毕业设计论文基于单片机的实时电子钟设计Word文档格式.docx

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摘要

英文摘要

第1章绪论

1．1选题的目的和意义

1．2国内外研究综述

第2章单片机系统概述

2．1单片机的简介

2．2单片机的发展概述

2．3单片机的组成结构及性能特点

2．4单片机的应用现状

2．5单片机的发展趋势

第3章基于单片机的电子钟的硬件设计

3．1使用单片机作为控制核心的依据

3．2单片机型号的选择

3．3AT89C51单片机的性能特点

3．4设计的记时方案和键盘/显示方案

3．5硬件设计及原理图

第4章基于单片机的电子钟的软件设计

4．1软件设计的主程序

4．2记时器中断子程序

4．3压缩BCD拆分子程序

4．4显示子程序

4．5键盘子程序

第5章总结

参考文献

摘要

该电子钟使用单片机AT89C51作为中心控制，通过软件编程的方法实现了以24小时为一个周期同时显示小时，分钟和秒的要求，并在计时过程中具有报时功能，当时间到达整点进行报时。

该电子钟还可以随时进行时间校对。

ABSTRACT

ThiselectronclockusemonolithicintegratedcircuitAT89C51tookthecentercontrol,themethodwhichprogrammedthroughsoftwarehasrealizedasacyclesimultaneouslydemonstratestake24hoursthehour,minuteandasecondrequest,andhadinthetimeprocessreportstimethefunction,atthattimearrivedtheintegralpointtocarryonreportstime.Thiselectronclockalsomaycarryontimeproofreadingasnecessary.

第1章绪论

1．1选题的目的和意义

随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。

它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作。

且单片机广泛地应用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，提高它们的测量速度和测量精度，加强控制功能。

电子钟设计与制作可采用数字电路实现，也可以采用单片机来完成。

若用数字电路完成，所设计的电路相当复杂，大概需要十几片数字集成块，其功能也主要依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现，焊接的过程比较复杂，成本也非常高。

若用单片机来设计制作完成，由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，那么就降低了硬件电路的复杂性，而且其成本也有所降低。

在国外，单片机技术发展与应用己达到相当高的程度;

在国内，单片机技术发展也十分迅速，然而与国外相比还存在较大的差距。

1．2国内外研究综述

单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchid公司研制的F8单片微型计算机。

所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。

类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。

1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。

它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。

在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。

到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。

80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。

1982年以后，16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。

九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。

美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。

PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。

随后的事情，熟悉单片机的人士都比较清楚了，更多的单片机种蜂拥而至，MOTOROLA公司相继发布了MC68HC系列单片机，日本的几个著名公司都研制出了性能更强的产品，但日本的单片机一般均用于专用系统控制，而不象INTEL等公司投放到市场形成通用单片机。

例如NEC公司生产的uCOM87系列单片机，其代表作uPC7811是一种性能相当优异的单片机。

MOTOROLA公司的MC68HC05系列其高速低价等特点赢得了不少用户。

Zilog公司的Z8系列产品代表作是Z8671，内含BASICDebug解释程序，极大地方便用户。

而美国国半的COP800系列单片机则采用先进的哈佛结构。

ATMEL公司则把单片机技术与先进的Flash存储技术完美地结合起来，发布了性能相当优秀的AT89系列单片机。

包括中国的台湾HOLTEK和WINBOND等公司也纷纷加入了单片机发展行列，凭着他们廉价的优势，分享一杯美羹。

1990年美国INTEL公司推出了80960超级32位单片机引起了计算机界的轰动，产品相继投放市场，成为单片机发展史上又一个重要的里程碑。

此期间，单片机园地里，单片机品种异彩纷呈，争奇斗艳。

有8位、16位甚至32位机，但8位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。

而INTEL公司凭着他们雄厚的技术，性能优秀的机型和良好的基础，目前仍是单片机的主流产品。

只不过是九十年代中期，INTEL公司忙着开发他们个人电脑微处理器，已没有足够的精力继续发展自己创导的单片机技术，而由PHILIPS等公司继续发展C51系列单片机。

2．1单片机的简介

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。

然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑（PC机）有着本质的区别，单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。

不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。

这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。

软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。

开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源。

要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。

单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。

诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。

是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。

2．2单片机的发展概述

1946年第一台电子计算机诞生至今，只有60年的时间，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路，现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管，使得计算机体积更小，功能更强。

特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。

单片机是应工业测控系统数字化、智能化的迫切要求而提出的。

超大规模集成电路的出现，通用CPU及其外围电路技术的发展成熟，为单片机的诞生和发展提供了可能。

单片机的发展完全从工业测控对象、环境、接口等特点出发，不断曾强其控制功能，保证在工业测控环境中的可靠性，其接口界面也是按照能灵活、方便的构成工业测控用计算机系统而设计的。

它的出现标志着计算机技术在工业领域中的应用开始走向完成与成熟。

8位单片机从1976年面世至今，其技术已经有个巨大的发展，目前乃至将来仍是单片机的主流机型。

其发展阶段大致分为单片机探索阶段、单片机完善阶段、MCU形成阶段和MCU完善阶段。

2.2.1单片机探索阶段

探索阶段始于1974年，该阶段的任务是探索计算机的单芯片集成。

由于工控领域对计算机提出了嵌入式应用要求，即要实现单芯片形态的计算机，以满足构成大量中小型智能化测控系统的要求。

在计算机单芯片集成体系结构的探索中有两种模式，即通用CPU模式和专用CPU模式。

（1）通用CPU模式。

采用通用CPU和通用外围单元电路的集

成方式，这种模式以Motorola的MC6801为代表。

它将通用CPU、增强型的6800+和6875（时钟）、6810（128BRAM）、2×

6830（1KBROM）、1/26821（并行I/O）、1/36840（定时器/计数器）、6850（串行I/O）集成在一个芯片上，采用6800CPU的指令系统。

（2）专用CPU模式。

专门为嵌入式系统而设计，采用CPU与

外围电路的集成方式。

这种专用方式以Intel公司的MCS——48为代表，其CPU、存储器、定时器/计数器、中断系统、I/O口、时钟以及指令系统都是按嵌入式系统要求专门设计的。

这一阶段的目的在于探索单片形态计算机的体系结构。

事实证明，这两种方法多是可行的。

专用CPU模式能充分满足嵌入式应用的要求，成为后来单片机发展的主要体系结构模式；

通用CPU模式则与通用CPU构成的通用计算机兼容，应用系统开发方便，成为后来嵌入式微处理器的发展模式。

在这一阶段中还有一些公司推出性能各异的单片机。

计算机单芯片集成探索成功，并正式命名为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）。

2.2.2单片机完善阶段

计算机的单芯片集成探索，特别是专用CPU型单片机探索取得成功，

肯定了单片机作为嵌入式系统应用的广阔前景。

随后的任务是如何完善单片机的体系结构，如何充分体现出嵌入式应用的特点。

作为这一阶段的典型特征是Intel公司将MCS——48迅速想MCS——51系列的过渡。

MCS——51是完全按照嵌入式应用而设计的单片机，在以下几个重要技术方面完善了单片机的体系结构。

（1）面向对象、突出控制功能，满足嵌入式应用的专用CPU及CPU

外围电路体系结构。

（2）寻址范围规范为16位和8位的寻址空间。

（3）特殊功能寄存器（SFR）的集中管理模式。

（4）设置位地址空间，提供位寻址及位操作功能。

（5）指令系统突出控制功能。

有位操作指令、I/O管理指令及大量

的转移指令。

（6）规范的总线结构。

有8位数据总线、16位地址总线以及多功

能的异步串行接口USART（UniversalSynchronousAsynchronousReceiverTransmitter）。

单片机的完善，特别是MCS——51系列对单片机体系结构的完善，奠定了它在单片机领域的经典地位。

时至今日，许多半导体厂家以MCS——51中的8051位核心，派生出许多新一代的80C51单片机系列，具有旺盛的生命力。

2.2.3微控制器的形成阶段

单片机完善阶段标志了作为单片机形态、嵌入式应用的计算机体系结

构的完善。

但要面向测控对象，不仅要求有完善的计算机体系结构，还要求有许多面向测控对象的接口电路，如ADC、DAC、高速I/O、计数器的捕捉与比较等，保证程序可靠运行的WDT（程序监视定时器），保证高速数据传输的DMA（直接存储器存取）等。

这些为满足测控要求而设置的外围电路，大多数已超出了一般计算机的体系结构。

为了满足测控系统的嵌入式应用要求，这一阶段单片机技术的主要发展方向是在片内增强了满足测控对象要求的电路，从而形成了不同于SingleChipMicrocomputer特点的微控制器。

这一阶段的代表机型为80C51系列，是许多半导体厂家以MCS——

51系列中的8051为基核发展起来的满足各种嵌入式应用的各种型号单片机。

除此之外，还有许多知名的其他单片机系列。

这一阶段微控制器技术发展的主要方面有：

（1）外围功能集成。

满足模拟量输入的ADC，满足伺服驱动的PWM，满足高速I/O口以及保证程序可靠运行的程序监视定时器WDT。

（2）出现了为满足串行外围扩展要求的串行扩展总线及接口，如SPI、ICBUS、Microwire、1-Wire等。

（3）出现了为满足我分布式系统、突出控制功能的现场总接线口，如CANBUS（ControllerAreaNetworkBUS）等。

（4）在程序存储器方面则迅速引进OTP（OneTimeProgrammable）供应状态，为单片机应用创造了良好的条件，随后FlashROM的推广，为最终取消外部程序存储器扩展奠定了良好的基础。

2.2.4微控制器百花齐放

当前生产的单片机称为第四代单片机，其显著特征是百花齐放、技术创新，以满足日益增长需求。

（1）电气商、半导体商的普遍投入。

今天，世界上大的电气公

司、半导体公司无不介入单片机产业，如菲利浦、西门子、三菱、东芝等，均介入了单片机产业，并从中获取了丰厚利润。

（2）满足各种要求的微控制器层出不穷。

单片机面向最底层的

电子技术应用，从玩具、小家电、工程控制单元到机器人、智能仪表、个人信息终端等，面对不同对象，推出适合不同领域要求的单片机系列。

（3）大力发展专用型单片机。

早期单片机以通用型为主，随着

市场的扩大、单片机设计、生产周期的缩短和成本的下降，推动了专用单片机的发展。

专用单片机具有成本低、资源有效利用率高、系统外围电路少、可靠性高等特点，是未来单片机发展的一个重要方向。

（4）致力于提高单片机综合品质。

由于所有大电气公司、半导

体公司的投入，形成了十分激烈的竞争局面，是单片机的综合品质，如成本、性能、体系结构、开发环境、供应状态等，都有了长足的进步。

2．3单片机的组成结构及性能特点

通常，一个微型计算机系统由微型计算机与外部设备组成，如图2-1所示。

而微型计算机则包含有微处理器、存储器、输入输出口及其他功能部件如定时/计数器、中断系统等。

它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来，通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。

图2-1微型计算机系统结构

2.3.1单片机的组成结构

微型计算机的基本结构是由中央处理器（CPU）、储存器（RAM/ROM）、和拍设备构成的。

所谓的单片机是指将上述微型计算机3个单元的多个分体中的主要功能用1个集成电路芯片来实现，使该芯片具有一个微型计算机的基本功能.这种超大规模集成电路芯片即称为单片微型计算机，通常简称单片机。

单片机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种。

单片机全称为单片微型机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器（Microcontroller）。

其典型结构如图2-2所示。

图2-2单片机结构原理

1、中央处理器CPU

CPU是单片机的核心部件，它通常由图4.1所示的运算器、控制器和中断电路等器件组成。

CPU进行算术运算和逻辑操作的字长有4位、8位、16位和32位之分，字长越长运算速度越快，数据处理能力也越强。

2、存储器

在单片机内部，ROM和RAM存储器是分开制造的。

通常，ROM存储器容量较大，RAM存储器的容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。

1）ROM存储器

ROM存储器一般为1--64K字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。

由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研制成功，其硬件和应用程序均已定型。

为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内ROM中。

根据片内ROM的结构，单片机又可分为无ROM型,ROM型和EPROM型三类。

近年来又出现了E'

PROM和Flash型ROM存储器。

无ROM型单片机特点是片内不集成ROM存储器，故应用程序必须卿化到外接的ROM存储器芯片中才能构成有完整功能的单片机应用系统。

ROM型单片机内部，其程序存储器是采用掩膜工艺制成的，程序一旦固化进去便永远不能修改。

EPROM型单片机内部的程序存储器是采用特殊FAMOS管构成的，程序一旦写入，也可通过特殊手段加以修改。

ISZPROM（ElectricallyEPROM）是EPROM的一种，它是利用电脉冲擦除所存信息的EPROM.E'

PROM在擦除信息时无需从所用系统上拆卸下来，可以通过长途通讯线路对它进行远距离擦除和再编程。

其可以分为字节擦除和片擦除两种方式:

字节擦除时可以一次（50ms单脉冲）擦除一个字节，片擦除时可以一次擦除芯片上的所有存储信息。

快擦型存储器（Flash型ROM）具有EPROM的特点，又可在计算机内进行擦除和编程，它的读取时间与DRAM相似，而写时间与磁盘驱动器相当。

2）RAM存储器

通常，单片机片内RAM存储器容量为64-256字节，最多可达48K字节。

RAM存储器主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。

3、I/O接口和特殊功能部件

1/O接口电路有串行和并行两种。

串行1/O用于串行通信，它可以把单片机内部的并行8位数据（8位机）变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给CPU处理。

并行I/O口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送8位数据（8位机）。

通常，特殊功能部件包括;

定时器、计数器、A/D.D/A.DMA通道和系统时钟等电路。

定时器、计数器用于产生定时脉冲，以实现单片机的定时控制;

A/D和D/A转换器用于模拟量和数字量之间的相互转换，以完成实时数据的采集和控制，DMA通道可以使单片机和外设之间实现数据的快速传送。

总之，某一单片机内部究竟包括哪些特殊功能部件以及特殊功能部件的数量是和它的型号有关的。

2.3.2单片机的性能特点

1.体积小，质量轻

单片机的集成度很高，这是单片机家族最显著的特点之一，这是任何其他微型机都无法比拟的。

2.性能高，价格低

性能价格比是衡量一个电子系统的一项主要技术和经济指标，单片机集CPU、存储器和I/0功能于一身，像一块集成电路一样嵌入到系统中起着智能控制作用，但其价格像普通IC一样低廉，电子产品和系统的设计人员通常都把单片机定为首选部件作为控制核心。

单片机优异的性能和低廉的价格，极大地推动了单片机市场的迅速发展。

它为传统电子产品的智能化改造和新产品的研发提供了有力支持和保障。

3.高可靠，低功耗

单片机应用于测控领域，往往要接受恶劣环境的挑战。

单片机在体系结构和指令系统方面都进行了针对性设计。

它集成了存储器和1/O接口，极大地减少了外围引线和外接器件，大大降低了外界干扰对系统的侵入。

在运行方式上增加了掉电保护和程序运行监视系统（WATCHDOG）功能，大大提高了用单片机构成系统工作的可靠性。

自20世纪80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺代替，功耗也大幅度下降。

4.多档并存，各得其所

单片机另一显著特点是，高低档并存，各得其所。

这是由单片机应用领域的广泛性和多样性所决定的。

单片机作为测控领域中的一个主要机种，可靠的控制功能是其主要特点所在。

而控制领域面对的对象多种多样，4位、8位、16位、32位机各有其不同的应用对象，因此，在相对较长的时间内，多档并存的局面是必然的。

5.控制功能强

为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、I/0口的逻辑操作以及位处理功能。

一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。

6.抗干扰能力强

随着计算机技术、电磁兼容技术、传感器技术和信息技术的飞速发展和普及，数据采集与处理系统也越来越得到了广泛的应用。

例如:

在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低生产成本提供信息和手段:

在科学研究中，应用这一系统可获得大量的动态信号，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获得科学奥秘的重要手段之一。

总之，不论在哪个应用领域，数据采集与处理越及时，工作效率、性能价格比就越高，取得的经济效益就越好。

数据采集与处理系统的工作现场一般较恶劣，弥漫着各种干扰（来自系统内部和外部的），这些干扰通常称之为噪声。

当被测信号很微弱时，就会被噪声“淹没”掉，导致很大的数据采集与处理误差，可靠性降低，还可能造成系统失灵，甚至酿成重大事故。

因此，噪声是数据采集与处理的主要障碍