自动计时定时装置设计

自动计时定时装置设计

[摘要]该装置使用12MHZ晶振与单片机AT89C51相连接,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蜂鸣报时。该装置设有三个按键: S1, S2和S3键,使之具备了校时、定时功能。

[关键词]电子钟; 51系列单片机;AT89C51;晶振

Automatic timing device design [Abstract] This device is connected to the MCU AT89C51 by the 12MHZ crystal oscillator. With software p rogramming, the clock can disp lay hour, minute and second at the same time in a 24 - hour cycle. It can give correct time with a buzzer when it is on the hour. This kind of device is equipped with threekeys, S1, S2 and S3, which enable the clock to adjust to keep accurate time and to buzz at the set time..

[Key words] electron clock; 51 seriesMCU; AT89C51; crystal oscillator

1.绪论

1.1课题背景

1.1.1引言

在生活和生产的各领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现；从简单到复杂，从空中、地面到地下，凡是能想象到的地方几乎都有使用单片的需求。现在尽管单片机的应用已经很普遍了，但仍有许多可以用单片机控制而尚未实现的项目，因此，单片机的应用大有想象和拓展空间。单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高劳动效率，减轻劳动强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证安全等。但是，单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于：单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须有模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能使用单片机通过软件（编程序）方法实现了。这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制系统“软化”技术，称之为微控制技术。微控制技术是一种全新的概念，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。

近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。模拟多通道压力系统是利用压力传感器采集当前压力并反映在显示器上，它可以分析压力过量程，并发出报警。并采用电子秤原理可根据输入单价准确的计算出物体的金额。本篇论文讨论了简单的倒计时器的设计与制作，对于倒计时器中的四位LED数码显示器来说，我为了简化线路、降低成本，采用以软件为主的接口方法，即不使用专门的硬件译码器，而采用软件程序进行译码。

1.1.2设计目的和意义

一、复习和巩固所学过的知识，利用此课程设计正好可以对所学过的知识进行系统的回顾和总结。

二、拓展知识面，课堂的知识是远远满足不了设计的要求的，这就需要我们主动去找寻更多的资料，了解更多的知识。

三、培养了设计能力和解决实际问题的能力，同时增强了自学能力，通过设计完整的单片机系统也初步掌握了组成系统、编程、调试等能力。

四、通过本次课程设计初步了解了单片机应用系统开发研制过程，软件和硬件设计的方法。

1.1.3设计任务和要求

设计自动计时定时装置能实现常规的时钟计时功能，并在此基础上实现多段定时功能，可为1分钟、5分钟、10分钟定时三种模式，并能在定时时间到达实施告警。

1.2单片机

1.2.1单片机介绍

单片机全称为单片机微型计算机（Single Chip Microsoft computer)，是

1.2.2单片机的发展历程

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。

1）SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 公司功不可没。

2）MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel 和Philips的历史功绩。

3) 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

1.2.3 单片机特点

1 ）单片机的存储器ROM和RAM时严格区分的。ROM称为程序存储器，只存放程序，固定常数，及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。

2 ）采用面向控制的指令系统。为满足控制需要，单片机有更强的逻辑控

制能力，特别是单片机具有很强的位处理能力。

3 ）单片机的I/O口通常时多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。

4 ）单片机的外部扩展能力很强。在内部的各种功能部件不能满足应用的需求时，均可在外部进行扩展，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来了很大的方便。

1.2.4 ATC51单片机

AT89C51有PDIP，PLCC，TQFP三种封装方式，其中最常见的就是采用40PIN 封装的双列直接PDIP封装。

芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见上图）左边那列逆时针数起，依次为1，2，3，4。。。40，其中芯片的1脚顶上有一个凹点（见上图）。在单片机的40 个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8为可编程I/O引脚32根。

1、主电源引脚（2根）

(1) VCC:电源输入，接+5V电源

(2)GND：接地线

2、外接晶振引脚（2根）

(1) XTAL1：片内晶振电路的输入端

(2)XTAL2：片内晶振电路的输出端

3、控制引脚（4根）

(1) RST/VPP：复位引脚，引脚上出现2

个机器周期的高电平将使单片机复位。

(2)ALE/PROG：地址所存允许信号。

(3)PSEN：外部存储器读选通讯信号。

(4)EA/VPP：程序存储器的内外部选通，

接低电平从外部程序存储器读指令，如

果接高电平则从内部程序存储器读指

令。

4、可编程输入/输出引脚（32根）

AT89C51单片机有4组8为可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯等，开发产品时就是利用这些可编程引脚来实现我们想要的功能。

（1）P0口：8位双向I/O口线，名称为P0.0-P0.7

（2）P1口：8位准双向I/O口线，名称为P1.0-P1.7 （3）P2口：8位准双向I/O口线，名称为P2.0-P2.7 （4）P3口：8位准双向I/O口线，名称为P3.0-P3.7

2.自动计时定时装置的硬件设计

2.1总体方案设计

本LCD及时定时装置，是以单片机及外围接口电路为核心硬件，辅以其他外围硬件电路，用汇编语言设计的程序来实现的。根据C51单片机的外围接口特点扩展相应的硬件电路，然后根据单片机的指令设计出数字钟相应的软件，再利用软件执行一定的程序来实现数字钟的功能。由于采用集成芯片性的单片机来制作电子钟，这样设计制作简单而且功能多、精确度高，也可方便扩充其他功能，实现也十分简单。

本设计是利用AT89C51单片机为主控芯片，由LCD、晶振、电阻、电容、发光二极管、开关、蜂鸣器等元件组成硬件电路，通过编写软件程序来实现和控制的数字定时闹钟。

2.2总体结构图

按键输入电路：对定时器输入定时时间、时钟时间，并对其调整。

时钟电路：给单片机一个时钟信号，让其工作。

复位电路：使单片机为初始状态，并从初态开始工作。

数码管显示电路：显示数字钟时间或定时时间。

继电器电路：是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

2.3系统硬件单元电路设计

时钟电路对单片机是不可缺的，单片机的每个功能都要以时钟电路为基础工作。单片机内部自带一个时钟电路，外部接入定时控制元件即可构成一个稳定的自激振荡器。其中机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此，机器周期是时钟周期的12倍。本实验中时钟电路中使用的晶体是12MHz，则时钟周期为(1/12)us，

机器周期为1us 。实验图如下

:

2.4计时定时装置各组成模块

2.4.1晶振电路

右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。

2.4.2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。

2.4.3数码显示模块设计

数码管是一种把多个LED 显示段集成在一起的显示设备。有两

种类型，一种是共阳型，一种是共阴型。

共阳型就是把多个LED 显示段的阳极

接在一起，又称为公共端。共阴型就是

把多个LED 显示段的阴极接在一起，即

为公共商。阳极即为二极管的正极，又

称为正极，阴极即为二极管的负极，又称为负极。通常的数码管又分为8段，即8个LED显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP 是小数点位段。而多位数码管，除某一位的公共端会连接在一起，不同位的数码管的相同端也会连接在一起。即，所有的A段都会连在一起，其它的段也是如此，这是实际最常用的用法。数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。静态显示就是数码管的8段输入及其公共端电平一直有效。动态显示的原理是，各个数码管的相同段连接在一起，共同占用8 位段引管线；每位数码管的阳极连在一起组成公共端。利用人眼的视觉暂留性，依次给出各个数码管公共端加有效信号，在此同时给出该数码管加有效的数据信号，当全段扫描速度大于视觉暂留速度时，显示就会清晰显示出来。

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。

2.4.4按键模块设计

按键模块如右图电路所示，时间计数电路由秒个位和

秒十位计数器、分个位和分十位计数器、时个位和时十位

计数器及星期计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数

器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，时个位和时

十位计数器为24进制计数器。

2.5系统总硬件电路连接仿真图

切换时分调节按键用于切换调节计时器的时和分，默认情况下调节是时，按一次后切换到调节分，减键是对时和分进行减一，加键是对时和分进行加一操作。

定时切换：当按一次定时与切换键是D1灯亮，表示定时1分钟。当1分钟时间到时灯D1灭，蜂鸣器开始报警，报警响40秒。按两次键D4亮，表示定时5分钟。当5分钟时间到时灯D4灭，蜂鸣器开始报警，报警响40秒。按三次键D3亮表示定时10分钟，当10分钟时间到时灯D3灭，蜂鸣器开始报警，报警响40秒。

按定时与切换键一次时定时一分钟，D1亮如图：

一分钟到D1灭。蜂鸣器报警如下图：

定时5分钟：

10分钟定时：

3.自动计时定时装置的软件设计

3.1系统软件流程图

主程序流程图

主程序在执行时，通过单片机内部各中断对程序不断的扫描判断、刷新显示，当有键按下时，将数字钟中的时间与定时时间相比较，然后根据比较程序显示状态，并且还要延时消除抖动，之后进行按键处理，从而显示不同的状态，如此周期循环。

3.2 各函数程序

3.2.1主函数程序

/*定时计时器*/

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

/*七段共阴管显示定义*/

//此表为LED 的字模, 共阴数码管0-9 -

ucharcodedispcode[]=

{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40}; //段码控制/*定义并初始化变量*/

uchar seconde=0;//秒

uchar minite=1;//分

uchar hour=12; //时

uchar mstcnt=0;//定时器计数，定时50ms，mstcnt满20，秒加1 uchar shi=0;//功能

uchar fen=0;

uchar bjcs;//报警次数

sbit P3_0=P3^0; //second 调整定义

sbit P3_1=P3^1; //minite调整定义

sbit P3_2=P3^2; //hour调整定义

sbit P3_5=P3^5; //整点报时

sbit P3_3=P3^3; //闹铃功能，调整时间

sbit P3_6=P3^6; //调整时

sbit P3_7=P3^7; //调整分

sbit P3_4=P3^4; //关闭闹铃

/*函数声明*/

void delay(uint k ); //延时子程序

void time_pro( ); //时间处理子程序

void display( ); //显示子程序

void keyscan( ); //键盘扫描子程序

void main(void)

{

P1=0XFF;

TMOD = 0x11; //time0为定时器，方式1

TH0=0x3c; //预置计数初值,50ms

TL0=0xb0;

EA=1; //总中断开

ET0=1; //允许定时器0中断

TR0=1; //开启定时器0

while (1)

{

keyscan(); //按键扫描

dingshi();//定时闹钟

display(); //显示时间

}

}

void timer0(void) interrupt 1 //定时器0方式1，50ms中断一次

{

TH0=0x3c; //手动加载计数脉冲次数

TL0=0xb0;

TMOD=0x11;

mstcnt++; //用于计算时间，每隔50ms加1

if(mstcnt==5)//mstcnt满20即为一秒

{

seconde++;//秒+1

time_pro( ); //时间处理

mstcnt=0; //对计数单元的清零，重新开始计数

}

}

3.2.2子函数程序

void delay (uint k)

{

uchar j;

while((k--)!=0)

{

for(j=0;j<125;j++)

{;}

}

}

用C语言编写的延时程序没有汇编语言编写的延时程序精度高，但是对于秒量级精度的定时器装置来说，该延时程序的精度够用。本段延时程序的延时时长大约为1ms。

3.2.3时间处理子程序

void time_pro(void)

{

if(seconde==60)

{

seconde=0;

minite++;

if(minite==60)

{

minite=0;

hour++;

if(hour==24)

{

hour=0;

}

}

}

}

本段程序的含义：若秒位记满60秒钟，则分位进1，同时秒位归0；若分位记满60分钟，则时位进1，同时十位归0；若时位记满24小时，则时位也归0。

3.2.4显示子程序

void display(void)

{

if(P3_3==1)

{

P2=0X7f;

P0=dispcode[seconde%10];//秒个位

delay(1);

P2=0Xbf;

P0=dispcode[seconde/10];//秒十位

delay(1);

P2=0Xdf;

P0=dispcode[10];//间隔符-

delay(1);

P2=0Xef;

P0=dispcode[minite%10];//分个位

delay(1);

P2=0Xf7;

P0=dispcode[minite/10];//分十位

delay(1);

P2=0Xfb;

P0=dispcode[10];//间隔符- delay(1);

P2=0Xfd;

P0=dispcode[hour%10];//时个位delay(1);

P2=0Xfe;

P0=dispcode[hour/10];//时十位delay(1);

}

}

void display(void)

{

if(P3_3==1)

{

P2=0X7f;

P0=dispcode[seconde%10];//秒个位delay(1);

P2=0Xbf;

P0=dispcode[seconde/10];//秒十位delay(1);

P2=0Xdf;

P0=dispcode[10];//间隔符- delay(1);

P2=0Xef;

P0=dispcode[minite%10];//分个位delay(1);

P2=0Xf7;

P0=dispcode[minite/10];//分十位delay(1);

P2=0Xfb;

P0=dispcode[10];//间隔符- delay(1);

P2=0Xfd;

P0=dispcode[hour%10];//时个位

delay(1);

P2=0Xfe;

P0=dispcode[hour/10];//时十位

delay(1);

}

}

3.2.5键盘扫描子程序

void keyscan(void)

{

if(P3_0==0)//秒位的调整

{

delay(20);

if(P3_0==0)

{

seconde++;

if(seconde==60)

{

seconde=0;

}

}

while(P3_0==0);

}

if(P3_1==0)//分位的调整

{

delay(20);

if(P3_1==0)

{

minite++;

if(minite==60)

{

minite=0;

}

}

while(P3_1==0);

}

if(P3_2==0)//时位的调整

{

delay(20);

if(P3_2==0)

{

hour++;

if(hour==24)

{

hour=0;

}

}

while(P3_2==0);

}

}

此子程序在实验中被主程序调用，当有按键按下时，调用此程序可以达到消除振动的作用，此程序延时时间不能太短，要不然不能很好的起到消振作用，也不能够太长，避免按键很长时间后才反应。并且因为此程序用C语言编程，延时时间没有汇编语言精准。

3.2.6定时报警子程序

void dingshi(void)

{

if(P3_3==0) //按住P3_3不松，显示闹铃设置界面，分别按P3_4、P3_5设置闹铃时间。

{

P2=0X7f;

P0=dispcode[0];//秒个位

delay(1);

P2=0Xbf;

P0=dispcode[0];//秒十位

delay(1);

P2=0Xdf;

P0=dispcode[10];//间隔符-

delay(1);

P2=0Xef;

P0=dispcode[fen%10];//分个位delay(1);

P2=0Xf7;

P0=dispcode[fen/10];//分十位delay(1);

P2=0Xfb;

P0=dispcode[10];//间隔符- delay(1);

P2=0Xfd;

P0=dispcode[0];//时个位delay(1);

P2=0Xfe;

P0=dispcode[0];//时十位delay(1);

}

/* if(P3_4==0)//设定时

{

delay(20);

if(P3_4==0)

{

shi++;

if(shi==24)

{

shi=0;

}

}

while(P3_4==0);

} */

if(P3_5==0)//设定分

{

delay(20);

if(P3_5==0)