多功能电子时钟毕业论文

多功能电子时钟毕业论文
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
1 绪论 (1)
1.1 单片机介绍 (1)
1.2 单片机特点和应用 (2)
1.3 研究电子时钟的背景及意义 (4)
1.4 国外研究现状 (4)
2 系统总体方案设计 (5)
2.1 系统整体方案选择 (5)
2.2 系统总体设计框图 (6)
2.3 单片机芯片的选择 (6)
2.3.1 AT89S51引脚功能 (7)
2.3.2 AT89S51定时/计数器 (9)
2.3.3 AT89S51中断控制系统 (10)
3 电子时钟系统的硬件设计 (11)
3.1 复位电路 (11)
3.2 时钟电路 (11)
3.3 按键输入电路 (12)
3.4 LED数码管显示电路 (13)
3.5 蜂鸣器电路 (15)
3.6硬件系统电路图 (16)
4 电子时钟系统的软件设计 (17)
4.1 主程序的设计 (17)
4.2 显示子程序的设计 (17)
4.3 定时器T0中断服务程序 (18)
4.4 定时器T1中断服务程序 (20)
4.5 键盘扫描子程序流程图 (21)
4.6 时钟设置子程序 (21)
5 结束语 (24)
参考文献 (25)
致谢 (26)
附录一硬件系统电路原理图 (27)
附录二 Proteus系统仿真原理图 (27)
附录三程序清单 (30)
1 绪论
1.1 单片机介绍
单片机是单片微型计算机的简称，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），其英文字母的缩写为MCU，单片机又称作单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器、输入输出接口、定时器/计数器、中断系统等全部集中在一个半导体芯片上。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。

随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场[1]。

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段[2]：
①SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

②MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

③SoC即嵌入式系统(System on Chip)阶段，单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

二十世纪科学技术的发展跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和电脑时代。

这种电脑，通常指的是个人计算机，简称 PC 机。

它主要由主机、键盘、显示器等组成。

但还有种计算机就是“微控制器”，顾名思义，它进行简单运算和控制只用了最小系统的一片集成电路。

因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。

它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。

现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。

现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。

手机、、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。

汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比人类的数量还要多。

1.2 单片机特点和应用
随着微控制技术的不断完善和发展，以及自动化程度的日益提高，单片机的应用正在导致系统的控制技术发生巨大的变化，单片机的应用是对传统控制技术的一场革命。

单片机有以下几个特点：
①具有较高的性能价格比
单片机中尽可能地把所需要的存储器和I/O口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。

其应用系统具有印制板小、接插件少、安装调试简单方便等特点，使单片机应用系统的性能价格比大大高于一般微机系统[3]。

②体积小，可靠性强
由单片机组成的应用系统结构简单，其体积特别小，极易对系统进行电磁屏蔽等抗干扰措施。

另一方面，单片机对信息传输及对存储器和I/O接口的访问，一般情况下是在单片机部进行的，因此，不易受外界的干扰。

所以单片机应用系统的可靠性一般比微机系统高得多[3]。

③控制功能强
在实时控制方面，尤其是在位操作方面单片机有着不俗的表现。

CPU可以直接对I/O 口进行输入、输出操作及逻辑运算，并且具有很强的位操作能力，能有针对性地解决由
简单到复杂的各类控制任务。

在单片机存储器ROM和RAM是严格区分的。

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。

这种方案使单片机更适用于实时控制系统[3]。

④使用方面、容易产品化
由于单片机具有体积小、功能强、性能价格比较高、系统扩展方便、硬件设计简单等优点。

单片机的硬件功能具有广泛的通用性。

同一种单片机可以用在不同的控制系统中，只是其中所配置的软件不同而已。

换言之，给单片机固化上不同的软件，便可形成用途不同的专用智能芯片，可称之为“软件就是仪器”[3]。

下面大致介绍一下单片机的主要应用领域和特点。

1）家用电器领域
用单片机控制系统取代传统的模拟和数字控制电路，使家用电器（如洗衣机、空调、冰箱、微波炉、和电视机等）功能更完善，更加智能化和易于使用[3]。

2）办公自动化领域
单片机作为嵌入式系统广泛应用于现代办公设备，如计算机的键盘、磁盘驱动、打印机、复印机、机和传真机等[3]。

3）商业应用领域
商业应用系统部分与家用和办公应用系统相似，但更加注重设备的稳定性、可靠性和安全性。

商用系统中广泛使用的电子计量仪器、收款机、条形码阅读器、安全监测系统、空气调节系统和冷冻保鲜系统等，都采用了单片机构成的专用系统。

与通用计算机相比，这些系统由于比较封闭，可以更有效地防止病毒和电磁干扰等，可靠性更高[3]。

4）工业自动化
在工业控制和机电一体化控制系统中，除了采用工控计算机外，很多都是以单片机为核心的单片机和多机系统[3]。

5）智能仪表与集成智能传感器
目前在各种电气测量仪表中普遍采用了单片机应用系统来代替传统的测量系统，使得测量系统具有存储、数据处理、查询及联网等智能功能。

将单片机和传感器相结合，可以构成新一代的智能传感器。

它将传感器变换后的物理量作进一步的变化和处理，使其成为数字信号，可以远距离传输并与计算机接口[3]。

6）现代交通与航空航天领域
通常应用于电子综合显示系统、动力监控系统、自动驾驶系统、通信系统以及运行监视系统等。

这些领域对体积、功耗、稳定性和实时性的要求往往比商用系统还要高，因此采用单片机系统更加重要[3]。

1.3 研究电子时钟的背景及意义
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路装化等几个方面发展。

单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。

单片机的出现是传统控制技术的一次革命，从前许多功能的实现必须依赖于模拟电路或数字电路，而现在已经可以用单片机通过软件方法来实现了。

这种由软件来代替硬件的控制技术也称作微控制技术。

目前电子时钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧院、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作和娱乐带来极大的不便。

由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使电子钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时，自动报时和自动控制等各个领域。

因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

1.4 国外研究现状
从时钟的发展历史来看，它经历了机械表到电子表，再到晶体管，再到现在的数字电子钟等几个阶段。

中国的钟表历史应该由古代史、近代史、现代史三部分组成。

一九四九年以前，我国仅在有一些小型钟的制造业，根本就没有手表制造业。

中华人民国成立初，进入中国钟表工业的发展阶段；五十年代至六十年代是国家投资，计划经济模式，完全生产机械手表，机械钟；六十年代末，七十年代初电子钟表已悄悄在起步；七十年代末，八十年代初电子钟表与国际市场同步，异军突一起，冲击着传统的机械钟表领域。

九十年代电子钟表（即石英钟表）一统钟表市场，机械钟表失去了传统的垄断市场的局面。

现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于石英技术的采用，电子钟，石英表，石英钟也因此变得走时精度高，稳定性好，使用方便，且不需要经常调校。

数字式电子钟用集成电路计时，用LED显示器显示时间，用软件编码代替机械式传动，这样减小了计时误差，使用起来更加方便快捷。

2 系统总体方案设计
本设计的要求是利用单片机设计一个电子时钟系统，要求有时钟、顺计时、倒计时三种功能。

本次设计电子钟系统功能简单，用单片机的最小系统就能得以实现。

而单片机的最小系统设计中实际上最重要的就是对键盘/显示器接口电路的设计，由于系统功能不同所以要求就不同，接口设计也就不同。

对一个键盘/显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件特点。

下面是本人在设计前对各种设计方案的考虑：
2.1系统整体方案选择
根据电子时钟里的核心部件秒信号的产生原理，通常有以下两种实现方案。

方案一：采用专用的时钟芯片。

在电子时钟设计中常用的实时时钟芯片有DS12887、DS1216、DS1643、DS1302等。

每种芯片的主要时钟功能基本相同只是在引脚数量、备用电池的安装方式、计时精度和扩展功能等方面略有不同。

本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS12887A，该芯片部采用石英晶体振荡器，具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其用于显示或设置，使得软件编程相对简单。

为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片部包含锂电池。

当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到部锂电池供电系统。

而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。

然而尽管它走时准确，但是功能单一，不易拓展其他功能。

方案二：利用单片机部的定时/计数器进行中断定时，配合软件延时实现时、分、秒的计时及秒表计时。

原理为：在单片机部存储器设6个字节分别存放时钟的时、分、秒信息的高位和低位，利用定时器与软件结合每隔50ms溢出中断一次，则循环中断20次的延时时间即是1s，存储器相应的位值加1，若存放秒的两位达到60，则将其清零，并将相应的分低位加1；若存放分值的两位达到60，则清零分位，并将时低位值加1；若存放时的两位达到24，则将时位清零。

该方案硬件电路简单。

但每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。

比较这两种方案，由于单片机集成度高、可靠性强、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉且能够方便的实现系统的多功能性等一系列优点，故采用方案二单片机作为本课题设计的硬件基础。

2.2 系统总体设计框图
本设计采用模块化的思想，将系统按要求分解成为核心控制模块和辅助模块，通过模块化的思想即可得出整个设计的过程是先实现最基本的时钟功能，然后实现时间的显示功能以及相关的调整功能。

根据设计要求与设计思路，确定该系统的设计方案，图2.1为该系统设计方案的总体设计框图。

图2.1 系统总体设计框图
2.3 单片机芯片的选择
根据初步设计方案的分析，设计这样一个应用系统，可以选择有EPROM的单片机，程序直接存储在片，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。

INTEL公司的8051和8751系列都可以选用。

8051片有4KB ROM，但是编写的程序无法烧写到其ROM中， 8751 与8051 基本一样，但8751 片有4KB的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。

在众多的51系列单片机中，要数ATMEL公司的AT89C51、AT89S51 更实用，，它们采用Flash ROM，这种工艺的存储器可以用电的方式瞬间擦除、改写。

部具有4KB 的ROM存储空间，128字节的部RAM，能在3V超低压下工作，而且与MCS-51系列单片机性能完全相兼容。

AT89S51相对于AT89C51新增加了很多功能，性能有了较大的提升，相对来说有以下特点：
①价格基本上不变，甚至比AT89C51更低。

②AT89S51具有ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器的程序不需要芯片从工作环境上拔出，可以在线烧写。

③AT89S51部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

④AT89S51具有双工UART串行通道。

⑤AT89S51具有双数据指示器。

总之，无论是比其他品牌同类产品相比，还是与同品牌产品相比都显示了AT89S51优良的性能，更高的性价比。

所以AT89S51芯片成为了本系统的首选。

图 2.2 AT89S51引脚图
2.3.1 AT89S51引脚功能
AT89S51单片机共有40个引脚，其中有2个主电源引脚Vcc和GND，2个时钟电路引脚为XTAL1和XTAL2，4个控制引脚分别为RST、ALE/PROG、/PSEN、EA/VPP，另外AT89S51单片机还有4个8位的并行口，分别称为P0口、P1口、P2口和P3口，共32个引脚，单片机就是通过这些口线对外部电路进行控制和检测。

具体的引脚功能如下：Vcc：电源电压
GND：接地
P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻[5]。

P1口：P1口是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。

作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信
号拉低时会输出一个电流。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8地址[5]。

P2口：P2口是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。

作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX Ri指令）时，P2口线上的容（即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的容），在整个访问期间不改变。

Flash编程和程序校验期间，P2亦接收高位地址和其他控制信号[5]。

P3口：P3口是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号[5]。

表2.1 P3口第二功能
RST：复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DIRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态[5]。

ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此可对外输出时钟或用以定时目的。

要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于出入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位
置位，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效[5]。

/PSEN：程序储存允许（/PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）使，每个机器周期两次/PSEN有效，即输出两个脉冲。

当访问外部数据存储器。

没有两次有效的/PSEN信号[5]。

EA/VPP：外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行部程序存储器中的指令。

Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP[5]。

XTAL1：振荡器反相放大器及部时钟发生器的输入端[5]。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出端[5]。

2.3.2 AT89S51定时/计数器
AT89S51单片机有2个16位的可编程定时器/计数器，称为定时器/计数器0和定时器/计数器1，分别由两个8位的特殊功能寄存器TH0、 TL0和TH1、TL1组成。

它们均可以作定时器和事件计数器，为单片机系统提供计数和定时功能。

①定时/计数器控制寄存器TCON
表2.2 TCON 的各位定义
TR0—定时/计数器T0运行控制位。

TR0=1，启动T0运行（与TMOD中的GATE位有关），TR0=0，T0停止运行。

TR1—定时/计数器T1运行控制位。

功能同TR0。

②定时/计数器工作方式控制寄存器TMOD
1）GATE—门控位。

GATE一般情况下设置为 0，此时定时/计数器的运行仅受TR0/TR1控制。

2）C/T—定时/计数选择位。

C/T=0，为定时方式，对部的机器周期计数。

C/T=1，为计数方式，对引脚上的脉冲信号计数，负跳变有效。

3）M1M0—工作方式选择位。

M1M0=00B，方式0—13位的定时/计数器。

M1M0=01B，方式1—16位的定时/计数器。

M1M0=10B，方式2—8位的定时/计数器，初值自动重装。

M1M0=11B，方式3—两个8位的定时/计数器，仅适用于T0。

当CPU用软件给定时器设置了某种工作方式之后，定时器就会按设定的工作方式独立运行，不再占用CPU的操作时间，除非定时器计满溢出，才可能中断CPU当前操作。

CPU也可以重新设置定时器工作方式，以改变定时器的操作。

由此可见，定时器是单片机中效率高而且工作灵活的部件[6]。

2.3.3 AT89S51中断控制系统
中断是指在CPU正在执行某一段程序的过程中，如果外界或部发生了紧急事件要求CPU暂停正在运行的程序转而去处理这个紧急事件，待处理完后再回到原来被停止执行程序的间断点，继续执行原来被打断了的程序的过程。

产生中断的请求源叫中断源[3]。

AT89S51共有5个中断源：
①INT0：外部中断0请求，低电平有效。

通过P3.2引脚输入。

②INT1：外部中断1请求，低电平有效。

通过P3.3引脚输入。

③T0：定时器/计数器0溢出中断请求。

④T1：定时器/计数器1溢出中断请求。

⑤TXD/RXD：串行口中断请求。

当串行口完成一帧数据的发送或接收时，便请求中断。

每一个中断源都对应一个中断请求标志位，它们设置在特殊功能寄存器TCON和SCON 中。

当这些中断源请求中断时，相应的标志分别有TCON和SCON中的相应位来锁存。

AT89S51中断系统有以下4个特殊功能寄存器：
①定时器控制寄存器TCON（用6位）；
②串行口控制寄存器SCON（用2位）；
③中断允许寄存器IE；
④中断优先级寄存器IP。

其中，TCON和SCON只有一部分用于中断控制。

通过对以上各特殊功能寄存器的各位进行置位或复位等操作，可实现各种中断控制功能。

AT89S51的CPU在每个机器周期的S5P2期间顺序采样每个中断源，CPU在下一个机器周期S6期间按优先级顺序查询中断标志。

如查询到某个中断标志为1，则将在接下来的机器周期S1期间按优先级进行中断处理。

中断系统通过硬件自动将相应的中断矢量地址
装入PC，以便进入相应的中断服务程序。

3 电子时钟系统的硬件设计
硬件电路由7部分组成，即按键输入电路、单片机、时钟电路、复位电路、LED显示器电路、和蜂鸣器电路。

3.1 复位电路
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H 单元开始执行程序，并使其它功能单元处于一个确定的初始状态。

单片机复位的条件是：必须使 RSW或RST引脚加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。

例如，若时钟频率为 12MHz，每机器周期为 1μs，则只需 2μs以上时间的高点平，在 RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。

单片机常见的复位方式可分为上电复位和按键复位两种。

本设计采用上电按键复位电路：首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被电路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，单片机芯片正常工作。

图3.1 复位电路图
3.2 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：一种是部。