课程论文——基于多位LED数码管的数字钟设计
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院、系（部）电信系专业电信班级092 学号910706201 姓名董文杰课程教师林志雄课程名称科研专题与论文写作
论文题目基于多位LED数码管的数字钟设计成绩
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基于多位LED数码管的数字钟设计
董文杰
【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。
【关键词】AT89C51单片机LED数码管Proteus C语言
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:
1、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
POWER GROUND RES
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
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
#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 } }