1、单片机设计电子表概述单片机原理与应用课程设计题 目： 数字电子表设计 班 级： 学 号： 姓 名： 基于51单片机的数字电子表的设计摘 要 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
2、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。近几年，单片机在各个领域得到广泛的应用。从工业到人们的日常生活，大部分的科技产品都是通过单片机来控制。在它问世之前，自动控制设备不能被广泛的应用，这是因为控制设备的体积庞大，耗电量大，价格昂贵。在第一台微处理器成功研制不久，第一个单片机就问世了。因为单片机具有体积小、功耗低、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，而受到大家的欢迎。它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。第一章 单片机知识介绍1
3、.1什么是单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器CPU（Central Process Unit），随机存储器RAM（Random Access Memtory），只读存储器ROM（Read Only Memtory），中断系统，定时器/计数器以及I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机单片机具有体积小，价格低，可靠性高和易于嵌入式应用等特点，适合用作智能仪器仪表和工业测控系统的前端装置。单片机本身没有开发能力，必须借助开发机完成应用系统的硬件故障和软件故障错误的排除，调试完程序必须固化到单片机的内部或外部程序存储器芯片中。新的单片机应用系统开发技术在近几年有了快速的发展。1.2单
4、片机应用的特点 控制功能和可靠性高单片机是为了满足工业控制而设计的，所以实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O接口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的，另外，由于CPU，存储器，以及I/O接口集成在同一芯片内，各部件之间的连接紧凑，数据在传送时受到干扰小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。 体积小，价格低，易于产品化每一片单片机既是一台完整的微型计算机，对于批量的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时还可以专门进行芯片设计，使芯片功能与应用具有良好和对应关系。对单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少，从而使应用系统的印刷板减
5、小，按插件减少，安装简单。在现代的各种电子器件中，单片机具有良好的性能价格比，这正是单片机得以广泛应用的重要原因。1.3单片机的应用领域(1)能仪器仪表单片机用于各种仪表，一方面提高了仪表仪器的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表的升级代换。如各种智能化电气测量仪表，智能传感器等。(2)机电一体化机电一体化产品是集机械技术，微电子技术，自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型的产品如：机器人，数控机床，自动包装机，点钞机，医疗设备，打印机，传真机，复印机等。(3)实
6、时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流，电压，温度，液位，流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电动机转速控制，温度控制，自动生产线等。(4)分布系统的前端模式在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式控制系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块。系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列有点。(5)家用电器家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广泛如空调，电冰箱，洗
7、衣机、电饭煲，高档洗浴设备，高档玩具。另外，交通领域中，汽车，火车，飞机，航天等均有单片机的广泛应用。1.4单片机的中断与定时系统1.4.1 MCS51单片机中断系统中断是一项重要的计算机技术，这一技术在单片机中得到了充分的继承。Cpu在面对多项任务，但是由于资源有限，有可能出现资源竞争的局面，即多个任务来争夺一个CPU。而中断技术就是解决资源竞争的有效方法。采用中断技术可以使多项任务共享一个资源，所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。在单片机中，中断技术主要用于实时控制。所谓实时控制，就是要求计算机能及时地响应被控对象提出的分析，计算和控制等请求，使被控对象保持在最佳工作状态，以达到预定的
8、控制效果。由于这些控制参量的请求都是随机发出的，而且要求单片机必须作出快速响应并及时处理，因此，只有靠中断技术才能实现。1.4.2 MCS-51 单片机的定时器/计数器的控制应用中,定时是必不可少的,可供选择的定时方法有:(1) 软件定时软件定时是靠执行一个循环程序以进行的时间延迟.软件定时的特点是时间精确，且不需外加硬件电路。但软件定时要占用CPU，增加CPU开销，因此软件定时的时间不易太长。此外，软件定时方法在某些情况下无法使用。(2) 硬件定时对于时间较长的定时，常使用硬件电路完成。硬件定时方法的特点是定时功能全部由硬件电路完成，不占CPU时间。但需通过改变电路中的元件参数来调节定时时间
9、，在使用上不过灵活，方便。(3) 可编程定时器定时这种定时的方法是对通过系统时钟脉冲的计数来实现。计数值通过程序设定，改变计数值，也就改变了定时时间，使用起来即方便，又灵活。此外，由于采用计数方法实现，因此，可编程定时器都兼有计数的功能，可以对外来脉冲进行计数。单片机应用中，定时与计数的需求较多，为了使用方便并增加单片机的功能，就干脆把定时电路集成在芯片中，成为定时器/计数器。MCS51内部就有两个定时器/计数器。定时器/计数器的定时和计数功能 作为基本组成内容，MCS51单片机共有2个可编程的定时器/计数器，分别称定时器/计数器和定时器/计数器1。它们都是16位加法计数结构，分别由TH0(地
10、址是8CH)和TL0（地址是8AH）及TH1（地址是8DH）和TL1（地址是8BH）l两个8位计数器组成。这4个计数器均属专用寄存器之列。计数功能所谓计数是指对外部时间进行计数。外部时间的发生以输入脉冲表示，因此计数功能的实质就是对外来脉冲进行计数。MCS51芯片有T0 和T1两个信号的引脚，分别是两个计数器的计数输入端。外部输入的脉冲在负跳变时有效，进行计数器加1（加法计数）。定时功能定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过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。也就是每个机器周期计数器加1，由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。
11、如果单片机采用12MHZ晶体，则计数器频率为1Mhz,即每微妙计数器加1。这样不但可以根据计数器计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的预置值。15 芯片简介AT89C51单片机引脚图如下：图1.1 AT89C51引脚图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
12、：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
13、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。第二章 总体方案设计2.1设计方案数字钟是一个将“ 时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和一些显示日期、随时查看年月日等附加功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”，“日期”计数器、校时电路、和振荡器组成。秒
14、信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。每累计24小时，发出一个“日脉冲”信号，该信号将被送到“日期计数器”，“日期计数器” 采用30进制计时器，可实现对一月30天的累计同时进位月份和年份。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”、“日期”计数器的输出状
15、态送到七段显示译码器译码，通过七位LED七段显示器显示出来。校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”、“日期”、“月份”显示数字进行校对调整的。数字电子钟主体电路应由以下几部分组成：通过分频器产生标准秒信号；60进制分秒计数器以及24小时计数器；分、时的译码显示部分；校时电路。2.1程序结构框图图2.1 软件的模块实现原理图2.1.1主程序流程图如图2.2所示：图 7 系统总体流程图图2.2 主程序流程图（日期显示的年月日与时分秒同理）2.1.2 中断处理流程图如图2.3所示T0中断入口通过查表方式显示数据数码位选加1位选数值8吗？ N Y位选数值0延时计数加1延时数100吗？ N Y秒计数0S
16、ECOND加1 NSECOND=60吗？ YSECOND=0，并MINITE加1 NMINITE=60吗？ YMINITE=0，并HOUR加1 NHOUR=24吗？ YHOUR=0显示数据处理中断返回 图2.3 中断处理流程图第三章 系统的硬件组成3.1硬件模块的实现单片机系统中的时钟是一切与时间有关过程的运行基础，在实时控制系统中尤其如此。钟有绝对时钟和相对时钟两种。绝对时钟是与当地的时钟同步的，有月、日,时、秒等功。相对时钟则与当地时间无关，一般只有时、分、自动控制定时时间长短的功能。MOS-51系列单片机只有T0,T1两个16位定时器，若都用作系统时钟的绝对时钟和相对时钟定时，则当系统再
17、用于通信等需要定时器资源的情况下，会出现定时器不够用的情况.为此，统一设计单片机的时钟系统，用一个定时器完成绝对和相对时钟等多项定时任务是有实际意义的。3.1.1 显示模块概述概述1. 功能概述本时钟使用四个LED显示模块，显示的基本格式为：时（秒点跳动）分秒。随时可以调整时钟的时间。当按下时钟调整模式键时，进入调整时间状态。通过不同的按钮次数，调整不同的位置的数字。单片机时钟的基本框图如图3.1所示：图3.1 单片机时钟的基本框图晶振复位电路：产生计数信号，完成时钟的运行。输入模式键：选择调整的位：分，时，日，月。输入调整键：调整相应位的时间或日期，每按一次，加一。2.技术方案一个完整的数字
18、钟电路相当于一个简单的系统，每个部分都要设计。MCS51单片机的片内结构由八部分组成。微型处理机（CPU），数据存储器（RAM）。程序存贮器（ROM，EPROM），I/O口，定时器，计数器。中断系统及特殊的功能寄存器（SFR）。数据存储器和程序存储器的可寻址的范围是：64K地址范围是：0000H-FFFFH扩展的I/O均占用存储器的地址。（1） LED显示原理可供选择的方法LED显示有四种方法 使用单片机芯片本身的并行口。 使用单片机芯片本身的穿行口 使用通用芯片接口（例如。8255，8155等） 使用专用接口芯片 8279（2） LED的分类LED发光器一般有两类，数码管和点阵。常用的数码管
19、一般为8字节数码管，分别为：a，b，c，d，e，f，g，dp。其中dp为小数点。数码管常用的有10根管脚。段中间两根管脚为一个数码管的公用端。两根之间的相互连通。如图3.所示：八段显示： 图3.2 LED数码管 图3.3 八段数码管从尺寸上分，LED数码管的种类很多，常用的有0.3 ，0.5，0.8，1.0 1.2，1.5，1.8，2.3，3.0，4.0，5.0等。一般小1.0的单管芯。1.2-1.5为双芯管。1.8以上为3个以上芯管。因而它们的要求不同，一般每个管芯压降为2.1v左右。通常，0.8以下采用5V供电。1.02.3采用12v供电，3.0以上的选择更高电压供电。从电路上分为共阴极和
20、共阳极两种。图3.3为共阳极八段显示器。（3）可供选择的LED显示的基本原理：用单片机驱动LED的方法有很多种，按显示方式分，有静态显示和动态显示两种。按译码方式分为硬件译码和和软件译码。1. 静态显示：所谓静态显示就是指显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管导通或截止。静态显示有并行和串行输出出两种方式。对于静态显示方式。Led显示器由接口芯片直接驱动。采用较小的驱动电流就可以得到较高的显示亮度。但是，并行输出显示的十进制位数多时，需要并行的I/O接口芯片的数量较多。采用串行输出可以大大节省单片机的内部资源。静态显示具有锁存的能力，单片机将要显示的数据送出后不再控制LED，直到下次显示是才
21、传送数据。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。每一位都有锁存器和译码器。电路如图3.4。图3.4 数码管静态显示原理图2. 动态显示：所谓动态显示，就是一位一位的显示轮流点亮显示器的各个位（扫描 ）。对于每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮）。但是由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余晖，我们看到却是多个字符“同时”显示。显示器亮度即与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间长短和时间间隔有关。调整电流和时间参数，即可以得到较稳定的显示。 动态显示接口是单片机中应用最广泛的一种显示方式。其接口把所的LEDAGdp连在一起。而公共的COM端是各自独立受I
22、/O控制。尽管实际上各位显示器并非同时点亮。但是是要扫描的速度足够快，给人一种稳定的感觉，不会有闪烁感。 静态显示虽然数据显示稳定，占用cpu时间少，但是使用硬件较多。动态显示占用CPU时间多，但是使用硬件少。节省电路板空间。从上述分析，动态显示方案有一定的实用性，也是目前单片机数码管显示较为常用的一种显示方式。所以，在本设计中，使用动态显示方式。3 、显示驱动电路方案 在一般情况下，单片机使用并行驱动方式进行LED显示。并行驱动的结构较为简单，并且非常适用于说明地址和数据总线复用的情况。LED并行驱动的电路原理图如下：图3.5 LED并行驱动的电路原理图图中C51与8位LED显示器的接口。7
23、4HC573的P00P07作为段选码口，经过74LS138驱动与LED相连。74HC573的P00P07作为位选码口，经过74LS138驱动与LED的位相连。将各个位选线直接连接在单片机的其中一个输出口，进行位扫描，完成动态的显示。总结上述提到的各种方式都有各自的可行性。3.2 晶振电路单片机由其内部固化程序在12 MHZ晶振的准确支持运行，将时钟芯片中的时、分读取到缓冲区内，并将时、分送到显示电路， 图所示为时钟电路原理图，在AT89S51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
24、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3.6 晶振电路3.3 按键模块按建模块用来切换显示时间或日期，以及对时间和日期进行校正修改和相关设置功能，该系统只使用S1和S2两个按键，如下图所示：图3.7 按键模块原理图图4.2 STC-ISP下载软件界面第四章 程序设计4.1相关工具软件本次设计中与用到的相关软件如图4.1和图4.2所示：图4.1 Keil uVision2使用界面4.2部分时钟程序（程序清单见附录）: /*/* 定时器1中断 */*/void time1_isr(void) interrupt 3 using 0
25、/定时器1用来动态扫描 static unsigned char num; TH1=0xF8;/重入初值 TL1=0xf0; switch (num) case 0:P2=0;P0=StrTabnum;break; /分别调用缓冲区的值进行扫描 case 1:P2=1;P0=StrTabnum;break; case 2:P2=2;P0=StrTabnum;break; case 3:P2=3;P0=StrTabnum;break; case 4:P2=4;P0=StrTabnum;break; case 5:P2=5;P0=StrTabnum;break; case 6:P2=6;P0=St
26、rTabnum;break; case 7:P2=7;P0=StrTabnum;break; default:break;num+; /扫描8次，使用8个数码管if(num=8) num=0;第五章 系统功能调试与指标参数本系统以89C51单片机作为控制核心,使用LED显示模块和按键模块,实现时间的显示，年月日显示及相应校正和设置功能.除具有括时钟显示、日期显示外,还有校正时间和日期.实际运行效果良好,并可进行进一步的扩展.数字电子钟能以秒为最小时间单位计时，同时应能用数字直观显示当前的时与分，秒，以及切换到日期显示界面，还可以手动校时和调整日期。5.1基本功能和参数1时制式为24小时制。2采
27、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，可精确校正计时精度。 6其它附加功能（显示日期，随时切换查看时间和日期）。5.2测试的相关参数（1）小计时时间单位为1s。（2）秒和分的范围是0059，小时的计时范围是0023，日的计时范围是0130，月的计时范围是0112，年的计时范围是20002099。（3）可手动将时间显示和日期显示互相切换，并可分别对分钟、小时、日期和月份进行校正。附录时钟程序清单：#include /包含头文件，一般情况不需要改动，头文件包含特殊功能寄存器的定义sbit key_change=P30; /定义端口参数sbit key=P3
28、1;sbit LED=P12; /定义指示灯参数code unsigned char tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /共阴数码管 0-9unsigned char StrTab8; /定义缓冲区unsigned char minute=55,hour=20,second,date=24 ,change,month=12 ,year=10,number; /定义并且初始化值 20:55:00 20101224/*/* 延时函数 */*/void delay(unsigned int cnt) while(-cnt);
29、/*/* 显示处理函数 */*/void display_time() StrTab0=tabhour/10; StrTab1=tabhour%10; StrTab2=0x40; StrTab3=tabminute/10; StrTab4=tabminute%10; StrTab5=0x40; StrTab6=tabsecond/10; StrTab7=tabsecond%10; void display_day() StrTab0=0x5b; StrTab1=0x3f; StrTab2=tabyear/10; StrTab3=tabyear%10|0x80; StrTab4=tabmonth/10; StrTab5=tabmonth%10|0x80; StrTab6=tabdate/10; StrTab7=tabdate%10; /*
