基于单片机的电子时钟6位LED数码管显示

数码管显示电子时钟设计

一.功能要求

1.数字电子时钟最主要是LED数码管显示功能，以24小时为一个周期，显示时

间时、分、秒。

2.具有校时功能，可以对时、进行单独校对，使其校正到标准时间。

二.方案论证

1.数字时钟方案

数字时钟是本设计的最主要的部分。根据需要，可利用两种方案实现。

方案一：本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS12887A。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。

方案二：本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将十字节清零。该方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。

基于硬件电路的考虑，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。

2.数码管显示方案

方案一：静态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，

造成了资源的浪费。

方案二：动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了I/O口，降低了能耗。从节省I/O口和降低能耗出发，本设计采用方案二。

3 .计时方案

利用AT89S51单片机内部的定时/计数器进行中断时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高，对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而对学好单片机技术这门课程起到一定的作用。

4. 控制方案

AT89S51的P0口和P2口外接由八个LED数码管(LED8～LED1)构成的显示器，用P0口作LED的段码输出口，P2口作八个LED数码管的位控输出线，P1口外接四个按键A、B、C构成键盘电路。

AT89S51 是一种低功耗，高性能的CMOS 8位微型计算机。它带有8K Flash 可编程和擦除的只读存储器（EPROM），该器件采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的80C51和80C52的指令系统及引脚兼容，片内Flash 集成在一个芯片上，可用与解决复杂的问题，且成本较低。简易电子钟的功能不复杂，采用其现有的I/O便可完成，所以本设计中采用此的设计方案。

三.系统硬件电路的设计

根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块：单片机模块、数码显示模块与按键模块，模块之间的关系图如下面得方框电路图1所示

图1 硬件电路方框图

1.单片机模块设计

1．1 芯片分析

AT89C51单片机引脚图如下：

图2 AT89C51引脚图

MCS-51单片机是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，其各引脚功能如下：

VCC：+5V电源。

VSS：接地。

RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用完成单片机的复位初始化操作。

XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，当作输出口使用时，必须接上拉电阻才能有高电平输出；当作输入口使用时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使FET截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，它不再需要多路转接电路MUX；因此它作为输出口使用时，无需再外接上拉电阻，当作为输入口使用时，同样也需先向其锁存器写“1”，使输出驱动电路的FET截止。

P2口：P2口电路比P1口电路多了一个多路转接电路MUX，这又正好与P0口一样。P2口可以作为通用的I/O口使用，这时多路转接电路开关倒向锁丰存器Q端。

P3口：P3口特点在于，为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。当作为I/O口使用时，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。当输出第二功能信号时，该位应应置“1”，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出。

MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口（Port），分别记作P0-P3，共有32根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位寻址。由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有一些差异。

P0口是双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。P1口是8位准双向I/O口，可驱动4个LS 型负载。P2口是8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。P3口是8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。P1口、P2口、P3口各I/O

口线片内均有固定的上拉电阻，当这3个准双向I/O口做输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O 口。

时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。

在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，这列信号很多。另一类用于片外存储器或I/O端口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。这也是单片机应用系统设计者普遍关心的问题。

1.2 数码显示模块设计

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。

图3 数码显示电路

1.3 按键模块

下图为按键模块电路原理图，A为复位键，B为时钟调控键，C为分钟调控键。

图4 按键模块电路原理图

四．系统程序的设计

软件设计分析

显示的效果为动态显示，利用CPU控制数码管显示的选通和停止，通过定时器中断不断扫描，从而实现数据的动态显示。

在编程上，首先进行了初始化，定义程序的的入口地址以及中断的入口地址，在主程序开始定义了一组固定单元用来储存计数的时.分.秒，在显示初值之后，进入主循环。在主程序中，对不同的按键进行扫描，实现秒表，时间调整，复位清零等功能，系统总流程图如下图5：

图 5 系统总体流程图

五.调试及性能分析

电子时钟主要的设计要求是能够实现时钟的一般功能，以及包括时间的调整功能，这个基于单片机的电子时钟基本上实现了上述功能，能够通过时间调整电路对时间进行调整以及复位。下述为18：30：30的仿真图：

首先确保各器件的完好性，其次检测各芯片的电源线和地线是否接触良好，然后焊接器件，接好电源用万用表检测各电源端、地端的状态是否正常。检查无误后插上AT89S51并烧写一简易的程序，观察电路是否能协同工作。最后烧写工作程序，根据显示现象调试程序直至成功。上电运行时，数码管开始显示00：00：00，时钟开始走时。

程序的编写和调试是一个比较复杂的过程。由于对C语言知识的薄弱，所以在编译过程中总是有很多语法上的错误，但是在和同学一起讨论研究后，程序是编写出来了，但结合到硬件调试中又出现各种问题。在调试过程中出现了很多问题，在第一次把程序烧到单片机里，通电运行时，虽然控制时、分、秒的按钮能够对数码管显示进行调整，但是数码管全亮，不能通过按键变化显示，更改程序中的问题，但是调时设置又没有用了。经过检查及修改，

终于完成了所做的设计，不容易啊。

六．控制源程序清单

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

/*七段共阴管显示定义*/

uchar code dispcode[ ]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,

0xBF,0x86,0xCB,0xCF,0xEF,0xED,0xFD,0x87,0xFF,0xDF}; /*定义并初始化变量*/

uchar seconde=0;

uchar minite=0;

uchar hour=12;

uchar mstcnt=0;

sbit P1_0=P1^0; // second 调整定义

sbit P1_1=P1^1; //minite调整定义

sbit P1_2=P1^2; //hour调整定义

/*函数声明*/

void delay(uchar 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

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

/*延时子程序*/

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

void delay (uchar k)

{

uchar j;

while((k--)!=0)

{

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

{;}

}

}

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

/*时间处理子程序*/

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

void time_pro( void)

{

if(seconde==60) //秒钟设为60进制

{ seconde=0;

minite++;

if( minite==60) //分钟设为60进制

{ minite=0;

hour++;

if(hour==24) //时钟设为24进制

{hour=0; }

}

}

}

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

/* 显示子程序*/

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

void display(void)

{

P2=0xfe;

P0=dispcode[hour/10]; //显示小时的十位

delay(4);

P2=0xfd;

P0=(dispcode[(hour%10)])|0X80; //显示小时的个位

delay(4);

P2=0xfb;

P0=dispcode[minite/10]; //显示分的十位

delay(4);

P2=0xf7;

P0=(dispcode[minite%10])|0X80; //显示分的个位

delay(4);

P2=0xef;

P0=dispcode[seconde/10]; //显示秒的十位

delay(4);

P2=0xdf;

P0=dispcode[seconde%10]; //显示秒的个位

delay(4);

}

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

/*键盘扫描子程序*/

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

void keyscan (void)

{

if(P1_0==0) //按键1秒的调整

{

delay(30);

if(P1_0==0)

{

seconde++;

if(seconde==60)

{seconde=0; }

}

}

if(P1_1==0) //按键2分的调整

{

delay(30);

if(P1_1==0)

{

minite++;

if(minite==60)

{minite=0;}

}

}

if(P1_2==0) //按键3小时的调整

{

delay(30);

if(P1_2==0)

{

hour++;

if(hour==24)

{hour=0; }

}

}

}

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

TH0=0x3c;

TMOD = 0x11;

mstcnt++;

if(mstcnt==20)

{

seconde++;

mstcnt=0; //注意点。对计数单元的清零十分的重要，本次调试中就是} //因为忽略了这一点，给我早成了很大的被动。

}

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

/*主函数*/

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

void main(void)

{ P1=0xff; //初始化p1口，全设为1

TMOD = 0x11; //time0为定时器，方式1

TH0=0x3c; //预置计数初值

TL0=0xb0;

EA=1;

ET0=1;

TR0=1;

while (1)

{

keyscan( ); //按键扫描

time_pro( ); //时间处理display( ); //显示时间

}

}

附录.元器件清单