辽宁工业大学单片机课设LED电子钟设计

单片机课程设计(论文) LED显示的电子钟设计

院（系）名称电子与信息工程学院

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学生姓名

指导教师

起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

注：平时成绩占20%，答辩成绩占30%，论文成绩占50%。

摘要

在电子技术飞速发展的推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。电子钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。特别是基于LED光源设计的电子钟更是得到蓬勃发展。LED光源因具有节能、环保、长寿命、安全、响应快、体积小、色彩丰富、发光效率高、可控性好等优点，被认为是节电降能耗的最佳实现途径。并广泛的应用于公交汽车，商店，学校和银行等公共场合的时间显示、定时、计时等。

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。数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。在这次设计中，我们采用LED数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，用12MHz的晶振产生振荡脉冲，定时器计数。在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整。数字钟是其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多便于集成化而受广大消费的喜爱，因此得到了广泛的使用。

关键字：单片机；数字钟；数码管

目录

第1章绪论 (3)

1.1 LED电子钟概述 (3)

1.2 LED电子时钟技术状况 (3)

1.3 本设计任务 (4)

第2章总体方案论证与设计 (5)

2.1 LED显示电子时钟设计思路 (5)

2.2 时钟系统方案论证 (5)

2.3 元件清单 (6)

第3章系统硬件设计 (7)

3.1 单片机控制系统 (7)

3.2 各部分功能的实现 (7)

第4章系统的软件设计 (10)

4.1 软件主要完成功能 (10)

4.2 程序设计 (10)

4.3 软件设计的主要流程 (10)

第5章系统调试与测试结果分析 (13)

5.1系统调试 (13)

5.2测试结果 (14)

结论 (15)

参考文献 (16)

附录1 程序 (17)

附录2 仿真效果图 (25)

第1章绪论

1.1 LED电子钟概述

1957年，世界上第一个电子表问世，从而奠定了电子钟的基础，电子钟开始迅速发展起来。现代的电子钟是基于单片机的一种计时工具，采用延时程序产生一定的时间中断，用于一秒的定义，通过计数方式进行满六十秒分钟进一，满六十分小时进一，满二十四小时小时清零。从而达到计时的功能，是人们日常生活不可缺少的工具。

采用单片机为中心的电子钟编程灵活，便于电子钟功能的扩充，即可用该电子钟发出各种控制信号，精确度高等特点，同时可以用该电子钟发出各种控制信号。

1.2 LED电子时钟技术状况

为了将时间在LED数码管上显示，可采用静态显示法和动态显示法，由于静态显示法需要译码器，数据锁存器等较多硬件，所以可采用动态显示法实现LED显示，通过对每位数码管的依次扫描，使对应数码管亮，同时向该数码管送对应的字码，使其显示数字。由于数码管扫描周期很短，由于人眼的视觉暂留效应，使数码管看起来总是亮的，从而实现了各种显示。除此之外，时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。

1.2.1 LED动态显示的原理

数码管的动态显示利用视觉暂留作用，使得人眼看到的是静态的不变的显示，视觉暂留时间约为0.01秒，因而每次显示的时间间距要比较短。

首先向LED显示器数据端口发送第一个8位数据。此时只有一位低电平而其他口都为高电平，因此只有LED数码管显示该数码，让其显示1ms。然后可以发送第二个数据，同时应使其对应的位码为低电平且保证其他位为高电平。依次类推，对各显示器进行扫描，显示器分时轮流工作。虽然只有一个显示器显示，但由于人的视觉暂留现象我们仍会感觉所有的显示器都在同时显示。它的优点是硬件电路简单，占用较少的I/O口，但其传送速度相对较慢。采用此方法，除了单片机以外，没用到其他芯片。

由数码管的显示原理，再考虑到数码管上显示的数字对应与一个八位的二进制数，0~9一共十个，把显示这些数对应的数码管段信息存到程序存储器的TABLE表中，将DPTR作为指针，用程序分配的地址单元分别存储实际的时分秒、年月日的数字，把存储

的数字用DIV指令分出高低位，作为偏移量，这样，程序中通过查表，就把实际的数字和数码管中显示的数字对应起来了。

1.3 本设计任务

(1) 利用单片机AT89C51和7段LED数码管设计一个数字时钟；

(2) 在6位数码管上显示当前时间。显示格式“时时分分秒秒”；

(3)实现时分秒的调整。

第2章总体方案论证与设计

本系统采用单片机AT89C51为LED显示屏的控制核心，系统主要包括LED驱动模块、按键输入模块等。下面对各模块的设计逐一进行论证比较。

2.1 LED显示电子时钟设计思路

按照系统的设计功能要求，本时钟系统的设计必须采用单片机软件系统实现，用单片机的自动控制能力配合按键控制，来控制时钟的调整及显示。

2.2 时钟系统方案论证

2.2.1 单片机的选择

对于单片机的选择，如果用8031系列，由于它没有内部RAM，系统又需要大量内存存储数据，因而不可用；51系列单片机的ROM为4K，对于我们设计的系统可能有点小；52系列单片机与51系列的结构一样，而ROM扩大为8K，对我们设计系统提供充足的空间进行功能的扩展。再有51系列单片机与52系列的单片机价格差不多。但此次51的内存足够我们使用了，因此，我们选择51系列的单片机。

2.2.2 显示系统方案比较

方案1：用液晶1602显示。

方案2：用LED数码管显示。

时钟和温度的显示可以用LED，价格便宜。而且LED数码管能显示简单的设计的系统，与我们设计要求相符，因此我们选择方案2。

2.2.3 键盘控制方案的选择

方案1：购买集成键盘，采用矩阵形式连接。

方案2：购买单个复位开关做成键盘。

I/O口对于我们的设计绰绰有余。通常我们选用价格便宜单个复位开关做成键盘。

在本系统的电路设计由三部分组成:

（1）控制部分主芯片采用单片机AT89C51。

（2）显示部分采用LED数码管实现时钟显示。

（3）时钟调节部分使用按键来控制。

第3章系统硬件设计

3.1 单片机控制系统

本次智能仪器设计时钟电路，使用了ATC89C51单片机芯片控制电路和单片机DS1302时钟芯片，单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路，使得电路简明易懂，使用键盘键上的按键来调整时钟的时、分、秒，年、月、日同时使用汇编语言程序来控制整个时钟显示，使得编程变得更容易，这样通过三个模块：键盘、芯片、显示屏即可满足设计要求。

3.2 各部分功能的实现

3.2.1 控制部分（AT89C51）

单片机采用51系列单片机。由ATMEL公司生产的AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K 在系统可编程Flash 存储器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业MCS-51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89C51具有以下标准功能：4k字节Flash，128字节RAM，8 位双向I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.2.2 DS1302时钟芯片

DS1302为达拉斯公司的一种实时时钟芯片，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

3.2.3 单片机最小系统

单片机最小系统主要由复位电路，晶振电路，电源等几部分组成。

（1）复位电路

复位电路有两种方式：上电复位和按钮复位，我们主要用按钮复位方式。如图3 -1所示。

图3-1 复位电路图

（2）晶振电路

单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

选取原则：电容取30PF，晶振为12MHz。晶振模块如图3-2所示。

图3-2 晶振模块原理图

（3）电源

AT89C51单片机的供电电源是+5V的直流电。

（4）EA非/Vpp 脚

我们没有用外部扩展ROM,因此EA非/Vpp为高电平，即接+5V电源。如图3-3所示。

图3-3 EA脚电路图

3.2.4 键盘控制系统的设计

按键需要5个，分别实现为时间、日期调整，时间、日期的加和时间、日期的更换等功能。用单片机的5个I/O口接收控制信号，其电路如图3-4所示。

图3-4 按键调时电路

通过控制键来控制所要调节的是时、分、还是秒。在控制键按下后LED中会在相应的位置出现光标，这时在通过加数键或减数键来控制时分秒的加或减。

3.2.5 LED显示电路

如图3-5所示。

图3-5 显示电路

第4章 系统的软件设计

4.1 程序设计

首先分配地址空间，并对程序进行初始化。

然后对按键动作进行判断，如果P2.3按下，显示日期，此时若有调整键按下，则对日期进行调整，此时定时器仍在工作，只是不显示当前时间。

循环定时，秒加1，并判断秒是否到了60，若到了秒清零，分加1，若不到，返回继续循环。同理，处理分钟和小时，处理小时时，把60换成24。24小时到了之后，DATE （日）加1，此时，需要对MONTH （月份）判断，小月时，DATE 到31就进位（即记到30），大月时，DATE 到32再进位（显示到31），对于2月，还要判断年份，平年到29（28天），瑞年到30（29天）。然后是月进位，年加1。

4.2 软件设计的主要流程

4.2.1 系统总的流程图

图4-1 程序设计流程图

上图所示，为流程图。然后根据流程图进行程序设计，这样的程序比较有条理，各部的程序可以分别进行调试和检查。有利于后面对程序进行修改和调试，特别值得注意的是，程序在编写的过程中，要有鲜明的思想，不能主次不分，主程序与子程序混在一起，要编定出主程序，再根据设计的要求编写子程序，有利于后面的调试修改。4.2.2地址分配如下

SEC EQU 30H ；当前秒

MIN EQU 31H

HOUR EQU 32H

DAY EQU 33H

MONTH EQU 34H

WEEK2 EQU 35H

YEAR EQU 36H

A_BIT EQU 20H

B_BIT EQU 21H

C_BIT EQU 22H

D_BIT EQU 23H

E_BIT EQU 24H

F_BIT EQU 25H

AB_BIT EQU 26H ；秒/日

CD_BIT EQU 27H ；分/月

EF_BIT EQU 28H ；时/年

DS1302_ADDR EQU 5EH

DS1302_DATA EQU 5FH

4.2.3 I/O口

T_RST BIT P3.2 ；实时时钟复位线引脚

T_CLK BIT P3.3 ；实时时钟时钟线引脚

T_IO BIT P3.4 ；实时时钟数据线引脚

H_ADJ BIT P2.0 ；时/年调整

M_ADJ BIT P2.1 ；分/月调整

S_ADJ BIT P2.2；秒/日调整

DT_SET BIT P2.3 ；时间/日期选择

STR BIT P2.4；启动走时

第5章系统调试与测试结果分析

5.1 系统调试

根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试。

5.1.1 硬件调试

对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。

5.1.2 软件调试

软件调试采用单片机仿真器及微机，将编好的程序进行调试，主要是检查语法错误。把编写完的源程序放在KEIL软件中，先自行检查下程序是否有误，更改有误的部分，再创建工程进行程序一个一个地调试，把调试结果显示有误的部分找出，检查错误的原因然后再进行更改，更改后再进行调试，再找出错误进行更改，依次循环进行，至到程序调试成功为止。

5.1.3 硬件软件联调

将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能。

5.1.4 仿真

仿真是把KEIL中生成的源程序找出，并加载到单片机内，检查原理图的设计是否有误，更改有误的部分，然后进行仿真，看仿真结果是否正确，如果不正确或者不显示结果，就再此检查原理图进行更改直到能顺利地仿真出结果。

通过KEIL和硬件仿真平台Proteus的联合，可以将设计效果仿真出来，根据效果，有目的的改变设计，优化程序。

5.2 测试结果

调试结果如图5-1。

图5-1 程序测试结果

最终生成HEX文件，加载到单片机中。如图5-2。

图5-2 生成HEX文件

第6章总结

经过几天的努力，本次课程设计的任务——基于单片机控制LED数码管显示的电子时钟的设计已经完成。本系统以AT89C51为核心部件，利用软件编程，通过键盘控制和液晶显示实现了时钟功能，能实现题目的基本要求。尽量做到硬件电路简单稳定，充分发挥软件编程的优点，减小因元器件精度不够和环境因素引起的误差。由于时间有限和本身知识水平的发挥，我们认为本系统还有需要改进和提高的地方，例如选用更高精度的元器件，硬件电路更加精确稳定，软件测量算法进一步的改进与完善等。

由于我们设计的LED电子钟的重点在于软件程序的设计，利用proteus设计电路原理图，利用KEIL软件进行程序编写与调试。在软件设计时，由于对单片机的中断系统不是很了解，所以出现了许多不必要的麻烦。就拿编程来说，由于没有处理好子程序的返回和时钟中断程序时间就导致时钟运行到指定的时间后不打转而是继续走，由于没有把握好计数、显示等一些细节地方，而导致时钟计数不准确、不能正常显示时间等一系列相当严重的问题。在经过反复检查、分析、调试之后，从中发现了中断时的数值设置不太适合等一系列问题，经过自己的反复修改、调试和验证，最终才得以解决达到设计的要求。在整个设计过程中，程序的调试是其中一个非常重要的环节。其中有一点是值得我们注意的：在程序设计之前一定要知道设计要求，要清楚地知道本程序所有内容以

及程序的执行过程，据此画出本程序的流程图，然后根据流程图进行程序设计，这样的程序比较有条理，各部的程序可以分别进行调试和检查。有利于后面对程序进行修改和调试，特别值得注意的是，程序在编写的过程中，要有鲜明的思想，不能主次不分，主程序与子程序混在一起，不知道哪个是主，哪个是次，要编定出主程序，再根据设计的要求编写子程序，使整个程序严密，有条理。有利于后面的调试修改。参考文献

[1] 万光毅.单片机实验与实践教程[M].北京航空航天大学出版社,2005.1.

[2] 张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社,2003:160-190.

[3] Philips .74HC595 .datasheet.Philips Semiconductors .2003 Jun 25.

[4] 周润景.基于Proteus的电路与单片机仿真系统设计与仿真[M].北京航空航天大学出

版社, 2005.

[5] 金炯泰,金奎焕.如何使用KEIL编译器[M].北京航空航天大学出版社,2002.

[6] 李光飞.单片机课程设计指导[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[7] 朱定华.单片机原理及接口技术实验[M].北京:北方交通大学出版社,2002.11.

[8] 张迎新.单片微型计算机原理、应用接口技术[M].北京:国防工业出版社,2004.1.

[9] 何利民.单片机高级教程[M].北京:航空航天大学出版社,2000.8.

[10] 谢维成.单片机原理及应用与51程序设计[M].北京:清华大学出版社,2006.8.

[11] 余永权.单片机在控制系统中的应用[M].北京:电子工业出版社,2003.10.

[12] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:航空航天大学出版社,2000.3.

[13] 夏继强.单片机实验与实践教程[M].北京:航空航天大学出版社,2001.11.

[14] 侯玉宝.基于Proteus的51系列单片机的设计、调试与仿真[M].电子工业出版社,2008.270～288.

[15] 张友德.单片微型机原理应用与实验[M].上海:复旦大学出版社,2003.225～256.

附录1 程序

SEC EQU 30H ;当前秒

MIN EQU 31H

HOUR EQU 32H

DAY EQU 33H

MONTH EQU 34H

WEEK2 EQU 35H

YEAR EQU 36H

A_BIT EQU 20H

B_BIT EQU 21H

C_BIT EQU 22H

D_BIT EQU 23H

E_BIT EQU 24H

F_BIT EQU 25H

AB_BIT EQU 26H ;秒/日

CD_BIT EQU 27H ;分/月

EF_BIT EQU 28H ;时/年

DS1302_ADDR EQU 5EH

DS1302_DATA EQU 5FH

T_RST BIT P3.2 ;实时时钟复位线引脚

T_CLK BIT P3.3 ;实时时钟时钟线引脚

T_IO BIT P3.4 ;实时时钟数据线引脚

H_ADJ BIT P2.0 ;时/年调整

M_ADJ BIT P2.1 ;分/月调整

S_ADJ BIT P2.2 ;秒/日调整

DT_SET BIT P2.3 ;时间/日期选择

STR BIT P2.4 ;启动走时

ORG 00H

AJMP MAIN

ORG 30H

MAIN: MOV SP,#64H

MOV YEAR,#11H ;上电预置日期、时间

MOV MONTH,#12H ;2011 12 12 09:30:00

MOV DAY,#12H

MOV HOUR,#09H

MOV MIN,#30H

MOV SEC,#00H

MAIN1: LCALL KEY

JB F0,MAIN10 ;F0=1,开始走时。走时前写，不读。走时后读，不写。LCALL WR1302

AJMP MAIN2

MAIN10: LCALL RD1302

MAIN2: JB 7FH,YMD

MOV EF_BIT,HOUR

MOV CD_BIT,MIN

MOV AB_BIT,SEC

AJMP MAIN20

YMD: MOV EF_BIT,YEAR

MOV CD_BIT,MONTH

MOV AB_BIT,DAY

MAIN20: MOV A,EF_BIT

MOV B,#10H

DIV AB

MOV E_BIT,B

MOV F_BIT,A

MOV A,CD_BIT

MOV B,#10H

DIV AB

MOV C_BIT,B

MOV D_BIT,A

MOV A,AB_BIT

MOV B,#10H

DIV AB

MOV A_BIT,B

MOV B_BIT,A

LCALL DISP

AJMP MAIN1

KEY: ACALL DISP ;按键子程序

KEY_SET: JB DT_SET,KEY_H

ACALL DISP

JNB DT_SET,$-2

CPL 7FH

CPL P2.5 ;点亮日期设定/显示LED AJMP RT

KEY_H: JB H_ADJ,KEY_M

ACALL DISP

JNB H_ADJ,$-2

AJMP H_ADD

KEY_M: JB M_ADJ,KEY_S

ACALL DISP

JNB M_ADJ,$-2

AJMP M_ADD

KEY_S: JB S_ADJ,KEY_ST

ACALL DISP

JNB S_ADJ,$-2

AJMP S_ADD

KEY_ST: JB STR,RT

ACALL DISP

JNB STR,$-2

AJMP K_STR

RT: RET

H_ADD: JB 7FH,Y_ADD ;7FH为日期/时间切换键标志。1为年月日。MOV A,HOUR

ADD A,#01H

DA A

CJNE A,#24H,H_ADD1

MOV A,#0

H_ADD1: MOV HOUR,A

AJMP RT

Y_ADD: MOV A,YEAR

ADD A,#01H

DA A

CJNE A,#20H,Y_ADD1

MOV A,#0

Y_ADD1: MOV YEAR,A

AJMP RT

M_ADD: JB 7FH,MO_ADD

MOV A,MIN

ADD A,#01H

DA A

CJNE A,#60H,M_ADD1

MOV A,#0

M_ADD1: MOV MIN,A

AJMP RT

MO_ADD: MOV A,MONTH

ADD A,#01H

DA A

CJNE A,#13H,MO_ADD1

MOV A,#1

MO_ADD1: MOV MONTH,A

AJMP RT

S_ADD: JB 7FH,D_ADD

MOV A,SEC

ADD A,#01H

DA A

CJNE A,#60H,S_ADD1

S_ADD1: MOV SEC,A

AJMP RT

D_ADD: MOV A,DAY

ADD A,#01H

DA A

CJNE A,#32H,D_ADD1

MOV A,#01H

D_ADD1: MOV DAY,A

AJMP RT

K_STR:

MOV DS1302_ADDR,#80H ;开始振荡MOV DS1302_DATA,#00H

LCALL WRITE

MOV DS1302_ADDR,#8EH ;禁止写入1302 MOV DS1302_DATA,#80H

LCALL WRITE

SETB F0

AJMP RT

WR1302:

MOV DS1302_ADDR,#8EH

MOV DS1302_DATA,#00H ;允许写1302