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1、多功能电子数字钟设计 数字钟在日常生活中最常见，应用也最广泛。本文主要就是设计一款数字钟，以89C52单片机为核心，配备液晶显示模块、时钟芯片、等功能模块。数字钟采用24小时制方式显示时间，定时信息以及年月日显示等功能。文章的核心主要从硬件设计和软件编程两个大的方面。硬件电路设计主要包括中央处理单元电路、时钟电路、人机接口电路、信号处理电路、执行电路等几部分组成。软件用C语言来实现，主要包括主程序、键盘扫描子程序、时间设置子程序等软件模块。关键词 单片机 液晶显示器模块 数字钟一 硬件电路设计及描述；1、MCS-51单片机单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机。这些部件包括中央处理器C
2、PU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。8051单片机的结构特点有以下几点：8位CPU；片内振荡器及时钟电路； 32根I/O线；外部存储器ROM和RAM；寻址范围各64KB；两个16位的定时器/计数器； 5个中断源，2个中断优先级；全双工串行口。定时器/计数器8051内部有两个16位可编程定时器/计数器，记为T0和T1。16位是指他们都是由16个触发器构成，故最大计数模值为2-1。可编程是指他们的工作方式由指令来设定，或者当计数器来用，或者当定时起来用，并且计数（定时）的范围也可以由指令来设置。这种控制功能是通过定时器方式控制寄存器TMOD来完成的。在定时
3、工作时，时钟由单片机内部提供，即系统时钟经过12分频后作为定时器的时钟。技术工作时，时钟脉冲由TO和T1输入。中断系统8051的中断系统允许接受五个独立的中断源，即两个外部中断申请，两个定时器/计数器中断以及一个串行口中断。外部中断申请通过INTO和INT1（即P3.2和P3.3）输入，输入方式可以使电平触发（低电平有效），也可以使边沿触发（下降沿有效）。 2、8051的芯片引脚如图1-2所示VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地
4、址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉
5、的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）；P3.1 TXD（串行输
6、出口）；P3.2 /INT0（外部中断0）；P3.3 /INT1（外部中断1）；P3.4 T0（记时器0外部输入）；P3.5 T1（记时器1外部输入）；P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）；P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于
7、定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电
8、平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。l 二 设计基本原理简介数字钟的设计首先要保证其走时尽可能准确，其次再根据人们日常的使用习惯来设定其附加功能。在设计中利用单片机定时计数器来完成走时并用两组输出口控制数码管来显示；通过编程向某一输出口输出方波实现报时及闹铃；利用输入端口外接各种开关来完成对走时及显示的控制（如预置时间等）。Y1复位电路 MCS-51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器
9、用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。上电复位：上电复位电路是种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。2时钟电路时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直
10、接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式。电路图如下：MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。 按键电路按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与
11、开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。电路图如下：4.3 按键电路 按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，
12、直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。 电路图如下： P1.0口表示功能移位键，按键选择要调整的年、月、日、小时、分、秒。 P1.1口表示数字“+“键，按一下则对应的数字加1。P1.2口表示数字“-”键，按一下则对应的数字减1。P1.3口表示退去选项，时间已经调整好 总电路原理图电路的软件设计 1软件程序内容本设计的软件程序包括主程序、中断子程序、打铃子程序、时钟显示子程序、查询时间表切换程序和延时子程序等等。另外由于电路中有四个按键，还另外设计了防抖动程序来防止干扰。 系统软件设计流程图这次的数字电子钟设计用到很多子程序，它们的流程
13、图如下所示。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。开始启动定时器按键检测时间显示图5-1 主程序流程图 按键处理是先检测秒按键是否按下，秒按键如果按下，秒就加1；如果没有按下，就检测分按键是否按下，分按键如果按下，分就加1；如果没有按下，就检测时按键是否按下，时按键如果按下，时就加1；如果没有按下，就把时间显示出来。NYNYNY时加1显示时间结束开始秒按键按下？秒加1分按键按下？分加1时按键按下？ 图5-2 按键处理流程图定时器中断时是先检测1秒是否到，1秒如果到，秒单元就加1；如果没到，就检测1分钟是否到，1分钟如果到，分单元就加1；如果没到，
14、就检测1小时是否到，1小时如果到，时单元就加1，如果没到，就显示时间。N24小时到？分单元清零，时单元加1NNNYY时单元清零时间显示中断返回开始一秒时间到？60秒时间到？60分钟到？秒单元加1秒单元清零，分单元加1YY图5-3 定时器中断流程时间显示是先秒个位计算显示，然后是秒十位计算显示，再是分个位计算显示，再然后是分十位显示，再就是时个位计算显示，最后是时十位显示。5.3 定时程序设计单片机的定时功能也是通过计数器的计数来实现的，此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每经过1个机器周期的时间，计数器加1。如果MCS-52采用的12MHz晶体，则计数频率为1
15、MHz，即每过1us的时间计数器加1。这样可以根据计数值计算出定时时间，也可以根据定时时间的要求计算出计数器的初值。MCS-51单片机的定时器/计数器具有4种工作方式，其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对特殊功能寄存器的编程，可以方便的选择定时器/计数器两种工作模式和4种工作方式。定时器/计数器工作在方式0时，为13位的计数器，由TLX(X=0、1)的低5位和THX的高8位所构成。TLX低5位溢出则向THX进位，THX计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TFX.当定时器/计数器工作于方式1，为16位的计数器。本设计师单片机多功能定时器，所以MCS-51内部的定时器/计数器被选定为定时器工
16、作模式，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1。5.3.1实时时钟实现的基本方法时钟的最小计时单位是秒，但使用定时器的方式1，最大的定时时间也只能达到131ms。我们可把定时器的定时时间定为50ms。这样，计数溢出20次即可得到时钟的最小计时单位：秒。而计数20次可以用软件实现。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
17、清零。5.3.2 实时时钟程序设计步骤 （1）选择工作方式，计算初值； （2）采用中断方式进行溢出次数累计；（3）从秒分时的计时是通过累加和数值比较实现的；（4）时钟显示缓冲区：时钟时间在方位数码管上进行显示，为此在内部RAM中要设置显示缓冲区，共6个地址单元。显示缓冲区从左到右依次存放时、分、秒数值；（5）主程序：主要进行定时器/计数器的初始化编程，然后反复调用显示子程序的方法等待中断的到来。（6）中断服务程序：进行计时操作（7）加1子程序：用于完成对时、分、秒的加操作，中断服务程序在秒、分、时加1时共有三种条调用加1子程序，包括三项内容：合字、加1并进行十进制调整、分字。5.4程序说明在整
18、个系统中，在单片机的30H、31H和32H中存储当前时间的小时、分钟和秒。由于要用数码管显示当前的时间，必须用到分字和合字，因此在33H、34H、35H、36H、37H和38H中存储当前时间的时十位、时个位、分十位、分个位、秒十位和秒个位，方便显示。本设计有由四个轻触按键组成的小键盘，这些按键可以任意改变当前的状态。按功能移位键一次，表示当前要校对小时的十位；按第二次，表示当前校对的是小时的个位；按第三次，则表示校对的是分钟的十位；第四次，表示的校对的是分钟的个位。按下数字“+” 键和数字“-”键可在当前校对的数字上相应加上1或者减去1。本设计采用查表方式，在程序里预先存储两个表格，即日常作息
19、时间表和考试时间表，可以通过手动按键来选择所要执行的时间表。并且用红、绿发光二极管来区别当前所执行的时间表。系统开机后，按功能移位键就可以调整当前的时间，整个系统操作简单，功能明确。显示数据时，先把要显示的数据送到数据缓冲区SBUF中，再从SBUF中显示。串行口缓冲寄存器SBUF器是可直接寻址的专用寄存器。在物理上，它对应着两个寄存器，一个发送寄存器，一个接收寄存器。CPU写SBUF，就是修改发送寄存器；读SBUF，就是读接收寄存器。接收器是双缓冲的，以避免在接收下一帧数据之前，CPU未能及时响应接收器的中断，没有把上一帧数据读走，而产生两帧数据重叠的问题。对于发送器，为了保持最大的传输速率，
20、一般不需要双缓冲，因为发送时CPU是主动的，不会产生写重叠的问题。总程序ORG 0000H ;程序入口地址LJMP STARTORG 000BH ;定时器0中断入口地址LJMP TIMER_0K1 BIT P1.0 ;定义调时按键K2 BIT P1.1 ;定义调分按键START: MOV TMOD,#01H ;定时器0，工作模式1MOV TH0,#03CHMOV TL0,#0B0H ;赋初值，定时50msSETB EA ;开中断总开关SETB TR0 ;开启定时器0SETB ET0 ;定时器0中断允许位MOV R6,#0 ;用于控制走时的基准时钟源，计中断次数MOV R5,#0 ;R5用于控制
21、扫描按键的时间间隔MOV 20H,#0 ;秒个位寄存器清零MOV 21H,#0 ;秒十位寄存器清零MOV 22H,#0 ;分个位寄存器清零MOV 23H,#0 ;分十位寄存器清零MOV 24H,#0 ;时个位寄存器清零MOV 25H,#0 ;时十位寄存器清零LJMP DISPLAYTIMER_0: CLR EAINC R6INC R5MOV TH0,#03CHMOV TL0,#0B0H ;重新赋初值，定时50msSETB EARETIADD_TIME:CJNE R6,#20,EXIT ;定时器中断20次，1秒到MOV R6,#0INC 20H MOV A,20H CJNE A,#10,EXIT
22、 ;如果秒个位等于10，清零MOV 20H,#00H INC 21H MOV A,21H CJNE A,#6,EXIT ;如果秒十位等于6，清零MOV 21H,#00H INC 22H MIN:MOV A,22H CJNE A,#10,EXIT ;如果分个位等于10，清零MOV 22H,#00H INC 23H MOV A,23H CJNE A,#6,EXIT ;如果分十位等于6，清零MOV 23H,#00H INC 24H HOUR:MOV A,25HCJNE A,#2,LOOP ;如果时十位等于2，检查时个位MOV A,24HCJNE A,#4,EXIT ;如果时个位等于4，清零MOV 2
23、4H,#00H ;清零时个位MOV 25H,#00H ;清零时十位 LJMP EXITLOOP:MOV A,24H CJNE A,#10,EXIT ;如果时个位等于10，清零MOV 24H,#00H INC 25HLJMP EXIT EXIT:LJMP DISPLAY ;刷新完毕，跳转到显示DISPLAY:MOV DPTR,#TABLEMOV A,20HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ACLR P2.7LCALL DELAYSETB P2.7 ;显示秒个位MOV A,21HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ACLR P2.6LCALL DELAYSETB P2.6 ;显示秒十位M
24、OV A,#0BFHMOV P0,ACLR P2.5LCALL DELAYSETB P2.5 ;显示“-”MOV A,22HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ACLR P2.4LCALL DELAYSETB P2.4 ;显示分个位MOV A,23HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ACLR P2.3LCALL DELAYSETB P2.3 ;显示分十位MOV A,#0BFHMOV P0,ACLR P2.2LCALL DELAYSETB P2.2 ;显示“-”MOV A,24HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ACLR P2.1LCALL DELAYSETB P2.1 ;显示时
25、个位MOV DPTR,#TABLE1 ;该位使用TABLE1以消除前置0MOV A,25HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ACLR P2.0LCALL DELAYSETB P2.0 ;显示时十位CJNE R5,#4,EXIT0 ;当R5到4时，扫描按键MOV R5,#0KEY_SCAN:JNB K1,ADD_HOURJNB K2,ADD_MINLJMP ADD_TIME ;无键按下，跳至走时ADD_HOUR:INC 24H ;小时加1LJMP HOUR ;更新ADD_MIN:INC 22H ;分钟加1LJMP MIN ;更新EXIT0:LJMP ADD_TIMEDELAY: MOV R7,#150 ;扫描延时 DJNZ R7,$RET TABLE: ;数码管字形显示编码表DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H ;字形显示编码TABLE1:DB 0FFH,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H ;小时位的十位数编码，该位如果为0则不显示END ;程序结束20