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1、单片机原理及接口课程设计报告题 目：时钟系统设计姓名专业电信班级1学号20131指导教师： 陈 玮信息工程学院二0 一六年一月单片机原理及接口课程设计报告题 目：时钟系统设计专业名称：电子信息工程专业班 级：学 号：姓 名：2011年 12 月时钟系统设计摘要： 本系统是基于 AT89C51 单片机的具有准点报时、调时、以及可设闹钟功能的简单 数字时钟系统的设计。以AT89C51为核心控制器，系统分为时钟模块、显示模块、按键模块及 闹钟模块。系统以单片机内部定时器作为时钟模块的主要控制模块，通过频率计数实现计时功 能，采用了8位数码管来显示时间，采用独立按键做为时间调时以及闹钟设置按键，采用蜂
2、鸣 器作为报时闹钟系统。通过Keil软件C语言程序的编写、编译、调试以及硬件单片机的连接， 实现了时间显示（24 小时制）、闹钟设置、时间调试以及准点报时，可复位的功能，并运行了 该电路的程序，得出了符合实验设计要求的结果。关键字：数字时钟;AT89C51;数码管;C语言；闹钟;调时1 系统设计内容1.1 前言随着近年来科技的进步，单片机在近十年也取得了飞速的发展。目前，单片机已经渗透到 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，民用豪华轿车的安全
3、保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制， 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人、智能 仪表、医疗器械以及各种智能机械了。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。现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以MCS-51 为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产 品和中国台湾的WinBond系列单片机。以8031为核心的单片机占据了半壁江山，在一定的时 期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相 辅相成、共同发展的道路。数字
4、电子时钟作为单片机基础学习的一个重要的典型，是很多初学的学习单片机的很好的 例子，是对单片机的定时器的一个重要的应用。可以说，学习单片机的两个重点就是中断和定 时器，学会了数字时钟的编程就是对单片机学习的一个很好的综合应用。1.2 设计要求应用知识：I/O 口应用、数码显示、定时/计数器、中断。基本要求：设计一时钟系统，系统具有时钟功能，能准确显示时、分、秒。系统还应具有 校正功能：能够修改当前的时间。扩展部分：具备设定闹钟和定时闹钟响功能。1.3 设计思路通过软件程序的编程，硬件电路的调试，实现了简单时钟系统的设定，使得该系统具有正 常走时，能够正确的显示时、分、秒；能够进行调时，修改当前的
5、时间，并且能够设定闹钟， 使闹钟能够定时响。首先是时间的调试：若要进行正常的时间调试需要有进入时间的调时试状态按键以及调试 是加或者是减的按键，即每个状态要3 个按键，共有时、分、秒三个状态，这样就一共需要9 个按键，这样的编程太过复杂，硬件需要的按键也比较多。考虑到，可通过同一个按键来控制 定时器的走与停，以及通过按键的次数来控制所进入的调试状态是时、分还是秒。当调试进入 某一状态时，需要分别通过两个按键来控制时间的加与减，而此时的加与减的按键相当于是局 部变量，可以在三个状态中分别使用。这样一共就只需要3 个按键，大大节省了硬件并且简化 了软件的编程。设3个按键分别为keyl、key2和k
6、ey3，设计为当按键keyl被按下时，停止走 时，进入调时状态，当keyl被按下1次，进行秒的调整；当keyl被按下2次，进行分的调整， 当keyl被按下3次，进行时的调整；当keyl被按下4次，停止调时，继续进行走时。在keyl 被按下4次以下的情况下，若按下key2键，则进行时间加，若按下key3，则进行时间减。其次是闹钟设定：基于时间调试的设置思路，同样将进入闹钟状态以及闹钟设定的按键分 开，考虑到此时闹钟设置时，数码管的显示问题以及定时器的走时问题，故将进入闹钟的设定 状态和时设定、分设定的按键分开，而分和时的设定又都需要时间的加和减，即各需要两个按 键，再加上进入闹钟设定状态的一个按
7、键，共需要5 个按键来实现闹钟的设定。设这5个按键 分别为keyO、key4、key5、key6和key7，其中，keyO为进入闹钟状态按键，key4和key6分别 为分钟设定的加和减的按键， key5 和 key7 分别为时设定的加和减设定的按键。依照思路可设 定为当keyO 一直被按住的情况下，此时进入闹钟设定状态，但是定时器仍然在工作。在keyO 一直被按住的情况下，若key4或key5被按下，则分别进行分和时的累加状态；若key6和key7 被按下，则分别进行分和时的减状态，当放开keyO时，继续进行走时。若想再次进行闹钟的设 定，重复上述的步骤，不过当再次按下按键keyO时，则显示上
8、次设置的闹钟时间。2 系统方案设计2.1 方案论证(1) 、核心控制模块方案一：采用FPGA作为核心控制模块。由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进 行功能扩展，特别是结合了 EDA,可以达到很高的效率。此方案逻辑虽然简单一点，但是一块 FPGA的价格很高，对于做数字钟来说有一点浪费，而且FPGA比较难掌握，本设计中不作过 多研究，也不采用此方案。； 方案二：采用 AT89C51 作为核心控制模块。此方案中 AT89C51 单片机的入门学习相对交容易， 易于理解，外围电路比较简单，成本比较低，此系统控制灵活能很好地满足本课题的基本要求 和扩展要求，因此选用该方案。(2) 、显示模块方
9、案一：采用 LCD1602 液晶显示屏，液晶极其省电，但是使用有温度范围限制，且因是反光式 的，在外界光线很明亮的情况下很容易看不清楚。数码管是 LED 发光的效果，液晶是分子偏转 引起的暗影效果，显示不是很清晰。方案二：采用 LED 数码管显示，数码管在低电压小电流的驱动下就能够发光，发光响应时间短， 高频性好，单色性好，亮度高，显示相对而言比较清晰。而且体积小，重量轻，抗冲击性能好， 寿命长，成本低。(3) 、按键模块 方案一：采用矩阵按键，矩阵按键需要通过扫描控制和译码，设计时需要有数值移位寄存器对 已有数值进行存储和调用。软件程序设计比较繁琐，硬件连接复杂。 方案二：采用独立按键。单片
10、机仿真板上有专用独立按键，连接方便，使用简单。且易于软件 编程，适合本系统的设计。2.2 设计原理本系统数字时钟设计原理主要利用AT89C51单片机，由单片机的P0 口控制数码管的位显示， P2 口控制数码管的段显示，P3 口与按键相接用于时间的校正以及闹钟的设定。设计的主要方面 有计时原理，中断及定时器原理以及调时方式、按键的消抖。整个系统工作时，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，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，
11、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”采用 24 进制计时器，可实现对一 天24小时的累计。显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出，通过六个七段LED显示器显示 出来。校时电路是直接加一个脉冲信号到时计数器或者分计数器或者秒计数器来对“时”、 “分”、 “秒”显示数字进行校对调整。在本设计中， 24 小时时钟显示、秒表的设计和显示都是依靠单片 机中的定时器完成。使用定时器 T0 产生 1s 的中断，在中断程序中完成每一秒数字的变化，并在 主程序中动态显示该字符。典型的 8051 单片机有 5 个中断源(外部中断0、 1，内部定时器中断0、
12、1，串口中断)， 具有两个中断优先级。与中断系统有关的特殊功能寄存器有中断允许寄存器IE、中断优先级控 制寄存器IP、中断控制寄存器TCON和SCON中有关位。MCS 51单片机基本的中断系统结构如 下图所示。位。EXO = 1,允许中断；EXO = 0,禁止中断。ETO： T0的溢出中断允许位。ET0 = 1,允许T0中断；ETO = 0,禁止T0中断。EX1 :外部中断1中断允许位。EX1 = 1,允许外部中断 1中断；EX1 = 0,禁止外部中断1中断。ET1：定时器/计数器T1的溢出中断允许位。ET1 = 1,允许T1中断；ET1 = 0禁止T1中断。ES：串行口中断允许位。ES =
13、1,允许串行口中断;ES = 0禁止串行口中断。中断优先级管理寄存器IP （地址8BH）： MCS 51有两个中断优先级，一个正在被执行的低优先级中断服务程序能被高优先级中断所中断,但不能被另一个同级的或低优先级中断源所中断。CPU的查询顺序是：外部中断0,定时器T0中断，外部中断1,定时器T1中断， 串行口中断（先外部后内部，先0后1）。中断服务函数的格式如下所示：void 函数名（void） interrupt n using m 函数体语句 其中，interrupt和using是为编写C51中断服务程序而引入的关键字，interrupt表示该函数 是一个中断服务函数, interrupt
14、 后的整数 n 表示该中断服务函数是对应哪一个中断源。每个 中断源都有系统指定的中断编号：表 1 中断编号表中断源外部中断0定时器中断T0外部中断1定时器中断T1串行口中断中断编号0123451 单片机有三个内部中断，16 位定时器计数器 T0、T1 的溢出中断源和串行口的发送/ 接收中断。对TO和T1中断，当定时计数回溢出时，由硬件自动置位TCON中的TF0或TF1 中断请求标志位。定时/计数器实际上是一个加 1 计数器，它可以工作于定时方式，也可以工作 于计数方式。两种工作方式实际上都是对脉冲计数，只不过所计脉冲来源不同。定时器的脉冲 是由 51 单片机的内振荡器经过12 分频后产生的，故
15、当单片工作于定时状态时，计数脉冲的最 高频率为 f=fosc/12。51单片机的寄存器有方式控制寄存器TMOD；加法计数寄存器TH0、TH1 （高八位），TL0、 TL1 （低八位）；定时/计数到标志TFO、TF1 （中断控制寄存器TCON）；定时/计数器启停控制 位TRO、TR1（TCON）；定时/计数器中断允许位ETO、ET1 （中断允许寄存IE）；定时/计数器 中断优先级控制位PTO、PT1 （中断优IP）。在定时器工作前，必须将控制命令写入定时器的控 制寄存器，即进行初始化。TMOD的低四位为TO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。TMOD各位的含义如下：1.工作方式选择位M1、MO : M1、MO的状态决定定时器的工作方式：表 2 工作方式选择表M1M0功能说明00工作方式0（13位方式）01工作方式1（16位方式）10工作方式2 （8位自动装入计数初值方式）11工作方式3 （T0为两个8位方式）2.定时和计数方式选择位C/T。当C/T=1时为计数方式；C/T=O时为定时方式。3.门控位GATE。GATE与TRO、TR1配合决定定时/计数器的启停。当GATE = O时，软启动。 定时器/计数器的启停只受定时器运行控制位（TRO、TR1）的控制。当GATE = 1时，软硬启动。 定时器/计数器的启停除受TRO、T
