基于單片機的電子時鐘設計.doc

摘要近幾年，單片機在各個領域得到廣泛的應用。本文介紹的是基于AT89C51單片機的數(shù)字式電子時鐘的設計，包括硬件以及軟件的設計。該設計通過軟件編程的方法實現(xiàn)了以24小時為一個周期并能同時顯示小時、分鐘和秒以及具有整點報時的功能。該電子時鐘設有三個按鍵：SB1、SB2和SB3，使之具有校時功能。關鍵詞：電子時鐘；AT89C51單片機；蜂鳴器；數(shù)碼管；設計與仿真ABSTRACTSingleChipMicrocomputerhasachievedaimmersepopularityinallfieldsinrecentyears.ThisarticledescribesisbasedonAT89C51MCUdesignofelectronicclock,includingthedesignofhardwareandsoftware.Thedesignmethodofsoftwareprogramming,theclockcandisplayhour,minuteandsecondatthesametimeina24-hourcycleaswellasthewholepointtimekeepingfunction.Thiskindofelectronclockisequippedwiththreekeys.SB1,SB2andSB3,whichenabletheclocktoadjusttokeepaccuratetime.Keywords:Electronclock；AT89C51MCU；Buzzer；Alphanumericdisplay；Designandstimulation目錄1緒論.12單片機的簡單介紹.12.1單片機的定義及特點.12.2單片機的分類.22.3單片機的應用與發(fā)展.23AT89C51單片機簡介.23.1單片機的結(jié)構(gòu).23.2中央處理器(CPU)的結(jié)構(gòu).33.2.1運算器.33.2.2控制器.33.3硬件結(jié)構(gòu)及引腳說明.43.4單片機的存儲器.73.4.1程序存儲器（ROM）.73.4.2數(shù)據(jù)存儲器（RAM）.73.4.3特殊功能寄存器（SFR）.84LED數(shù)碼管簡介.95軟件設計.126時鐘設計的硬件仿真.146.1仿真軟件的介紹.146.2數(shù)字電子時鐘硬件電路原理及設計.156.3數(shù)字電子時鐘仿真.186.3.1選擇仿真元件.186.3.2繪制仿真圖.196.4整機仿真及調(diào)試.197結(jié)論.22參考文獻.23致謝.24附錄.2511緒論近些年來隨著計算機的普及和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機的應用迅猛發(fā)展，由于它體積小，耗能低，功能強，價格便宜，工作穩(wěn)定，使用方便，因此單片機被廣泛應用于越來越廣泛地應用于智能化儀器，家用自動控制，數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集，軍工產(chǎn)品以及工業(yè)自化控制領域。石英晶體振蕩器，簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應的石英晶體片制成的。由于其體積小、重量輕、可靠性高、極高的頻率穩(wěn)定性。因而被作為一種高精確的計時工具。電子鐘，石英鐘，石英表均采用了晶振計時技術，因而它們計時精確度高，性能穩(wěn)定，使用方便，也不經(jīng)常需要校準。數(shù)字式電子鐘利用晶振計時，用LED顯示器代替機械指針顯示指示的時間，用譯碼器代替表針機械式傳動，因而誤差極小。這種電子時鐘能夠精確顯示時，分，秒，還可以自動進行時和分的校準，大大地擴展了鐘表原先僅有的報時功能。電子時鐘的出現(xiàn)給人們生產(chǎn)生話帶來了極大的方便。使得電子時鐘被廣泛的應用于個人家庭、碼頭、車站、辦公室等場所的各個角落，已成為人們口常生話中不可缺少的必需品。目前的電子時鐘大都基于單片機，并加以時鐘芯片構(gòu)成。以單片機為核心，可以很方便的擴展很多種外圍電路進而可以增添多種功能，比如語音芯片，溫、濕度傳感器等?？梢允闺娮訒r鐘的功能更加強大。增添外圍電路，增添新的程序，便可以使它實現(xiàn)不同的功能。比如說電子萬年歷就比普通的電子日歷功能更多，就是以電子時鐘為基礎。而通常基于單片機設計數(shù)字時鐘有兩種：（1）使用單片機自帶的時鐘來計時。這種設計方法硬件線路簡單，但是程序相對比較復雜，系統(tǒng)功能跟軟件設計有很大的關系。使用與對時間精度要求不高的場合。（2）是采用專門的時鐘芯片，時鐘芯片集成度高，功能強大，它能利用自帶的時鐘計時并具有自動校準功能，因而計時精度極高。這樣設計軟件編程相對簡單，但是硬件成較高，適用于對時間精確度要求較高的場合使用。本文主采用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器來實現(xiàn)計時的方法，本設計基于單片機AT89C51芯片，顯示電路采用LED數(shù)碼管，輔以必要的外圍電路，便構(gòu)成了一機構(gòu)簡單，適用方便的新型電子時鐘2單片機的簡單介紹2.1單片機的定義及特點單片機是一種微型計算機，內(nèi)部集成運算器，控制器、存貯器、總線等器件。存儲器2包括程序存貯器ROM（用存儲程序和常用的數(shù)據(jù)）、數(shù)據(jù)存貯器RAM（用于存儲程序運行中的數(shù)據(jù)）、帶有并行和串行接口（便于與外圍電路相連）、自帶定時器/計數(shù)器、和中斷控制系統(tǒng)等。目前大部分單片機還支持外擴存儲器的功能，隨著集成電路的快速發(fā)展，單片機的功能也越來越強大，集成諸如高速計數(shù)端口、通訊接口、PW波調(diào)制、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在功能更為強大，它甚至可以將聲音、網(wǎng)絡、圖像、復雜的輸入輸出功能全部集在一起。由于單片機體積小、安裝適用方便價格低等優(yōu)點因而很適合各種復雜度不高的控制場合里。2.2單片機的分類按照單片機的類型，單片機有：（1）STC系列單片機；（2）具有ISP功能的單片機；（3）PIC系列單片機；（4）AVR單片機；（5）AT系列單片機。2.3單片機的應用與發(fā)展單片機已經(jīng)出現(xiàn)在我們生活的各個領域。大到控制導彈的導航，飛機控制，小到洗衣機和玩具。計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的計時控制和處理數(shù)據(jù)，廣泛使用的各種智能IC卡，數(shù)碼相機，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，還有程控玩具、電子寵物等等，由于單片機價格低廉，性能穩(wěn)定，因而越來越受到電子設計者的喜歡。單片機應用大致可分幾個方面：(1)智能儀器儀表；(2)工業(yè)控制；(3)家電管理；(4)計算機網(wǎng)絡；(5)醫(yī)療設備；(6)機器人控制；單片機發(fā)展方向：（1）向主流機型發(fā)展：（2）軟件嵌入：（3）向RISC體系結(jié)構(gòu)發(fā)展：（4）專用性單片機發(fā)展：(5)向全盤CMOS化發(fā)展。3AT89C51單片機簡介3.1單片機的結(jié)構(gòu)AT89C51采用CMS工藝，因而功耗很低。存儲上采用非易失存儲技術。片內(nèi)含有高性能的4KB快閃可編程/擦除只讀存儲器（FPEROMFlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）。COMS8位微控制器，其引腳和指令系統(tǒng)與80C51完全兼容。允許在芯片上的FPEROM在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對存儲器重復編程。MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架，如圖3-13端口0驅(qū)動器端口2驅(qū)動器RAM（1288）端口0鎖存器端口2鎖存器ROM（4K8）程序地址寄存器緩沖器PC加1寄存器程序計數(shù)器PC數(shù)據(jù)指針DPTR堆棧指示器SPPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUF（TX）SBUF（RX）IE中斷、串行口和定時器RAM地址寄存器ACCB寄存器ALU狀態(tài)寄存器暫存器2暫存器1定時與控制指令寄存器端口1鎖存器端口3鎖存器端口1驅(qū)動器端口3驅(qū)動器XTAL1XTAL2P0.0P0.7P2.0P2.7P1.0P1.7P3.0P3.7ALERSTPSENEAVccVss（5V）圖3-1MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架3.2中央處理器(CPU)的結(jié)構(gòu)MCS-51單片機內(nèi)部有一個8位的CPU處理器，同時CPU內(nèi)部包含了運算器，控制器、寄存器和總線組成。3.2.1運算器運算器（ALU）完成二進制的算術/邏輯運算部件為核心，再加上暫存器TMP、寄存器B、PSW程序狀態(tài)標志寄、ACC存器累加器、B及布爾處理器。加器ACC（一個八位寄存器）是CPU中工作最頻繁的器件。在進行算術和邏輯運算時，累加器ACC往往在運算前暫存一個操作數(shù)（比如是被乘數(shù)），而運算后又保存其結(jié)果（比如代數(shù)積）。寄存器B主要用于乘法和除法運算操作。PSW標志寄存器（一個八位寄存器），用來存放運算結(jié)果的一些特征，如無進位、溢出標志位等。3.2.2控制器控制器是CPU的中樞神經(jīng)，它帶有定時控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、SP堆棧指針、DPTR地址指針及PC程序計數(shù)器等。PC程序計數(shù)器是一個16位寄存器構(gòu)成的計數(shù)器。如果在單片機執(zhí)行一個程序，必須把該程序按順序預先裝入存儲器ROM的某個4區(qū)域。單片機啟動后應該按順序一條條取出指令來加以執(zhí)行。因此，必須有一個電路可以找出指令在的單元地址，該電路就是程序計數(shù)器PC。當單片機開始執(zhí)行程序時，PC裝入第一條指令所在地址，每當它每取出一條指令（如為多字節(jié)指令，則每取出一個指令字節(jié)），PC的內(nèi)容就會自動加1，代表指向下一條指令的地址，這樣可以使指令能夠順序執(zhí)行。只有遇到轉(zhuǎn)移指令、序調(diào)子程用指令，或中斷處理時，PC自動跳轉(zhuǎn)到所需要的地方去。89c51CPU通過PC指定的地址，從ROM相應單元中取出指令字節(jié)并放在指令寄存器中寄存，然后翻譯指令：指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號，這些信號可以與單片機時鐘振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖在定時和控制電路中相結(jié)合，形成按一定規(guī)律按節(jié)拍變化的電平和時鐘，也就是我們所指的控制信息，協(xié)調(diào)在CPU內(nèi)部寄存器之間的數(shù)據(jù)運算、傳輸操作結(jié)果保存等。3.3硬件結(jié)構(gòu)及引腳說明MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3-2所示。圖3-2MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89C51單片機運用40Pin封裝的雙列直接DIP封裝結(jié)構(gòu)，下圖是它IO口的引腳配置，外部中斷引腳與P3引腳復用，40個引腳中，包括電源正極和電源負極，外接石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位雙向32個I/O口，。現(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以簡單說明，如圖3-3所示。時鐘電路SF和RAMROMCPU定時/計數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系統(tǒng)總線時鐘源T0T1P0P1P2P3TXDRXDINT0INT15XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115U180C51圖3-3AT89C51單片機引腳圖P0口（3932腳）：P0.0P0.7。可以作為準雙向輸入/輸出口(在不接片外存儲器與不擴展I/O口時)。在外擴片外存儲器或擴展I/O口時，P0口可以分時復用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線使用。它是為一個沒有內(nèi)部上拉電阻的IO口，在使用時一般需要外接上拉電阻。P1口（18腳）：P1.0P1.7，可以作為準雙向I/O口使用內(nèi)部含有上拉電阻。驅(qū)動電流為5毫安，灌電流為20毫安左右。P2口（2128腳）：P2.0P2.，一般作為準雙向I/O口使用；在接有片外存儲器或擴展I/O口且尋址范圍超過256字節(jié)時，P2口被用作高8位地址總線，實現(xiàn)片外數(shù)據(jù)讀取。P3口（1017腳）：P3.0P3.7，是一個復用口，它不僅可以作為準雙向I/O口使用外，還具有第二功能，P3口的第二功能如表3-1所示。表3-1P3口的第二功能引腳第二功能P3.0RXD串行口輸入P3.1TXD串行口輸出端P3.2INT0外部中斷0請求輸入端，低電平有效P3.3INT1外部中斷1請求輸入端，低電平有效P3.4T0定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端6P3.5T1定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸入端，低電平有效P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸入端，低電平有效ALE/PROG（30腳）：地址鎖存有效信號輸入端，不用時候可以懸空。PSEN（29腳）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，當?shù)碗娖綍r有效。在沒有外擴存貯器時迎接高電平，不然會造成運行不穩(wěn)定。RST/VPD引腳（9腳）：該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。常見的復位電路有：上電自動復位電路和上電加手動復位電路，如圖3-4所示。EA/Vpp（31腳）：EA為片外程序存儲器選用端，低電平時有效。XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）外部時鐘接入端，分別為反向放大器的輸入端和輸出端。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，采用石晶振蕩和陶瓷電容振蕩。如果采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2不接。外部振蕩輸入至內(nèi)部時鐘信號需要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無太大要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度，如圖3-5所示。C122FRSTR11K+5V+5V（a）上電復位電路（b）手動復位電路C122FRSTR2200R11K圖3-4MCS-51單片機復位電路圖7圖3-5MCS-51單片機振蕩電路圖3.4單片機的存儲器單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型：一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式3.4.1程序存儲器（ROM）程序存儲空間可以被映射為內(nèi)部程序存儲器或者外部程序存儲器。AT89C51單片機內(nèi)部具有的4KB程序存儲器被映射到程序存儲空間的0000H0FFFH這些區(qū)間。這部分程序存儲空間也可以被映射到外部程