基于51单片机的电子钟设计.docx

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基于51单片机的电子钟设计

湖北工业大学

基于打片机的电子时钟设计

年级:

11级

学号:

1110132217

姓名:

詹超

专业:

产品质量

指导老师:

王正家

二零一四年六月

摘要

传统的数字电子时钟采用了较多的分立元器件，不仅占用了很大的空间而且利用率也比很低，随着系统设计复杂度的不断提高，用传统时钟系统设计方法很难满足设计需求。

单片机是集CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种接口于一体的微控制器。

它体积小、成本低、功能强，广泛应用于智能产品和工业自动化上。

而51系列的单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。

，本次设计提出了系统总体设计方案，并设计了各部分硬件模块和软件流程，在用C语言设计了具体软件程序后，将各个模块完全编译通过过后,结果证明了该设计系统的可行性。

该设计给出了以AT89C2051为核心，利用单片机的运算和控制功能，并采用系统化LED显示模块实时显示数字的设计方案，适当地解决了实际生产和日常生活中对计时高精确度的要求，因此该设计在现代社会中具有广泛的应用性。

关键词：

电子时钟，单片机,C语言。

Abstract

ConventionaldigitalelectronicclockUSESmorediscretecomponent,notonlytakesupalotofspacebutalsoutilizationratioislow,withtheconstantimprovementofthesystemdesigncomplexity,usingtraditionalclocksystemdesignmethodisdifficulttomeetthedesignrequirements.

SCMisasetofCPU,RAM,ROMandtimer/counterandavarietyofinterfaceintheintegrationofmicrocontroller.Smallvolume,lowcost,strongfunction,itiswidelyusedinintelligentproductsandindustrialautomation.And51seriesmicrocontrolleristhesinglechipmicrocomputerinoneofthemosttypicalandmostrepresentative.,thedesignputforwardthesystemoveralldesignscheme,anddesignsthehardwaremodulesandsoftwareprocess,thepartsafterusingClanguagedesignaspecificsoftwareprogram,thevariousmodulesafterfullycompiledthrough,theresultsprovedthefeasibilityofthedesignsystem.ThisdesignUSESAT89C51asthenucleusispresented,thecalculationandcontrolfunctionofmicrocontroller,andUSESthesystematicdesignofreal-timedisplayofdigitalLEDdisplaymodule,appropriatesolutionstothepracticalproductionanddailylifetotherequirementofhighprecisiontiming,thereforethedesignhaswideapplicationinthemodernsociety.

Keywords:

Electronicclock,SCM,Clanguage。

目录

摘要I

AbstractII

第一章前言1

第二章方案论证与比较2

2.1数字时钟方案2

2.2数码管显示方案2

第三章系统设计3

3.1总体设计3

3.1.1系统说明3

3.1.2系统框图3

3.2模块设计4

3.2.1复位电路4

3.2.2按键调时间部分4

3.2.3温度采集部分5

3.2.4数码管位选部分5

3.2.5数码管段选部分6

3.2.5数码管显示部分6

3.2.6控制部分6

第四章原理图与PCB图8

第五章软件设计9

5.1程序流程图9

5.2源程序11

第六章总结18

6.1物品清单与元件特性18

6.2设计总结19

参考文献（References）：

20

致谢20

第1章前言

时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。

怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？

这就要求人们不断设计出新型时钟。

现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。

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，主要用在对时间精度要求不高的场合；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，典型的时钟芯片有：

DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。

本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机AT89C51芯片和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。

第一章

前言

时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。

怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？

这就要求人们不断设计出新型时钟。

现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。

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，主要用在对时间精度要求不高的场合；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，典型的时钟芯片有：

DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。

本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机AT89C51芯片和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。

第二章方案论证与比较

2.1数字时钟方案

数字时钟是本设计的最主要的部分。

根据需要，可利用两种方案实现。

方案一：

本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS12887A。

该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。

为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。

当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。

而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。

方案二：

本方案完全用软件实现数字时钟。

原理为：

在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。

利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将十字节清零。

该方案具有硬件电路简单的特点。

但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。

而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。

基于硬件电路的考虑，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。

2.2数码管显示方案

方案一：

静态显示。

所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。

该方式每一位都需要一个8位输出口控制。

静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。

但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，造成了资源的浪费。

方案二：

动态显示。

所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。

利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。

显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。

调整参数可以实现较高稳定度的显示。

动态显示节省了I/O口，降低了能耗。

从节省I/O口和降低能耗出发，本设计采用方案二。

第三章系统设计

3.1总体设计

3.1.1系统说明

利用单片机（AT89C51）制作带温度显示功能和定时功能的电子时钟。

由六个LED数码管分别显示小时十位、小时个位、分钟十位、分钟个位、秒钟十位、秒钟个位，两个LED数码管来显示环境实时温度。

四个按键进行时间的调节和定时调节。

3.1.2系统框图

控制部分

单片机（AT89C51）

时间显示部分

（六个个共阴极数码管）

按键部分

（k1,k2,k3,k4））

闹钟电路

复位电路

温度传感器（DS18B20）

温度显示部分

（两个共阴极数码管）

图3-1系统框图

3.2模块设计

3.2.1复位电路

图3-3复位电路

如图3-3所示，复位电路主要型号为10UF/16V的电解电容，型号为104的瓷片电容，10K的电阻以及按键K5构成，RESET接芯片的第9引脚，当开关按下时引脚9为高电平1，断开时引脚为低电平0。

3.2.2按键调时间部分

图3—4按键电路

图3—4为按键电路，采用的是低电平触发。

通过扫描的方式来进行识别单片机引脚的信号。

例如，当按下k1时，将P1.4口置零，此时将执行相应的程序，即让F_K1加1。

3.2.3温度采集部分

图3—5温度采集电路

如图3—5为温度传感器DS18B20的电路。

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

表1DS18B20温度与数字关系表

3.2.4数码管位选部分

图3-5数码管位选电路

图3-5为位选电路，这里采用的是74LS138译码器，由于3-8译码器的特点是每次输入对应一位高电平输出。

这样，在同一时刻，8位共阴极数码管中只有译码器输出为高电平的那位显示出字符，而其他7位则是熄灭的。

同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他个位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。

如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。

虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于LED的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。

表274ls138译码器码表

3.2.4数码管段选部分

图3-6数码管段选电路

如图3-6为数码管段选电路，采用的是74HC373锁存器进行字模的传输。

373的输出端O0~O7可直接与总线相连。

当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。

当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。

当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。

当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。

表374HC37功能表

3.2.5数码管显示部分

图3-6数码管显示

如图3-6为数码管显示情况，这里采用的是8个共阴极数码

3.2.6控制部分

图3-7

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

AT89C51提供以下标准功能：

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

如图3-7所示，AT89C51有40引脚，双列直插（DIP）封装，所用引脚功能如下：

1.VCC——运行时加＋4.5V

2.GND——接地

3.XTAL1——振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端

4.XTAL2——振荡器反相放大器的输出端

5.RST——复位输入，高电平有效，在晶振工作时，在RST引脚上作用2个机器周期以上的高电平，将使单片机复位。

WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFTAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。

6.EA/VPP——片外程序存储器访问允许信号。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地），如果EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

7.P1口,P2口——P1，P2是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

运行时通过P1口控制驱动电路的工作，将数据送到数码管，显示相应的段码，为了达到减少功耗或满足端口对最大电流的限制，应加上一限流电阻。

P2.0——P2.5口控制数码管的位选，使六个数码管轮流显示数据，等于1时位选三极管导通，等于0时位选三极管截止。

8.无自锁开关——（S2－P3.7）开关接相应引脚P3.7，当开关按下时，相应引脚为低电平0，断开时引脚为高电平1。

第四章原理图与PCB图

图4-1原理图

图4-2PCB图

第五章软件设计

5.1程序流程图

5.2源程序

第六章总结

6.1物品清单与元件特性

表6-1物品清单：

元件名称

规格型号

单位

数量

瓷片电容

22uF

只

2

电解电容

10UF/16V

只

1

电阻

10k

只

2

电阻

100

只

1

芯片

AT89C51

片

1

芯片座

DIP3

只

芯片座

DIP16

只

1

芯片座

DIP20

只

芯片座

DIP40

只

1

无源晶振

11.0592M

只

1

7段数码管

0.5寸/共阴

只

8

三极管

9012

个

6

按键

无自锁

只

5

单排插针

条

1

双排插针

条

1

电池盒

个

1

电路板

9.55*5.664

CM2

1

表6-2AT89C51功能特性：

  ·兼容MCS-51指令系统

·4k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM

  ·32个可编程I/O口

·4.0-5.5V工作电压范围

  ·2个16位可编程定时/计数器

·全静态工作模式：

时钟频率0-33MHz

  ·全双工UART串行中断口线

·128x8bit内部RAM

  ·6个中断源

·低功耗空闲和掉电模式

  ·中断唤醒省电模式

·3级程序加密锁

  ·看门狗（WDT）电路

·掉电标识和快速编程特性

6.2设计总结

本设计能够很准确的走时，并能够通过硬件对时钟进行时间调整。

◆功能介绍：

1.显示XX：

XX：

XX时间

2.时间可调：

调整键（S2）按下时间小于1秒（t<1s），关闭显示（省电）。

调整键（S2）按下（t>0.5s）分钟位闪亮，此时按下S2键（t<0.5s）该个位数值加1，当加到9时，再按下S2键则该个位显示0，分钟十位加1。

继续按下调整键（S2）（t>0.5s）时钟位闪亮，此时按下S2键（t<0.5s）该个位数值加1，当加到9时再按下加S2键则该个位显示0，时钟十位加1。

继续按下调整键（S2）（t>0.5s），返回到正常显示状态。

3.下载线和电源线插接说明：

1.下载线插接说明：

两排十针下载口，板图上都有一个小方框，为1号引角；下载线的凸口为正方向，凸口的右侧边的第一个插孔为1号引角，这一点一定要切记，不然的话程序下载不进去。

2.电源线插接说明：

电池盒的红线为正，黑线为负。

板子所留出来的电源插口用VCC（表示电源正）和GND（表示电源负）标明。

◆调试要点：

首先确保各器件的完好性，其次检测各芯片的电源线和地线是否接触良好，然后焊接器件，接好电源用万用表检测各电源端、地端的状态是否正常。

检查无误后插上AT89C51并烧写一简易的程序，观察电路是否能协同工作。

最后烧写工作程序，根据显示现象调试程序直至成功。

上电运行时，数码管开始显示00：

00：

00，时钟开始走时。

◆制作心得：

在这次课程设计的调试过程中，我遇到很多问题，如：

由于跳转指令出错，导致整个程序在运行时进入死循环，修改时没有根据流程盲目查找原因浪费许多时间，又由于考虑不周，时钟显示29：

89。

该电路缺少整点报时及闹钟功能，由于能力和时间问题只能到此为止，很是遗憾，但在查找资料的过程中学到了许多，同时在协作过程中增进同学间的友谊。

参考文献（References）：

[1]于海生．微型计算机控制技术[M]．清华大学出版社．1999-6

[2]孙涵芳．MCS-51系列单片机原理及应用[M]．北京航空航天大学出版社．1996-4

[3]黄正谨．综合电子设计与实践[M]．东南大学出版社．2002-3

[4]杨欣等．电子设计从零开始[M]．清华大学出版社．2005-10

[5]谢嘉奎．电子线路[M]．高等教育出版社．2003-2

[6]夏路易，石宗义．电路原理图与电路设计教程Protel99SE[M]．北京希望电子出版社．2002

[7]王毓银．数字电路逻辑设计[M]．高等教育出版社．2004-2

[8]邱关源．电路[M]．高等教育出版社