单片机作息时间控制器设计

目录

摘要 (2)

1.绪论 (3)

1.1设计意义 (3)

1.2设计思路 (3)

1.3 设计要求及功能 (3)

2 系统总体方案设计 (3)

2.1 系统总体方案框图 (3)

2. 2 芯片比较 (4)

2.2.1 单片机选择 (4)

3.硬件设计 (9)

3.1单片机 (9)

3.2 按键控制模块 (9)

3.3 数码管显示模块 (10)

3.4 闹钟模块 (10)

3.5系统原理图 (11)

4.软件设计 (12)

4．1 主程序设计 (12)

4.2 中断子程序 (13)

4.3 按键扫描子程序 (14)

5. 软件硬件联调 (15)

5．1 软件调试 (15)

5．2 系统调试 (15)

参考文献 (16)

附1：源程序代码 (17)

致谢 (31)

本文介绍了一款基于 AT89C52单片机作息时间控制器的设计，该作息时间控制器由单片机最小系统、按键模块、数码管显示模块、闹钟模块组成。采用单片机A T89C52与12MHZ晶振相连；通过按键K1、K2、K3、K4控制时间的校正、闹钟时间设定；数码管显示模块用来显示时间，显示格式为“时分”，并能够根据需要显示年、月、日，由数码管小数点闪动作为秒计数；闹钟模块进行到时提醒并作出相应动作：发光二极管闪亮，同时播放音乐。

本文详细叙述了系统硬件、软件的具体实现过程。论文重点阐述了时间控制器硬件中主控制模块、时钟模块、显示模块和相关控制模块等的模块化设计与制作。本设计实现了时间与闹钟的修改功能，语音播报功能，年、月和日等的显示功能。

1.1设计意义

随着科学技术的发展，各行各业技术的不断改进和更新，在时间方面，由于时间多、时间乱等原因，人们不得不去改善时间方面的设备；随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，对时间的要求也越来越高，精准数字计时的消费需求也是越来越多。单片机时间控制器实现了对时间控制的智能化，摆脱了传统的由人来控制时间的不便，是现代必不可少的设备。

1.2设计思路

在整个设计中，主要用的是单片机的自动控制原理，包括硬件和软件。在硬件部分，包括按键控制模块、数码管显示模块和闹钟模块；软件部分，主要是主程序设计。

1.3 设计要求及功能

本设计是作息时间控制器，设计其实现的功能主要有：使用4位七段显示器来显示当前的时间，由LED闪动作为秒计数表示，显示格式为“时分”，并可显示日期，显示格式为“月日”，年份单独显示。由4个按键来作功能设置，可以设置现在的日期、时间及定时设置时间，一旦设置的时间到则作出相应动作：发光二极管闪亮，同时播放音乐。

2 系统总体方案设计

2.1 系统总体方案框图

按键控制模块单

片

机

最

小

系

统

数码管显示模

闹钟模块

图2-1 系统方框图

2. 2 芯片比较

2.2.1 单片机选择

当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。常用的单片机有很多种：Intel8051系列、Atmel的AT89系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z8系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。我们最终选用了ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。

AT89C52的芯片管脚图如图3-1

图3-1

引脚功能说明：

VCC——电源电压

GND——地

P0口——P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口——P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见下表。

FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P1.0和P1.1的第二功能

功能特性

引脚

号

P1.0 T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出

P1.1 T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）P2口——P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR 指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口——P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

第二功能

端口引

脚

P3.0 RXD(串行输入口)

P3.1 TXD(串行输出口)

P3.2 INTO(外中断0)

P3.3 INT1(外中断1)

P3.4 TO(定时/计数器0)

P3.5 T1(定时/计数器1)

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)

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST——复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG——当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

2.2.2显示器接口芯片的选择

LED显示器接口芯片的选择常用的显示器接口芯片有CD4511，CD4513，MC14499，8279，MAX7219，74HC164等，它们的功能有：1.CPU接受来自键盘的输入数据，并作预处理；

2.数据显示的管理和数据显示器的控制。

CD4511是BCD锁存，7段译码，驱动器，但在显示6和9时，显示为b和q，不是很好看。CD4513是BCD锁存，7段译码,驱动器(消隐)，但现在市面上不好买。MC14499为串行输入BCD码——十进制译码驱动器，用它来构成单片机应用系统的显示器接口，可以大大减少I/O口线的占用数量。但是，由片内震荡器经过四分频的信号，经位译码后只能提供4个位控信号，使信号的采集受到限制；并且，MC19944的价格偏高，也不经济。同样，8279为INTEL公司生产的通用键盘/显示器接口芯片，其内部设有16*8显示数据RAM，若采用8279管理键盘和显示器，可以减少软件程序，从而减轻主机的负担，但我们同时也发现，由于其功能比较强大，不可避免将会使外围设备与操作过程复杂化，同时价格比较贵。对比一下MAX7219和74HC164其占用资源少，且不需复杂的驱动电路。但MAX7219虽然比较好用，且一片能驱动四个数码管，但对于我们设计的系统来说，不需要很多数码管，此外MAX7219相对74HC164的价格也比较贵，所以我们最终选用74HC164。本作息时间控制器利用AT89C52单片机串行口和廉价的74HC164集成块实现多个LED显示的一种简单方法，利用该方法设计的多路LED显示系统具有硬件结构简单、软件编程容易和价格低廉的特点。下面简单的介绍一下74HC164。

特点：

（1）与门串行输入；

（2）完全的缓冲时钟脉冲和串行输入；

（3）直接清除

引脚图如图3-11：

图3-11

说明：

这些8位移位寄存器的特点是具有与门串行输入和不同步的清除输入（CLR）。门电路串行输入(A和B)允许对输入数据的完全控制；低电平加在输入端可以抑制新数据的进入；高电平输入能使输入有效。串行输入的数据当CLK是高电平或低电平时可以改变。

89C52单片机串行口方式0为移位寄存器方式，外接3片74LS164作为3位LED显示器的静态显示接口，把89C51的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。74LS164为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。T（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的TXD 端。每一个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74LS164中。R（第9脚）为复位端，当R=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。Q1…Q8（第3-6和10-13引脚）并行输出端分别接LED显示器的hg···a各段对应的引脚上。在给出了8个脉冲后，最先进入74LS164的第一个数据到达了最高位，然后再来一个脉冲，第一个脉冲就会从最高位移出，搞清了这一点，下面让我们来看电路，6片7LS164首尾相串，而时钟端则接在一起，这样，当输入8个脉冲时，从单片机RXD端输出的数据就进入到了第一片74LS164中了，而当第二个8个脉冲到来后，这个数据就进入了第二片74LS164，而新的数据则进入了第一片74LS164，这样，当第六个8个脉冲完成后，首次送出的数据被送到了最左面的164中，其他数据依次出现在第一、二、三片74LS164中。

3.硬件设计

3.1单片机

AT89C52提供以下标准功能：8K 字节FLASH 闪存，256字节内部RAM ，32个I/O 口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 工作，但允许RAM ，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.2 按键控制模块

图2-2按键控制模块

按键设定部分比较简单，因为本系统按键少，所以在设计上采用了独立按键方式，程序的编制上也采用了简单的扫描方式。按键控制模块主要有由四个按键组成：K1、K2、K3、K4、。其中K1的功能是模式切换键；K2的作用是加一；K3的作用是闹钟使能；K4的作用是减一。

时间校正：当我们需要正确的显示时间即可进行时间校正，按一下K1即进入小时校正状态，通过K2加一或K4减一来进行小时校正，再按一次K1键即可进行分钟校正，校正原理同小时校正相同

P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

K1 K2

K3 K4

闹钟设定：当我们需要闹钟提醒时即可使用此功能，连续按三下K1键即可进入闹钟小时设定状态，通过K2键加一或K4键减一，进行小时设定，再按一次K1键即可进行分钟设定，其设定原理与小时设定原理相同，按一下K3键，则时间设定完毕，到时会自动响铃。

日期校正：当我们需要与当前日期保持一致时，则可以使用日期校正功能，连续按动五次K1键，则进入月份校正状态，通过K2加一键或K4减一键进行校正月份，再按一次K1键，则可进行日期校正，校正原理同月份校正原理相同。

年份校正：当我们需要保持年份与当前年份一一致时，则可以进行年份校正。连续按动七次K1键，即进入年份校正状态，通过K2加一键或K4减一键进行校正。

闹钟响铃：当我们设定的时间与当前时间一致时，则闹钟就会自动响铃提示，与此同时发光二极管闪亮，一分钟后响铃停止，发光二极管熄灭，若在此期间按下闹钟使能键K3同样能使响铃停止，发光二极管熄灭。

3.3 数码管显示模块

23456789

1

p0.0

p0.1

p0.2

p0.3

p0.4

p0.5

0.6 0.7

p

2

.

p

2

.

1

p

2

.

3

p

2

.

2

图2-3显示模块

时间显示模块主要由四位七段数码管来显示，配合按键控制模块的校正与设

定时间，相应的显示。时间正常显示时，LED每闪动60次，分钟自动加一；每六十分钟小时自动加一；每24小时天自动加一。

3.4 闹钟模块

图2-4闹钟音乐模块

闹钟模块快的主要功能即闹铃。当设定时间与当前时间一致时，则闹钟自动闹铃进行提示，同时二极管闪亮一分钟后，自动退出响铃状态，若按K3键，闹钟退出响铃状态。

3.5系统原理图

XTAL2

18

XTAL1

19

ALE 30EA

31

PSEN 29RST

9

P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX 2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD

17

P3.6/WR 16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1

AT89C52

23456789

1

RP1

RESPACK-8

LS1

SPEAKER

R1

200

模式切换

加一

使能闹钟

减一

D1

LED-RED

R21k

Q1

NPN

K1

K2

K3

K4

C1

33pF

X1

CRYSTAL

C2

33pF

C3

10uF

R3

10k

系统原理图

4.软件设计

单片机作息时间控制的动作利用时间计时处理来做秒计数，当所设置的时间到了，则发出一阵声响。单片机定时器负责定时的计数，不会因为按键处理而中断时间秒数的增加，时，分，秒数据是存在变量内并写入七段显示器的缓冲区内，而由显示器扫描程序中定时扫描而显示出时间。

4．1 主程序设计

在主控程序循环中主要工作为扫描是否有按键，若有按键则应做相应的功能

处理，同时也扫描显示器显示时间数据，并检查所设置的时间是否到了，时间计时处理程序是等过了1S 后，则更新时间数据，将最新的时，分，秒的数据转换为数字数据并显示在七段显示器上。

程序中是这样判断是否过了1S 的：设一旧秒数变量，当新旧秒数变量不一样时，则表示已过了1S ，要做相关程序时间处理了。

蜂鸣器初始化

定时器初始化

按键扫描

判断标志位X

设定闹钟显示函数

校正时间显示函数

日期显示函数时间显示函数年份显示函数

X=0

X=1、2

X=3、4

X=5、6X=7

图3-2主程序流程图

4.2 中断子程序

中断子程序的主要功能：提供时间基准。当连续中断20次时，即为一秒，此时秒加一；当秒值为60时，分钟加一，同时秒清零;当分钟值为60时，小时加一，同时分钟值清零；当小时为24时，天值加一，同时小时清零；由于每月天数不定，1、3、5、7、8、10、12月为31天，当计数到此类月份时，天值为32时，月值加一，同时天值为1；4、6、9、11月为30天，当计数到此类月份时，天值为31时，月值加一，同时天值为1；如果是闰年，则2月为29天，当

计数到此类月份时，天值为30时，月值加一，同时天值为一；如果不是闰年，则2月为28天，当计数此类月份时，天值为29时，月值加一，同时天值为一；当月值为13时，则年值加一，同时月值为一。

设置定时器初值

是否到一秒？

秒变量加一

是否到60秒？

秒值清零、分值加一是否到60分？

分值清零、小时加一是否到24小时？小时清零、天值加一是否到一月？

天值为1、月值加一是否到一年？

月值为1、年值加一返回主函数

Y Y

Y Y Y Y N N N N N N

图3-3定时器中断函数4.3 按键扫描子程序

按键扫描子程序是程序计中相当重要的一部分。按键扫描子程序的功能是：扫描是否有按键按下，若有键按下，则执行相应功能。

是否有键按下？

响

应设定变量加一闹钟使能

模式按键切换处理

相

应

设

定

变

量

减

一

返回

N

Y

按键1按键2按键3按键4

图3-4按键扫描子程序

5. 软件硬件联调

5．1 软件调试

采用模块化程序设计思想，首先调试子程序，然后逐级叠加调试。

5．2 系统调试

软硬件结合在一起，看是否能工作正常，是否符合设计基本要求，即可以实现 24 小时计时方式;可使用按键开关时间、日期调整以及设置闹铃。

参考文献

1 刘勇编数字电路电子工业出版社 2004

2 陈正振编电子电路设计与制作广西交通职业技术学院信息工程系2007

3 杨子文编单片机原理及应用西安电子科技大学出版社 2006

4 王法能编单片机原理及应用科学出版社 2004

5 张友德、赵志英等编单片微型机原理、应用与实验上海:复旦大学出版2003 第四版

6 钱晓揭. 16/32 位微机原理、汇编语言及接口技术[M].机械工程出版社2005 年

7 吴金. 8051 单片机实践与应用[M].清华大学出版社，2002 年

8 谢自美.电子线路设计试验测试（第二版）[M].华中科技出版社 2002 年

9 张疑坤,陈善久,裘雪红.单片微型计算机原理及应用[M].西安电子科技大出版社 2003 年

10 马忠梅编著《单片机的 C 语言应用程序设计》北京航空航天大学出版社,1999 年

11 王幸之编著《单片机应用系统抗干扰技术》北京航空航天大学出版社,2000 年

12]赵茂泰.智能仪器原理及应用.电子工业出版社，2004：100-156 2010 年4 月 10 日

附1：源程序代码

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar code a[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //******************************************************************* ******************

sbit K1=P1^4;

sbit K2=P1^5;

sbit K3=P1^6;

sbit K4=P1^7;

sbit sd=P3^6;

sbit BEEP=P3^7;

uchar m=5,h=20,sec=58,cnt=0,x,y,qian,bai,shi,ge;

uchar set_h=12;

uchar set_m=58;

uchar month=7;

uchar day=5;

uchar th0_f;

uchar tl0_f;

uint year=2010;

void delay(uchar t);//延时函数

void scankey(void); //按键扫描函数

void init(void); //初始化函数

void display(void);//显示函数

void set_time(void);//设定时间显示辅助函数

void set_day(void); //设定日期显示辅助函数

void m_choose(void); //月份选择函数

void bianhuan(void); //年份显示辅助函数

void bianhuan1(void);//时间显示辅助函数

changedata(uchar *song,uchar *diao,uchar *jie);//音乐符号串解释函数

void play(uchar *songdata);//奏乐函数

//世上只有妈妈好

uchar code mamahao[]={

"6.5_35|`16_5_6-|35_6_53_2_|1_,6_5_3_2-|" "2.3_55_6_|321-|5.3_2_1_,6_1_|,5--"

};

uchar code freq[36*2]={

0xA9,0xEF,//00220HZ ,1 //0

0x93,0xF0,//00233HZ ,1#

0x73,0xF1,//00247HZ ,2

0x49,0xF2,//00262HZ ,2#

0x07,0xF3,//00277HZ ,3

0xC8,0xF3,//00294HZ ,4

0x73,0xF4,//00311HZ ,4#

0x1E,0xF5,//00330HZ ,5

0xB6,0xF5,//00349HZ ,5#

0x4C,0xF6,//00370HZ ,6

0xD7,0xF6,//00392HZ ,6#

0x5A,0xF7,//00415HZ ,7

0xD8,0xF7,//00440HZ 1 //12

0x4D,0xF8,//00466HZ 1# //13

0xBD,0xF8,//00494HZ 2 //14

0x24,0xF9,//00523HZ 2# //15

0x87,0xF9,//00554HZ 3 //16

0xE4,0xF9,//00587HZ 4 //17

0x3D,0xFA,//00622HZ 4# //18

0x90,0xFA,//00659HZ 5 //19

0xDE,0xFA,//00698HZ 5# //20

0x29,0xFB,//00740HZ 6 //21

0x6F,0xFB,//00784HZ 6# //22

0xB1,0xFB,//00831HZ 7 //23

0xEF,0xFB,//00880HZ `1

0x2A,0xFC,//00932HZ `1#

0x62,0xFC,//00988HZ `2

0x95,0xFC,//01046HZ `2#

0xC7,0xFC,//01109HZ `3

0xF6,0xFC,//01175HZ `4

0x22,0xFD,//01244HZ `4#

0x4B,0xFD,//01318HZ `5

0x73,0xFD,//01397HZ `5#

0x98,0xFD,//01480HZ `6

0xBB,0xFD,//01568HZ `6#

0xDC,0xFD,//01661HZ `7 //35

};

//******************************

//音乐符号串解释函数

changedata(uchar *song,uchar *diao,uchar *jie) {

uchar i,i1,j;

char gaodi;

uchar banyin;

uchar yinchang;//ò?3¤

uchar code jie7[8]={0,12,14,16,17,19,21,23};

*diao=*song;

for(i=0,i1=0;;)

{

gaodi=0;

banyin=0;

yinchang=4;

if((*(song+i)=='|') || (*(song+i)==' ')) i++;

switch(*(song+i))

{

case ',': gaodi=-12;i++;

break;

case '`': gaodi=12;i++;

break;

}

if(*(song+i)==0)

{

*(diao+i1)=0;

*(jie+i1)=0;

return;

}

j=*(song+i)-0x30; i++;

j=jie7[j]+gaodi;

yinc: switch(*(song+i))

{

case '#':

i++;j++;

goto yinc;

case '-':