基于AT89S51单片机设计的数字时钟.docx
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基于AT89S51单片机设计的数字时钟
数字时钟论文设计报告
院系:
信息工程系
专业:
电子信息工程技术
班级:
08(三)电子单招
学号:
200803163138
姓名:
连仁龙
指导老师:
徐海利
2009年12月20号
基于AT89S51单片机设计的数字时钟
摘要:
数字钟在日常生活中是最常见的,应用也是十分广泛的。
大家都听说过用数字电路制作和控制的数字钟,其实在单片机自20世纪70年代问世以来,就凭借其体积小、重量轻、抗干扰能力强,以及灵活性、可靠性好以及其很高的性价比这些优点受到人们的普遍关注,那么在单片机不断发展的今天,我们可以用单片机来制作数字时钟。
本文设计的就是一款由AT89S51单片机来控制的数字时钟。
该数字时钟分显示时间和调整时间两种模式,电源开始时,进入显示时间模式,之后用户按下模式选择按钮后,就会在调整和显示时间模式之间切换。
其应用的软件由C语言来设计。
关键词:
单片机(AT89S51)、显示器(数码显示管)、按钮
前 言:
电子技术和微型计算机的迅速发展,促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用,单片机(单片微型计算机)的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域,它起到了越来越重要的作用。
单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。
因此一块芯片就构成了一台计算机。
它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。
单片机由硬件系统与软件系统组成。
硬件系统是指构成微机系统的实体与装置,通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。
其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上,统称中央处理单元(CentralProcessingUnit),简称CPU,是微机的核心部件。
CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出(Input/Output,简称I/O)接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。
软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称,人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换,使微机按照人的意图完成预定的任务。
软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统,两者相辅相成,缺一不可。
数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。
因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
一.设计任务
数字钟是一种数字显示秒、分、时的计时装置,其应用场合十分广泛,小到电子手表,大至公共场合的大型数码显示电子钟。
数字时钟通常由以下几部分组成:
秒脉冲发生器,秒计数器、分计数器、小时计数器和秒、分、时的译码显示电路,校时电路。
其中小时采用二十四进制的计时方式,分和秒采用六十进制的计时方式。
系统由AT89S51、数码管、按键等部分构成,能实现时间的调整、定时时间的设定,输出等功能。
用AT89S51单片机控制的数字钟,显示器件选用LED七段数码管。
在译码显示电路输出的驱动下,显示出清晰、直观的数字符号。
另外应有校时功能。
电路由时钟脉冲发生器、时钟计数器、译码驱动电路和数字显示电路以及时间调整电路组成。
用晶体振荡器产生时间标准信号,这里采用石英晶体振荡器。
根据60秒为1分、60分为1小时、24小时为1天的计数周期,分别组成两个60进制(秒、分)、一个12进制(时)的计数器。
构成秒、分、时的计数,实现计时的功能。
二.AT89S51元件简介:
本次使用的元件是单片机系统的一个常用元件:
AT89S51。
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、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,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
主要特性:
•8031CPU与MCS-51兼容
•4K字节可编程FLASH存储器(寿命:
1000写/擦循环)
•全静态工作:
0Hz-24KHz
•三级程序存储器保密锁定
•128*8位内部RAM
•32条可编程I/O线
•两个16位定时器/计数器
•6个中断源
•可编程串行通道
•低功耗的闲置和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
I/O(输入口)有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
三.电路分析
1.复位电路
单片机在开机时都需要复位,以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
51的RST引脚是复位信号的输入端。
复位电平是高电平有效,持续时间要有24个时钟周期以上。
本系统中单片机时钟频率为6MHz则复位脉冲至少应为4us。
上电复位电路,上电瞬间,RST端的的电位与Vcc相同,随着电容的逐步充电,充电电流减小,RST电位逐渐下降。
上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上二个机器周期,在这段时间里,振荡建立时间不超过10ms。
复位电路图(截图)
2.振荡电路
石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简朴、频率易调整。
它还具有压电效应,在晶体某一方向加一电场,则在与此垂直的方向产生气械振动,有了机械振动,就会在相应的垂直面上产生电场,从而机械振动和电场互为因果,这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限止时,才达到最后稳定。
这用压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。
一般来说,般来说,振荡器的频率越高,计时精度越高,但耗电量将增大。
在MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1(19)、XTAL2(18)分别是此放大器的输入端和输出端。
外接晶体以及电容、构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中,内部振荡器产生自激振荡,一般晶振可在2~12MHz之间任选。
对外接电容值虽然没有严格的要求,但电容的大小多少会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
外接晶体时,和通常选30pF左右;外接陶瓷谐振器时,和的典型值为47pF。
现在我们这里采用的是30pF的电容。
振
振荡电路图(截图)
3.显示电路
显示电路是数字时钟的显示部位。
显示电路是由六个数码管组成,连接三极管与电阻。
数码管连接着单片机(AT89S51)元件的P1.0-P1.7口。
三极管和电阻连接着P20-25口。
显示电路(截图)
4.驱动电路如图所示:
驱动电路是电路的核心部分,为了减小功耗和更好的利用资源,电路的驱动起了很大的作用,同时对电路也有保护的作用。
驱动电路图(截图)
四.电路设计图、效果图
电路设计思路:
根据任务的要求,我们要设计一个数字时钟,随着人类科技文明的发展,人们对于时钟的要求在不断地提高。
时钟已不仅仅被看成一种用来显示时间的工具,在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。
高精度、多功能、小体积、低功耗,是现代时钟发展的趋势。
在这种趋势下,时钟的数字化、多功能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。
本文正是基于这种设计方向,以单片机(AT89S51)为控制核心,设计制作一个多功能的数字时钟。
在这些当中,我必须要求电路要有计时功能、时间控制功能、时间调整功能等。
(数字时钟电路原理图)
PCB板设计图如图所示:
PCB的3D效果图正面图:
PCB的3D效果图反面图:
五、总结
经过几个星期的期末论文设计,目前基本完成了数字时钟的设计,虽然没有达到理想的效果,但心中有了一丝欣慰,自己的努力没有白费。
在本次的毕业设计中遇到了不少的问题,但通过查阅资料以及和同学讨论后也解决了一部分,毕竟我自己的实力有限,且经验不足。
在解决问题的同时也让我学到了更多的关于单片机方面的知识以及动手创作的技巧,让我切实感受到了自主学习以及相互交流在学习中的重要性,以后将更加努力学好Protel99SE和单片机方面的知识!
【参考文献】
1.崔玮.Protel99SE电路原理图与电路板设计教程.海洋出版社.2005、1
2.高卫东、辛友顺、韩彦征.单片机原理与实践.北京航空航天大学出版社.2008、1
3.华成英,董诗白·模仿电子技术基础(第四版)·高等教育出版社,2006
4.阎石·数字电子技术基础(第五版)·高等教育出版社,2006
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- 基于 AT89S51 单片机 设计 数字 时钟