST3 MOV 20H,#01H MOV 21H,#00H LJMP DISP TEST3:JNB 08H,DONE4 ;是否秒位置处于调整状态 MOV 78H,#11 ;不显示 MOV 79H,#11 ;不显示 LJMP DISP ;进入显示函数 DONE4:JNB 09H,DONE5 ;是否分位置处于调整状态 MOV 7BH,#11 ;不显示 MOV 7CH,#11 ;不显示 LJMP DISP ;进入显
22、示函数 DONE5:MOV 7EH,#11 ;时位置不显示 MOV 7FH,#11 ;时位置不显示 LJMP DISP ;进入主函数CONVERT: ;转化成数码管显示所对应的存储器MOV A,R0 ;把R0存储的地址所对应的存储器的内容转化到秒位置的存储器MOV B,#10 ;DIV AB ;MOV 79H,A ;高位存储?MOV 78H,B ;地位存储INC R0 ;地址加一MOV A,R0 ;取数据MOV B,#10 ;DIV AB ;MOV 7CH,A ;高位存储MOV 7BH,B ;低位存储INC R0 ;地址加一MOV A,R0 ;取数据MOV B,#10 ;DIV AB ;MOV
23、 7FH,A ;高位存储MOV 7EH,B ;低位存储RETINITIAL: MOV 7FH,#1 ;数码管显示12:00:00 MOV 7EH,#2 MOV 7DH,#10 MOV 7CH,#0 MOV 7BH,#0 MOV 7AH,#10 MOV 79H,#0 MOV 78H,#0 MOV 75H,#12 ;初始化时间 12:00:00 MOV 74H,#0 MOV 73H,#0 MOV 72H,#08 ;初始化日期 08.3.20 MOV 71H,#3 MOV 70H,#20 MOV 65H,#12 ;初始化定时时间 12:00:20 MOV 64H,#0 MOV 63H,#20 MOV
24、 62H,#00 ;初始化秒表00:00.00 MOV 61H,#00 MOV 60H,#00 MOV 50H,#100 ;1s定时100*10ms MOV 51H,#20 ;200ms闪烁计时 MOV 52H,#10 ;秒表计数器 MOV 53H,#5 ;每放一个音时延时5ms MOV 58H,#1 ;存放音乐表的指针 MOV TH0,#0D8H ;T0定义为10ms中断 MOV TL0,#0F0H MOV TMOD,#11H ;定时器工作在方式1 MOV IP,#2 ;定时器0高优先级 MOV IE,#8FH ;开中断 SETB IT0 ;外部中断为边缘触发 SETB IT1 ;外部中断为
25、边缘触发 SETB TR0 ;开定时器0 MOV 20H,#0 ; SETB 00H ;设置成处在时间显示状态 00H为时间显示标志，01h为日期显示标志，02h为定时时间显示标志，03h秒表显示标志 ;08h为秒位置选择标志，09h为分位置选者标志，0ah为时位置选择标志 ;10h为秒表开始或暂停标志，11h为，12h为是否正在放音乐标志，13h为是否延时标志，15h为闪烁标志，16h,17h为判断定时按键标志 MOV 21H,#0 ;位存储器初始化 MOV 22H,#0 ; SETB 17H ; 开定时器 SETB P0.0 ;开定时器指示灯RETDISP: ;显示函数 MOV R0,#7
26、8H ;显示第一 个位置 MOV DPTR,#TAB ;MOV R7,#0FEH ;第一位有效NEXT: MOV A,R0 ; MOVC A,A+DPTR ;把十进制数转化成数码管对应的数据 MOV P1,A ;数据送出端口 MOV P2,R7 ;地址送出端口 ACALL DEL1MS ;延时一毫秒 MOV A,R7 ; RL A ;地址位左移到下一位 MOV R7,A ; INC R0 ;数据地址加1 CJNE R0,#80H,NEXT ;是否已经显示完LJMP DONETAB:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,40H,00H ;0 1 2
27、 3 4 5 6 7 8 9 - 空DEL1MS: ;延时1毫秒函数 MOV R6,#2 DEL1:MOV R5,#250 DJNZ R5,$ DJNZ R6,DEL1RETT0: ;定时器0函数 PUSH DPH PUSH DPL PUSH PSW PUSH ACC MOV TH0,#0D8H ;定时时间设置为10毫秒 MOV TL0,#0F0H DJNZ 50H,MIAO1 ;是否已经延时1秒 AJMP NEXT5 ; MIAO1:LJMP MIAOBIAO ;一秒还没到，进入秒表 NEXT5:MOV 50H,#100 ; 重新循环100次，即一秒 INC 73H ;秒加一 MOV A,7
28、3H ; CJNE A,#60,MIAO2 ;是否已经加到60 AJMP NEXT6 ; MIAO2:LJMP MIAOBIAO ;没到60，进入秒表 NEXT6:MOV 73H,#0 ;已经加到60，秒清0 INC 74H ;分加一 MOV A,74H ; CJNE A,#60,MIAO3 ;分是否已经加到60 AJMP NEXT7 ; MIAO3:LJMP MIAOBIAO ;没到60，进入秒表 NEXT7:MOV 74H,#0 ;已经到60，分清0 INC 75H ;时加1 MOV A,75H ; CJNE A,#24,MIAO4 ;是否已加到24 AJMP NEXT8 ; MIAO4:
29、LJMP MIAOBIAO ;没到24则进入秒表 NEXT8:MOV 75H,#0 ;时清0 INC 70H ;日加1 MOV A,70H ; CJNE A,#29,MONTH ;是否是29 MOV A,71H ; CJNE A,#2,MIAO5 ;是否是2月 AJMP NEXT9 ;MIAO5:LJMP MIAOBIAO ;不是2月，进入秒表NEXT9:MOV 71H,#3 ;月份为3 MOV 70H,#1 ;日为1 LJMP MIAOBIAO ;MONTH: MOV A,70H ; CJNE A,#31,MONTH1 ;是否是日是31 MOV A,71H ; CJNE A,#4,MONTH
30、6 ;是否是4月 MOV 71H,#5 ;月份为5 MOV 70H,#1 ;日为1 AJMP MIAOBIAO ; MONTH6:MOV A,71H ; CJNE A,#6,MONTH9 ;是否是6月 MOV 71H,#7 ;月份为7 MOV 70H,#1 ;日为1 AJMP MIAOBIAO ; MONTH9:MOV A,71H ; CJNE A,#9,MONTH11 ;是否是 9月 MOV 71H,#10 ;月分为10 MOV 70H,#1 ;日为1 AJMP MIAOBIAO ; MONTH11:MOV A,71H ; CJNE A,#11,MIAOBIAO ;是否是11月 MOV 71
31、H,#12 ;月份为12 MOV 70H,#1 ; 日为1 AJMP MIAOBIAO ;MONTH1: MOV A,70H ; CJNE A,#32,MIAOBIAO ;是否日是32 MOV A,71H ; CJNE A,#12,MONTH0 ;是否是 12月 INC 73H ;年加1 MOV 70H,#1 ;月为1 MOV 71H,#1 ;日为1 AJMP MIAOBIAO ; MONTH0:INC 71H ;不是12月，月加1 MOV 70H,#1 ;日为 AJMP MIAOBIAO ;MIAOBIAO: ;秒表函数 JNB 03H,DINGSHI ;是否进入计时 JNB 10H,DIN
32、GSHI ;是否开始计时 DJNZ 52H,DINGSHI ;是否100毫秒已到 MOV 52H,#10 ; JNB P3.4,CLEAR ;按键按下时清0 INC 60H ;0.1秒位加1 MOV A,60H ; CJNE A,#10,DINGSHI ;是否已加到10 MOV 60H,#0 ;0.1秒位清0 INC 61H ;秒位加1 MOV A,61H ; CJNE A,#60,DINGSHI ;秒是否已经加到60 MOV 61H,#0 ;秒位清0 INC 62H ;分加1 MOV A,62H ; CJNE A,#60,DINGSHI ;是否是60分 MOV 62H,#0 ;分为清0 AJMP DINGSHI ; CLEAR:MOV 60H,#0 ;清0 MOV 61H,#0 ; MOV 62H,#0 ; CLR 10H ;停止计数 AJMP DINGSHI ;DINGSHI: ;定时函数 JB 17H,YSTART ;定时器有效 LJMP BAOSHI ;定时器无效 YSTART:JB 12H,START ;是否已经在放音乐 MOV A,63H ; CJNE A,73H,BAO1 ;是否时
