電氣自動化專業(yè)論文電子時鐘

1、摘要：單片機即單片微型計算機。（Single-Chip Microcomputer ）,是集 CPU ,RAM ,ROM ,定時，計數和多種接口于一體的微控制器。他體積小，成本低，功能強，廣泛應用于工業(yè)自動化上和智能產品。時鐘，自從它被發(fā)明的那天起，就成為了人類的好朋友，但隨著時間的推移，科學技術的不斷發(fā)展，時鐘的應用越來越廣范，人們對時間計量的精度要求也越來越高。然而，我們可以利用單片機功能集成化高，價格又便宜的特點設計一款結構既簡單，價格又便宜的單片機電子時鐘。用一揚聲器來設計時鐘電路，使用了AT89C51單片機芯片控制電路，單片機控制電路簡單且省去了很多復雜的線路，使得電路簡明易懂，使用

2、鍵盤鍵上的按鍵來調整時鐘的時、分、秒，進行定時提醒，同時使用匯編語言程序來控制整個時鐘顯示，使得編程變得更容易，這樣通過四個模塊：鍵盤、芯片、揚聲器、顯示屏即可滿足設計要求。單片機電子時鐘它的基本功能，能夠顯示時、分、秒，并能夠調整時、分、秒。并且它有一定的擴展功能，能夠任意設置定時時間，定時時間到鬧鈴能夠報警，實現了秒表功能。關鍵詞：單片機 ； 時鐘 ； 計時1 引言單片機自1976年由Intel公司推出MCS-48開始，迄今已有三十多年了。由于單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點，目前已經滲入到人們工作和生活的方方面面，幾乎“無處不在，無所不為”

3、。單片機的應用領域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費產品、辦公自動化、汽車電子、PC機外圍以及網絡通訊等廣大領域。單片機有兩種基本結構形式:一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序存儲器和數據存儲器合用一個存儲器空間的結構，稱為普林斯頓結構。另一種是將程序存儲器和數據存儲器截然分開，分別尋址的結構，一般需要較大的程序存儲器，目前的單片機以采用程序存儲器和數據存儲器截然分開的結構為多。本文討論的單片機多功能定時器的核心是目前應用極為廣泛的51系列單片機，配置了外圍設備，構成了一個可編程的計時定時系統(tǒng)，具有體積小，可靠性高，功能強等特點。不僅能滿足所需要求而且還有很多功能

4、可供開發(fā)，有著廣泛的應用領域。20世紀80年代中期以后，Intel公司以專利轉讓的形式把8051內核技術轉讓給許多半導體芯片生產廠家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。這些廠家生產的芯片是MCS-51系列的兼容產品，準確地說是與MCS-51指令系統(tǒng)兼容的單片機。這些兼容機與8051的系統(tǒng)結構（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用CMOS工藝，因而，常用80C51系列來稱呼所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機，它們對8051單片機一般都作了一些擴充，更有特點。其功能和市場競爭力更強，不該把它們直接稱呼為MCS-51系列單片機，因為MCS只是Intel公司專用的單片機系

5、列型號。MCS-51系列及80C51單片機有多種品種。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內部結構上有些區(qū)別。目前使用的MCS-51系列單片機及其兼容產品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超8位型、片內閃爍存儲器型。在日常生活和工作中，我們常常用到定時控制，如擴印過程中的曝光定時等。早期常用的一些時間控制單元都使用模擬電路設計制作的，其定時準確性和重復精度都不是很理想，現在基本上都是基于數字技術的新一代產品，隨著單片機性能價格比的不斷提高，新一代產品的應用也越來越廣泛，大可構成復雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，完成復雜的控制功能。小則可以用于家電控制，甚至可以用于兒童電子玩具。它功能強

6、大，體積小，質量輕，靈活好用，配以適當的接口芯片，可以構造各種各樣、功能各異的微電子產品。隨著電子技術的飛速發(fā)展，家用電器和辦公電子設備逐漸增多，不同的設備都有自己的控制器，使用起來很不方便。根據這種實際情況，設計了一個單片機多功能定時系統(tǒng)，它可以避免多種控制器的混淆，利用一個控制器對多路電器進行控制，同時又可以進行時鐘校準和定點打鈴。它可以執(zhí)行不同的時間表（考試時間和日常作息時間）的打鈴，可以任意設置時間。這種具有人們所需要的智能化特性的產品減輕了人的勞動，擴大了數字化的范圍，為家庭數字化提供了可能。2 MCS-51單片機的結構MCS-51單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內容都集成在一

7、個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器（CPU）、數據存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定時器/計數器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（SFR）。它們都是通過片內單一總線連接而成，其基本結構依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。2.1 控制器控制器是單片機的指揮控制部件，控制器的主要任務是識別指令，并根據指令的性質控制單片機各功能部件，從而保證單片機各部分能自動而協調地工作。單片機執(zhí)行指令是在控制器的控制下進行的。首先從程序存儲器中讀出指令，送指令寄存器

8、保存，然后送至指令譯碼器進行譯碼，譯碼結果送定時控制邏輯電路，由定時控制邏輯產生各種定時信號和控制信號，再送到單片機的各個部件去進行相應的操作。這就是執(zhí)行一條指令的全過程，執(zhí)行程序就是不斷重復這一過程?？刂破髦饕ǔ绦蛴嫈灯鳌⒊绦虻刂芳拇嫫?、指令寄存器IR、指令譯碼器、條件轉移邏輯電路及時序控制邏輯電路。2.2 存儲器的結構MCS-51單片機存儲器采用的是哈佛結構,即程序存儲器空間和數據存儲器空間截然分開,程序存儲器和數據存儲器各有自己的尋址方式,尋址空間和控制系統(tǒng)。這種結構對于單片機面向控制的實際應用極為方便,有利.在8051/8751彈片擊中,不僅在片內集成了一定容量的程序存儲器和數據存

9、儲器及眾多的特殊功能寄存器,而且還具有極強的外存儲器的擴展能力,尋址能力分別可達64KB,尋址和操作簡單方便。MCS-51的存儲器空間可劃分為如下幾類:（1） 程序存儲器單片機系統(tǒng)之所以能夠按照一定的次序進行工作,主要是程序存儲器中存放了經調試正確的應用程序和表格之類的固定常數。程序實際上是一串二進制碼,程序存儲器可以分為片內和片外兩部分。8031由于無內部存儲器,所以只能外擴程序存儲器來存放程序。MCS-51單片機復位后,程序存儲器PC的內容為0000H,故系統(tǒng)必須從0000H單元開始取指令,執(zhí)行程序.程序存儲器中的0000H地址是系統(tǒng)程序的啟動地址.一般在該單元存放一條絕對跳轉指令,跳向用

10、戶設計的主程序的起始地址。（2） 內部數據存儲器MCS-51單片機內部有128個字節(jié)的隨機存取存儲器RAM,作為用戶的數據寄存器,它能滿足大多數控制型應用場合的需要,用作處理問題的數據緩沖器。MCS-51單片機的片內存儲器的字節(jié)地址為00H-7FH.MCS-51單片機對其內部RAM的存儲器有很豐富的操作指令,從而使得用戶在設計程序時非常方便。地址為00H-1FH的32個單元是4組通用工作寄存器區(qū),每個區(qū)含8個8位寄存器,編號為R7-R0。用戶可以通過指令改變PSW中的RS1,RS0這二位來切換當前的工作寄存器區(qū),這種功能給軟件設計帶來極大的方便,特別是在中斷嵌套時,為實現工作寄存器現場內容保護

11、提供了極大的方便。（3） 特殊功能寄存器(SFR-Special Function Register)特殊功能寄存器反映了MCS-51單片機的狀態(tài),實際上是MCS-51單片機各功能部件的狀態(tài)及控制寄存器。SFR綜合的,實際的反應了整個單片機基本系統(tǒng)內部的工作狀態(tài)及工作方式。SFR實質上是一些具有特殊功能的片內RAM單元,字節(jié)地址范圍為80H-FFH.特殊功能寄存器的總數為21個,離散的分布在該區(qū)域中,其中有些SFR還可以進行位尋址。128個字節(jié)的SFR塊中僅有21個字節(jié)是由定義的。對于尚未定義的字節(jié)地址單元,用戶不能作寄存器使用,若訪問沒有定義的單元，則將得到一個不確定的隨機數。2.3 并行I

12、/O口MCS-51單片機共有4個雙向的8位并行I/O端口（Port），分別記作P0-P3，共有32根口線，各口的每一位均由鎖存器、輸出驅動器和輸入緩沖器所組成。實際上P0-P3已被歸入特殊功能寄存器之列。這四個口除了按字節(jié)尋址以外，還可以按位尋址。由于它們在結構上有一些差異，故各口的性質和功能有一些差異。P0口是雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數據總線分時復用口，可驅動8個LS型TTL負載。P1口是8位準雙向I/O口，可驅動4個LS 型負載。P2口是8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復用，可驅動4個LS型TTL負載。P3口是8位準雙向I/O口，是雙功能復用口，可驅動4個L

13、S型TTL負載。P1口、P2口、P3口各I/O口線片內均有固定的上拉電阻，當這3個準雙向I/O口做輸入口使用時，要向該口先寫“1”，另外準雙向I/O口無高阻的“浮空”狀態(tài)，故稱為雙向三態(tài)I/O 口。2.4 時鐘電路與時序時鐘電路用于產生MCS-51單片機工作時所必需的時鐘信號。MCS-51單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為保證同步工作方式的實現，MCS-51單片機應在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按時序執(zhí)行進行工作，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各個信號的關系。在執(zhí)行指令時，CPU首先要到程序存儲器中取出需要執(zhí)行的指令操作碼，然后譯碼，并由時序電路產生一系列控制信號去完成指令所規(guī)定的操作。CP

14、U發(fā)出的時序信號有兩類，一類用于片內對各個功能部件的控制，這列信號很多。另一類用于片外存儲器或I/O端口的控制，這部分時序對于分析、設計硬件接口電路至關重要。2.5 單片機的應用領域單片機應用領域可以歸納為以下幾個方面。（1） 智能儀表用單片機系統(tǒng)取代老式的測量、控制儀表，實現從模擬儀表向數字化、智能化儀表的轉化，如各種溫度儀表、壓力儀表、流量儀表、電能計量儀表等。（2）測控系統(tǒng)用單片機取代原有的復雜的模擬數字電路，完成各種工業(yè)控制、數據采集系統(tǒng)等工作。（3）電能變換應用單片機設計變頻調速控制電路。（4）通信用單片機開發(fā)通信模塊、通信器材等。（5）機電產品應用單片機檢測、控制傳統(tǒng)的機械產品，使

15、傳統(tǒng)的機械產品結構簡化，控制智能化，提高了機電產品的可靠性，增強了產品的功能。（6）智能接口在數據傳輸中，用單片機實現外部設備與微機通信。3 電子時鐘的設計要求3.1基本功能（1）能夠顯示時、分、秒（2）能夠調整時、分、秒3.2 擴展功能（1）能夠任意設置定時時間（2）定時時間到鬧鈴能夠報警（3）實現了秒表功能（4）基本實現設計要求的功能。 4 硬件總體設計方案用一揚聲器來設計時鐘電路，使用了AT89C51單片機芯片控制電路，單片機控制電路簡單且省去了很多復雜的線路，使得電路簡明易懂，使用鍵盤鍵上的按鍵來調整時鐘的時、分、秒，進行定時提醒，同時使用匯編語言程序來控制整個時鐘顯示，使得編程變得更

16、容易，這樣通過四個模塊：鍵盤、芯片、揚聲器、顯示屏即可滿足設計要求。4.1系統(tǒng)功能實現總體設計思路如圖4-10 所示為AT89S51芯片的引腳圖此設計原理框圖如圖4-11所示，此電路包括以下四個部分：單片機，鍵盤，鬧鈴電路及顯示電路。鬧鈴電路AT89C51獨立鍵盤數碼管顯示圖4-11 設計原理框圖經多方論證硬件采用AT89C51單片機和7SED八位共陽極數碼管等來實現單片機電子時鐘的功能。詳細元器件列表如表4.12所示：表4.12 詳細元器件列表AT89c511片7SED八位共陽極數碼管1片NPN三極管1個104p電容6個30p電容2個10K電阻6個560歐姆電阻8個200歐姆電阻1個100歐

17、姆電阻6個4.2各部分功能實現（1） 單片機發(fā)送的信號通過程序控制最終在數碼管上顯示出來。（2） 單片機通過輸出各種電脈沖信號來驅動控制各部分正常工作。（3） 為使時鐘走時與標準時間一致，校時電路是必不可少的，鍵盤用來校正數碼管上顯示的時間。單片機通過控制鬧鈴電路來完成 定時鬧鐘的功能4.3系統(tǒng)工作原理設計的電路主要由四模塊構成：單片機控制電路，顯示電路、鬧鈴電路以及校正電路。本設計采用匯編語言程序設計，使單片機控制數碼管顯示時、分、秒，當秒計數計滿60時就向分進位，分計數器計滿60后向時計數器進位，小時計數器按“23翻0”規(guī)律計數。時、分、秒的計數結果經過數據處理可直接送顯示器顯示。當計時發(fā)

18、生誤差的時候可以用校時電路進行校正。設計采用的是時、分、秒顯示，單片機對數據進行處理同時在數碼管上顯示。詳細電路功能圖如圖4-30： 詳細電路功能圖如圖4-304.4時鐘各功能分析及圖解（1） 時鐘運行圖仿真開始運行時，或按下key4鍵時，時鐘從12：00：00開始運行，其中key2鍵對分進行調整，key3對小時進行調整，key6可以讓時鐘暫停。時鐘運行圖如圖 4-41 所示：（2）秒表計時圖當按下key1鍵進入秒表計時狀態(tài)，key6是秒表暫停鍵，可按key4鍵跳出秒表計時狀態(tài)。秒表計時圖如圖 4-42所示： 圖4-41 時鐘運行圖圖4-42 秒表計時圖（3）鬧鈴設置圖及運行圖當按下key5，

19、開始定時，分別按key2調分，key3調時設置鬧鈴時間，然后按下key4鍵恢復時鐘運行狀態(tài)(圖4-43)當鬧鈴設置時間到時，蜂鳴器將發(fā)出10秒中蜂鳴聲（圖4-44）。 圖4-43 鬧鈴時間設置圖該數字鐘是用一片AT89C51單片機通過編程去驅動8個數碼管實現的。通過6個開關控制,從上到下6個開關KEY1-KEY6的功能分別為：KEY1,切換至秒表；KEY2,調節(jié)時間,每調一次時加1；KEY3, 調節(jié)時間,每調一次分加1；KEY4,從其它狀態(tài)切換至時鐘狀態(tài)；KEY5,切換至鬧鐘設置狀態(tài),也可以對秒表清零；KEY6,秒表暫停.控制鍵分別與P1.0P1.5口連接其中：A通過P2口和P3口去控制數碼管

20、的顯示如圖所示P2口接數碼管的ag端，是控制輸出編碼,P3口接數碼管的18端,是控制動態(tài)掃描輸出B從P0.0輸出一個信號使二極管發(fā)光，二極管在設置的鬧鐘時間到了時候發(fā)光，若有樂曲可以去驅動揚聲器實現。 圖4-44 鬧鈴運行圖 4.5電路功能使用說明（1） 各個控制鍵的功能：可對時間進行校準調節(jié)（只能加）；按下設置鍵數字時鐘進入鬧鐘設置狀態(tài)，設置鬧鐘的時間；時加、分加鍵是在校準時間時或設置鬧鐘時間對小時數或分鐘數調節(jié)而設置的；按下秒切換鍵就可以進入秒表模式，同時秒表也開始計時，按下秒表暫停、復位鍵就暫停、歸零，如果要重新對秒計時則可以按秒表開始、復位；清零鍵可以對鬧鐘清零。（2） AT89C51

21、單片機，通過編寫程序對數碼顯示進行控制。（3） 八個7段數碼管顯示時鐘和秒表信號。5 軟件總體設計方案5.1 主程序流程圖軟件程序從開始執(zhí)行，先通過初始化各個寄存器，經過掃描按鍵來決定是否設定參數來執(zhí)行相應功能的程序，進而在數碼管上顯示。如圖5-10： 開始定時器及中斷定時器初始化執(zhí)行時鐘秒表鬧鈴設定程序是否設定參數執(zhí)行顯示程序NY 主程序流程圖分數值time.minute加1time.second歸零Tcount加1返回主程序實數值time1.boun加1time1.mintet歸零Time1.bour>23時數值time1.hour歸零Tount1=100?秒數值time1.seco

22、nd加1second歸零執(zhí)行鬧鐘程序p0.0=1判斷時間與鬧鐘時間是否一致鬧鐘程序是否行完全Time1.second=60?Time.minute=60?恢復初值保護5.2總中斷程序流程 圖5-20 中斷流程圖時間的顯示通過此中斷程序來控制，并且通過與設定的時間進行比較來判斷是否讓鬧鈴工作。程序中包含時間的設定，如設定tcount來使秒等工作，進而來控制分和時。如上圖圖5-20。（1） 秒表中斷程序流程秒表功能通過另一個程序來實現。通過保護主程序的數據來進行秒表功能。程序中需要設置秒表的具體顯示方法。如圖5-3：恢復初值保護10ms計數器加1恢復初值保護秒計數器加1，10ms計數器歸零,即se

23、c+,ms=0Sec>60?Ms>100?輸出字碼，中斷結束，返回上級主程序分計數器加1，秒計數器歸零，即minit+,sec=0 N N 圖5-3秒表中斷程序流程圖（2）按鍵程序流程圖5-4為時鐘和鬧鐘的調節(jié)，程序中通過掃描來判斷按鍵是否按下進行時間和鬧鐘的調節(jié)。程序初始化時十位歸零alarms【7】=0分時位歸零alarms4=0分十位歸零輸出時鐘時十位加一輸出鬧鐘時個位加一，延時輸出時鐘十位加一輸出時鐘十個位加一輸出時鐘分個位加一，延時輸出鬧鐘時分位加一輸出鬧鐘時十位加一輸出鬧鐘分個位加一，延時時十位歸零判斷標志位是否為零Alarms4>2Alarms7>2Ala

24、rms【3】>0Dat16>9Dat17Alarms6>9Dat13>9Dat14>2判斷標志是否為零判斷時i加鍵是否按下判斷分加鍵是否按下圖5-4按鍵程序流程圖圖5-5為進入中斷和清零圖，程序中通過掃描來判斷按鍵是否按下進行執(zhí)行相應的中斷來事實現相應的功能。判斷分加鍵tminute是否按下，P1.1=0判斷秒表miaobiao1是否按下按下,P1.0=0，tgsdhPP1.0=0判斷清零鍵miaobiao2是否按下，P1.3=0進入秒表中斷，執(zhí)行秒表中斷程序返回上級主程序清零所有的計數器，各個顯示的字碼。圖5-5 中斷和清零程序流程圖5.3控制電路匯編語言源程序

25、定義管腳S_SET BIT P1.0 ;數字鐘秒控制位M_SET BIT P1.1 ;分鐘控制位H_SET BIT P1.2 ;小時控制位SECOND EQU 30HMINUTE EQU 31HHOUR EQU 32HORG 00HSJMP MAINORG 0BHLJMP INT_T0MAIN: MOV DPTR,#TABLE MOV HOUR,#0 ;初始化 MOV MINUTE,#0 MOV SECOND,#0 MOV R0,#0 MOV TMOD,#01H MOV TH0,#3CH ; 設置初值（定時50毫秒) MOV TL0,#0B0H SETB TR0 ;啟動定時 SETB ET0

26、SETB EA;*;判斷是否有控制鍵按下A1: LCALL DISPLAY JNB S_SET,S1 JNB M_SET,S2 JNB H_SET,S3 LJMP A1S1: LCALL DELAY ;去抖動 JB S_SET,A1 INC SECOND ;秒值加1 MOV A,SECOND CJNE A,#60,J0 ;判斷是否加到60秒 MOV SECOND,#0 LJMP K1S2: LCALL DELAY JB M_SET,A1 K1: INC MINUTE ;分鐘值加1 MOV A,MINUTE CJNE A,#60,J1 ;判斷是否加到60分 MOV MINUTE,#0 LJMP

27、K2S3: LCALL DELAY JB H_SET,A1 K2: INC HOUR ;小時值加1 MOV A,HOUR CJNE A,#24,J2 ;判斷是否加到24小時 MOV HOUR,#0 MOV MINUTE,#0 MOV SECOND,#0 LJMP A1;*;等待按鍵抬起J0: JB S_SET,A1 LCALL DISPLAY SJMP J0J1: JB M_SET,A1 LCALL DISPLAY SJMP J1J2: JB H_SET,A1 LCALL DISPLAY SJMP J2;*;定時器中斷服務程序,對秒,分鐘和小時的計數INT_T0: MOV TH0,#3CH M

28、OV TL0,#0B0H INC R0 MOV A,TCNT CJNE A,#20,RETUNE ;計時1秒 INC SECOND MOV R0,#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 R0,#0RETUNE: RETI;*;顯示控制子程序DISPLAY: MOV A

29、,SECOND ;顯示秒 MOV B,#10 DIV AB CLR P3.6 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAY SETB P3.6 MOV A,B CLR P3.7 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAY SETB P3.7 CLR P3.5 MOV P0,#40H ;顯示分隔符 LCALL DELAY SETB P3.5 MOV A,MINUTE ;顯示分鐘 MOV B,#10 DIV AB CLR P3.3 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAY SETB P3.3 MOV A,B CLR P3

30、.4 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAY SETB P3.4 CLR P3.2 MOV P0,#40H ;顯示分隔符 LCALL DELAY SETB P3.2 MOV A,HOUR ;顯示小時 MOV B,#10 DIV AB CLR P3.0 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAY SETB P3.0 MOV A,B CLR P3.1 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DELAY SETB P3.1 RETTABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FHDELAY: MOV R6,#5D1: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RET END這里的程序沒用38譯碼器，若要用則顯示子程序要改如 要顯示秒，程序如下DISPLAY: MOV A,SECOND ;顯示秒 MOV B,#10 DIV AB MOV R7,#60HORG A,R7MOV P0,ALCALL DELAYMOV A,BMOV R7,#70H