智能定时器毕业设计论文

毕业设计（论⽂）

课题名称：基于51单⽚机的智能定时控制器系统设计

毕业设计（论⽂）原创性声明和使⽤授权说明

原创性声明

本⼈郑重承诺：所呈交的毕业设计（论⽂），是我个⼈在指导教师的指导下进⾏的研究⼯作及取得的成果。尽我所知，除⽂中特别加以标注和致谢的地⽅外，不包含其他⼈或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历⽽使⽤过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个⼈或集体，均已在⽂中作了明确的说明并表⽰了谢意。

作者签名：⽇期：

指导教师签名：⽇期：

使⽤授权说明

本⼈完全了解⼤学关于收集、保存、使⽤毕业设计（论⽂）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论⽂）的印刷本和电⼦版本；学校有权保存毕业设计（论⽂）的印刷本和电⼦版，并提供⽬录检索与阅览服务；学校可以采⽤影印、缩印、数字化或其它复制⼿段保存论⽂；在不以赢利为⽬的前提下，学校可以公布论⽂的部分或全部内容。

作者签名：⽇期：

学位论⽂原创性声明

本⼈郑重声明：所呈交的论⽂是本⼈在导师的指导下独⽴进⾏研究所取得的研究成果。除了⽂中特别加以标注引⽤的内容外，本论⽂不包含任何其他个⼈或集体已经发表或撰写的成果作品。对本⽂的研究做出重要贡献的个⼈和集体，均已在⽂中以明确⽅式标明。本⼈完全意识到本声明的法律后果由本⼈承担。

作者签名：⽇期：年⽉⽇

学位论⽂版权使⽤授权书

本学位论⽂作者完全了解学校有关保留、使⽤学位论⽂的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论⽂的复印件和电⼦版，允许论⽂被查阅和借阅。本⼈授权⼤学可以将本学位论⽂的全部或部分内容编⼊有关数据库进⾏检索，可以采⽤影印、缩印或扫描等复制⼿段保存和汇编本学位论⽂。

涉密论⽂按学校规定处理。

作者签名：⽇期：年⽉⽇

导师签名：⽇期：年⽉⽇

注意事项

1.设计（论⽂）的内容包括：

1）封⾯（按教务处制定的标准封⾯格式制作）

2）原创性声明

3）中⽂摘要（300字左右）、关键词

4）外⽂摘要、关键词

5）⽬次页（附件不统⼀编⼊）

6）论⽂主体部分：引⾔（或绪论）、正⽂、结论

7）参考⽂献

8）致谢

9）附录（对论⽂⽀持必要时）

2.论⽂字数要求：理⼯类设计（论⽂）正⽂字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），⽂科类论⽂正⽂字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外⽂译⽂、译⽂原⽂（复印件）。

4.⽂字、图表要求：

1）⽂字通顺，语⾔流畅，书写字迹⼯整，打印字体及⼤⼩符合要求，⽆错别字，不准请他⼈代写

2）⼯程设计类题⽬的图纸，要求部分⽤尺规绘制，部分⽤计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，⽂字注释必须使⽤⼯程字书写，不准⽤徒⼿画3）毕业论⽂须⽤A4单⾯打印，论⽂50页以上的双⾯打印

4）图表应绘制于⽆格⼦的页⾯上

5）软件⼯程类课题应有程序清单，并提供电⼦⽂档

5.装订顺序

1）设计（论⽂）

2）附件：按照任务书、开题报告、外⽂译⽂、译⽂原⽂（复印件）次序装订

摘要

本⽂介绍了基于ATC51单⽚机的数字式时钟的设计，详细叙述了系统硬件、软件的具体实现过程。本⽂在硬件、软件设计上均采⽤模块化的⽅法，使得在设计和调试⽅⾯取得很⼤的⽅便。论⽂重点阐述了数字钟硬件中MCU模块、按键模块、显⽰模块等相关模块的模块化设计及制作；软件同样采⽤模块化的设计，包括中断模块、时间调整模块等设计，并采⽤简单流通性强的C语⾔编写实现。本设计实现了年、⽉、⽇及时、分、秒的显⽰和时间修改的功能。通过对⽐实际的时钟，查找出误差的来源，确定调整误差的⽅法，尽可能的减少误差，使得系统可以达到实际数字钟的允许误差范围内。

关键字：ATC51单⽚机；数字钟；模块化；

Abstract

This paper introduced the design of digital clock based on SCM of ATC51,The specific process of how the system hardware and software achieved were detailed description through the design of multifunction digital clock. The modular design and

production ,which consisted of MCU module ,key module, display module and the associated control module ,were mainly recounted; As well as hardware designing, software design use the same method ,consists suspension module, time adjust module, and that ues the C language to achieve because of its simple and strong negotiability. In this design the functions of time adjusting and displaying year, month, day and hour, minute, second have been achieved. And by comparing the actual clock ,find out the source of the error and determined the method of adjusting error, reduce errors as much as possibly, so this system can achieve a practical digital clock with error within the permissible range.

Key words : ATC51 microcontroller ; Digital clock; Module design;

⽬录第⼀章绪论

1.1 单⽚机的背景………………………………………………………………

1.2 单⽚机的概述………………………………………………………………

1.3 单⽚机的结构……………………………………………………………

第⼆章

2.1功能要求…………………………………………………………

2.2⽅案确定…………………………………………………………

第三章硬件设计⽅案

3.1 单⽚机的时钟电路………………………………………………

3.2单⽚机的复位电路………………………………………………

3.3单⽚机的P3端⼝特性……………………………………………

3.4单⽚机的定时/中断系统…………………………………………

3.5显⽰系统…………………………………………………………

3.6按键电路…………………………………………………………

3.7整体电路…………………………………………………………

第四章程序设计.

4.1主程序…………………………………………………

4.2中断程序………………………………………………

第五章软件系统调试

5.1整点报时调试…………………………………………

5.2秒钟上电调试…………………………………………

5.3定时功能调试…………………………………………

结束语…………………………………………………………………

参考⽂献………………………………………………………

附录………………………………………………………………

第⼀章绪论

1.1单⽚机的背景

20世纪末，电⼦技术获得了飞速的发展，在其推动下，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。时间对⼈们来说总是那么宝贵，⼯作的忙碌性和繁杂性容易使⼈忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘⽆伤⼤雅。但是，⼀旦重要事情，⼀时的耽误可能酿成⼤祸。

⽬前，单⽚机正朝着⾼性能和多品种⽅向发展趋势将是进⼀步向着CMOS化、低功耗、⼩体积、⼤容量、⾼性能、低价格和外围电路内装化等⼏个⽅⾯发展。下⾯是单⽚机的主要发展趋势。单⽚机应⽤的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计⽅法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的⼤部分功能，现在已能⽤单⽚机通过软件⽅法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的⼀次⾰命。

1.2单⽚机的概述

单⽚微型计算机简称单⽚机，是典型的嵌⼊式微控制器（Microcontroller Unit），

常⽤英⽂字母的缩写MCU表⽰单⽚机，单⽚机⼜称单⽚微控制器，它不是完成某⼀个逻辑功能的芯⽚，⽽是把⼀个计算机系统集成到⼀个芯⽚上。相当于⼀个微型的计算机，和计算机相⽐，单⽚机只缺少了I/O设备。概括的讲：⼀块芯⽚就成了⼀台计算机。它的体积⼩、质量轻、价格便宜、为学习、应⽤和开发提供了便利条件。同时，学习使⽤单⽚机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被⽤在⼯业控制领域。

由于单⽚机在⼯业控制领域的⼴泛应⽤，单⽚机由芯⽚内仅有CPU的专⽤处理器发展⽽来。最早的设计理念是通过将⼤量外围设备和CPU集成在⼀个芯⽚中，使计算机系统更⼩，更容易集成进复杂的⽽对体积要求严格的控制设备当中。

现代⼈类⽣活中所⽤的⼏乎每件电⼦和机械产品中都会集成有单⽚机。⼿机、电话、

车上⼀般配备40多部单⽚机，复杂的⼯业控制系统上甚⾄可能有数百台单⽚机在同时⼯作！单⽚机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚⾄⽐⼈类的数量还要多。

1.3 单⽚机的结结构

ATC51单⽚机简介

ATC51是⼀种带 4K字节 FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、⾼性能 CMOS 8位微处理器，俗称

单⽚机。ATC2051是⼀种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单⽚机。单⽚

机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采⽤ ATMEL⾼密度⾮易失

存储器制造技术制造，与⼯业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多

功能8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯⽚中，ATMEL的 ATC51是⼀种⾼效

微控制器，ATC2051是它的⼀种精简版本。

ATC51的引脚封装概述

图1-3-1的引脚封装

（1）主电源引脚:

VCC(40脚)：接+5 V电源正端。

VSS(20脚)：接+5 V电源地端。

（2）时钟电路引脚：

外接晶体振荡器，不能超过24M；需加微调电容，⼀般为 30pF；

信号直接接到内部振荡器的输⼊端。

XTAL2：接外部晶振和微调电容的另⼀端，在单⽚机内部，它是构成⽚内振荡器的反向放⼤器的输出端。当采⽤外部震荡器时此脚应悬空。

（3）复位电路引脚

RST/VPD:RST是复位信号输⼊端，⾼电平有效。当此输⼊端保持 2个机器周

期的⾼电平时，就可以完成复位操作。 RST引脚的第⼆功能是备⽤电源的输⼊端。

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

环状态等情况下都需要复位。复位作⽤是使CPU以及其他功能部件，如串⾏⼝，

中断都恢复到⼀个确定初始状态，并从这个状态开始⼯作。

复位电路有两种：上电、按钮复位，考虑到各部件影响，采⽤按钮复位，当电阻给电容充电，电容的电压为⾼电平，当按下按钮时芯⽚复位脚近似低电平，于是芯⽚复位。

（4）控制信号引脚：

ALE/PROG:(Address Latch Enable/ Programming)地址锁存允许信号端，当单⽚

机上电正常⼯作后，A LE引脚不断向外输出正弦脉冲信号，此频率为振荡器频率的

1/6。CPU访问外部存储器时，ALE作为锁存低 8位地址的控制信号。此引脚的第

⼆功能PROG作为 8751编程脉冲输⼊端使⽤。

PSEN：(Program Store Enable)在访问⽚外存储器时，此端定时输出负脉冲作为

⽚外存储器的选通信号。

EA/VPP：(Enable Address/Voltage Pulse Of Programming)当 EA接⾼电平时，CPU

访问⽚内ROM，并执⾏内部程序存储器中的指令，但当 PC（程序计数器）的值超

过4K时，将⾃动转去执⾏⽚外存储器内的程序。当EA脚接低电平时，CPU只访

问⽚外ROM并执⾏外部程序存储器中的指令，⽽不管是否有⽚内程序存储器。VPP

是对8751⽚内 ROM固化程序时，作为施加较⾼编程电压（

12V~21V）的输⼊端[7]。

（5）输⼊输出引脚：

P0-P3：4个8位双向输⼊输出端⼝，每个端⼝都有锁存器、输出驱动器和输⼊缓冲

器。4个端⼝都可以做输⼊输出⼝使⽤，其中，P0和P2通常⽤于对外部存储器的访

问。在这种⽅式下，把P0⼝作为地址/数据总线使⽤，分时输出外部存储器的地址

和传送8位数据。当扩充外部存储器的地址为16位时，P2⼝作为地址总线的⾼8位

地址使⽤。

1)P0⼝(39-32脚)：P0.0-P0.7统称为P0⼝。在不接⽚外存储器与不扩展I/O ⼝时，

可作为准双向输⼊/输出⼝。在接有⽚外存储器或扩展I/O⼝时，P0⼝分时复⽤为低

8位地址总线和双向数据总线。

2.P1⼝(1-8脚)：P1.0-P1.7统称为P1⼝，可作为准双向I/O⼝使⽤。对于52⼦

系列，P1.0与P1.1还有第⼆功能：P1.0可⽤作定时器/计数器2的计数脉冲输⼊端

T2，P1.1可⽤作定时器/计数器2的外部控制端T

3.P2⼝(21-28脚)：P2.0-P2.7统称为P2⼝，⼀般可作为准双向I/O⼝使⽤；在

接有⽚外存储器或扩展I/O⼝且寻址范围超过256字节时，P2⼝⽤作⾼8位地址总线。

4.P3⼝(10-17脚)：P3.0-P3.7统称为P3⼝。除作为准双向I/O⼝使⽤外，还可

以将每⼀位⽤于第⼆功能，⽽且P3⼝的每⼀条引脚均可独⽴定义为第⼀功能的输⼊输出或第⼆功能。

C51单⽚机的功能结构如图1-4-1所⽰:

C51单⽚机的⽚内结构如图1-4-2所⽰:由如下功能部件组成：对图1-4-2中的⽚内各部件做简单介绍。

1.CPU（微处理器）

2.数据存储器（RAM）

⽚内为128个字节（52⼦系列的为256个字节）

3.程序存储器（ROM/EPROM）

C51/C52/C55:4K/8K/20K 字节闪存。

4. 4个并⾏可编程的8位I/O⼝

P1⼝、P2⼝、P3⼝、P0⼝

5. 串⾏⼝

1个全双⼯的异步串⾏⼝，具有四种⼯作⽅式。

6. 定时器/计数器

7. 中断系统

8. 特殊功能寄存器（SFR）

共有21个，是⼀个具有特殊功能的RAM区。

CPU对各种功能部件的控制是采⽤特殊功能寄存器（SFR，Special Function Register）的集

中控制⽅式。

第⼆章设计⽅案论证

2.1功能要求

1、时间显⽰：⽤4位数码管显⽰当前⼩时和分钟，秒功能⽤两LED灯代替（每秒闪烁⼀次）。

2、可⼿动设定时间。

3、开机流程：系统有红⾊和蓝⾊指⽰灯，上电10S内，每秒红⾊指⽰灯闪烁⼀次，并伴有蜂鸣声，作为开机/重启提醒，此时绿⾊指⽰灯灭。10S后红⾊指⽰灯灭，若光线较强则绿⾊指⽰灯亮，若光线较弱则绿⾊指⽰灯亮度减半进⼊节能模式。

4、具有整点报时功能（四短⼀长），可⾃⾏设定报时时间段；

2.2⽅案确定

单⽚机的选择与论证

⽅案⼀:

采⽤C51芯⽚作为硬件核⼼，采⽤Flash ROM，内部具有4KB ROM 存储空间,能于3V 的超低压⼯作,⽽且与MCS-51系列单⽚机完全兼容,但是运⽤于电路设计中时由于不具备ISP 在线编程技术, 当在对电路进⾏调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧⼊程序时，对芯⽚的多次拔插会对芯⽚造成⼀定的损坏。

⽅案⼆:

采⽤ATS52,⽚内ROM全都采⽤Flash ROM；能以3V的超底压⼯作；同时也与MCS-51系列单⽚机完全该芯⽚内部存储器为8KB ROM 存储空间，同样具有C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进⾏调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧⼊程序时，不需要对芯⽚多次拔插，所以不会对芯⽚造成损坏。

显⽰模块的⽅案选择与论证

⽅案⼀：

采⽤LED液晶显⽰屏,液晶显⽰屏的显⽰功能强⼤,可显⽰⼤量⽂字,图形,显⽰多样,清晰可见,但是价格昂贵,需要的接⼝线多,所以在此设计中不采⽤LED液晶显⽰屏。

⽅案⼆：采⽤点阵式数码管显⽰，点阵式数码管是由⼋⾏⼋列的发光⼆极管组成，对于显⽰⽂字⽐较适合,如采⽤在显⽰数字显得太浪费,且价格也相对较⾼,所以也不⽤此种作为显⽰。

⽅案三：

采⽤LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显⽰数字最合适,⽽且采⽤动态扫描法与单⽚机连接时,占⽤的单⽚机⼝线少。

时钟芯⽚的⽅案选择与论证

⽅案⼀：

直接采⽤单⽚机定时计数器提供秒信号，使⽤程序实现年、⽉、⽇、星期、时、分、秒计数。采⽤此种⽅案虽然减少芯⽚的使⽤，节约成本，但是，实现的时间误差较⼤。所以不采⽤此⽅案。

⽅案⼆：

采⽤DS1302时钟芯⽚实现时钟，DS1302芯⽚是⼀种⾼性能的时钟芯⽚，可⾃动对秒、分、时、⽇、周、⽉、年以及闰年补偿的年进⾏计数，⽽且精度⾼,位的RAM做为数据暂存区，⼯作电压2.5V ～5.5V范围内，2.5V时耗电⼩于300nA.

电路设计⽅案最终确定

综上各⽅案所述,对此次作品的⽅案选定: 以单⽚机ATC51为主控制器，时间数据是通过时钟芯⽚外部振荡器来读取，并通过LED数码管显⽰出来，并⽤键盘来完成对当前时间的调整。

第三章硬件设计⽅案

3.1单⽚机的时钟电路

时钟频率直接影响单⽚机的速度，电路的质量直接影响系统的稳定性。常⽤的时钟电路有两种⽅式：内部时钟⽅式和外部时钟⽅式。

1. 内部时钟⽅式

⽚内⼀个⽤于构成振荡器的⾼增益反相放⼤器，反相放⼤器的输⼊端为芯⽚引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。见图2-1-1

。

图2-2-1

按图2-1-1连接即可构成⾃激振荡电路，振荡频率取决于⽯英晶体的振荡频率. C1和C2典型值通常选择为30pF左右。

晶体的振荡频率在1.2MHz～12MHz之间。某些⾼速单⽚机芯⽚的时钟频率已达40MHz（如S52）。

2. 外部时钟⽅式

常⽤于多⽚C51单⽚机同时⼯作。

外部时钟源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空，其电路见图2-1-2图2-1-2

3.2单⽚机的复位电路

⽚内复位结构如图2-2-1

复位电路通常采⽤上电⾃动复位和按钮复位两种⽅式。

图2-2-2上电复位电路图2-2-3按钮复位电路

3.3单⽚机的P3端⼝特性

由于C51的引脚有限，因此在P3⼝电路中增加了引脚的第⼆功能。P3的每⼀位都可以分别定义为第⼆功能。P3⼝的字节地址为B0H，位地址为B0H～B7H。P3⼝某⼀位的位电路结构如图2-3-1所⽰。

图2-3-1

P3⼝的第⼆功能定义

⼝引脚第⼆功能

P3.0 RXD（串⾏输⼊⼝）--输⼊

P3.1 TXD（串⾏输出⼝）--输出

P3.2 INT0*（外部中断0）--输⼊

P3.3 INT1*（外部中断1）--输⼊

P3.4 T0（定时器0外部计数输⼊）

P3.5 T1（定时器1外部计数输⼊）

P3.6 WR*（外部数据存储器写选通）--输出

P3.7 RD*（外部数据存储器读选通）--输出

3.4单⽚机的定时/中断系统

51内部集成定时/计数器的基本特征：

51系列单⽚机内部提供2个16位的递增定时/计数器T0和T1。

可以设置为定时或者计数器⼯作。

有多种可选的⼯作模式，通过SFR-TMOD选择使⽤。

对应两个中断源，可⽤中断处理。

主要作⽤:对外部脉冲计数、产⽣精确定时时间、作串⾏⼝的波特率发⽣器。

定时器/计数器T0、T1的结构

TMOD寄存器的M1,M0位设置四种⼯作⽅式

模式0：13位定时/计数器计数寄存器：THx和TLx低5位最⼤计数值：213：

模式1：16位定时/计数器计数寄存器：THx和TLx

最⼤计数值：216

模式2: 8位⾃动重载定时/计数器计数寄存器：TLX

计数初值重载寄存器：THX

最⼤计数值28

模式3：仅T0可⽤，将T0拆为两个独⽴8位定时器