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大工14春《单片机原理及应用》大作业


网络教育学院 《单片机原理及应用》大作业



目:单片机电子时钟设计

学习中心: 层 专 年 学 次:专升本 业:电气工程及其自动化 级:2014 年 号: 春 季

学生姓名:

一、课题背景 1957 年,Ventura 发明了世界上第一个电子表, 从而奠定了电子时钟的基础, 电子时钟开始迅速发展起来。 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, 是人们日常生活不可缺少的工具。 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。 二、时钟的基本原理分析 利用单片机定时器完成计时功能, 定时器 0 计时中断程序每隔 0.01s 中断一 次并当作一个计数,设定定时 1 秒的中断计数初值为 100,每中断一次中断计数 初值减 1,当减到 0 时,则表示 1s 到了,秒变量加 1,同理再判断是否 1min 钟 到了,再判断是否 1h 到了。 为了将时间在 LED 数码管上显示,可采用静态显示法和动态显示法,由于静 态显示法需要译码器, 数据储存器等较多硬件, 可采用动态显示法实现 LED 显示, 通过对每位数码管的依次扫描, 使对应数码管亮, 同时向该数码管送对应的字码, 使其显示数字。由于数码管扫描周期很短,由于人眼的视觉暂留效应,使数码管 看起来总是亮的,从而实现了各种显示。 三、51 单片机介绍及时钟设计分析 针对要实现的功能,采用AT89S51单片机进行设计,AT89S51 单片机是一款 低功耗, 高性能CMOS8位单片机, 片内含4KB在线可编程 (ISP) 的可反复擦写1000 次的Flash只读程序存储器,器件采用高密度、非易失性存储技术制造,兼容标 准MCS- 51指令系统及80C51引脚结构。这样,既能做到经济合理又能实现预期的 功能。 在程序方面,采用分块设计的方法,这样既减小了编程难度、使程序易于理 解,又能便于添加各项功能。程序可分为闹钟的声音程序、时间显示程序、日期 显示程序,秒表显示程序,时间调整程序、闹钟调整程序、定时调整程序,延时

程序等。运用这种方法,关键在于各模块的兼容和配合,若各模块不匹配会出现 意想不到的错误。 首先, 在编程之前必须了解硬件结构尤其是各引脚的用法, 以及内部寄存器、 存储单元的用法,否则,编程无从下手,电路也无法设计。这是前期准备工作。 第二部分是硬件部分:依据想要的功能分块设计设计,比如输入需要开关电路, 输出需要显示驱动电路和数码管电路等。第三部分是软件部分:先学习理解汇编 语言的编程方法再根据设计的硬件电路进行分块的编程调试,最终完成程序设 计。第四部分是软件画图部分:设计好电路后进行画图,包括电路图和仿真图的 绘制。第五部分是软件仿真部分:软硬件设计好后将软件载入芯片中进行仿真, 仿真无法完成时检查软件程序和硬件电路并进行修改直到仿真成功。 第六部分是 硬件实现部分: 连接电路并导入程序检查电路,若与设计的完全一样一般能实现 想要的功能。最后进行功能扩展,在已经正确的设计基础上,添加额外的功能! 四、时钟的设计 A.电路设计 1. 整体设计 此次设计主要是应用单片机来设计电子时钟,硬件部分主要分以下电路模 块:显示电路用8个共阴数码管分别显示,星期(年份) ,小时、分钟(月份)和 秒(日) ,通过动态扫描进行显示,从而避免了译码器的使用,同时节约了I/0 端口,使电路更加简单。单片机采用AT89S51系列,这种单片机应用简单,适合 电子钟设计。 电路的总体设计框架如下:

输入部分

单 片 机
晶振和复位

输出部分

2. 分块设计 模块电路主要分为:输入部分、输出部分、复位和晶振电路。

2.1 输入部分 输入信号主要是各种模式选择和调整信号,由按键开关提供。 以下为输入部分样例:

在本实验中主要用用P3口输入按键信号,还用到了特殊的P0口。对于P0口, 由于其存在高阻状态, 为了实现开关功能, 给其添加上拉电阻, 具体如下图所示:

2.2 输出部分 本电路的输出信号为7段数码管的位选和段选信号,闹铃脉冲信号,提示灯 信号。 本实验的数码管是共阴的,为了防止段选信号不能驱动数码管,故在 P1 口连接 上拉电阻后,再送段选信号,以提高驱动,位选信号直接从 P2 口接入,如下图:

闹铃由P2.6端输出,模块如下:

2.3 晶振与复位电路 本实验单片机时钟用内部时钟,模块如下:

复位电路为手动复位构成,模块如下:

各模块拼接组合,电路总体设计图如下



B.程序设计 B.1 程序总体设计 本实验用汇编程序完成. 程序总的流程图如下:

主 程 序 开始

显示星 期,时,

分,秒 是否有 调 转?

T0 中 断

定 时 到

闹 铃 到 响铃 提示

按 1 键

按 2 键

按 3 键

按 4 键

按 5 键

按 7 键

秒, 分, 时等 进位

闪烁 提示

显示 日期 并调 整

时间 调整

闹铃 设置

定时 设置

铃声 测试

秒表 模式

回主 程序

按 0 键

回主 程序

按 0 键

按 4 键 按 0 键 回 主 程序 7 键 恢 复 秒 表 暂停 按 8 键 秒 表 清零

倒 计 时 启 动 并 显示 按 0 键

按 7 键

B.2 程序主要模块 B.2.1 延时模块 数码管显示动态扫描时,用到延时程序,这里使用延迟 1ms 的程序,此程序 需反复调,除数码管动态扫描外,数码管的闪烁提示,以及音乐模块也用到了延 时,只是延时的长短不同罢了,在此不再赘述。 B.2.2中断服务程序 本实验中,计数器T0,T1中断都有运用,其中T0中断为时钟定时所用,T1中 断用于音乐播放。T0的定时长度为0.01s,工作于方式1,计数1次,时长1us,故 计数器计数10000次,进入中断,计数初值为65536-10000=55536=#0D8F0,装满 定时器需要0.01s的时间,从而100次中断为一秒,一秒之后,判断是否到60秒, 若不到则秒加一,然后返回,若到,则秒赋值为0,分加一,依次类推。包括日 期显示的功能也是如此。另外,由于要实现倒计时功能,因此在中断程序中还要 加入减一的寄存器, 需要时将其进行显示。 基于以上考虑, 以R3为倒计时中的秒, R4为倒计时的分,当秒加1时R3减一,减到0之后,秒赋值为59,分减一,直到分 为0。 计数器 T1 工作于方式 1, 当调用响铃程序时,其计数功能开启,为音乐音 调不同频率的方波的形成, 提供延时。其中断服务程序就是根据音调改变音乐方 波输出口电平的高低,用语句 CPL 实现。 中断服务程序中日历的实现较为复杂,要考虑平年,闰年,特殊的2月,每 月的天数的不尽相同。具体的逻辑判断方法为:首先,要考虑年份是不是闰年, 闰年的判断方法是: 将年份除以100, 若能整除, 则将年份除以400, 若还能整除, 则为闰年,若不能,则为平年;若不能被100整除,则判断是否能被4整除,若能, 则为闰年,若不能则为平年。只有2月与平、闰年相关,因此在闰年和平年的子 程序中,要判断是不是2月,若是则在相应的年中进行日期的增加,若不是则转 入平时的月份。其中1、3、5、7、8、10、12月是每月31天,4、6、9、11月为每 月30天。 日历进位判断流程图如下:

年份能否被 100 整除

N
年份是否能被 4 整除

Y
年份是否能被 400 整除

Y
平年

N

N
闰年

Y

是不是 2 月

是不是 2 月

Y
日>=28 之后返回为 1

N

N

Y
日>=29 之后返回为 1

若月份为 1、3、5、7、8、10、12 月则调用 31 天的程序 若月份为 4、6、9、11 则调用 30 天 的程序

本实验用8个数码管,刚好能显示年,月,日,扫描显示与时间的扫描显示 类似。年比较特殊,由两个寄存器存储,个位,十位为0时,表明年数能被100 整除,若此时千位,百位 组成两位数能被 4 整除,则年数被 400 整除,为闰年。若十位,个位组成两位数 能被 4 整除,则年数能被 4 整除,为闰年。 B.2.3 主程序 主程序主要对按键进行扫描,以及判断定时和闹铃时间是否已到,若到则调 用相关程序。 B.2.4 显示子程序

8个数码管轮流进行显示,分别显示1ms,依赖人的视觉 暂留效应,给人以 数码管持续高亮的错觉。 日期的显示,秒表的显示,倒计时的显示,调闹铃,调定时的显示,闪烁的 显示程序与以上的的扫描相似, 有的以子程序的方式出现,通过子程序调用语句 ACALL调用;有点直接嵌套在相应的程序里面,顺序执行,或者用调转语句AJMP 调用。 C 程序调试及仿真 本程序通过Keil单片机开发平台实现程序的编译,链接,生成HEX文件。通

过Keil和硬件仿真平台Proteus的联合,可以将设计效果仿真出来,根据效果, 有目的的改变设计,优化程序。 利用Proteus仿真实验过程截图: 普通时间显示模式仿真图,表示:星期一 9点10分38秒

五、总结 通过本次设计, 我深深体会到了掌握知识的重要性,本次设计也使我熟悉了 单片机的硬件特点和编程方法, 并成功将学到的知识变成了实际的成果,虽然在 设计过程中遇到了很多问题,例如知识的融会贯通、调试遇到的 BUG 等,但通过 努力都一一得到了克服, 从而也提高了我学习的信心,坚定了我继续深入学习的 决心。

附录: 延时程序: D_1MS: MOV R7,#2 D_5: MOV R2,#250 DJNZ R2,$ DJNZ R7,D_5 RET 主程序: MAIN: JNB P3.0,DATETZ 调整 JNB P3.1,ZSTZ1 JNB P3.2,NLTZZ JNB P3.3,DSTZ JNB P3.4,CESHI JNB P3.6,STOPWATCHTZ ACALL DISP JNB P0.6,RERING RE: JNB P2.7,DSPDKQ ;按下1键,显示时间,并可调时 ;按下2键,进行闹铃设置 ;按下3键,进行定时设置 ;闹铃测试 ;按下6键,进入秒表方式 ;调用时钟显示子程序 ;判断是否开启闹铃重响功能 ;判断是否开启闹铃功能,没开则去 ;按下0键,显示日期并可对日期进行

判断定时 FMQPD: 刻是否已到 MOV A,HOUR; SUBB A,38H; JZ FEN ;判断小时数是否到闹铃所定时间, 若到,则对分进行判断;若不到, 则对定时进行判断 ;判断定时值R4,R3是否到零、 闹铃时

AJMP DSPDKQ FEN: MOV A,MINUTE; SUBB A,37H; JZ MIAO ;判断分是否到闹铃所定时间,若到, 则对秒进行判断;若不到,则对定 时进行判断 AJMP DSPDKQ MIAO: MOV A,SECOND SUBB A,#0 JZ SHENGYIN1 ;判断秒是否到闹铃所定时间,若到, 则时,分,秒都到达闹铃时刻,进 入响铃子程序;若不到则判断定时 AJMP DSPDKQ RERING: JNB F0, RE 定 CPL F0 MOV 3CH,#1 能开启 JNB P0.7,M1 MOV R4,#0 MOV R3,#30 AJMP MAIN M1: MOV R4,#1 MOV R3,#0 AJMP MAIN ;闹铃重响间隔60秒 ;闹铃重响间隔时间选取 ;闹铃重响间隔30秒 ;定时判断标志位赋1, 定时判断功 ;闹铃重响判断程序 ;标志位F0为0,不进行闹铃重响设

DSPDKQ: MOV A,3CH

;判断是否应该进行定时判断 ;3CH是引入的判断因子,当其为0时, 不对定时时间是否到0进行判断

JNZ DSPD2 序 AJMP MAIN DSPD2: MOV A,R4; JZ S_PD

;当3CH不是0时,跳转到定时判断程

;R4所存定时分数为0,则转而判断R3 所存定时秒数

AJMP MAIN; S_PD: MOV A,R3; JNZ MAIN 到 JNB P0.6,SHENGYIN2 序 AJMP TISHI ;不是闹铃重响定时,则定时时间到 时,跳入提示程序 AJMP MAIN CESHI: ACALL RING AJMP MAIN SHENGYIN1: LCALL RING ;调用响铃子程序 ;闹铃重响功能开启时,跳入响铃程 ;R4,R3所存参数减为0, 定时长度已

AJMP MAIN SHENGYIN2: SETB F0 LCALL RING ;闹铃重响标志位设定 ;响铃

CLR F0 AJMP MAIN NLTZZ: AJMP NLTZ1 DSTZ: AJMP DSTZ1 DATETZ: AJMP DATETZ1 STOPWATCHTZ: AJMP STOPWATCHTZ1 显示子程序: DISP: JNB P3.7,OUT1

;标志位复位

;跳入闹铃调整程序

;跳入定时调整程序

;跳入日期调整程序

;跳入秒表程序

;时间显示子程序 ;判断节能开关7是否按下,按下则 数码管不显示,延长其寿命

MOV DPTR,#LEDTAB

MOV A,SECOND MOV B,#10 DIV AB MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A CLR SEC_S ACALL D_1MS SETB SEC_S MOV A,B MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A CLR SEC_G ACALL D_1MS

;显示当前时间秒位

;A存十位,B存个位

;显示当前时间秒十位

;显示当前时间秒个位

SETB SEC_G MOV A,MINUTE MOV B,#10 DIV AB MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A CLR MIN_S ACALL D_1MS SETB MIN_S MOV A,B MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A CLR MIN_G ACALL D_1MS SETB MIN_G MOV A,HOUR MOV B,#10 DIV AB MOV DPTR,#LEDTAB MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A CLR HOU_S ACALL D_1MS SETB HOU_S MOV A,B MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A CLR HOU_G ACALL D_1MS ;显示当前时间时位 ;显示当前时间分位

SETB HOU_G MOV A,WEEK MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A CLR Y_S ACALL D_1MS SETB Y_S OUT1: RET ;显示当前星期数


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