多功能数字钟基于AT89C51单片机的电子钟的设计.doc

课程设计任务书课程名称：微型计算机技术设计题目：多功能数字钟基于AT89C51单片机的电子钟的设计电子钟使用外接时钟芯片作为时钟源，精确到秒。显示部分为LED动态显示设计；并有键盘设计；硬件设计：1）最小系统设计：AT89C51单片机为本设计的控制器，包括外扩ROM，RAM各32 M（其大小由设计者自己设计），系统时钟电路、复位电路等构成的最小系统；2）接口电路的设计：设计者扩展一个并行接口8155或8255，键盘设计由设计者根据需要设计键盘的数量，显示采用LED显示，显示电路也根据显示的内容设计（年、月、日，时、分、秒；可用两屏显示）；3）有开机显示状态（如显示888888）；4）在完成基本设计功能同时可以增加功能。软件设计： 1）主程序设计（包括初始化芯片，定时器，中断以及SP指针等）； 2）各功能子程序设计，键盘子程序、显示子程序设计，定时，中断程序等；引言：单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，单片机具有体积小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点。它把中央处理单元、随机存储器、只读存储器、定时/计数器以及I/O接口电路等主要部件集成在一块半导体芯片上。因此从某种意义上说，一块单片机芯片就是一台微型计算机。自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。目前单片机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，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，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制等等，这些都离不开单片机。随着半导体技术的飞速发展，以及移动通信、网络技术、多媒体技术在嵌入式系统设计中的应用，从4位、8位、16位到32位，单片机功能越来越强大，价格越来越低，同时应用领域的扩大也使得更多人加入到基于单片机系统的开发行列中，推动着单片机技术的创新进步。数字时钟应用广泛，在现实生活中有着至关重要的作用，在工业控制和日常生活中它不仅可以用于计时、提醒又可用于对机器的控制。给人们的生活，学习，工作，娱乐带来极大的方便，其一般由振荡器，分频器，译码器，显示器等部分组成，采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确，性能稳定。本次课程设计采用外接时钟芯片DS1302为系统提供计时信号，通过51单片机进行控制读写，由按键进行时间设置修改，最终将年月日时分秒等时间信息显示到外界数码管上，同时亦可用蜂鸣器来实现闹钟功能，具有稳定准确，灵活方便的特点。1、 系统方案与论证 1.1整体方案论证本系统主要利用AT89C51单片机外接8155扩展单片机IO口，A口控制数码管的位显示， 51单片机P0口控制数码管的段显示，P3口与按键和蜂鸣器相接用于时间的校正和声音提醒，使用外接ROM2764和外接RAM6264芯片各两片扩展单片机的外部程序容量为24Kb的 ROM和RAM空间。本设计采用一节1.5V干电池为整个系统供电，通过一个升压电路（从1.5V升至5V），产生+5V电压用于给CPU及显示电路提供工作电压，这是数字时钟正常工作时的总电压。显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出，通过六个八段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 图1 系统结构图1.2主要模块方案选择比较与论证1.2.1单片机的选取选用AT89C51作为控制器，具有价格低，性价比高，功能齐全的特点，拥有多个定时器和其他外围功能。作为8位单片机运行速度快且工作稳定。1.2.2输入方案的选择方案1：采用实时时钟芯片DS1287、DS12887、DS1302等具备年、月、日、时、分、秒计时功能和多点定时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不需要程序干预。方案2：使用单片机内部的可编程定时器。 利用单片机内部的定时计数器进行中端定时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，但程序设计较为复杂。经比较 选择方案二1.2.3输入方案的选择 方案一：通过矩阵键盘输入数据，可调范围广，但占用单片机管脚较多，不易于其他功能的实现。方案二：通过独立键盘输入数据，通过数据的加减来确定数据，占用管脚少，功能齐全且直接输入方便快捷，易于控制。经比较，故比较选用方二1.2.4显示方案的选择 方案一：使用12864或1602液晶显示，显示信息的可读性好，看起来更方便。而12864点阵液晶模块具有微功耗，尺寸小，超薄轻巧，字迹美观，视觉舒适，显示信息量大等优点，但本次设计中大部分功能用不到，造成浪费，且与矩阵键盘一样占用管脚较多 方案二：数码管显示，显示信息少，但控制简单，相比12864复杂时序数码管秩序位选段选控制。经比较，故选用方案二进行设计。2、系统硬件电路模块2.1 AT89C51单片机 AT89C51是一种低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。具有4k 字节FLASH 闪速存储器，128 字节内部RAM，32 个I/O 口线，2 个16 位定时/计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器， AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。同时，AT89C51 降至0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式。空闲方式体制CPU 的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器体制工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。 管脚原理图见附图1，2. 2晶振电路 51单片机晶振电路采用外置石英晶振，为单片机提供11.0592时钟信号，电容C1.C2可以帮助起振典型值为30Pf，调节他们可以达到微调晶振频率的作用，见附图32.3复位电路51单片机的复位电路有两种，即上电复位和手动复位电路。本次设计采用如图所示为手动复位电路。见附图2。2.按键调整电路本系统采用3位按键，其中S1为功能选择键，S2、S3为数字加减键。见附图42. 蜂鸣器电路 蜂鸣器电路采用一个晶体管驱动，功率大，安全稳定。可以为系统提供闹钟功能，同时由于51单片机管脚功率限制问题，故亦可作为功率报警电路见附图52-6电源指示电路 通过开关闭合时led灯的亮灭来提示51单片机是否正常工作，亦可系统电源是否正常。见附图62.7电源转换电路 本电源电路采用DC-DC转换芯片RT9266实现1.5v-5v直流电压转换，输出为（1+R大÷R小）*1.25 见附图72.8外置时钟芯片电路 Ds1302时钟芯片采用32.768Mhz的石英晶振提供时钟信号，具有年月日时分秒星期更能，且能通过51单片机控制来改变初始时间 见附图82.9 74LS373芯片电路与管脚图373为三态输出的八 D 透明锁存器,用以锁存51低八位地址信号。当OE为低LE为高时，锁存器输出信号O随数据D而变 引出端符号： D0D7 数据输入端 输入低八位地址信号OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 高电平有效O0O7 输出端 输出锁存的低八位地址信号见附图92.10 2764电路与管脚图本系统使用了3片用与扩展外部ROM 24kb 基本地址范围为：0000H5FFFH2764管脚说明A0到A13为14条地址信号输入线。D0到D7为双向数据线，D7为最高位，d0为最低位，用来传送2764的读写信号CE为片选端，低电平有效。用以选通芯片工作OE为输出允许信号，低电平有效PGM为编程脉冲输入端，高电平时芯片正常工作，低电平时配合VPP上的高电压处于处于编程状态Vcc和Vpp都是接电源的，正常工作时是+5V见附图102.11 6264电路与管脚图本系统使用了3片6264用以扩展外部RAM 24kb 基本地址范围6000HBFFFHA0到A12为13条地址信号输入线。D0到D7为双向数据线，D7为最高位，d0为最低位，用来传送2764的读写信号OE为允许输出线用以控制从芯片读出的数据是否送到D0D7上，低电平有效 CS CS为片选输入线，cs为1cs'为0时芯片选中工作 WE读写命令线，高电平时读出低电平时写入Vcc电源线，正常工作时是+5V见附图112.12外部并行口扩展8155电路图 本系统通过51单片机控制外部可编程I/O芯片8155的A口对数码管进行位选8155各引脚功能说明如下： RST：复位信号输入端，高电平有效。复位后，3个I/O口均为输入方式。 AD0AD7：三态的地址/数据总线。与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。 RD：读选通信号，控制对8155的读操作，低电平有效。 WR：写选通信号，控制对8155的写操作，低电平有效。 CE：片选信号线，低电平有效。 IO/M ：8155的RAM存储器或I/O口选择线。当IO/M 0时，则选择8155的片内RAM，AD0AD7上地址为8155中RAM单元的地址（00HFFH）；当IO/M 1时，选择 8155的I/O口，AD0AD7上的地址为8155 I/O口的地址。 ALE：允许地址输入线，低电平有效。8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及 IO/ 的状态都锁存到8155内部锁存器。因此，P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。 PA0PA7：8位通用I/O口，其输入、输出的流向可由程序控制。 PB0PB7：8位通用I/O口，功能同A口。 PC0PC5：有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号线，这些可通过程序控制。 TIMER IN：定时/计数器脉冲输入端。 TIMER OUT：定时/计数器输出端。 VCC：5V电源。 2、8155的地址编码及工作方式 在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位由片选线 提供， CE0，选中该片。 当 CE0，IO/M 0时，选中8155片内RAM，这时8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位编址为00HFFH；当 CE0，IO/M 1时，选中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7AD0确定见附图122.13 六位8段LED数码管显示电路数码管时间显示分为 时、分、秒三部分时，JP5JP6为时位 采用24进制，JP3JP4为分位，采用60进制，JP1JP0为时位，采用60进制。当显示为年月日三部分时JP5JP6为年位，JP3JP4为月位采用12进制，JP1JP0为日位，采用365进制。见附图133、系统软件调试3.1 程序结构3.1 程序结构（1）主程序。 实现初始化与键盘监控与闹钟检测与报警 （2）定时器 T0 中断服务程序。 时钟电路的设计功能是利用单片机内部的定时/计数器进行中断定时刷新计时缓冲区。定时器 T0 每隔 100ms 益处中断一次（设系统使用 12MHZ 晶振， 定时 T0 工作方式 1） 的定时初值为 3CBOH(即 THO=3CH,TL0=0B0H),每循环中断 10 次则延时时间为 1s，进入中断服务程序后调用读取DS1302始终数据及显示程序 。 （3）时间设置与闹钟设置子程序。 实现当前时间及定时启闹钟时间的键盘输入设置。KEY1键位段位循环选择键根据KEY1键被按下的次数进行段位的选择，依次为秒，分，时，日，月，年，设定完成并进入显示时分秒模式。在每种段位模式下都可以改变该段时间实现时间调节功能。当KEY3为显示模式及闹钟设定模式循环选择键，分别为显示年月日模式，显示时分秒模式，及闹钟设置模式实现分屏显示及 闹钟设置 功能 。（4）键盘扫描子程序。 判断是否有键按下， 无键按下则循环等待， 有键按下则求取返回。 （5）显示子程序。 实现显示缓冲区的 6 位 BCD 码的动态扫描方式显示。 首先将 3 字节计时缓冲区中 时、分、和秒压缩 BCD 码拆分为 6 字节 BCD 码，由拆字子程序实现。当按下时间 或闹钟设置键后，在 6 位设置完成之前，应显示键入的数据而不显示当前时间， 为此系统设置一个计时显示允许标志位 F0，在时间/闹钟设置期间 F0=1，不调用 拆字子程序。 （6）定时比较子程序。 实现当前时间与预设的启闹钟时间的比较，若二者完全相同时，启动蜂鸣器名 叫并置位闹钟标志位。当按下KEY3键时退出报警程序。（7）DS1302初始化程序。包括往DS1302写入1Byte数据程序，从DS1302读取1Byte数据往DS1302写入数据从程序，读取DS1302某地址的数据程序，往DS1302写入时钟数据(多字节方式)程序，读取DS1302时钟数据程序及设置初始时间程序。（8）其他辅助功能子程序。 键盘设置子程序：将键入的 6 位时间值送入键盘设置缓冲区。 拆字程序：将 3 字节计时缓冲区中时、分和秒压缩 BCD 码拆分为 6 字节 BCD 码并刷新显示缓冲区。 合字子程序：将键盘设置缓冲区中 6 位 BCD 码合并为 3 位压缩 BCD 码，送入 计时缓冲区或闹钟值寄存区，同时检测时间值的合法性。 3、2系统软件流程图手绘。3.3源程序见附录4、设计总结心得体会在本次课程设计制作过程中，收获颇多。首先，自学能力大大提高。由一开始的一无所知到最终设计成功，所需要的知识除了来自课堂，更多的是课外通过上网查询、向老师等多种渠道获得。其次，在制作过程中遇到很多硬件和软件等各方面的问题，多次修改最终将困难一一解决。通过这次设计不仅丰富了理论知识，更激发了创新精神，受益终生。3、系统软件流程图3.3源程序见附录4、设计总结心得体会在本次课程设计制作过程中，收获颇多。首先，自学能力大大提高。由一开始的一无所知到最终设计成功，所需要的知识除了来自课堂，更多的是课外通过上网查询、向老师等多种渠道获得。其次，在制作过程中遇到很多硬件和软件等各方面的问题，多次修改最终将困难一一解决。通过这次设计不仅丰富了理论知识，更激发了创新精神，受益终生。5参考文献【1】单片微机原理及应用【M】.清华大学出版社.2005.【2】黄庆华，张永格.单片机开发技术和实训【M】. 【3】电子技术基础模拟部分（第四版）【M】.高等教育出版社.1996（2004重印）.【4】全国大学生电子设计竞赛训练教程【M】.电子工业出版社.2005-1.【5】数字电子技术基础【M】高等教育出版社.1998-12.【6】模拟电子技术基础【M】高等教育出版社.2006-12.【7】仪器仪表学报【J】第33卷第六期.2012.