《单片机原理及接口》课程设计报告-时钟系统设计

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1、单片机原理及接口单片机原理及接口课课程程设设计计报报告告题 目： 时钟系统设计 专业名称： xxx 班 级： 莆田学院 学 号： xxxx 姓 名： xxxx 2012 年 1 月时钟系统设计时钟系统设计一设计说明一设计说明1.11.1 设计目的：设计目的：（1）掌握 C51 单片机的结构及其内部的定时/计数器、中断系统、以及外围的行列式按键 和 LED 数码管等部件 （2）掌握定时/计数器的结构和原理、中断处理系统的工作原理及中断方式处理定时/计数 的工作过程，数码管显示原理 （3）设计时钟系统通过数码管显示及按键设置实现时间的准确显示、闹铃和修改 （4）学会运用软件和硬件相结合来实现设计的

2、需要 1.21.2 设计要求：设计要求：设计一时钟系统，系统具有时钟功能，能准确显示时、分、秒。1.31.3 电子数字钟实现的主要功能电子数字钟实现的主要功能1、 实现正常走时2、 能够设置时间且待设置位会闪烁显示3、 具有闹铃及设定闹铃时间功能4、 具有倒计时功能1.41.4 设计环境设计环境（1）硬件：计算机一台（2）Windowns 操作系统 、 KeilC51 单片机仿真软件 、 proteus 单片机系统仿真软件。二、整体设计方案二、整体设计方案1.1.硬件电路设计硬件电路设计时钟的设计，主要采用了 AT89S52、74HC573、74LS138、晶振、8 只共阴 LED 数码管，包

3、括显示模块，按键模块和扬声器模块以及单片机的基础电路。 1.11.1 方案设计所应用知识方案设计所应用知识1.1.1.C511.1.1.C51 单片机介绍（单片机介绍（如图 1-1）89C51 单片机有四组 8 位并行 I/O 口，记作 P0、P1、P2 和 P3。每组 I/O 口内部都有 8 位数据输入缓冲器、8 位数据输出锁存器及数据输出驱动等电路。四组并行 I/O 端口即可以按字节操作，又可以按位操作。当系统没有扩展外部器件时，I/O 端口用作双向输入输出口；当系统作外部扩展时，使用 P0 口作系统地址的低 8 位、P2 口作系统地址的高 8 位；P0 口还可作数据时分复用线，P3 口有

4、第二功能（如图 1-2） ，大多与其内部功能部件有关，其中 RD、WR 是外部数据存储器的写、读控制信号。 应注意：当四个并行口在作输入口使用时，均应先对其写“1” ，以避免误读。图 1-1 89C51 单片机相关引脚 图 1-2 P3 口每一位的第二功能1.1.21.1.2 定时定时/ /计数器计数器8051 型单片机有两个十六位定时/计数器 T0、T1，有四种工作方式，跟定时/计数器相关的特 殊功能寄存器有这样几个： 表一：方式控制寄存器 TMOD D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/T M1 M0GATEC/TM1M0加法计数寄存器 TH0、TH1 （高八位）TL0、TL1（低八

5、位） ；定时/计数到标志 TF0、TF1（中 断控制寄存器 TCON） ；定时/计数器启停控制位 TR0、TR1（TCON） ； 定时/计数器中断允许位 ET0、ET1（中断允许寄存 IE） ；定时/计数器中断优先级控制位 PT0、PT1（中断优 IP） 。 TMOD 的低四位为 T0 的方式字，高四位为 T1 的方式字。TMOD 不能位寻址，必须整体赋值。（1）工作方式选择位 M1、M0 表二：M1、M0 的状态决定定时器的工作方式M1M0 功 能 说 明 0 0 1 10 1 0 1方式 0，为 13 位的定时计数器 方式 1，为 16 位的定时计数器 方式 2，为常数自动重装入的 8 位

6、定时计数器 方式 3，T0 分为两个 8 位定时计数器，T1 在该方式时停止 （2）定时和外部事件计数方式选择位 C/T C/T0 为定时器方式；C/T1 为外部事件计数器方式 （3）门控位 GATE GATE = 0 时，且受定时器运行控制位（TR0、TR1）的控制时为软件启动。 GATE = 1 时，除受 TR0、TR1 控制外，还受外部引脚（INT0、 INT1）输入电平的控制（为高） 为硬启动。 （4）初值的确定：a = Tfosc/12 （注意单位） ；THx = a / 256；TLx = a % 256； 根据确定初值的公式，三种工作方式下可得以下结论：a.同种方式下，频率越大，

7、所定的最大 时间越来越短；b.同种频率下，方式 1 所定的时间最长；c.晶振为 6MHZ 时能定的最大时间 100ms,晶振为 12MHZ 时能定的最大时间为 50ms1.1.31.1.3 中断中断所谓中断是指，单片机内部有一个中断管理系统，它对内部的定时器事件、串行通信的发送和接收事件及外部事件（如键盘按键动作）等进行自动的检测判断，当有某个事件产生时，中断管理系统会置位相应标志通知 CPU，请求 CPU 迅速去处理。CPU 检测到某个标志时，会停止当前正在处理的程序流程，转去处理所发生的事件（针对发生的事件，调用某一特定的函数，称为该事件的中断服务函数） ，处理完以后，再回到原来被中断的地

8、方，继续执行原来的程序。1.1.41.1.4 数码管显示原理数码管显示原理数码管是一种把多个 LED 显示段集成在一起的显示设备，有两种类型：共阴和共阳如图 1- 3（a）和（b） 。共阳极的就是把多个 LED 显示段的阳极接在一起，又称为公共端；共阴极的就 是把多个 LED 显示段的阴极接在一起，称为公共端。通常数码管又分为 8 段，即 8 个 LED 显 示段，分别为 adp，其中 dp 是小数点位段。N 位 LED 显示器有 N 根位选线和 8N 根段选线。 根据显方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示位 的亮、灭。 数码管有两种显示方式：静态显示与动

9、态显示 静态显示方式：各位 LED 的位选线连在一起接地或接+5V；每位 LED 的段选线（adp）各与 一个八位并行口相连。 动态显示方式：将所有 LED 的段选线并联在一起，由一个八位 IO 口控制，而位选线分别由 相应的 IO 口线控制（如图 1-4） 本设计用的是数码管动态显示原理，利用人眼的视觉暂留性，依次给出各个数码管公共端加有 效信号，在此同时给出数码管加有效地数据信号，当全段扫面速度大于视觉暂留速度时，显示 就会清晰显示出来。 根据图 1-3(a)和（c）可推导出显示 09 的共阴代码（包括显示小数点）即为 0 时相应的显示段 亮图 1-3 LED 显示器1.21.2 控制器部

10、分控制器部分方案论证方案论证 方案一：时钟模块采用DS1302 芯片，功耗实时时钟电路结构、工作原理及其在实时显示时间 中的应用。它可以对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时。 方案二：采用51单片机，用51单片机加以一定的硬件电路，由于使用软硬件结合的方式，所以电路结构简单，调试也相对方便。1.31.3 显示部分的方案论证显示部分的方案论证方案一：采用 8 段数码管 LED 有两种显示方式：动态显示和静态显示。静态显示式是简单的将数码管的段选与 IO 口相连，另一端接 VCC 或 GND，动态显示则是将多个数码管的段选接至同一个 IO 口，位选接入相应的 IO 口，在编程时，分别点亮每一个

11、数码管， ，利用人眼的暂留效果即感觉到数码管是一直显示的。方案二：液晶显示方式。液晶显示效果出众，可以运用菜单项来方便操作但是价格相对比较贵，而且驱动程序相对于 LED 也比较复杂。 图-2 数码管显示电路1.41.4 最终方案最终方案控制器部分选择 AT89S52 作为始终电路的核心，显示部分选择 8 位 8 段数码管，扬声器部分由IO 连接至三极管作为驱动。由此结合单片机课程学习中对实验面板的了解，做出如下电路：图-3 proteus 仿真电路如图，晶振频率12MHz,P0口接一个上拉排阻，输出作为控制数码管的段控信号，经74LS573即8位数据锁存器接到数码管中；P2.0-P2.2经74

12、HC138连接到数码管位选，P27为74HC138的片选信号；P3.7经三极管与蜂鸣器相连；四个按钮分别与P3.0-P3.3相连。2.2.系统软件总流程设计系统软件总流程设计流程图如左图所示。主程序是先开始，然后启动定时器，定时器启动后在进行按键检测，检测完后，就可以显示时间，之后再检测是否响铃。 图-4 程序总流图按键处理是先检测切换功能位是否被按下，如果没有则显示保留当前状态，若按下，则显示下一个功能（顺序为时钟闹钟倒计时循环） ；判断以为案件是否按下，如果按下，被设置位就相应的改变（顺序为秒分时循环） ；判断“+”按键是否按下， “+”按键如果按下，相对应的被设置位就加 1；如果没有按下

13、，原数字不变。秒计时是采用中断方式进行溢出次数的累积，计满 20 次，即得到秒计时。从秒到分，从分到时是通过软件累加并进行比较的方法来实现的。要求每满 1 秒，则“秒”单元中的内容加 1；“秒”单元满 60，则“分”单元中的内容加 1；“分”单元满 60，则“时”单元中的内容加 1；“时”单元满 24，则将时、分、秒的内容全部清零。3.3.实时时钟程序设计步骤：实时时钟程序设计步骤：（1)计算初值；（2）采用中断方式进行溢出次数累计；（3）时钟显示：时钟时间在方位数码管上进行显示，直接通过显示子函数完成； （4）响铃程序：在一定的条件下是蜂鸣器播放声音；（5）时钟设置：对相应的设置为碱性加或减

14、操作；（6）中断服务程序：进行计时操作，并完成对时、分、秒的加或减操作。三程序调试过程：三程序调试过程：3.13.1 显示模块显示模块电子时钟显示采用数码管，显示模块采用动态显示的方式，即将所有 LED 的段选线并联在一起接至 P0，而位选线由 74HC138 的输出控制。一次可以推算出显示的位码为 smg_wei=0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf3,0xf2,0xf1,0xf0。正常显示状态：默认为走时状态，按 24 小时制分别显示“时时-分分-秒秒”，设置时间状态：数码管时间暂停，同时对应的待设置位会闪烁显示。判断当前的显示状态，既 flag_into 标志位。三个 flag

15、_int0 分别对应时钟、闹钟、倒计时。如下图所示：图-6 设置时间时的显示3.23.2 走时、倒计时功能走时、倒计时功能走时程序有内部中断 T0 完成，把定时器的定时时间定为 50ms。这样，计数溢出 20 次即可得到 1 秒。而计数 20 次可以用软件实现。然后完成通过程序对时、分、秒的加操作。同理，倒计时程序由内部中断 T1 完成，硬件定时 50ms，软件循环 20 次得到 1 秒，通过相应的程序完成时分秒的减操作。并在数码管上动态显示。综上所述在设置 T0、T1 定时器是即将 TMOD=0X11（0001 0001） ，THx=-50000/256，TLx=-50000%256，然后将相应的中断打开即可。走时截图如下:3.33.3 时间设置模块时间设置模块由于时钟有三个功能，而这三个功能对应时间内容都是暂时存放在三个对应的数组（time、alarm、timer）内，所以设置时间时要将待设置的时间装入一个临时数组（time_tmp）内。由于正常显示时间时，数码管是显示实时时间，而设置时间时，数码管则应该暂停显示，所以在调试时，在设置时间模块里加了一个读标志（read_flag）,当 read_flag 为 1 时，本模块可以读取相应数组的时间；反之则不能读取，如果不能读取时间则相当于时间一直停止在当前