AT89C51单片机电子时钟设计

AT89C51单片机电子时钟设计
目录
1 电子时钟 (5)
1.1 电子时钟简介 (5)
1.2 电子时钟的基本特点 (5)
1.3 电子时钟的原理 (6)
2 单片机识的相关知识 (6)
2.1单片机简介 (6)
2.2 单片机的特点 (6)
2.3 AT89C51单片机介绍 (7)
3 设计方案的选择 (9)
3.1计时方案 (9)
3.2 显示方案 (10)
3.3 数码管显示工作原理 (10)
3.4 键盘电路设计 (11)
3.5 主控模块AT89C51 (12)
4 系统软件设计 (12)
附录 (15)
摘要：单片机自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。

单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。

由于具有上述优点，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。

这次设计通过对它的学习、应用，以AT89C51芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由4.5V直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间，调整时间，从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。

关键词：单片机；电子时钟；AT89C51
1 电子时钟
1.1 电子时钟简介
本设计采用AT89C51单片机，以汇编语言为程序设计的基础，设计一个用六位数码管显示时、分、秒的时钟。

现代的电子时钟是基于单片机的一种计时工具，采用延时程序产生一定的时间中断，用于一秒的定义，通过计数方式进行满六十秒分钟进一，满六十分小时进一，满二十四小时小时清零，从而达到计时的功能，是人民日常生活不可缺少的工具。

1.2 电子时钟的基本特点
现在高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟、石英钟、石英表都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要
经常调试，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。

1.3 电子时钟的原理
该电子时钟由AT89C51，键盘，八段数码管等构成，采用晶振电路作为驱动电路，由延时程序和循环程序产生的一秒定时，达到时分秒的计时，六十秒为一分钟，六十分钟为一小时，满二十四小时为一天。

而电路中唯一的一个控制键却拥有多种不同的功能，按下又松开，可以实现屏蔽数码管显示的功能，达到省电的目的；直接按下不松开，则可以通过按键实现分钟的累加，每按一次分钟加一；而连续两次按下按键不放松，则可实现小时的调节，同样每按一次小时加一。

2 单片机识的相关知识
2.1单片机简介
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

2.2 单片机的特点
1.单片机的存储器ROM和RAM时严格区分的。

ROM称为程序存储器，只存放程序，固定常数，及数据表格。

RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。

2.采用面向控制的指令系统。

为满足控制需要，单片机有更强的逻辑控制能
力，特别是单片机具有很强的位处理能力。

3.单片机的I/O口通常时多功能的。

由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。

4.单片机的外部扩展能力很强。

在内部的各种功能部件不能满足应用的需求时，均可在外部进行扩展，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来了很大的方便。

2.3 AT89C51单片机介绍
VCC：电源。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向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指令时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（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）。

图1 AT89C51单片机
3 设计方案的选择
3.1计时方案
方案1：采用实时时钟芯片
现在市场上有很多实时时钟集成电路，如DS1287、DS12887、DS1302等。

这些实时时钟芯片具备年、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。

因此，在工业实时测控系统中多采用这一类专用芯片来实现实时时钟功能。

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。

3.2 显示方案
对于实时时钟而言，显示显然是另一个重要的环节。

通常LED显示有两种方式：动态显示和静态显示。

静态显示的优点是程序简单、显示亮度有保证、单片机CPU的开销小，节约CPU的工作时间。

但占有I/O口线多，每一个LED都要占有一个I/O口，硬件开销大，电路复杂。

需要几个LED就必须占有几个并行口，比较适用于LED 数量较少的场合。

当然当LED数量较多的时候，可以使用单片机的串行口通过移位寄存器的方式加以解决，但程序编写比较麻烦。

LED动态显示硬件连接简单，但动态扫描的显示方式需要占有CPU较多的时间，在单片机没有太多实时测控任务的情况下可以采用。

本系统需要采用6位LED数码管来分别显示时、分、秒，因数码管个数较多，故本系统选择动态显示方式。

3.3 数码管显示工作原理
数码管是一种把多个LED显示段集成在一起的显示设备。

有两种类型，一种是共阳型，一种是共阴型。

共阳型就是把多个LED显示段的阳极接在一起，又称为公共端。

共阴型就是把多个LED显示段的阴极接在一起，即为公共商。

阳
极即为二极管的正极，又称为正极，阴极即为二极管的负极，又称为负极。

通常的数码管又分为8段，即8个LED显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP 是小数点位段。

而多位数码管，除某一位的公共端会连接在一起，不同位的数码管的相同端也会连接在一起。

即，所有的A段都会连在一起，其它的段也是如此，这是实际最常用的用法。

数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。

静态显示就是数码管的8段输入及其公共端电平一直有效。

动态显示的原理是，各个数码管的相同段连接在一起，共同占用8 位段引管线；每位数码管的阳极连在一起组成公共端。

利用人眼的视觉暂留性，依次给出各个数码管公共端加有效信号，在此同时给出该数码管加
显示就会清晰显示出来。

有效的数据信号，当全段扫描速度大于视觉暂留速度时，
3.4 键盘电路设计
该设计只用了一个键盘，但实现的功能却是比较完善，减少了硬件资源的损耗，该键盘可以实现小时和分钟的调节以及控制是否进入省电模式。

当按键按下又松开，可以实现屏蔽数码管显示的功能，达到省电的目的；直接按下不松开，则可以通过按键实现分钟的累加，每按一次分钟加一；而连续两次按下按键不放松，则可实现小时的调节，同样每按一次小时加一。

达到时间调节的目的。

选择的多功能按键如图3所示。

图3 多功能控制键
3.5 主控模块AT89C51
AT89C51是一个8位单片机，片内ROM全部采用FLASH ROM技术，晶振时钟为12MHz。

AT89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，有4个八位的并行双向I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3。

第31引脚需要接高电位使单片机选用内部程序存储器；第40脚为电源端VCC，接+5V电源，第20引脚为接地端VSS，通常在VCC和VSS引脚之间接0.1μF高频滤波电容。

4 系统软件设计
在主程序的开始定义了一组固定单元用来存储计数的分、秒、时的存储单元。

在主程序中，对不同的按键进行扫描，实现秒表，时间调整。

系统总体流程图如图4所示。

图4 总体流程图系统子程序流程图如图5所示。

图5 子程序流程图
附录
程序清单
源程序
ORG 0000H ;程序执行开始地址LJMP START ;跳到标号START执行ORG 0003H ;外中断0中断程序入口RETI ;外中断0中断返回ORG 000BH ;定时器T0中断程序入口LJMP INTT0 ;跳至INTTO执行
ORG 0013H ;外中断1中断程序入口RETI ;外中断1中断返回
ORG 001BH ;定时器T1中断程序入口
LJMP INTT1 ;跳至INTT1执行
ORG 0023H ;串行中断程序入口地址
RETI ;串行中断程序返回
START: MOV R0,#70H ;清70H-7AH共11个内存单元MOV R7,#0BH
CLEARDISP: MOV @R0,#00H
INC R0
DJNZ R7,CLEARDISP
MOV 20H,#00H ;清20H（标志用）
MOV 7AH,#0AH ;放入"熄灭符"数据
MOV TMOD,#11H ;设T0、T1为16位定时器
MOV TL0,#0B0H ;50MS定时初值（T0计时用）MOV TH0,#3CH ;50MS定时初值
MOV TL1,#0B0H ;50MS定时初值（T1闪烁定时用）MOV TH1,#3CH ;50MS定时初值
SETB EA ;总中断开放
SETB ET0 ;允许T0中断
SETB TR0 ;开启T0定时器
MOV R4,#14H ;1秒定时用初值（50MS×20）START1: LCALL DISPLAY ;调用显示子程序
JNB P3.7,SETMM1 ;P3.7口为0时转时间调整程序
SJMP START1 ;P3.7口为1时跳回START1
SETMM1: LJMP SETMM ;转到时间调整程序SETMM
1秒计时程序
INTT0: PUSH ACC ;累加器入栈保护
PUSH PSW ;状态字入栈保护
CLR ET0 ;关T0中断允许
CLR TR0 ;关闭定时器T0
MOV A,#0B7H ;中断响应时间同步修正
ADD A,TL0 ;低8位初值修正
MOV TL0,A ;重装初值（低8位修正值）
MOV A,#3CH ;高8位初值修正
ADDC A,TH0
MOV TH0,A ;重装初值（高8位修正值）
SETB TR0 ;开启定时器T0
DJNZ R4, OUTT0 ;20次中断未到中断退出
ADDSS: MOV R4,#14H ;20次中断到（1秒）重赋初值
MOV R0,#71H ;指向秒计时单元（71H-72H）
ACALL ADD1 ;调用加1程序（加1秒操作）
MOV A,R3 ;秒数据放入A（R3为2位十进制数组合）CLR C ;清进位标志
CJNE A,#60H,ADDMM
ADDMM: JC OUTT0 ;小于60秒时中断退出
ACALL CLR0 ;大于或等于60秒时对秒计时单元清0 MOV R0,#77H ;指向分计时单元（76H-77H）ACALL ADD1 ;分计时单元加1分钟
MOV A,R3 ;分数据放入A
CLR C ;清进位标志
CJNE A,#60H,ADDHH
ADDHH: JC OUTT0 ;小于60分时中断退出
ACALL CLR0 ;大于或等于60分时分计时单元清0 MOV R0,#79H ;指向小时计时单元（78H-79H）ACALL ADD1 ;小时计时单元加1小时
MOV A,R3 ;时数据放入A
CLR C ;清进位标志
CJNE A,#24H,HOUR
HOUR: JC OUTT0 ;小于24小时中断退出
ACALL CLR0 ;大于或等于24小时小时计时单元清0 OUTT0: MOV 72H,76H ;中断退出时将分、时计时单元数据移MOV 73H,77H ;入对应显示单元
MOV 74H,78H
MOV 75H,79H
POP PSW ;恢复状态字（出栈）
POP ACC ;恢复累加器
SETB ET0 ;开放T0中断
RETI ;中断返回
闪动调时程序
;T1中断服务程序，用作时间调整时调整单元闪烁指示
INTT1: PUSH ACC ;中断现场保护
PUSH PSW
MOV TL1, #0B0H ;装定时器T1定时初值
MOV TH1, #3CH
DJNZ R2,INTT1OUT ;0.3秒未到退出中断（50MS中断6次）MOV R2,#06H ;重装0.3秒定时用初值
CPL 02H ;0.3秒定时到对闪烁标志取反
JB 02H,FLASH1 ;02H位为1时显示单元"熄灭"
MOV 72H,76H ;02H位为0时正常显示
MOV 73H,77H
MOV 74H,78H
MOV 75H,79H
INTT1OUT: POP PSW ;恢复现场
POP ACC
RETI ;中断退出
FLASH1: JB 01H,FLASH2 ;01H位为1时，转小时熄灭控制MOV 72H,7AH ;01H位为0时，"熄灭符"数据放入分MOV 73H,7AH ;显示单元（72H-73H），将不显示分数据MOV 74H,78H
MOV 75H,79H
AJMP INTT1OUT ;转中断退出FLASH2: MOV 72H,76H ;01H位为1时，"熄灭符"数据放入小时
MOV 73H,77H ;显示单元（74H-75H），小时数据将不显示
MOV 74H,7AH
MOV 75H,7AH
AJMP INTT1OUT ;转中断退出
加1子程序
ADD1: MOV A,@R0 ;取当前计时单元数据到A
DEC R0 ;指向前一地址
SWAP A ;A中数据高四位与低四位交换
ORL A,@R0 ;前一地址中数据放入A中低四位
ADD A,#01H ;A加1操作
DA A ;十进制调整
MOV R3,A ;移入R3寄存器
ANL A,#0FH ;高四位变0
MOV @R0,A ;放回前一地址单元
MOV A,R3 ;取回R3中暂存数据
INC R0 ;指向当前地址单元
SWAP A ;A中数据高四位与低四位交换
ANL A,#0FH ;高四位变0
MOV @R0,A ;数据放入当削地址单元中
RET ;子程序返回
清零程序
CLR0: CLR A ;清累加器
MOV @R0,A ;清当前地址单元
DEC R0 ;指向前一地址
MOV @R0,A ;前一地址单元清0
RET ;子程序返回
时钟调整程序
;当调时按键按下时进入此程序
SETMM: CLR ET0 ;关定时器T0中断
CLR TR0 ;关闭定时器T0
LCALL DL1S ;调用1秒延时程序
JB P3.7,CLOSEDIS ;键按下时间小于1秒，关闭显示（省电）MOV R2,#06H ;进入调时状态，赋闪烁定时初值
SETB ET1 ;允许T1中断
SETB TR1 ;开启定时器T1
SET2: JNB P3.7,SET1 ;P3.7口为0（键未释放），等待
SETB 00H ;键释放，分调整闪烁标志置1
SET4: JB P3.7,SET3 ;等待键按下
LCALL DL05S ;有键按下，延时0.5秒
JNB P3.7,SETHH ;按下时间大于0.5秒转调小时状态
LCALL ADD1 ;调用加1子程序
MOV A,R3 ;取调整单元数据
CLR C ;清进位标志
CJNE A,#60H,HHH ;调整单元数据与60比较
HHH: JC SET4 ;调整单元数据小于60转SET4循环LCALL CLR0 ;调整单元数据大于或等于60时清0 CLR C ;清进位标志
AJMP SET4 ;跳转到SET4循环
CLOSEDIS:SETB ET0 ;省电（LED不显示）状态。

开T0中断SETB TR0 ;开启T0定时器（开时钟）CLOSE: JB P3.7,CLOSE ;无按键按下，等待。

LCALL DISPLAY ;有键按下，调显示子程序延时削抖
JB P3.7,CLOSE ;是干扰返回CLOSE等待
WAITH: JNB P3.7,WAITH ;等待键释放
LJMP START1 ;返回主程序（LED数据显示亮）SETHH: CLR 00H ;分闪烁标志清除（进入调小时状态）SETHH1: JNB P3.7,SET5 ;等待键释放
SETB 01H ;小时调整标志置1
SET6: JB P3.7,SET7 ;等待按键按下
LCALL DL05S ;有键按下延时0.5秒
JNB P3.7,SETOUT ;按下时间大于0.5秒退出时间调整
LCALL ADD1 ;调加1子程序
MOV A,R3
CLR C
CJNE A,#24H,HOUU ;计时单元数据与24比较
HOUU: JC SET6 ;小于24转SET6循环
LCALL CLR0 ;大于或等于24时清0操作
AJMP SET6 ;跳转到SET6循环
SETOUT: JNB P3.7,SETOUT1 ;调时退出程序。

等待键释放LCALL DISPLAY ;延时削抖
JNB P3.7,SETOUT ;是抖动，返回SETOUT再等待
CLR 01H ;清调小时标志
CLR 00H ;清调分标志
CLR 02H ;清闪烁标志
CLR TR1 ;关闭定时器T1
CLR ET1 ;关定时器T1中断
SETB TR0 ;开启定时器T0
SETB ET0 ;开定时器T0中断（计时开始）LJMP START1 ;跳回主程序
SET1: LCALL DISPLAY ;键释放等待时调用显示程序（调分）AJMP SET2 ;防止键按下时无时钟显示
SET3: LCALL DISPLAY ;等待调分按键时时钟显示用
AJMP SET4
SET5: LCALL DISPLAY ;键释放等待时调用显示程序（调小时）AJMP SETHH1 ;防止键按下时无时钟显示
SET7: LCALL DISPLAY ;等待调小时按键时时钟显示用
AJMP SET6
SETOUT1: LCALL DISPLAY ;退出时钟调整时键释放等待AJMP SETOUT ;防止键按下时无时钟显示
显示程序
DISPLAY: MOV R1,#70H ;指向显示数据首址
MOV R5,#0FEH ;扫描控制字初值
PLAY: MOV A,R5 ;扫描字放入A
MOV P3,A ;从P3口输出
MOV A,@R1 ;取显示数据到A
MOV DPTR,#TAB ;取段码表地址
MOVC A,@A+DPTR ;查显示数据对应段码
MOV P1,A ;段码放入P1口
LCALL DL1MS ;显示1MS
INC R1 ;指向下一地址
MOV A,R5 ;扫描控制字放入A
JNB ACC.5,ENDOUT ;ACC.5=0时一次显示结束
RL A ;A中数据循环左移
MOV R5,A ;放回R5内
AJMP PLAY ;跳回PLAY循环
ENDOUT: SETB P3.5 ;一次显示结束,P3口复位
MOV P1,#0FFH ;P1口复位
RET ;子程序返回
TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H
DB 92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH
;共阳段码表
延时程序
;1MS延时程序，LED显示程序用
DL1MS: MOV R6,#14H
DL1: MOV R7,#19H
DL2: DJNZ R7,DL2
DJNZ R6,DL1
RET
;20MS延时程序，采用调用显示子程序以改善LED的显示闪烁现象DS20MS: ACALL DISPLAY
ACALL DISPLAY
ACALL DISPLAY
RET
;20MS延时程序，用作按键时间的长短判断
DL1S: LCALL DL05S
LCALL DL05S
RET
DL05S: MOV R3,#20H ;8毫秒*32=0.196秒DL05S1: LCALL DISPLAY
DJNZ R3,DL05S1
RET
END ;程序结束。