基于多位LED数码管的数字钟设计 【中文摘要】设计的主要内容就是结合软件Keil和Proteus来仿真一个由单片机AT89C51芯片和多位LED数码管为核心的单片机数字时钟,从而锻炼出学习、设计、开发软、硬件的能力。设计已完成的数宇钟的基本功能:正常走时(年、月、日、时、分、秒)、校正时间和秒表功能。且操作简单、运行稳定。
1前言 数字钟具有走时准确,一钟多用等特点,在生活中已经得到广泛的应用。虽然现在市场上已有现成的电子钟集成电路芯片,价格便宜、使用也方便。但是,人们对电子产品的应用要求越来越高,数字钟不但可以显示当前的时问,而且可以显示期、农历、以及星期等,给人们的生活带来了方便。 时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用,是保证系统正常工作的基础。在一个单片机应用系统中,时钟有两方面的含义:一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号,主要由晶振和外围电路组成,晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢。二是指系统的标准定时时钟,即定时时间,它通常有两种实现方法:一是用软件实现,即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现,但误差很大;二是用专门的时钟芯片实现,在对时间精度要求很高的情况下,通常采用这种方法。 本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现多功能时钟的方法,设计由单片机AT89C51芯片和和多位LED数码管为核心,辅以必要的电路等,构成的一个单片机数字时钟。 2设计方案 2.1设计思路 数字钟的功能就是显示秒、分和小时,其算法是60秒为1分钟,60分钟为1小时,一天为24小时。因此需要秒计数器到59秒的时候,再加1秒时,秒计数器清0,分钟计数器加1;秒计数器加到59秒,分钟计数器到59分时,再加1秒时,秒计数器和分计数器同时清0,小时计数器加1;当小时计数器为23小时,分计数器为59分,秒为59秒的时候,再加1秒时,秒计数器、分计数器和小时计数器同时清零。数字钟的核心就是要产生秒信号,这里利用单片机的定时器TO产生。定时器TO有4种工作方式,可以采用中断方式和查询方式编程。 此数字时钟由主模块(AT89C51)、显示模块(多位LED数码管)、控制模块和计时运算模块四大部分组成。其中控制模块和计时运算模块主要对年月日、时分秒的数值显示和调整进行操作,并且秒计算到60时,自动清零并向分进1;分计算到60时,自动清零并向时进1;时计算到24时,自动清零。这样,就形成了循环计时,显示模块主要用来显示当前计数值。AT89C51是整个设计的核心,主要用来产生定时中断,传输数据和控制各个部件工作。 数字钟格式:XX.XX.XX ,从左向右分别为时/年、分/月、秒/日。时分秒完成由秒01一直加1至59,再恢复00;分加1,由00至01,一直加1至59,再恢复00;时加1,时由00加至23后秒分时全部清零;该钟使用TO做定时中断。 时钟校正:走时过程中直接调整且不影响走时准确性。按下相应次数功能键S1进入相应数位的调整;按下S2按键加,相应数位加1;按下S3按键减,相应数位减1。 秒表功能:按下功能键S1对应次数,进入秒表计时功能;按下S2按键加,开始计时;按下S3按键减,暂停计时;暂停计时时,按下S2按键加,继续计时;按下S4按键,退出。 年月显示:按住S4按键不放,显示年月日。 2.2模块功能说明 (1)单片机AT89C51简介,如下图1 图1 AT89C51引脚图 VCC:供电电压。
GND:接地。
P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接口。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 ①TMOD定时器/计数器方式寄存器
定时器方式控制寄存器TMOD在特殊功能寄存器中,字节地址为89H,无位地址。 ②TCON定时器/计数器控制寄存器
TCON在特殊功能寄存器中,字节地址为88H,位地址(由低位到高位)为88H--8FH,由于有位地址,十分便于进行位操作。 ③定时器/计数器的初始化 由于定时器/计数器的功能是由软件编程确定的,所以一般在使用定时/计数器前都要对其进行初始化,使其按设定的功能工作.初始货的步骤一般如下: - 确定工作方式(即对TMOD赋值),预置定时或计数的初值。
2、根据需要开放定时器/计数器的中断(直接对IE位赋值)。 3、启动定时器/计数器。 (2)多位LED数码管7SEG-MPX6-CA简介如下图2 图2 7SEG-MPX6-CA数码管模型图 7SEG-MPX6-CA是7段6位共阳级数码管,DP为小数点,位码(1-6)应轮流通高电位,段码控制数码管的显示:0-e,1-d,2-p,3-c,4-g,5-b,6-f,7-a.共阳极LED数码管,它是将发光二极管的阳极(正极)短接后作为公共阳极.当驱动信号为低电平才能发光。 本实验采用动态显示,即节省了I/O口,又能降低能耗。 显示过程注意消影。 (3)其余元件如下图3 BUTTON PNP 图3 所需用到的其余元件 2.3系统总体原理图如下图4 图4 基于多位LED数码管的数字钟总图 2.4电路图的接法设计 鉴于仿真的单片机数字时钟的美观性,取消各模块间的可见连线,利用Proteus中的Edit Wire Style 按钮来连接各个端口。 单片机P1端口接按键S输入;单片机P0端口接段码驱动到数码管;单片机P2端口接位码驱动到数码管。 2.5按键功能说明 1、功能键--根据按下的次数,分别调节时间和年月,按位调节,同时调整位闪烁,按下11次后进入秒表,期间可以按退出键退出功能调节或秒表。 2、数字加---进入时间或年月调节时,按此键闪烁位数字加一,秒表模式下为秒表开始键。 3、数字减---进入时间或年月调节时,按此键闪烁位数字减一,秒表模式下为秒表暂停键。 4、退出键---进入时间或年月调节时,按此键保存调节并退出,没进入时间或年月调节时按此键显示年月。 3 程序流程图 3.1时钟显示程序流程图如下图5 图5 时钟显示程序流程图 3.2外部中断处理流程图如下图6 图6 外部中断处理流程图
3.3函数模块及功能 (1)Void Time0() interrupt 1 定时器0中断服务程序,供时钟主程序使用 (2)Void Time1() interrupt 3 定时器1中断服务程序,供秒表使用 (3)Void yanshi(uint z) 延时程序,供动态扫描与按键去抖 (4)Void xianshi() 动态扫描程序 (5)Void shizhong() 时钟主程序 (6)Void key1() 按键1检测,按的次数不同进入不同调节功能 (7)Void key2() 按键2检测,数字加或秒表计时 (8)Void key3() 按键3检测,数字减或秒表暂停 (9)Void key4() 按键4检测,按住不放显示年月,退出功能 (10)Void nyr() 年月日调节 (11)Void miaobiao() 秒表,精确到1%秒 (12)Void init() 初始化设置中断 4 设计总结 这次对数字钟的设计,经过认真地查找资料、编写程序以及调试程序,结果达到验证无误。从开始设计到仿真实现,再到论文文章的完成,每走一步对我来说都是新的尝试与挑战。从单片机模块数字钟的设计过程中我找到了一些单片机开发的规律:先了解所有元件的具体内容,从而画出其电路图,使数字钟从简易变成多功能的方式,虽没有做闹铃功能的多功能数字钟,却知晓了其方法。从而更好地让自己踏入单片机应用领域的第一步。 【参考文献】 [1]赵文博,刘文涛.单片机语言C51程序设计[M].人民邮电出版社,2006 [2]石从刚.MCS-51单片机原理与应用实验实训教程[M].北京航空航天大学出版社,2007 [3]张靖武.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M].电子工业出版社,2009 [4]李精华.基于数字钟设计的单片机课程项目开发[J].桂林航天工业高等专科学校学报,2010 附录: 程序代码及说明
- #include <AT89X51.H>
- #define uint unsigned int
- #define uchar unsigned char
- /*********************************
- 定义变量和数码表
- *********************************/
- uchar code shuma[]={
- 0x14,0xd7,0x4c,0x45,0x87,
- 0x25,0x24,0x57,0x04,0x05};//数码表
- uchar code fenge[]={
- 0x10,0xD3,0x48,0x41,0x83,
- 0x21,0x20,0x53,0x00,0x01};
- //带点的数码表
- uchar code weixuan []={
- 0x7f,0xBf,0xDf,0xEf,0xf7,0xfb,0xff};
- //位选控制表
- uchar t,tt,a,b,c,d,e,f,x,y,id,fen
- ,miao,hm,mm,ff,shi,ri,yue,nian;
- sbit s1=P1^0;//
- 菜单键,按下的次数进入不同的调节功能
- sbit s2=P1^1;//数字加键、秒表开始键
- sbit s3=P1^2;//数字减键、秒表暂停键
- sbit s4=P1^3;
- //显示年月日,菜单退出键
- /**********************************
- 定时器0中断服务程序
- 供时钟主程序使用
- **********************************/
- void Time0()interrupt 1
- { TH0=(65536-49990)/256;
- //装初值,使定时器0每50毫秒产生一次中断
- TL0=(65536-49990)%256;
- //装初值,使定时器0每50毫秒产生一次中断
- t++;//中断次数
- if(t==21)
- //在调节时间或年月时把t控制在20以内
- //避免中断次数不受控
- { t=0; }
- }
- /************************************
- 定时器1中断服务程序
- 供秒表使用
- ************************************/
- void Time1() interrupt 3
- { TH1=(65536-1001)/256;
- //装初值,使定时器1每1毫秒产生一次中断
- TL1=(65536-1001)%256;
- //装初值,使定时器1每1毫秒产生一次中断
- tt++;
- if(tt==11)
- tt=0; }
- /************************************
- 延时程序
- 供动态扫描和按键去抖用
- 如果是实物的话,x的值设为3就可以了
- ************************************/
- void yanshi(uint z)
- { for (x=25;x>0;x--)
- for (y=z;y>0;y--); }
- /************************************
- 动态扫描程序
- ************************************/
- void xianshi ()
- { P0=0xff;//消影
- P2=weixuan[0];//第一位数码管
- if(t<=10)//数码管闪烁
- { if(id==1)//调节小时十位时闪烁
- { P2=weixuan[6]; }
- if(id==5)//调节年十位时闪烁
- { P2=weixuan[6]; }
- }
- P0=shuma[a];//显示数码
- yanshi(5);
- //提高亮度,使每一位数码管一样亮
- P0=0xff;//消影
- P2=weixuan[1];//第二位数码管
- if(t<=10)//数码管闪烁
- { if(id==2)//调节小时个位时闪烁
- { P2=weixuan[6]; }
- if(id==6)//调节年十位时闪烁
- { P2=weixuan[6]; }
- }
- P0=fenge[b];//显示数码
- yanshi(5);
- //提高亮度,使每一位数码管一样亮
- P0=0xff;//消影
- P2=weixuan[2];//第三位数码管
- if(t<=10)//数码管闪烁
- {if(id==3)
- //调节分十位时闪烁
- { P2=weixuan[6]; }
- if(id==7)//调节月十位时闪烁
- { P2=weixuan[6]; }
- }
- P0=shuma[c];//显示数码
- yanshi(5);
- //提高亮度,使每一位数码管一样亮
- P0=0xff;//消影
- P2=weixuan[3];//第四位数码管
- if(t<=10)//数码管闪烁
- { if(id==4)//调节分个位时闪烁
- { P2=weixuan[6]; }
- if(id==8)//调节月个位时闪烁
- { P2=weixuan[6]; }
- }
- P0=fenge[d];//显示数码
- yanshi(5);
- //提高亮度,使每一位数码管一样亮
- P0=0xff;//消影
- P2=weixuan[4];//第五位数码管
- if(t<=10)
- {if(id==9)//调节日十位时闪烁
- { P2=weixuan[6]; }
- }
- P0=shuma[e];//显示数码
- yanshi(5);
- //提高亮度,使每一位数码管一样亮
- P0=0xff;//消影
- P2=weixuan[5];//第六位数码管
- if(t<=10)
- { if(id==10)//调节日的个位时闪烁
- { P2=weixuan[6]; }
- }
- P0=shuma[f];//显示数码
- yanshi(5);
- //提高亮度,使每一位数码管一样亮
- }
- /************************************
- 时钟主程序
- ************************************/
- void shizhong()
- { if(t==20)
- //进入20次中断后秒加1,50ms*20=1s
- { t=0;
- miao++; }
- if(miao==60)//秒够60清零,分加1
- { miao=0;
- fen++; }
- if(fen==60)//分够60清零,时加1
- { fen=0;
- shi++; }
- if(shi==24)//时够24清零,日加1
- { ri++;
- shi=0; }
- }
- /************************************
- 按键1检测
- 按键检测,按的次数不同进入不同调节功能
- ************************************/
- void key1()
- { while(s1==0)
- { yanshi(300);//延时去抖
- while(s1==0)
- { id++;//根据ID值的不同进入各种功能
- while(s1==0);//等待松开菜单键
- yanshi(350);
- while(s1==0); }
- }
- }
- /************************************
- 按键2检测
- 按键检测,数字加或秒表开始
- ************************************/
- void key2()
- { while(s2==0)
- { yanshi(300);//延时去抖
- while(s2==0)
- { if(id==11)
- //只允许在秒表模式下开始
- { TR1=1;//秒表开始 }
- switch(id)//根据ID值调整不同的位
- { case 1:a++;break;
- case 2:b++;break;
- case 3:c++;break;
- case 4:d++;break;
- case 5:a++;break;
- case 6:b++;break;
- case 7:c++;break;
- case 8:d++;break;
- case 9:e++;break;
- case 10:f++;break;
- }
- if(id<=4)
- //使时分调节时数值限制在合理范围
- { if(a==3)
- a=0;
- if(a==2)
- { if(b>4)
- b=0; }
- if(b==10)
- b=0;
- if(c==6)
- c=0;
- if(d==10)
- d=0;
- shi=a*10+b;
- fen=c*10+d; }
- if(id>=5,id<11)
- //使年月日调节时数值限制在合理范围
- { if(a==10)
- a=0;
- if(b==10)
- b=0;
- if(c==2)
- c=0;
- if(c*10+d>12)
- d=0;
- if(e==4)
- e=0;
- if(e*10+f>31)
- f=0;
- nian=a*10+b;
- yue=c*10+d;
- ri=e*10+f; }
- miao=0;
- while(s2==0);
- //等待放开数字加键
- yanshi(350);
- while(s2==0); }
- }
- }
- /************************************
- 按键3检测
- 按键检测,数字减键、秒表暂停键
- ************************************/
- void key3()
- { while(s3==0)
- { yanshi(300);//延时去抖
- while(s3==0)
- { if(id==11)
- //只允许在秒表模式下暂停
- { TR1=0;//秒表暂停 }
- switch(id)
- { case 1:a--;break;
- case 2:b--;break;
- case 3:c--;break;
- case 4:d--;break;
- case 5:a--;break;
- case 6:b--;break;
- case 7:c--;break;
- case 8:d--;break;
- case 9:e--;break;
- case 10:f--;break; }
- if(id<=4)
- //使时分调节时数值限制在合理范围
- { if(a==-1)
- a=2;
- if(a==2)
- { if(b>=5)
- b=0; }
- if(b==-1)
- b=9;
- if(c==-1)
- c=5;
- if(d==-1)
- d=9;
- shi=a*10+b;
- fen=c*10+d; }
- if(id>4,id<11)
- //使年月日调节时数值限制在合理范围
- { if(a==-1)
- a=9;
- if(b==-1)
- b=9;
- if(c==-1)
- c=1;
- if(d==-1)
- d=9;
- if(c*10+d>12)
- d=0;
- if(e==-1)
- e=3;
- if(f==-1)
- f=9;
- if(e*10+f>31)
- f=0;
- nian=a*10+b;
- yue=c*10+d;
- ri=e*10+f; }
- miao=0;
- while(s3==0);
- //等待放开数字减键
- yanshi(350);
- while(s3==0); }
- }
- }
- /************************************
- 按键4检测--退出菜单
- 按键检测,按住S4不放时显示年月日
- 退出功能键
- ************************************/
- void key4()
- { while(s4==0)
- { yanshi(300);//延时去抖
- while(s4==0)
- { id=12;//退出菜单
- TR1=0;//关闭定时器1
- hm=0;//退出秒表时初始化秒表
- mm=0;//退出秒表时初始化秒表
- ff=0;//退出秒表时初始化秒表
- shizhong();
- //显示年月时让时钟继续走
- a=nian/10;
- b=nian%10;
- c=yue/10;
- d=yue%10;
- e=ri/10;
- f=ri%10;
- xianshi(); }
- }
- }
- /************************************
- 年月日调节
- ************************************/
- void nyr()
- { while(id==5)
- //按下菜单键5次时进入年月日调节
- { while(id<11)
- { key1();//调节位检测
- key2();//数值加检测
- key3();//数值减检测
- a=nian/10;
- b=nian%10;
- c=yue/10;
- d=yue%10;
- e=ri/10;
- f=ri%10;
- xianshi();
- miao=0;
- key4();//退出检测 }
- }
- }
- /************************************
- 秒表
- 精确到1%秒
- ************************************/
- void miaobiao()
- { while(id==11)
- //按下菜单键11次时进入秒表
- { shizhong();
- //进入秒表功能时让时钟继续走
- key2();//秒表开始检测
- if(tt==10)
- { tt=0;
- hm++; }
- if(hm==100)
- { mm++;
- hm=0; }
- if(mm==60)
- { mm=0;
- ff++; }
- key3();//秒表暂停检测
- a=ff/10;
- b=ff%10;
- c=mm/10;
- d=mm%10;
- e=hm/10;
- f=hm%10;
- xianshi();
- key4();//退出秒表检测 }
-
- /***********************************
- 初始化程序
- ************************************/
- void init()
- { t=0;//定时器0中断次数初始化
- tt=0;//定时器1中断次数初始化
- id=0;//调整位初始化
- hm=0;//秒表初始化
- mm=0;//秒表初始化
- miao=0;//秒初始化
- fen=53;//分初始化
- shi=12;//时初始化
- ri=5;//日初始化
- yue=5;//月初始化
- nian=9;//年初始化
- EA=1;//开总中断
- ET0=1;//开定时器0中断
- ET1=1;//开定时器1中断
- TMOD=0x11;//设置定时器为工作方式1
- TH0=(65536-49380)/256;
- //装初值,使定时器0每50毫秒产生一次中断
- TL0=(65536-49380)%256;
- //装初值,使定时器0每50毫秒产生一次中断
- TH1=(65536-1001)/256;
- //装初值,使定时器1每1毫秒产生一次中断
- TL1=(65536-1001)%256;
- //装初值,使定时器1每1毫秒产生一次中断
- TR0=1;//开启定时器0
- TR1=1;//开启定时器1 }
- /************************************
- 主程序
- ************************************/
- void main()
- { init();//初始化
- while(1)
- { shizhong();//时钟主程序
- key1();//按键1检测
- if(id!=0)
- //没有按下功能键时按键1按键2无效
- { key2();//按键2检测
- key3();//按键3检测 }
- key4();//按键4检测
- nyr();//年月日调节
- miaobiao();//秒表
- if(id==12)//S1按键功能初始化
- id=0;//S1按键功能初始化
- a=shi/10;
- //当没有按键按下时,显示时分秒
- b=shi%10;//当无按键按下时,显示时分秒
- c=fen/10;//当无按键按下时,显示时分秒
- d=fen%10;//当无按键按下时,显示时分秒
- e=miao/10;//当无按键按下时,显示时分秒
- f=miao%10;//当无按键按下时,显示时分秒
- xianshi();//动态扫描程序 }
- }
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