数字钟设计与实现数码管Word下载.docx

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单片机分别与DS1302和18B20进行串口通信，对其进行读/写数据，通过74HC595在LED数码管上显示；

整个过程就是先设计和焊接好硬件电路，通过C语言编写应用程序，利用软件将程序下载到单片机。

使其成为一个独立的数字电子钟。

本设计已完成数字钟的基本功能：

正常走时（年、月、日、时、分、秒），校正时间，并显示温度。

且操作简单、运行稳定。

关键词：

单片机数码管芯片DS1302芯片18B02

MCU-basedDesignandImplementationofDigitalClock

Abstract

Inthemodernlifeofthehigh-speedrun-timeinpresent,theaccurateandwelltimedconfidencetimeisparticularlyimportant.becauseofourtraditionalclock’scharacteristicsofitsoneself,functionveryfinite.So,thedesigntopicthatusesSingleChipMicrocosmtocarryoutelectricclockemergewiththetideofthetimes.thistopicisthedesignthatusessinglechipmicrocosmtocarryoutthenumericalelectricclock.SingleChipMicrocosmwithitsspecialcharacteristics,Havealreadyapliedextensivelyandvariousintelligentinstrument,Familyelectricaparatus,theelectrontoyetc.eachrealm.

Thetopicincludeshardwaredesignandsoftwaredesignintwoparts.MainhardwareincludesAT89S52Single-chip,LEDdigitaltube,DS1302,18B20,74HC595andanumberofkeys,etc..TheideaofsoftwareisthatthemonolithicintegratedcircuitseparatelycarriesontheserialportcorrespondencewithDS1302and18B20,carriesontoitreads/writesthedata,demonstratedthrough74HC595ontheLEDnixietube.Theentireprocessisdesignsandweldsthehardwareelectriccircuitfirst,throughtheClanguagecompilationapplicationprocedure,downloadsusingthesoftwaretheprocedurethemonolithicintegratedcircuit.Causesittobecomeanindependentdigitalelectronclock.

Thedigitalclockhasbeendesignedtocompletethebasicfunctions:

thenormaltraveltimewithyear,month,day,hour,minute,secondandcorrectiontime,anddisplaytemperature.andtheoperationissimple,themovementisstable.

Keywords:

MCUdigitalclockchipDS1302chip18B02

1引言

随着半导体技术的飞速发展，以及移动通信、网络技术、多媒体技术在嵌入式系统设计中的应用，单片机从4位、8位、16位到32位，其发展历程一直受到广大电子爱好者的极大关注。

单片机功能越来越强大，价格却不断下降的优势无疑成为嵌入式系统方案设计的首选，同时单片机应用领域的扩大也使得更多人加入到基于单片机系统的开发行列中，推动着单片机技术的创新进步。

而数字钟正是一种用数字电路技术与单片机技术实现计时的装置，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，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

数字钟是指以微处理器为核心，充分利用数字技术和软件技术，与各类脉冲信号的传感器配合，记录时间等的智能仪表。

数字钟是日常生活、工业生产中常用的一种工具，社会拥有量和需求量都很大。

功能上要求能够完成准确走时、调时，性能上要求抗干扰能力强，稳定可靠，同时在价格上具备竞争力。

结合以上几点，设计了一款数字钟，达到了可靠和经济的双重要求，同时易于与其它产品结合使用，是非常必要的。

本设计主要着眼于数字钟的可靠性与实用性，把工业用单片机技术、与微型机技术应该在数字钟设计中，开辟了单片机技术与现代计时方法相结合的一条新路。

该电子钟设计工作原理为：

单片机上电后，从芯片DS1302上讲读取时间数据，计时开始。

通过按钮进行调时，上电复位进行校正时间。

通过芯片18B20来读取温度，通过LED数码管显示其值。

日常生活中对单片机数字钟的问题要求越来越高，本设计仅针对简单的数字钟进行研究。

能够实现数字钟的正确走时以及温度的显示。

2单片机及辅助工具介绍

2.1单片机基础知识

单片微型计算机简称单片微机或单片机，又称微控制器。

它是在一块半导体芯片上，集成了CPU、ROM、RAM、I/O接口、定时器/计数器/中断系统等功能部件，构成了一台完整的数字电子计算机。

由于集成电路技术的进步，片内甚至还可包含HSO、HIS、A/D转换器、PWM等称为“片内外设”的特殊功能部件。

随着单片机功能的增强，由单片机构成的计算机应用系统也日益增强，它一样可以配用打印机、绘图仪、CRT等外围设备，一样可以联网。

特别是1987年INTEL公司在MCS-96的基础上继续推出了MCS-196，又陆续出现了许多新趋向，例如：

HSO、HIS发展为EPA；

数据传送有了PTS；

配合大功率晶体管的控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器等领域的突出地位，并使它不断拓宽应用范围，增添了新的活力。

2.2单片机的历史

单片机（singlechipmicrocomputer）是指在一块半导体芯片上集成了中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、程序存储器（ROM或EPROM）、定时/计数器及各种I/O接口电路等，也就是指集成在一块半导体芯片上的计算机。

由于单片机体积小、价格低、特别擅长于作为控制器使用，因而又称单片机为微控制器（microcontroller）。

单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段

第一阶段——单片机阶段（1976午～1978年）。

这阶段的任务是探索计算机的单芯片集成。

以Intel公司的MCS—48为代表，其CPU、存储器、定时器／计数器、中断系统、I/O端口、时钟以及指令系统都是按嵌入式系统要求专门设计的。

第二阶段——单片机的完善阶段（1978年～1982年）。

计算机的单芯片集成探索取得成功后，随后的任务就是要完善单片机的体系结构。

作为这一阶段的典型代表是Inlel公司将MCS—48向MCS—5l系列的过渡。

它在以下几个重要方面奠定了单片机的体系结构

（1）完善的外部总线。

有8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口。

（2）CPU外围功能单元的集中管理模式。

（3）设置面向工控的位地址空间及位操作方式。

（4）指令系统突出控制功能。

第三阶段——微控制器形成阶段（1983年～1990年）。

这一阶段单片机的主要技术发展方向是满足测控对象要求的外围电路的增强，如A／D转换、D／A转换、高速I／O口、WDT（程序监视定时器）、DMA（高速数据传输）等，强化了智能控制的特征。

第四阶段——微控制器全面发展阶段（1990年以后）。

即当前的单片机时代，其显著特点是百花齐放、技术创新。

单片机正在满足各个方面的需求。

从玩具、小家电、工程控制单元到机器人、智能仪表，过程控制，个人信息终端等无所不能。

2.3单片机的发展过程

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有

（1）低功耗CMOS化：

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。

象80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。

CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。

所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

（2）微型单片化：

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

（3）主流与多品种共存：

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。

所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。

而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。

此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。

在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。

2.4单片机的应用

（1）智能仪器仪表

单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。

如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。

机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。

单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。

典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。

（2）实时工业控制

单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。

电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。

在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。

典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。

（3）分布式系统的前端模块

在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。

在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。

（4）家用电器

家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。

如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。

另外在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。

如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。

2.5ProtelDXP2004软件介绍

目前，许多软件公司开发了大量的EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化）软件，在众多EDA软件中，Protel当之无愧的排在前列，随着计算机技术的不断进步，为适应时代的发展，Altium公司也推出了ProtelDXP2004是目前最新的版本，成为新一代的EDA前端设计工具。

ProtelDXP打破了传统的设计工具模式，提供了以项目为中心的设计环境，包括强大的导航功能、源代码控制、对象管理、设计变量和多通道设计等高级设计方法。

其特点如下

（1）全新一代的EDA前端设计工具

ProtelDXP建立在独特的设计浏览器集成平台上。

设计浏览器允许ProtelDXP系统的各个模块交互工作在一起，就像操作单一的模块工具一样，界面统一。

（2）数模混合电路仿真功能

ProtelDXP能够在原理图输入阶段进行信号完整性分析，有效避免了设计师在设计初级阶段存在的问题，极大提高了设计师的设计效率，提高了板卡的设计效率。

（3）支持FPGA设计

DXP全面支持FPGA（英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在可编程器件的基础上进一步发展的产物的设计），用DXP的原理图编辑器就可以进行FPGA的设计输入，还能实现原理图和VHDL（英文全写是：

VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）HardwareDescriptiongLanguage翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言，它的应用主要是应用在数字电路的设计中）混合输入，并提供了强大的VHDL仿真和综合功能。

（4）PLD设计

PLD（ProgramableLogicDevice，可编程逻辑器件，是允许用户编程（配置）实现所需逻辑功能的电路，它与分立元件相比，具有速度快、容量大、功耗小和可靠性高等优点）提供多功能的开发环境。

可生成器件编程和测试所需的全部文件，为CPLD设计提供了良好的解决方案。

（5）以“规则驱动”为核心，提供强大的PCB设计工具

ProtelDXP的PCB（PrintedCircuitBoard的简写，中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。

由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板）设计系统为用户提供了一个图形化的人机交互设计平台和一系列完备的设计规则以及强大的完全可控的参数化设计手段。

（6）先进的自动布线功能

DXP基于拓扑逻辑路径影射技术的自动布线器，完全摆脱了基于网格、基于形状自动布线技术的正交几何约束。

（7）信号完整性前/后端分析

Protel包含一组全面的信号完整性设计规则，内容包括网络阻抗、过冲、下冲、延迟时间、信号斜率等。

（8）PCB机电一体化设计

DXP的View3D可以提供PCB版图设计真实的、尺寸精确的三维视图；

可以和机械CAD双向接口，并可以用Web浏览器直接形象地表示出器件和PCB整板结构，使机电设计有机地结合为一体，真正实现机电一体化设计。

2.6Proteus

2.6.1Proteus简介

Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有近20年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，Proteus能够很容易的为用户建立了完备的电子设计开发环境。

Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真，PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。

Proteus产品系列也包含了革命性的VSM技术，用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。

用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真，从而看到运行后输入端输出的效果。

配合系统配置的虚拟仪器、逻辑分析仪等可以测量仿真的波形及记录仿真数据。

在不需要硬件设备投入的情况下，Proteus软件可以建立完整的电子学习设计开发环境，缩短研发周期，并且降低开发成本。

Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。

因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。

图2-1Proteus启动时的屏幕

2.6.2Proteus的基本操作

绘制原理图要在原理图编辑窗口中的蓝色方框内完成。

操作方法和步骤是：

如果知道器件的名称或名称中的一部分，可以在左上角的关键字搜索栏Keywords中输入，例如输入AT89C51或89C51，即可在Results栏中筛选出该名称或包含该名称的器件，双击Results栏中的名称“AT89C51”即可将其添加到对象选择器。

在对象选择器中就有了AT89C51这个元件后，左击一下这个元件，然后把鼠标指针移到右边的原理图编辑区的适当位置，点击鼠标的左键，就把AT89C51放到了原理图编辑区。

编辑对象的操作包括：

选中对象，删除对象，拖动对象，旋转对象的方向，复制对象，设置对象的属性。

2.6.3连线（WIRINGUP）

说明：

连接电路不需要选择工具，直接用鼠标左击第一个对象连接点后再左击另一个连接点，则自动连线。

在两个对象（器件引脚或导线）连线应该注意的事项

（1）如果你想自己决定走线路径，只需在想要拐点处点击鼠标左键。

（2）为了避免导线太长太多影响图纸布线的美观，对于较长的导线，可以分别在需要连接的引脚开始绘制一条短导线，在短导线末端双击鼠标以放置一个节点，然后在导线上放置一个标签（Label），凡是标签相同的点都相当于之间建立了电气连接而不必在图上绘出连线。

（3）在连线过程的任何一个阶段，你都可以按ESC来放弃连线。

（4）连线与2D图形工具中的绘制直线不同，前者具有导线性质，后者不具备导线性质。

2.7KeiluVision2软件介绍

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

KeilC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境，同时保留了汇编代码高效，快速的特点。

C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。

C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：

编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。

uVision2IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。

uVision2集成开发环境介绍，工程（project）是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的。

一个单一的uVision2工程能够产生一个或多个目标程序。

产生目标程序的源文件构成“组”。

开发工具选项可以对应目标，组或单个文件。

uVision2包含一个器件数据库（devicedatabase），可以自动设置汇编器、编译器、连接定位器及调试器选项，来满足用户充分利用特定微控制器的要求。

此数据库包含：

片上存储器和外围设备的信息，扩展数据指针（extradatapointer）或者加速器（mathaccelerator）的特性。

uVision2可以为片外存储器产生必要的连接选项：

确定起始地址和规模。

uVision2强大的集成功能有助于用户按期完工。

集成源极浏览器利用符号数据库使用户可以快速浏览源文件，用详细的符号信息来优化用户变数存储器；

文件寻找功能：

在特定文件中执行全局文件搜索；

工具菜单：

允许在V2集成开发环境下启动用户功能；

可配置SVCS接口：

提供对版本控制系统的入口；

PC－LINT接口：

对应用程序代码进行深层语法分析；

Infineon的EasyCase接口：

集成块集代码产生；

Infineon的DAVE功能：

协助用户的CPU和外部程序，DAVE工程可被直接输入uVision2。

uVision2源代码编辑器包含了所有用户熟悉的特性。

彩色语法显像和文件辩识都对C源代码进行和优化。

可以在编辑器内调试程序，它能提供一种自然的调试环境，使你更快速地检查和修改程序。

uVision2允许用户在编辑时设置程序断点（甚至在源代码未经编译和汇编之前）。

用户启动V2调试器之后，断点即被激活。

断点可设置为条件表达式，变量或存储器访问，断点被触发后，调试器命令或调试功能即可执行。

在属性框（attributescolumn）中可以快速浏览断点设置情况和源程序行的位置。

代码覆盖率信息可以让你区分程序中已执行和未执行的部分。

uVision2中，可以编写或使用类似C的数语言进行调试。

可以使用内部函数，如print，memset，rand及其它功能的函数；

信号函数，模拟产生CPU的模拟信号和脉冲信号（simulateanaloganddigitalinputstoCPU）；

用户函数，扩展指令范围，合并重复动作。

KeilC51编译器在遵循ANSI标准的同时，为8051微控制器系列特别设计。

语言上的扩展能让用户使用应用中的所有资源。

C51编译器可以实现对8051系列所有资源的操作。

SFR的存取由sfr和sbit两个关键字来提供。

变量可旋转到任一个地址空间。

用关键字－at－还能把变量放入固定的存储器。

存储模式（大，中，小）决定了变量的存储类型。

连接定位器支持的代码区可达32个，这就允许用户在原有64KROM的8015基础上扩展程序。

在V2的编译器和许多高性能仿真器中，可以支持应用程序的调试。

C51允许用户使用C语言编写中断服务