简易电子钟设计单片机课程设计.docx

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简易电子钟设计单片机课程设计

单片机课程设计

简易电子钟设计

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2007年6月26日

摘要

本设计是利用AT85C51和液晶显示管制作的实用电子钟，可完成计时，计分，计秒和校时，校分的功能。

微处理器是单片机的核心，完成运算和控制的操作串行口数据存储器与复位电路，时钟电路，校时电路由微处理器控制完成各自的任务。

最后通过液晶显示器显示时、分、秒。

在振荡器正在运行时，复位是靠RST或在RST引脚上施加持续2个机器周期的高电平来实现，在RST引脚上施加高电平的第2个周期执行内部复位，以后每个周期执行一次，直到RST变化。

复位时，ALE和/RSEN输出高电平，机ALE=1和/RSEN=1，片内RAM不受复位的影响，复位后PC指向0000H使单片机从起始地址0000H开始执行程序。

设计中采用内部时钟方式，在XTAL1和XTAL2两端接晶振，与内部反向器构成稳定的自激振荡器，其发出的时钟脉冲直接送入片内定时控制部件，该简易电子钟最后由6个液晶显示管显示，分、秒段式LCD显示采用七段显示，其结构除在上电极板上喷上a到g这七个笔画外，还在下电极板喷上与笔画相对应的“日”字形的电极并接公共电极COM。

另外时钟的校对采用与校对普通电子手表相同的操作方式来完成，只需按K1、K2两个键来校时、校分。

AT85C51的XTAL1和XTAL2分别为反向器的输入和输出，RST为复位输入，由它再接一个上拉电阻，引脚被拉高，P1口作为电子钟的位选，P3口部分作为电子钟的输出端。

目录

1概述3

1.1电子钟的设计要求和内容3

2系统总体方案及硬件设计4

2.1系统总体方案4

2.2硬件设计4

2.2.1时钟电路4

2.2.2复位电路5

2.2.3LCD数码显示电路6

2.2.4AT89C51单片机芯片7

3软件设计9

3.1流程图9

4proteus软件下的仿真11

5设计心得14

参考文献15

附1源程序代码16

附2简易电子钟系统电路图20

1概述

单片机即微处理器，自1976年Inter公司推出MCS-48，迄今已有20多年了。

由于单片机具有集成度高，功能强，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等一系列优点，目前已经应用到人们工作和生活的各个领域，单片机的应用已经从面向工业控制，通信，交通，智能仪表等迅速发展到家用消费产品，办公自动化，汽车电子，PC机外围以及网络通信等广大领域，目前最具有代表性的是MC-51系列单片机，MC-51虽然是8位的单片机，但是它比MCS-48功能强大，此外还具有品种全，兼容性强，软硬件丰富等优点。

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。

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。

1.1电子钟的设计要求和内容

1.任选一款51系列单片机

2.能完成时分秒的显示

3.能完成校时校分

4.要求用Proteus软件进行仿真

2系统总体方案及硬件设计

2.1系统总体方案

采用AT89C51来设计电子钟。

按照功能要求确定系统方案，如下图所示。

从图中可以看出该设计有微处理器模块，串行口通信模块，时钟模块，数据存储模块以及显示模块等组成。

图1控制器功能框图

2.2硬件设计

2.2.1时钟电路

本设计的时钟电路的设计如图2。

对于时间要求不是很高的系统，只要按图进行设计就能使系统可靠起振并稳定运行。

但由于图中的C1、C2电容起着系统时钟频率微调和稳定的作用，因此，在本闹钟系统的实际应用中一定要注意正确选择参数（30±10PF），并保证对称性（尽可能匹配），选用正牌厂家生产的瓷片或云母电容，如果可能的话，温度系数要尽可能低。

实验表明，这2个电容元件对闹钟的±走时误差有较大关系。

图2　系统时钟电路

2.2.2复位电路

随着微电子技术的飞速发展，单片机的性能迅速提高，在运算、逻辑控制、智能化方面显示出非凡的优势，在很大程度上取代了原来由数字逻辑电路、运算放大电路组成的检测、控制电路，应用非常广泛。

但由于它存在着死机、程序跑飞等致命缺陷，使它在许多重要场合的应用受到限制。

在抗干扰方面的许多技术，比如设软件陷阱、加硬件看门狗电路等，可使这一问题有较好的解决，但仍然存在问题：

①看门狗动作时，意味着已经出现了错误，且运行了一段时间，这在有些场合是不允许的；②有时程序出现死循环错误，但是刚好把看门狗控制环节包含进去，对于这样的错误采用看门狗无法识别；③在检测控制周期比较长的系统中，单片机花大量时间等待外设，执行等待命令时同样会受到干扰。

针对这些情况，我们在实践中尝试了主动复位的办法，采用等间隔的脉冲或根据外部条件对单片机进行复位唤醒。

每次复位后，单片机执行相应的程序，执行完任务后及时进入休眠，等待下次复位。

用此方法较好地解决了上述问题，并在农用变压器综合保护器实验中得到了较好的效果。

下面以51系列单片机为例探讨具体原理与实现方法，复位信号为高电平。

本设计采用的是上电复位方式。

RC复位电路的实质是一阶充放电电路，现结合图3说明这种复位电路的特点。

系统上电时该电路提供有效的复位信号RST（高电平）直至系统电源稳定后撤销复位信号（低电平）。

理论上说，５１系列单片机复位引脚只要外加2个机器周期的有效信号即可复位，即只要保证t＝RC>2M（机器周期）便可，但实际设计中，通常取C1为10µＦ以上，R1通常取10K左右。

实践发现R1如果取值太小，例如1Ｋ，则会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。

图3中的虚线所接的续流二极管D1对于改善复位性能，起到了重要作用，它的作用是在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，因此一定宽度的电源毛刺（如波形中A点）也可令系统可靠复位。

图3　ＲＣ复位电路

2.2.3LCD数码显示电路

本设计采用的LCD液晶显示器来显示时钟的时间。

液晶显示器是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。

由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。

对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定。

LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。

一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据、显示图像，这样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。

完全没有辐射的优点，即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大伤害。

LCD显示器的工作原理：

LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。

因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。

背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。

液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。

在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。

在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。

当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

图4LCD液晶显示

2.2.4AT89C51单片机芯片

本设计采用的AT89C51单片机芯片来实现电子钟的设计的。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图片见下图：

图5AT89C51芯片

AT89C51单片机芯片的主要特性有：

与MCS-51兼容，4K字节可编程闪烁存储，数据保留时间长达10年，内含有128*8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路

AT89C51单片机芯片还具有振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

AT89C51单片机芯片管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

3软件设计

本设计采用中断方式进行设计程序的，在中断中应注意的问题：

采用中断的方式，最好将定时器中断的优先级设置为最高级，关于程序数据的稳定性应注意两个问题：

一，在低优先级中断响应时，应在入栈保护数据时禁止高优先级的中断响应。

二，在入栈保护有关数据后，对中断程序执行有影响的状态位，寄存器，必须恢复为复位状态的值。

例如，在以下程序中，由于用到了十进制调整，所以在中断进入时，将PSW中的AC，CY位清零，否则，十进制调整出错。

定时准确性的讨论：

程序中定时器，一直处于运行状态，也就是说定时器是理想运作的，其中断程序每隔0.1秒执行一次，在理想状态下，定时器定时是没有系统误差的，但由于定时器中断溢出后，定时器从0开始计数，直到被重新置数，才开始正确定时，这样中断溢出到中断响应到定时器被重新置数，其间消耗的时间就造成了定时器定时的误差。

如果在前述定时器不关的情况下，在中断程序的一开始就给定时器置数，此时误差最小，误差大约为：

每0.1秒，误差7—12个机器周期。

当然这是在定时器定时刚好为0.1秒时的情况，由以上分析，如果数字钟设计为查询的方式或是在中断的方式下将定时器中断设置为最高级，我们在定时值设置时，可以适当的扣除9个机器周期的时间值。

但如果在中断的情况下，没有将定时器中断设置为最高级，那就要视中断程序的大小，在定时值设置时，扣除相应