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定时闹钟单片机课程设计

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2020年4月19日
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课程设计

设计题目： 基于单片机的定时闹钟
院 系： 电气工程
专 业： 电子信息工程
年 级：
姓 名：
指导教师：

年 月 日

课 程 设 计 任 务 书

专 业 电子信息工程 姓 名 学 号
开题日期： 月 日 完成日期： 12月 日
题 目 基于单片机的定时闹钟

一、设计的目的
本次电子课程设计是一个基于单片机的定时闹钟，其主要的目的是为了学习和巩固单片机知识，使对已学过的基础知识能有更深入的理解，对所学的知识能够达到学以致用，另外还对汇编语言进行复习。总的来说，课程设计是培养我们综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题的能力。综合以上因素，结合自身的实际情况我选择了在生活中应用广泛，同时对人们的生活，学习，工作占重要地位的闹钟。
二、设计的内容及要求
本课程设计以AT89C51芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个结构简单，功能齐全的电子时钟。硬件方面，基于单片机结合时钟电路，按键电路等设计电路，其中设置了四个按键实现了对时间的调整，这四个按键有两种功能，这也是设计过程中的一个难点。软件方面采用C语言编程。整个电子钟系统能完成时间的显示、调时、校时和三组定时闹钟的功能。然后，使用Keil单片机模拟调试软件，测试程序的可行性并用Proteus进行仿真，最后得到仿真结果，验证是否达到设计的要求和效果。
三、指导教师评语

四、成 绩

指导教师 (签章)
年 月 日

一． 设计方案及介绍
1. 设计方案：本课程设计的定时闹钟是以单片机以及外围接口电路为核心，再加上相关的外围电路，结合汇编语言设计的程序来实现的，有功能多，精确度高等特点，实现起来也比较简单。

2. 设计介绍：
（1） 时钟是将小时、分钟、秒钟显示于人的肉眼的计时装置，此次课程设计的LCD电子定时闹钟是基于单片机的数字电路实现对时、分、秒的数字显示的数字计时装置,它的计时周期为比较习惯的24小时制，另外应有校时功能和一些显示日期、闹钟等附加功能。
（2） 定时闹钟采用AT89C51芯片，用C语言进行编程，在电路中经过对按键K1，K2，K3，K4进行相关设置，最后所设置的定时时间到是经过喇叭发出提示。
（3） 字符型LCD（16*2）显示器显示格式“时时 ： 分分”
由LED闪动来做为秒计数表示，程序执行后工作指示灯LED闪动，表示程序开始执行，LCD显示“00 ： 00”，设置按键K1-K4动作如下：
K1——设置现在的时间；
K2——显示闹钟设置的时间；
K3——设置闹铃的时间；
K4——闹铃ON/OFF的状态设置，设置ON时连续三次发出“哗”的一声，off置为“哗”的一声。
设置当前时间或闹铃时间如下：
K1——时的调整；
K2——分的调整；
K3——设置完成；
K4---闹铃时间到时，发出一阵声响，按下本键可停止声响。
设计的难点在于4个按键每个都具有两个功能，以最终实现菜单化的输入功能。采用经过逐层嵌套的循环扫描，实现嵌套式的键盘输入。以对小时的设置的流程为例，其流程如下：
N
K1按下？a

Y

N
K1按下？

Y

Hour-1
N

Y

K3按下？

3. 设计框图 LCD显示
振荡电路

单片机
AT89C51
调时电路
:

按键（键盘）

喇叭

二． 硬件设计

1. ＡＴ８９Ｃ５１单片机简介：
电子课程设计电子课程设计电子
AT89C51芯片采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。
AT89C51芯片内部主要有以下部件：
8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口。

电子课程设计电子课程设计电子
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2. 时钟电路：结合时钟方式内部方式和外部方式的特点进行分析。内部方式就是在单片机的XTAL1和XTAL2两引脚外接晶振，就构成了自激振荡器在单片机内部产生时钟脉冲信号，外部方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内部。最后选择内部方式，即在单片机的XTAL1和XTAL2两引脚外接晶振，就构成了自激振荡器在单片机内部产生时钟脉冲信号，如图所示：
电子课程设计电子课程设计电子喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
电子课程设计电子课程设计电子喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
电子课程设计电子课程设计电子喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
电子课程设计电子课程设计电子喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
电子课程设计电子课程设计电子喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
电子课程设计电子课程设计电子喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
电子课程设计电子课程设计电子喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
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　　　　　　　　　　　　 时钟电路

3. 按键电路

（1） 独立按键：

（2） 按键电路：

4. ＬＣＤ显示
考虑到ＬＣＤ比ＬＥＤ效果更直观，且经久耐用，性能指标高，故采用ＬＣＤ显示

5. 喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时时间发出提示。
喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时
喇叭：由Ｐ２.４控制，使得它能在定时

6. 电路图
基于以上分析整理已经各部分的有机组成，最后完成电路图，硬件部分大致完成。
如下所示：
注：
K1-设置现在时间和调整小时
K2-设置现在时间分钟和闹铃时间分钟
K3-设置闹铃时间和设置现在时间完成
K4-闹铃响后切断电源

三． 软件
1. 软件设计思路：
设计的程序最终的目的是要实现时间显示，定时的显示，开关实现校时以及闹钟的功能。根据要实现的功能，又要避免了一些函数的不必要的重复，使程序变得单间易懂，软件设计程序部分主要采用程序结构的模块化来优化设计。在执行程序时，主程序要须经过调用子函数就可完成相应的功能。
其中主芯片：
P0.0-P0.7输出数据到LCD数据总线；
P1.0-P1.3输入外部控制信号；
P2.0-P2.2输出LCD控制信号；
P2.3输出LED-Right灯显示秒；
P2.4输出声音信号；
XTAL1、XTAL2输出内部时钟电路（即晶振电路）。

2. 主体思路流程图:
显示时间
开始

初始化设置

按键扫描

闹钟判断

3. 电子闹钟的主程序流程图，如图所示：
ＣＰＵ系统初始化
定时０初始化
中断初始化

串口初始化
显示待机指示符
设定闹铃时间
判设置闹铃时间否？
显示刷新
启动走时
有关变量初始化
刷新显示
判时或分变化否？
秒指示
判断１秒到否？
闹铃
判是否到闹铃时间？
延时
Y
Y
Y
Y
N
N

N
N
N

N

4. 程序初始化
在系统开始上电时，需要首先初始化液晶：
void TimeInit()
{
write_com(0x01); //初始化1602液晶
write_com(0x80); //设置现实初始坐标
for(num=0;num<9;num++) //显示年月日
{
write_date(table[num]);
delay(5);
}
write_com(0x80+0x40+6); //写出时间显示部分的两个冒号
write_date(':');
delay(5);
write_com(0x80+0x40+9);
write_date(':');
delay(5);
write_sfm(4,shi); //分别送去液晶显示
write_com(0x80+0x40+4);
write_sfm(7,fen);
write_com(0x80+0x40+7);
write_sfm(10,miao);
write_com(0x80+0x40+10)

5. 实现闹钟
1) 实现闹钟涉及到两方面：
a) 闹钟时间的设定；
b) 是否响应闹钟判别以及相应的处理。
2) 关键：判别什么时候进行闹铃。
3) 闹钟判别的条件：当时十/个位、分十/个位中任意一位发生改变（即进位）时，就必须进行闹铃判别。
4) 判别处理的流程图：

时十位、个位，分十位、个位改变了
设置闹铃标志
是否设置了闹铃
清除闹铃标志
判当前时间是设定时间
中断返回
中断返回
Ｙ
Ｎ
Ｙ
闹铃判别处理
N

四． 仿真结果
1. 程序清单
#include<reg52.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char

uint miao,fen,fen1,shi,shi1,flag1,flag2,flag3,aa,K1num,K2num,K3num,K4num,N; //K1num-K1按键被按下的标记变量,K2num-K2按键被按下的标记变量,K3num=0-K3按键被按下的标记变量
uchar code table[]=" TIMING CLOCK"; //定义初始上电时液晶默认显示状态

sbit K1=P1^0; //四个按键
sbit K2=P1^1;
sbit K3=P1^2;
sbit K4=P1^3;
sbit rs=P2^0;
sbit lcden=P2^2;
sbit led=P2^3; //发光二极管控制端
sbit beep=P2^4; //蜂鸣器控制端
sbit relay=P2^5; //继电器控制端
void delay(uint z) //延时函数
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}

void write_com(uchar com) //液晶写命令函数
{
rs=0;
lcden=0;
P0=com;
delay(5);
lcden=1;
delay(5);
lcden=0;
}

void write_date(uchar date) //液晶写数据函数
{
rs=1;
lcden=0;
P0=date;
delay(5);
lcden=1;
delay(5);
lcden=0;
}

void write_sfm(uchar add,uchar date) //液晶写时分秒函数
{
uchar shi,ge;
shi=date/10;
ge=date%10;
write_com(0x80+0x40+add);
write_date(0x30+shi);
write_date(0x30+ge);
}

void init() //初始化函数
{
uint num; //写液晶的循环控制变量
aa=0; //中断次数标志
K1num=0; //K1按键被按下的标记变量
K2num=0; //K2按键被按下的标记变量
K3num=0; //K3按键被按下的标记变量
K4num=0;
flag1=1; //控制lcd屏刷新的变量
flag2=1; //控制闹钟响闹和继电器开启关闭的标记
flag3=1; //控制闹钟响起时，按下K4停止闹钟响闹的标记
led=1; //发光二极管初始化
relay=0; //继电器初始化
N=100; //系统启动时，闹钟时间到发出的声音为连续三次发出“哗”的一声
miao=0; //系统初始化时间
fen=0;
shi=0;
fen1=1; //初始化闹钟的时间
shi1=0;
beep=0; //蜂鸣器初始化
lcden=0; //液晶使能端初始化
write_com(0x38); //1602液晶初始化，设置16*2显示。5*7点阵，8位数据接口
write_com(0x0c); //设置开显示，不显示光标
write_com(0x06); //写一个字符后地址指针自动加1
write_com(0x01); //显示清0，数据指针清0
write_com(0x80); //将数据指针定位到第一行，第一个字处
for(num=0;num<15;num++) //显示闹钟标示：TIMING CLOCK
{
write_date(table[num]);
delay(10);
}
write_com(0x80+0x40+7);//写出时间显示部分的两个冒号
write_date(':');

write_sfm(8,fen); //送去液晶显示秒，分，时
write_sfm(5,shi);
TMOD=0x01; //设置定时器0为工作方式1
TH0=(65536-50000)/256; //定时器装初值
TL0=(65536-50000)%256;
EA=1; //开总中断
ET0=1; //开定时器0中断
TR0=1; //启动定时器0

}

void keyscan() //键盘扫描函数
{
if(K1==0&&K3num==0) //判断K1按下,按下前没有按下K3键，则开始修改时间
{
delay(5);
if(K1==0&&K1num==0)
{

K1num=1;
while(!K1) //判断是否松开按键，后同
if(K1num==1)
{
TR0=0; //关闭计数器0
write_com(0x80+0x40+9); //第一次按下光标定位到分钟位置
write_com(0x0f); //光标开始闪烁
}
}
}

if(K3==0&&K3num==0&&K1num==0) //判断K3首次被按下，则设置闹钟
{
delay(5); //延时消抖，后同
if(K3==0)
{
flag1=0;
write_com(0x80+0x40+9); //第一次按下光标定位到分钟位置
while(!K3);
K3num=1;
write_sfm(8,fen1); //送去液晶显示定时的分，时
write_sfm(5,shi1);
write_com(0x0f); //光标开始闪烁
write_com(0x80+0x40+9); //显示位置回到调节处
}
}

if(K1==0&&K1num==1) //判断K1按下,修改系统时间的小时
{
delay(5);
if(K1==0)
{
write_com(0x80+0x40+6); //光标定位到小时位置
K1num=1; //置K1num=1
while(!K1);
shi++; //则调整时加1
if(shi==24) shi=0; //若满24后将清零
write_sfm(5,shi); //每调节一次送液晶显示一下
write_com(0x80+0x40+6); //显示位置重新回到调节处
}

}

if(K2==0&&K1num==1) //判K2按下,修改系统时间的分钟
{
delay(5);
if(K2==0)
{
write_com(0x80+0x40+9); //光标定位到分钟位置
K1num=1;
while(!K2);
fen++; //则调整分加1
if(fen==60) fen=0;//若满60后将清零
write_sfm(8,fen); //每调节一次送液晶显示一下
write_com(0x80+0x40+9); //显示位置重新回到调节处
}
}

if(K1num==1||K3num==1) //当设置时间或闹钟时，K3被按下设置完成。
{
if(K3==0) //判断K3按下
{
delay(5);
if(K3==0)
{
K1num=0;
K3num=0;
while(!K3);
write_com(0x0c); //取消光标闪
TR0=1; //启动定时器使时钟开始走
flag1=1; //flag=1.则修改系统时间时液晶显示的系统时间值，flag=0，则为修改闹钟时间时，屏幕显示的是修改闹钟时间的值
write_sfm(8,fen);//送去液晶显示分，时
write_sfm(5,shi);
}
}
}
if(K2==0&&K1num==0&&K3num==0) //K2被按下时显示定时时间
{
delay(5);
if(K2==0)
{
write_sfm(8,fen1); //送去液晶显示定时的分，时
write_sfm(5,shi1);
while(!K2);
write_sfm(8,fen); //K2松开显示当前时间
write_sfm(5,shi);

}
}

if(K1==0&&K3num==1) //修改小时，判断K1键按下，K3num=1,表示K3按键按下，则此时修改的是闹钟时间的小时
{
delay(5);
if(K1==0)
{
write_com(0x80+0x40+6); //光标定位到小时位置
K3num=1;
while(!K1);
shi1++; //则调整定时的时加1
if(shi1==24) //若满24后将清零
shi1=0;
write_sfm(5,shi1); //每调节一次送液晶显示一下
write_com(0x80+0x40+6); //显示位置重新回到调节处
}
}

if(K2==0&&K3num==1) //卸螷2按下，修改闹钟时间的分钟
{
delay(5);
if(K2==0)
{
write_com(0x80+0x40+9); //光标定位到分钟位置
K3num=1;
while(!K2);
fen1++; //则调整分加1
if(fen1==60) //若满60后将清零
fen1=0;
write_sfm(8,fen1); //每调节一次送液晶显示一下
write_com(0x80+0x40+9); //显示位置重新回到调节处
}
}

if(K4==0&&flag3==0) //当闹钟响起时，按下K4停止响闹,当闹钟响起时候flag3置为1
{
delay(5);
if(K4==0)
{
flag2=0;
flag3=1; //此处需置flag3为1，否则闹钟没有响起的时候按下K4键，程序会执行此句
}
}
if(K4==0&&flag3==1&&K4num==0) //K4按下设置闹钟的状态为ON或OFF，flag3=1,表示闹钟此时没响起。K4num==0，表示此时为ON状态。
{
delay(5);
{
K4num=1;
}
}
if(K4==0&&flag3==1&&K4num==1) //K4按下设置闹钟的状态为ON或OFF，flag3=1,表示闹钟此时没响起。K4num==1，表示此时为OFF状态。
{
delay(5);
{
K4num=0;
}
}
}

void clock() // 闹钟函数 K4—闹铃ON/OFF的状态设置，设置为ON时连续三次发出“哗”的一声，设置为OFF发出“哗”的一?
{
if((fen==fen1)&&(shi==shi1)&&(flag2==1)&&(K4num==0)) //闹钟的响闹控制
{
beep=1; //此时闹钟响起，连续三次发出哗的一声
relay=1; //闹钟时间到，则继电器启动
flag3=0; //置flag3=0，表示此时闹钟响起，按下K4键执行停止闹钟响闹语句
delay(100); //这些语句是为了使闹钟响起时，发出连续三次哗的声音
beep=0;
delay(100);
beep=1;
delay(100);
beep=0;
delay(100);
beep=1;
delay(100);
beep=0;
delay(300);
}
else if((fen==fen1)&&(shi==shi1)&&(flag2==1)&&(K4num==1)) //闹钟的响闹控制
{
beep=1; //此时闹钟响起，发出哗的一声
relay=1; //闹钟时间到，则继电器启动
flag3=0; //置flag3=0，表示此时闹钟响起，按下K4键执行停止闹钟响闹语句
}
else
{
beep=0;
relay=0;
}
}
void main() //主函数
{

init();//初始化子程序
while(1)
{
keyscan();
clock();
}
}

void time0() interrupt 1 //定时器0中断服务程序
{
TH0=(65536-50000)/256; //定时器重新装入数值
TL0=(65536-50000)%256;
aa++; //中断次数累加

if(aa==20) //20次50毫秒为1秒
{
aa=0;
miao++;
led=~led;
if(miao==60)
{
miao=0;
fen++;
flag2=1;//闹钟响起时按下K4键闹钟关闭，此处应重置该变量，使下一次闹钟时间来到时，闹钟依然能够响起
if(fen==60)
{
fen=0;
shi++;
if(shi==24)
{
shi=0;
}
if(flag1==1)
{write_sfm(5,shi);} //小时发生变化则立即吸入屏幕显示
}
if(flag1==1)
{write_sfm(8,fen);} //分钟发生变化则立即吸入屏幕显示
}

}

}

2. 软件调试结果

由软件调试结果看得，软件部分无错误，在此基础上可利用ISIS进行下一步的仿真。

3. 仿真结果验证
步骤：
使用ISIS软件将电路图打开，然后点击左下方的仿真开始按钮，进行仿真。

设置现在的时间。按下K1，调整现在小时，按下K2，调整分钟，直至调整到现在时间，然后按下K3设置成功，例如02:03。

再次按下K3进行设置闹铃时间，K1调整小时，K2调整分钟，K3设置成功，例如闹铃时间为02:05。

跳到现在时间，等到闹铃时间一到，喇叭响，按下K4将闹铃关掉，仿真完成。

五．总结
在遇到很多问题学会去弄懂，学会戒骄戒躁以及不懈的努力下，我终于完成了设计要求的选题，所设计的功能也基本达标。可是由于时间比较短，前期设计出现很多问题：如设计的总体思路、闹钟的开启与关闭、间断蜂鸣声等。这些是软件设计时相应功能部分还不完善造成，总的来说软件编程是至关重要的。不过经仔细思考和查阅资料，问学长问老师最终把程序的完善，才能到能实现所设计的实现相关功能的程序。
同时，在设计的时候应该从多方面、多角度去考虑问题，而且应该进一步提高时钟的质量。另外，在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前没有做过这样的设计但经过这次设计我学会了很多东西，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，程序并不是一件简单的事，比如写一个程序看其功能很少认为编写程序简单，但到编程的时候才发现一些细微的知识或低级错误经常犯做不到最后常常失败，因此有些东西只有学精弄懂而且要细心才行，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。
最后，从这次的课程设计中，我们真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，这样才有实际意义也正是我们学习的最终目标，学以致用，我想这就是我在这次课程设计中的最大收获。

设计心得
总的来说，课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，经过本次电子课程设计使我充分认认到了课程设计的理要性和必要性，本次设计使我对已学过的基础知识有了更深入的理解，学会了独立思考、独立工作以及对应用所学基本理论分析和解决实际问题的能力有了很大的提高。
这次课程设计，从选题到定题，从理论到实践，从中却学到很多很多的的东西，也体验很多东西。做的过程中，开始遇到了不少困难的问题，虽然学过单片机，可是有些内容以及随时间遗忘，对单片机汇编语言掌握得不好等，也就让我发现了自己的许多不足之处，那就是对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，因此在做的过程中难免会有沮丧，难过，不知所措以及浮躁等消极情绪，好在最后慢慢克服调整自己的情绪，向学长学姐请教。
在此次设计中，最受益的一条经验就是：不懂的东西，就去查资料，去请教老师，问学长，把它弄懂，抱怨是不起任何作用的，只会徒增苦恼。还有就是，虽然过程中会有很痛苦的时候，可是要坚持，坚持总会有收获。

参考文献
[1]单片机课程设计指导书,皮大能,北京理工大学出版社, .7
[2]单片机技术基础教程与实践,夏路易,电子工业出版社, .1
[3]8051单片机实践与应用 ,吴金戎,清华大学出版社, .8
[4]基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例,蒋辉平,机械工业出版社, .7
[5]单片机Keil CX51应用开发技术[M]，王为青、程国钢，人民邮电出版社，
[6]单片机系统的Proteus设计与仿真[M]，张靖武、周灵彬，电子工业出版社，