简易电子时钟设计

基于单片机的简易电子时钟设计

1 设计任务与要求

1.1 设计背景

数字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办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于单片机的定时器功能也可以完成数字钟电路的设计，因此进行数字钟的设计是必要的。在这里我们将已学过的比较零散的数字电路的知识有机的、系统的联系起来用于实际，来培养我们的综合分析和设计电路，写程序、调试电路的能力。

单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且已渗入到人们工作和和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前景广阔。

1.2 课程设计目的

(1)巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；

(2)培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；

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(3)过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。

1.3 设计要求

1）．时制式为24小时制。

2）．采用LED数码管显示时、分，秒采用数字显示。

3）．具有方便的时间调校功能。

4）．计时稳定度高，可精确校正计时精度。

2 总体方案设计

2.1 实现时钟计时的基本方法

利用MCS-51系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现时钟计数。

(1) 计数初值计算:

把定时器设为工作方式1，定时时间为50ms，则计数溢出20次即得时钟计时最小单

2.4.1 计时方案

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利用ATS51单片机内部的定时/计数器进行中断时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高，对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而对学好单片机技术这门课程起到一定的作用。

2.4.2 控制方案

ATS51的P0口和P2口外接由八个LED数码管(LED8～LED1)构成的显示器，用P0口作LED的段码输出口，P2口作八个LED数码管的位控输出线，P1口外接四个按键A、B、C构成键盘电路。

ATS51 是一种低功耗，高性能的CMOS 8位微型计算机。它带有8K Flash 可编程和擦除的只读存储器（EPROM），该器件采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的80C51和80C52的指令系统及引脚兼容，片内Flash 集成在一个芯片上，可用与解决复杂的问题，且成本较低。简易电子钟的功能不复杂，采用其现有的I/O便可完成，所以本设计中采用此的设计方案。

3 系统硬件电路设计

根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块：单片机模块、数码显示模块与按键模块，模块之间的关系图如下面得方框电路图1所示。

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图1 硬件电路方框图

3.1单片机模块设计

3．1．1 芯片分析

ATC51单片机引脚图如下：

图2 ATC51引脚图

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MCS-51单片机是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，其各引脚功能如下：

VCC：+5V电源。

VSS：接地。

RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用完成单片机的复位初始化操作。

XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，当作输出口使用时，必须接上拉电阻才能有高电平输出；当作输入口使用时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使FET截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，它不再需要多路转接电路MUX；因此它作为输出口使用时，无需再外接上拉电阻，当作为输入口使用时，同样也需先向其锁存器写“1”，使输出驱动电路的FET截止。

P2口：P2口电路比P1口电路多了一个多路转接电路MUX，这又正好与P0口一样。P2口可以作为通用的I/O口使用，这时多路转接电路开关倒向锁丰存器Q端。

P3口：P3口特点在于，为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。当作为I/O口使用时，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端

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数据输出通路的畅通。当输出第二功能信号时，该位应应置“1”，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出，具体第二功能如表1所示。

3.1.2 晶振电路

右图所示为时钟电路原理图，在ATS51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。

图3晶振电路

3.1.3 复位电路

单片机复位的条件是：必须使RST/VPD 或RST引（9）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12 MHz，每机器周期为1μs，则只需2μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位如图所示。电路为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图中的RESET键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RESET端产生一个复位高电平。

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图4 单片机复位电路

3.2 数码显示模块设计

系统采用动态显示方式，用P0口来控制LED数码管的段控线，而用P2口来控制其位控线。动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。

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图5 数码显示电路

3.3 按键模块

下图为按键模块电路原理图，A为复位键，B为时钟键，C为分钟键。

图 6 按键模块电路原理图

4、系统软件设计

4.1 软件设计分析

在编程上，首先进行了初始化，定义程序的的入口地址以及中断的入口地址，在主程序开始定义了一组固定单元用来储存计数的时.分.秒，在显示初值之后，进入主循环。在主程序中，对不同的按键进行扫描，实现秒表，时间调整，复位清零等功能，系统总流程图如下图7：

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图 7 系统总体流程图

4.2 源程序清单

ORG 0000H

MOV 30H,#1 设置时钟的起始时间12.00.00，分配显示数据内存

MOV 31H,#2

MOV 32H,#0

MOV 33H,#0

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MOV 34H,#0

MOV 35H,#0

MOV TMOD,#01 启动计数器

XS0: SETB TR0 使 TRO位置1

MOV TH0,#00H 计数器置零

MOV TL0,#00H

XS:

MOV 40H,#0FEH 扫描控制字初值

MOV DPTR,#TAB 取段码表地址

MOV P2,40H 从P2口输出

MOV A,30H 取显示数据到A

MOVC A,@A+DPTR 查显示数据对应段码

MOV P0,A 段码放入P0中

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LCALL YS1MS 显示1MS

MOV P0,#0FFH PO端口清零

MOV A,40H 取扫描控制字放入A中

RL A A中数据循环左移

MOV 40H,A 放回40H地址段内

MOV P2,40H

MOV A,31H

ADD A,#10 进位显示

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

LCALL YS1MS

MOV P0,#0FFH

MOV A,40H

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RL A

MOV 40H,A

MOV P2,40H

MOV A,32H

MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A

LCALL YS1MS

MOV P0,#0FFH

MOV A,40H

RL A

MOV 40H,A

MOV P2,40H

MOV A,33H

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ADD A,#10

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

LCALL YS1MS

MOV P0,#0FFH

MOV A,40H

RL A

MOV 40H,A

MOV P2,40H

MOV A,34H

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

LCALL YS1MS

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MOV P0,#0FFH

MOV A,40H

RL A

MOV 40H,A

MOV P2,40H

MOV A,35H

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

LCALL YS1MS

MOV P0,#0FFH

MOV A,40H

RL A

MOV 40H,A

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JB TF0,JIA 如果TF0为1时，则执行JIA，否则顺序执行

JNB P1.0,P100 为0则 转移到P100

JNB P1.1,P1000 为0则 转移到P1000

JNB P1.2,P10000 为0则 转移到P10000

AJMP XS 跳转到 XS

P100: MOV 30H,#0 清零程序

MOV 31H,#0

MOV 32H,#0

MOV 33H,#0

MOV 34H,#0

MOV 35H,#0

JIA: CLR TF0 TF0清零

MOV A,35H 秒单位数据到A

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CJNE A,#9,JIA1 与 9进行比较，大于9就转移到JIA1

MOV 35H,0 秒个位清零

MOV A,34H 秒十位数据到A

CJNE A,#5,JIA10 与5进行比较，大于5就转移到JIA10

MOV 34H,#0 秒十位清零

P10000: JNB P1.2,P10000 为0则 转移到P10000

MOV A,33H 取分的个位到A

CJNE A,#9,JIA100 与 9进行比较，大于9就转移到JIA100

MOV 33H,#0 分的个位清零

MOV A,32H 分十位数据到A

CJNE A,#5,JIA1000 与5进行比较，大于5就转移到JIA1000

MOV 32H,#0 分的十位清零

P1000: JNB P1.1,P1000 为0则 转移到P1000

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MOV A,31H 时个位数据到A

CJNE A,#9,JIA10000 与 9进行比较，大于9就转移到JIA10000

MOV 31H,#0 时的个位清零

MOV A,30H 时十位数据到A

CJNE A,#2,JIA100000 与2进行比较，大于5就转移到JIA100000

MOV 30H,#0 时的十位清零

AJMP XS0 转移到 XSO

JIA100000:

INC 30H 加1

AJMP XS0 跳转到 XS0

JIA10000:

CJNE A,#3,JIAJIA 与3进行比较，大于则转移到JIAJIA

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MOV A,30H 将时的十位放到 A

CJNE A,#02,JIAJIA 与2进行比较，大于则转移到JIAJIA

MOV 30H,#0 时段清零

MOV 31H,#0

AJMP XS0 JIAJIA:

INC 31H AJMP XS0

JIA1000:INC 32H

AJMP XS0

JIA100: INC 33H

AJMP XS0

JIA10: INC 34H

跳转到XSO

加一

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AJMP XS0

JIA1: INC 35H

AJMP XS0

RET 返回

YS1MS: MOV R6,#9H 延时程序

YL1: MOV R7,#19H

DJNZ R7,$

DJNZ R6,YL1

RET

TAB:

D

5.1 系统仿真

运用proteus软件进行仿真现在proteus软件中建立一个新的文件，再根据自己的要求选

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择所需的器件，把器件进行适当的排位后进行连接，连接后运行软件进行仿真。

5.2 实验测试

电子时钟主要的设计要求是能够实现时钟的一般功能，以及包括时间的调整功能，这个基于单片机的电子时钟基本上实现了上述功能，能够通过时间调整电路对时间进行调整以及复位。下述为18：30：30的仿真图：

图8 18：30：30时刻的仿真效果图

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