毕业设计基于单片机的自动报时系统

毕业设计题目基于单片机的自动报时系统

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指导教师

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设计任务书

设计题目：

基于单片机的自动报时系统

设计要求：

1.自动报时系统应具有自动计时功能，由6位LED显示器显示时、分、秒；

2.设计一个自动报时系统，它应具有准确走时、定时、闹钟定时、到时铃响、定点报时、驱动电铃等功能。时钟走到23：59：59，再加一秒则全部清零，重新计时；

3.设计出该系统相应的时钟硬件电路；

4.设计该时钟相应的软件电路；

5.上机连接试验箱调试出应有的效果。

设计进度要求：

第一周：确定设计题目

第二周：查找、搜集以及整理资料

第三周：硬件电路的设计

第四、五周：软件电路的设计

第六周：连接试验箱进行程序调试

第七周：着手写论文、打印论文，准备答辩

第八周：毕业答辩

指导教师（签名）：

摘要

随着电子技术的迅速发展，特别是随大规模集成电路出现，给人类生活带来了根本性的改变。由其是单片机技术的使用产品已经走进了千家万户。电子万年历的出现给人们的生活带来的诸多方便。

我所设计的是一个自动报时系统，自动报时系统用到的单片机芯片是AT89C51芯片，除此之外还包括：DS1302芯片、晶振电路和复位电路构成单片机最小使用系统，还有独立式按键电路，动态显示电路等等。它不仅能实现数字电子时钟的各种功能，如具有较时、调时、定时、闹钟等功能，而且还能实现定点报时的功能。

实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小和31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。本设计还附加了定点报时的功能，从而进一步完成了自动报时系统的设计。

关键词：单片机，闹铃时钟，位码，段码，显示

目录

设计任务书 .................................................................. I 摘要 ................................................................... I I 1 总体方案设计 .. (2)

1.1系统框图 (2)

1.2设计方案介绍 (2)

2 硬件设计 (4)

2.1单片机的选型 (4)

2.2AT89C51的特点 (4)

2.3AT89C51单片机复位方式 (5)

2.4DS1302的简介 (6)

2.5键盘方案 (9)

2.6七段LED显示工作原理 (11)

2.7自动报时系统的工作原理及原理图 (14)

3 软件设计 (15)

3.1设计思路 (15)

3.2系统工作流程 (15)

3.3主程序流程 (16)

3.4按键程序模块 (17)

3.5显示程序模块 (20)

3.6中断服务程序模块 (22)

4 系统调试 (24)

结论 (27)

致谢 (28)

参考文献 (29)

附录A (30)

1 总体方案设计

1.1 系统框图

我所设计的是一个自动报时系统，它不仅具有数字电子时钟的各种功能，如具有较时、调时、定时、闹钟等功能，而且还具有驱动电铃，定点报时等功能。总体设计框图如图1.1所示：

图1.1 系统框图

1.2设计方案介绍

1.2.1 硬件的选择方案

由于我设计的是一个自动报时系统，它需要准确的走时、较时、调时、定时、定点报时等，因此我选用的是AT89C51单片机芯片，再配以DS1302、按键电路、晶振电路、复位电路以及LED动态显示器，就可以实现。采用AT89C51的P0接口外接8路反相三态缓冲器74LS240作LED动态扫描的段码控制驱动信号,用P2接口的P2.0-P2.5外接一片集电极开路反相门电路7406做为6位LED的位选信号驱动口，6个数码管的8根段选线分别接74LS240的输出， LED共阴极端和74LS07的输出端相连；按键接口，由P1.7、P1.6、P1.5、P1.4来完成，四个按键的作用分别是：一个为功能键K1；一个为数字调整键K2；一个为取消设置键K3，用来设置时间；一个为K4键，用来设置定时时间。DS1302实时时钟由P1.0、P1.1、P1.2来控制。DAS1302

的X1、X2接口用来接蜂鸣器。

1.2.2 软件的设计方案

由于我考虑到用单片机的汇编语言来做《自动报时系统》的设计比较简单。对于程序我的设计思路是：

1.要有主程序，主程序一般是显示和中断的初始化。

2.要有显示子程序，当键入一个时间值时显示程序要把这个键入的时间值给显示出来。

2.要有中断服务程序，功能，走时，判断是否到定时时间等等。

3.要有按键程序，进入按键程序，判断是否有键按下，没有，则调用延时重新判断，如果到了，调用延时去抖程序，再次判断有键按下否，没有则返回延时程序，如果有按键，则判断键号，堆栈，判断键是否释放，没有，继续判断，释放了，则输入键号送往累加器。

2 硬件设计

2.1 单片机的选型

我的设计里用到的单片机芯片是AT89C51芯片，除此之外还包括：DS1302芯片、晶振电路和复位电路构成单片机最小使用系统。

2.2 AT89C51的特点

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能、CMOS、8位单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，和工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。AT89C51的管脚图如图2.1所示：

图2.1 AT89C51管脚图

主要特性：

1、和MCS-51 兼容

2、4K字节可编程闪烁存储器

3、寿命：1000写/擦循环

4、数据保留时间：10年

5、全静态工作：0Hz-24Hz

6、三级程序存储器锁定

7、128*8位内部RAM

8、32可编程I/O线

9、两个16位定时器/计数器

10、5个中断源

11、可编程串行通道

12、片内振荡器和时钟电路

2.3 AT89C51单片机复位方式

单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作。

AT89C51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位。复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变。复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种,如图2.2所示。而本设计采用的是手动复位方式，如B图所示：

a 上电复位电路

b 手动复位电路

c 自动复位电路

图2.2 单片机复位电路

2.4 DS1302的简介

2.4.1 简介

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口和CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小和31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5～5.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据和出现该数据的时间同时记录，因此广泛使用于测量系统中。

DS1302串行时钟芯片主要是由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟、RAM 以及电源组成，它的电路工作原理图如下图2.3所示：

图2.3 DS1302的内部结构

在本设计中，它的I/O引脚、串行时钟SCLK引脚、CE引脚分别和AT89C51的I/O 接口的P1.1口、P1.2口、P1.0口相接，X1、X2接口接蜂鸣器。

2.4.2 DS1302的特点

DS1302时钟芯片包括：

（1）实时时钟/日历：实时时钟/日历提供秒、分、时、日、星期、月、年等信息，每月天数以及闰年能自动调整，时钟可以采用24h或AM/PM的12h格式。

（2）31字节的静态RAM：用于存放数据。

（3）带慢速充电控制备份电源的充电特性。

（4）简单的三线串行接口：该芯片使用同步串行通信。和时钟/RAM通信共需3根线:RST（复位）、I/O（数据线）、SCLK（串行时钟）。数据可以以每次1个字节或多个字节的形式传送到时钟/RAM或从其读出。

2.4.3 各管脚描述

管脚描述如下

X1 X2 32.768KHz 晶振管脚

GND 地

RST 复位脚

I/O 数据输入/输出引脚

SCLK 串行时钟

Vcc1,Vcc2 电源供电管脚

订单信息

部分# 描述

DS1302 串行时钟芯片8 脚DIP

DS1302S 串行时钟芯片8 脚SOIC 200mil

DS1302Z 串行时钟芯片8 脚SOIC 150mil

2. DS1302 内部寄存器

CH: 时钟停止位寄存器2 的第7 位12/24 小时标志

CH=0 振荡器工作允许bit7=1,12 小时模式

CH=1 振荡器停止bit7=0,24 小时模式

WP: 写保护位寄存器2 的第5 位:AM/PM 定义

WP=0 寄存器数据能够写入AP=1 下午模式

WP=1 寄存器数据不能写入AP=0 上午模式

TCS: 涓流充电选择DS: 二极管选择位

TCS=1010 使能涓流充电DS=01 选择一个二极管

TCS=其它禁止涓流充电DS=10 选择两个二极管

DS=00 或11, 即使TCS=1010, 充电功能也被禁止

RS 位电阻典型位

00 没有没有

01 R1 2K

10 R2 4K

11 R3 8K

2.4.4 DS1302读写时序说明

DS1302是SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。

要想和DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。DS1302的控制字如表2.1所示：

表2.1 控制字（即地址及命令字节）

控制字的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。

位6：如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；

位5至位1（A4～A0）：指示操作单元的地址；

位0（最低有效位）：如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。

图2.4 数据读写时序

控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。数据读写时序如图2.4。

2.5 键盘方案

本设计的自动报时系统是一个具有电子时钟、闹钟、定点报时功能的系统，系统工作时应具备随时对当前时间进行调整，因此它只需要独立式键盘的四个按键即可完

成操作。

独立式键盘的接口电路：在单片机使用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息。这时，可将每个按键直接接在一根I/O接口线上，这种连接方式的键盘称为独立式键盘。如图2.5所示，每个独立按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O 接口线的工作状态不会影响到其他I/O接口线。这种按键接口电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O线，I/O接口线浪费较大。故只在按键数量不多时采用这种按键电路。

在此电路中，按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O接口线有确定的高电平。当I/O接口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。本设计中个按键的功能为：一个为功能键K1；一个为数字调整键K2；一个为取消设置键K3，用来设置时间；一个为K4键，用来设置定时时间。

图2.5 独立式键盘电路

2.5.1 键盘接口工作原理

在单片机使用系统中，常用键盘作为输入设备，通过它将数据、内存地址、命令及指令等输入到系统中，来实现简单的人机通信。

2.5.2 按键开关的去除抖动功能

目前,AT89C51单片机使用系统上的按键常采用机械触点式按键,它在断开、闭合时输入电压波形如图 2.6所示.可以看出机械触点在闭合及断开瞬间均有抖动过程,时间长短和开关的机械特性有关,一般为5～10ms。由于抖动，会造成被查询的开关状态无法准确读出。例如，一次按键产生的正确开关状态，由于键的抖动，CPU多次

采集到底电平信号，会被误认为按键被多次按下，就会多次进行键输入操作，这是不允许的。为了保证CPU对键的一次闭合仅在按键稳定时作一次键输入处理，必须消除产生的前沿（后沿）抖动影响。在本次设计中采用的是软件去抖。

按键过程

后沿

前沿识别区

图2.6 按键过程

2.6 七段LED显示工作原理

2.6.1 显示的种类

1 静态显示概念

静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的8个字段分别和一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。采用静态显示方式的优点：较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的接口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。

2 动态显示概念

动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，

并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。

采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。

此次设计中我们采用定时器来完成动态扫描显示。用定时器T0定2ms的时间间隔，每次定时时间到时就输出一个LED信号，即显示1位。定时器每中断6次后循环到第一位LED显示。这样动态显示占用CPU的时间只有输出断码和输出位码的有限时间，提高了CPU的工作效率。在本次设计中所使用的是动态显示，其显示电路图形如图2.7所示：

图2.7 LED动态显示电路

2.6.2 数码管简介

1 数码管结构

数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0 ~9、字符A ~ F及小数点“·”。数码管的外形结构如图2.8（a）所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图2.8（b）和图2.8（c）所示：

e d

G

N

D c

d

p

b

a

G

N

D

f

g

(a)(c)

（a）外型结构；（b）共阴极；（c）共阳极

图2.8 数码管结构图

2 数码管工作原理

由于我们采用的是共阴极数码管，所以介绍共阴极数码管的工作原理如下: 共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

共阳极数码管的工作原理和共阴极的正好相反。

3 数码管字形编码

要使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字形编码。LED显示字型码表见表2.2：

表2.2 LED显示字型码表

2.7 自动报时系统的工作原理及原理图

自动报时系统电路的核心是AT89C51单片机，其内部带有4KB的FlashROM,无须扩展程序存储器；电子时钟没有大量的运算和暂存数据，现有的128B片内RAM已能满足要求，也不必扩展片外RAM。系统配备6位LED显示和4个单接口键盘，采用P0接口外接8路反相三态缓冲器74LS240作LED动态扫描的段码控制驱动信号,用P2接口的P2.0-P2.5外接一片集电极开路反相门电路7406做为6位LED的位选信号驱动口，6个数码管的8根段选线分别接74LS240的输出， LED共阴极端和74LS07的输出端相连；按键接口，由P1.7、P1.6、P1.5、P1.4来完成；DS1302实时时钟由P1.0、P1.1、P1.2来控制。DS1302的X1、X2接口外接蜂鸣器。

电路原理图见附录A

3 软件设计

3.1 设计思路

由于我做的是自动报时系统，它需要具有较时、调时、定时、闹钟等功能，而且还具有驱动电铃，定点报时等功能。另外当时钟走到24点时则自动清零。所以我们考虑到用单片机的汇编语言来做我们的设计比较简单。对于程序我们的设计思路是：

1.要有主程序，主程序一般是显示和中断的初始化。

2.要有显示子程序，当键入一个时间值时显示程序要把这个键入的时间值给显示出来。

2.要有中断服务程序，功能，走时，判断是否到定时时间等等。

3.要有按键程序，进入按键程序，判断是否有键按下，没有，则调用延时重新判断，如果到了，调用延时去抖程序，再次判断有键按下否，没有则返回延时程序，如果有按键，则判断键号，堆栈，判断键是否释放，没有，继续判断，释放了，则输入键号送往累加器。

3.2 系统工作流程

1.时钟显示：6位LED从左到右一次显示时、分、秒，采用24小时计时。

2.按键控制功能：采用4个独立键盘，其中一个为功能键；一个为数字调整键；一个为取消设置键，用来设置时间；一个为ALM键，用来设置定时时间。

3.时间显示：通电后，系统自动进入时钟设置，从00：00：00开始计时，此时可以设定当前时间。

4.时间调整：按下功能键，系统停止计时显示，进入时间设定状态，系统只显示小时的内容，其余4位LED处于全暗状态，等待按键设置。此时按动数字调整键后小时将会加1，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态；若再按动功能键则用来调整分钟，此时小时和秒的4位LED指示全暗，按数字调整键后可以对分钟增1调整，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态；再按动功能键则用来调整秒，此时小时和分钟的4位LED指示全暗，秒显示当前的秒数，暗数字调整键可以对秒进行增1调整，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态，按动功能键后系统将自动由设

定后的时间开始计时显示。

5.闹钟设置/启闹：按下K4键，系统继续计时，但显示为00：00:00,此时再按动功能键后进入闹钟设置状态，设置过程和时间调整相同，但是最后按功能键确定后显示定时时间30S后自动启动定时闹钟功能，并恢复时间显示。定时时间到，蜂鸣器鸣叫1min后自动停闹，每次设置时只能定一次，下次需重新设置。

3.3 主程序流程

首先，设置初始常数，设置定时器常数，它主要是显示和中断的初始化。

3.3.1 主程序流程图如图3.1所示：

主程序的内容一般包括：主程序的起始地址，中断服务程序的起始地址，有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等。

图3.1 主程序流程图

3.3.2 主程序如下：

START: MOV R0，#70H；清70H-7AH共11个内存单元

MOV R7，#0BH；

CLEARDISP: MOV @R0，#00H；

INC R0；

DJNZ R7，CLEARDISP；

MOV 20H，#00H；清20H（标志用）

MOV 7AH，#0AH；放入"熄灭符"数据

MOV TMOD，#11H；设T0、T1为16位定时器

MOV TL0，#0B0H；50MS定时初值（T0计时用）

MOV TH0，#3CH；50MS定时初值

MOV TL1，#0B0H；50MS定时初值（T1闪烁定时用）

MOV TH1，#3CH；50MS定时初值

SETB EA；总中断开放

SETB ET0；允许T0中断

SETB TR0；开启T0定时器

MOV R4,#14H；1秒定时用初值（50MS×20）

START1: LCALL DISPLAY；调用显示子程序

JNB P3.2，SETMM1；P3.7口为0时转时间调整程序

SJMP START1；P3.7口为1时跳回START1

SETMM1: LJMP SETMM；转到时间调整程序SETMM

3.4 按键程序模块

该系统的按键功能如下：按下功能键，系统停止计时显示，进入时间设定状态，系统只显示小时的内容，其余4位LED处于全暗状态，等待按键设置。此时按动数字调整键后小时将会加1，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态；若再按动功能键则用来调整分钟，此时小时和秒的4位LED指示全暗，按数字调整键后可以对分钟增1调整，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态；再按动功能键则用来调整秒，此时小时和分钟的4位LED指示全暗，秒显示当前的秒数，暗数字调整键可以对秒进行增1调整，按动取消键后又重新回到原来的时间显示状态，按动功能键后系统将自动由设定后的时间开始计时显示。

进入按键程序，判断有键按下吗？没有，则调用延时重新判断，如果到了，调用延时去抖程序，再次判断有键按下否，没有则返回延时程序，如果有按键，则判断键号，堆栈，判断键是否释放，没有，继续判断，释放了，则输入键号送往累加器,然后返回主程序。