单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
苏州市职业大学
毕 业 设 计 说 明 书
基于MSP430单片机的实时时钟设计
系部 电子信息工程系
专业班级08电气1班 姓名
学号指导教师
2011年 5月29
0毕业设计题目日
单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
摘 要
本文研究了基于数码管显示的数字时钟系统设计与实现。该系统具有时间设
置及显示、闹钟、计时等功能，系统以ＭＳＰ４３０单片机为核心，主要进行基于ＭＳＰ４３０单片机的低功耗型数字时钟及其系统的研究。系统带有数码管显示器，配合按键提供友好的用户界面，操作简单，该数字时钟能长期、连续、可靠、稳定的工作；同时还具有体积小、功耗低等特点，便于携带，使用方便。系统软件设计包括单片机编程。单片机软件编程主要实现按键、数码管显示、时钟、计时、闹钟等模块功能。
在本设计中充分利用了单片机内部资源，涉及到了键盘控制、数码管显示、
中断系统、定时／计数器、串口通信等。
关键字：数字时钟；ＭＳＰ４３０单片机；数码管
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单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
摘 要
本文研究了基于数码管显示的数字时钟系统设计与实现。该系统具有时间设
置及显示、闹钟、计时等功能，系统以ＭＳＰ４３０单片机为核心，主要进行基于ＭＳＰ４３０单片机的低功耗型数字时钟及其系统的研究。系统带有数码管显示器，配合按键提供友好的用户界面，操作简单，该数字时钟能长期、连续、可靠、稳定的工作；同时还具有体积小、功耗低等特点，便于携带，使用方便。系统软件设计包括单片机编程。单片机软件编程主要实现按键、数码管显示、时钟、计时、闹钟等模块功能。
在本设计中充分利用了单片机内部资源，涉及到了键盘控制、数码管显示、
中断系统、定时／计数器、串口通信等。
关键字：数字时钟；ＭＳＰ４３０单片机；数码管
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单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
目录
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
1.1课题研究的意义 .............................................................................................. 1
1.2课程设计内容 .................................................................................................. 1
1.3课程设计目的 .................................................................................................. 2
第二章 数字时钟的构成及方案选择 ......................................................................... 3
2.1数字时钟的构成 .............................................................................................. 3
2.2模块方案选择 .................................................................................................. 3
2.2.1单片机模块方案 ..................................................................................... 3
2.2.2 时钟方案选择 ........................................................................................ 3
2.2.3 键盘模块选择 ........................................................................................ 4
2.2.4 显示模块方案选择 ................................................................................ 4
第三章 系统硬件设计与实现 ..................................................................................... 5
3.1电路设计图 ...................................................................................................... 5
3.2系统硬件设计 .................................................................................................. 5
3.2.1 MSP430单片机简介 .............................................................................. 5
3.2.2 复位电路的设计 .................................................................................... 6
3.2.3 晶振电路设计 ........................................................................................ 7
3.2.4 时钟模块设计 ........................................................................................ 8
3.2.5 键盘模块设计 ........................................................................................ 8
3.2.6 显示模块设计 ........................................................................................ 9
第四章 系统的软件设计 ......................................................................................... 11
4.1系统设计总流程图 ........................................................................................ 11
4.2 DS1302时钟流程图 ...................................................................................... 11
4.3 LED数码管显示流程图 ............................................................................... 12
第五章 系统的调试与仿真 ..................................................................................... 14
5.1 IAR FOR 430简介 ........................................................................................ 14
5.2程序调试过程 ................................................................................................ 14
第六章 结论 ............................................................................................................... 16
参考文献 ..................................................................................................................... 17
附录一：系统原理图 ................................................................................................. 18
致谢.............................................................................................................................. 35
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单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
第一章 绪论
１．１课题研究的意义
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，有力的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。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展的趋势将进一步向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，现在已经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，是传统控制设计的一次革命。
数字时钟在单片机模块里比较常见，数字时钟是一种用０、１数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。
数字时钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字现实的计时装置，广泛用于个人家庭，办公室，车站等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字时钟的精度远远超过老式钟表，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动开起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
１．２课程设计内容
（１）了解ＭＳＰ４３０单片机实验开发系统中的实验模块原理，画出电路原理图 （２）综合运用实验模块，开发设计具有一定功能的单片机控制系统，进行软、硬件的设计及调试
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单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
（３）写出完整的设计任务书：课题的名称、系统的功能、硬件原理图、软件框图、程序清单、参考资料
（４）时间包括年、月、日、星期、时、分、秒的显示
１．３课程设计目的
（１）巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学的知识解决工业控制的能力
（２）培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图标及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力
（３）通过对课题设计方案的分析、选择、比较，熟悉单片机用系统开发、研制的过程及软硬件设计的方法、内容及步骤
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单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
第二章 数字时钟的构成及方案选择
２．１数字时钟的构成
数字时钟实际上是一个对标准频率（１ＨＺ）进行计数的计数电路。由于计数
的起始时间不可能与标准时间一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的１ＭＨＺ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字时钟。
（１）晶体振荡器电路
晶体振荡器电路给数字时钟提供一个频率稳定准备的１２ＭＨＺ的方波信号没
课保证数字时钟的走时准确及稳定，不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
（２）时间计数器电路
时间计数器电路由秒个位和秒十位计数器，分个位和分十位计数器电路组
成，秒个位和秒十位计数器，分个位和分十位计数器为６０进制计数器。
２．２模块方案选择
2.2.1单片机模块方案
方案一：使用８９Ｃ５１单片机模块。其内部数据总线是８位的，虽然经过各种
努力使其内部功能模块有了显著的增加，但是受其结构本身的限制很大，其模拟功能部件的增加更加困难。其指令采用的是复杂指令集（ＣＩＳＣ），在待机状态下，耗电电流仍为３ｍＡ。
方案二：使用ＭＳＰ４３０单片机模块其基本架构是１６位的，同时在其内部的数
据总线经过转换还存在８位的总线，在加上本身就是混合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展８位的功能模块，还是１６位的功能模块，即
使扩展模／数转换或数／模转换这类的功能模块也是很方便的。由于引进了Ｆｌａｓｈ型程序存储器和ＪＴＡＧ技术，不仅可以实现在线编程和仿真，而且使开发工具变得简便，价格也相对低廉。所以本次设计采用了ＭＳＰ４３０单片机模块。
2.2.2 时钟方案选择
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单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
方案一：基本门电路搭建。用基本门电路来实现时钟发生器，电路结构复杂，故障系数大，不易测试。
方案二：专用时钟芯片。目前市场上已有很多实时时钟芯片。如ＤＳ１２８８７、ＤＳ１３０２、ＤＳ１３０７、ＰＣＦ８５６３、Ｘ１２２７等，芯片内都集成了时钟／日历功能，给时钟系统设计带来了很多方便。根据设计要求，在本设计中我采用了ＤＳ１３０２时钟芯片。
2.2.3 键盘模块选择
方案一：采用阵列式键盘。此类键盘是采用行列扫描方式，当按键较多时可以降低占用单片机的Ｉ／Ｏ数目。但是本次设计按键较少，所以不采纳。
方案二：采用独立式按键电路。每个键单独占有一根Ｉ／Ｏ的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。所以在设计中选择了采用独立式按键。
2.2.4 显示模块方案选择
方案一：采用液晶显示器。液晶也传统的显示器相比，最大的优点在于耗电量和体积，一般的液晶显示器的分辨率可达到７２０线之上，当然，液晶还在轻薄性上有着明显的优势，但是液晶显示器的可视偏转角度有限，容易产生影响拖尾现象，而且液晶显示器的寿命也很短。
方案二：采用数码管显示器。ＬＥＤ数码管能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与ＣＭＯＳ、ＩＴＬ电路兼容，发光响应时间极短，高频特性好，单色性好，亮度高，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长，使用寿命在１０万小时以上，甚至可达１００万小时。成本低，因此它被广泛用作数字仪表、数控装置、计算机的数显器件。在设计中我们也选择使用数码管。
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单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
第三章 系统硬件设计与实现
３．１电路设计图
本次电路的设计，是由键盘来设置和调节数码管上所显示的日期、时间等数据，这些数据通过ＭＳＰ４３０模块的整理和传送，控制各个模块的正常运行，时间通过ＬＥＤ数码管显示器显示出来。如图３．１所示：
图３．１系统结构图 按键模块 时钟模块 MSP430单片机模块 数码管显示模块
３．２系统硬件设计
本设计是以ＭＳＰ４３０单片机为控制核心，其芯片具有在线编程功能，功耗低，能低电压，小电流下工作；时钟芯片采用ＤＳ１３０２，它是一款高性能、低功耗的实时时钟芯片，其精度和使用寿命相对其他芯片具有明显的优越性，同时具有掉电自动保存功能，可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行设置和调整；温度检测模块由ＤＳ１８Ｂ２０构成，该传感器结构简单，不需要外接电路，在－１０℃—＋８５℃范围内精度为±０．５℃，精度较好；显示部份使用ＬＥＤ数码管显示屏来实现，该显示屏具有高频特性好，单色性好，亮度高，体积小，重量轻，抗冲击性能好，寿命长的特点。
3.2.1 ＭＳＰ４３０单片机简介
强大的处理能力ＭＳＰ４３０系列单片机是一个１６位的单片机，采用了精简指令集（ＲＩＳＣ）结构，具有丰富的寻址方式（７种源操作数寻址、４种目的操作数寻址）、简洁的２７条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存
储都可以参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在８ＭＨＺ晶体驱动下指令周期为１２５ｎｓ。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
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单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
ＭＳＰ４３０系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当
系统处于省电的备用状态时，用中断请求讲它唤醒只有６ｕｓ。超低功耗ＭＳＰ４３０单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，ＭＳＰ４３０系列单片机的电源电压采用的是１．８￣３．６Ｖ电压。因而可使其在１ＭＨｚ的时钟条件下运行时，芯片的电流会在
２００￣４００ｕＡ左右，时钟关断模式的最低功耗只有０．１ｕＡ。其次，独特的时钟系统设计，在ＭＳＰ４３０系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频（ＦＬＬ和ＦＬＬ＋）时钟系统或ＤＣＯ数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器
（３２７６８Ｈｚ），有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生ＣＰＵ和各功能所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。ＭＳＰ４３０单片机引脚图如图３．２所示：
图３．２ ＭＳＰ４３０单片机的引脚图
3.2.2 复位电路的设计
ＭＳＰ４３０单片机系统复位电路功能模块共有两个复位信号：一个是上电复位信号ＰＯＲ和上电清除信号ＰＵＣ。当器件上带电或者ＲＳＴ／ＮＭＩ引脚配置为复位模式即ＲＳＴ／ＮＭＩ引脚产生低电平的时候，器件上会产生上电复位信号，当启动看门狗，向看门狗写入错误的安全参数值，向片内Ｆｌａｓｈ写入错误的安全参数值的时候，会引起产生上电清除信号。当产生上电复位信号时，必然会产生上电清除信号。但是当产生上电清除信号的时候缺不会产生上电复位信号。
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基于ＭＳＰ４３０单片机的实时时钟设计
图３．３复位电路图
3.2.3 晶振电路设计
ＭＳＰ４３０系列芯片所有的晶振接口上的旁路电容大概都是２ｐＦ，旁路电容我们可以看成是晶振和单片机之间的负载电容，但是旁路电容随着晶振和单片机的距离以及单片机的种类，在电气焊接时的方法不同而不同，所以为了要更好的让晶振起振，选择合适的负载能力比较强的晶振。
ＭＳＰ４３０系列芯片因为是低功耗单片机，所以它的Ｉ／Ｏ流过的电流比较小，在这种情况下就必须要求晶振的谐振电阻必须要小，因为太大了Ｉ／Ｏ不能供应足够的电流让晶振正常的工作，所以必须选择合适的谐振电阻的晶振。 ＭＳＰ４３０系列芯片对晶振输出的正弦波震荡幅度也有要求，最低必须保证要有０．２ＶＣＣ的输出电压，所以必须选择合适的谐振输出电压值的晶振。影响晶振起振的原因有晶振（ＥＳＲ）、晶振启动后负载电容的大小、单片机电源电压的范围、ＰＣＢ布线和电气隔离、外部的环境因素和电路板的保护涂层处理，上面具体介绍的三个参数是选择晶振时必须考虑的最主要的参数。
在振荡回路中，晶体既不能过激励（容易振到高次谐波上）也不能欠激励（不容易起振）。晶体的选择至少必须考虑：谐振频点，负载电容，激励功率，温度特性，长期稳定性。
图３．４晶振电路图
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单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
3.2.4 时钟模块设计
DS1302时钟内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信，实时时钟/日历电路提供年、月、日、星期、时、分、秒的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单的采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：（1）RES(复位）、（2）I/O（数据线）、（3）SCLK（串行时钟），时钟RAM的读写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc超过2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端，SCLK始终是输入端。
图3.5DS1302时钟模块电路图
3.2.5 键盘模块设计
本次设计采用了独立式键盘电路，这种键盘使用单片机的Ｉ／Ｏ口线直接连
接，每个按键对应一根口线，每根Ｉ／Ｏ口线上的按键工作状态不会影响其他Ｉ／Ｏ口线上的状态。键盘的工作方式可分为编程控制方式和中断控制方式，设置各个口线为输入模式，通过中断方式或者软件查询方式获取各个口线是否有键按下的信息在如图３．６所示的键盘中，有键按下则口线端电平为高，否则为低电平。在按下设置键要对其时间进行调整时，可通过＋、－对其进行调整，如果要调整多个时间点的话，在对其中一个设置完成结束后，系统会自动跳到下一个时间点，这样就能对所有的点进行调整，调整结束后返回显示调整之后的时间。
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单片机的实时时钟设计 基于ＭＳＰ４３０
图3.6按键模块电路图
3.2.6 显示模块设计
ＬＥＤ数码管里面有８只发光二极管，分别记作ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｄｐ，其中ｄｐ为小数点，每一只发光二极管都有一根电极引到外部引脚上，而另外一只引脚就连接在一起同样也引到外部引脚上，记作公共端（ＣＯＭ）。共阴极的ＬＥＤ，只要在某该段二极管加上高电平，该段即点亮，反之则暗。对共阴极ＬＥＤ 显示器的控制采用“接地方式”即通过控制ＬＥＤ 的“ＧＮＤ”引脚的电平高低来达到选通的目的，该引脚即通常所说的位选线。共阳极ＬＥＤ 显示器控制方式则相反。两种控制方式中，共阴极ＬＥＤ 控制方式受糸统器件功耗限制的段则不能点亮
使用ＬＥＤ 显示器时，工作电流一般为２－１０ｍＡ／段，这样当ＬＥＤ 处于全亮状态
时，工作电流约１５－８０ ｍＡ 左右。ＬＥＤ 显示器的亮度除与工作电流有关外，还与
ＬＥＤ 的型号有关。根据显示亮度的不同划分为普通亮度和高亮度ＬＥＤ，高亮度ＬＥＤ 显示器的发光强度远大于普通亮度的ＬＥＤ，正常情况下的发光强度越是普通ＬＥＤ 的１０ 倍，即在１－２ ｍＡ／段时便可点亮。
图3.7显示模块电路
LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而
显示出我们需要的位数，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
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（1）静态显示驱动：
静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二十进位解码器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，所以实际应用时必须增加解码驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。
（2）动态显示驱动：
数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a、b、c、d、e、f、g、dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1~2ms，由于人的视觉暂留现象及二极体的余晖效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但是只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。
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