数字电子钟的设计与实现毕业设计.docx
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数字电子钟的设计与实现毕业设计
摘要
时间对人们生活和生产有着重要的意义。
因此,如何精确的知道、计算时间就成了从古至今人们一直在努力的方向。
传统机械钟主要使用机械齿轮传动,由于机械磨损、老化以及制造工艺等原因导致使用寿命有限,并且误差较大。
电子钟,也称为数字显示钟,是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置,与传统的机械钟相比,它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点,且因非机械驱动,因而具有更长的使用寿命,相较石英钟的石英机芯驱动,更具准确性,现已成在人们日常生产生活中的必需品,在家庭、办公室、码头、剧院以及车站等场所被广泛应用。
本文的主要内容是基于AT89C51单片机设计实现数字电子钟。
在深入地学习和理解了C51系列单片机的相关知识绘制电路图后,应用汇编语言编程实现预期的实验目的。
以AT89C51单片机作为整个系统的控制核心,简化了系统的结构和生产成本,模块化的设计便于及时的修改和调试系统,并重视实用性和个人不同的喜好。
这个数字电子钟及拥有基本电子钟的计时功能,有可以实现闹铃和秒表功能的扩展。
它的体积小,功能多,省电节源,有很广泛的适用范围。
使用动态显示方式将数码管的管脚串联起来,与一般静态显示方式不同,减少连接,节约成本。
分软硬件细致地介绍了本实验各部分的设计思路以及具体的实现步骤。
采用模块设计的思想,在设计时分为一个个小的功能模块,便于调整和修改。
本论文的目的是了解数字电子钟的工作原理,并在设计和调试的过程中学习发现中小规模集成电路在实际应用与理论学习的不同之处,掌握基于单片机的中小规模集成电路的开发流程及要注意的方面。
关键字:
AT89C51数字电子钟单片机
Abstract
Thetimetothepeoplelifeandproductionhasimportantsignificance.Therefore,howtoknowprecisely,thecomputationtimeassinceancienttimespeoplehavebeeneffortsdirection.Thetraditionalmechanicalclockmainlyusesthemechanicalgeardrive,duetomechanicalwear,agingandmanufacturingprocesscausesthelifetimeislimited,andalargererror.Electronicbell,alsoknownasthedigitaldisplayclock,isadigitalcircuittodisplaythesecondsandminutes,whenthetimingdevice,andthetraditionalmechanicalclocks,ithastheaccuratetime,intuitivedisplay,nomechanicaltransmissionetc,andbecauseofamechanicaldrive,andthereforehasalongerservicelife,comparedwiththequartzclockquartzmovementdriving,moreaccuracy,hascalledinthepeopledailylifeessentialnecessities,infamily,office,dock,theatreandrailwaystationsandotherplaceswidelyused.
ThemaincontentofthispaperisbasedontheAT89C51single-chipdesignofdigitalelectronicclock.IndepthstudyandunderstandingoftheC51SeriesMCUrelatedknowledgetodrawacircuitdiagram,theapplicationofassemblylanguageprogrammingtoachievethedesiredobjective.WithAT89C51MCUasthecontrolcoreofthesystem,simplifyingthestructureofsystemandthecostofproduction,themodulardesigntofacilitatetimelymodificationanddebuggingsystem,andtheimportanceofpracticalandpersonalpreferences.Thisdigitalelectronicclockandhasbasicelectronicclocktimingfunction,canachievethealarmandstopwatchfunctionexpansion.Ithastheadvantagesofsmallvolume,multiplefunctions,energysourcesaving,hastheverybroadscopeofapplication.Theuseofdynamicdisplayofthedigitaltubefeettogether,andthegeneralstaticdisplaydifferentways,reducetheconnection,costsaving.Markcarefullyintroducesthehardwareandsoftwareinthisexperimentthedesignideaandspecificimplementationsteps.Themoduledesignidea,designtimeforasmallfunctionmodule,convenientadjustmentandmodification.
Thepurposeofthispaperistounderstandtheworkingprincipleofdigitalelectronicclock,andinthedesignanddebugginginthecourseofthestudyfoundthatthesmallscaleintegratedcircuitinpracticalapplicationsandtheoreticallearningdifferences,masterchipbasedonsmallscaleintegratedcircuitdevelopmentprocessandshouldpayattentiontotheaspects.
Keywords:
AT89C51digitalelectronicclockMCU
第一章绪论
一、单片机简介
(一)发展历程
单片机是微型计算机的一个重要分支特别适用于工业控制领域。
大体的发展历程可分为四个阶段:
1.第一代:
单片机探索阶段(1974~1978年)
工业控制领域对计算机提出了嵌入式应用要求,首先是实现单芯片形态的计算机,以满足构成大量中小型智能化测控系统的要求。
因此,这阶段的任务是探索计算机的单芯片集成。
单片机(SingleChipMicrocomputer)的定名即缘于此。
2.第二代:
单片机完善阶段(1978~1983年)
计算机的单芯片集成探索,特别是专用CPU型单片机探索取得成功,肯定了单片微机作为嵌入式系统应用的巨大前景。
典型代表是Intel公司将MCS-48迅速向MCS-51系列的过渡。
3.第三代:
微控制器形成阶段
作为面对测控对象的计算机系统,不仅要求有完善的计算机体系结构,还要有许多面对测控对象的接口电路,如ADC、DAC、高速I/O接口、计数器的捕捉与比较,保证程序可靠运行的WDT(程序监视定时器),保证高速数据传输的DMA等。
这些为满足测控要求的外围电路,大多数已超出了一般计算机的体系结构。
为了满足测控系统的嵌入式应用要求,这一阶段单片微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,从而形成了不同于单片微机特点的微控制器。
微控制器MCU(Micro ControllerUnit)一词缘于这一阶段,至今微控制器(MCU)仍是国际上对单片机的标准称呼。
4.第四代:
微控制器百花齐放
第四代单片微机的百花齐放将单片微机用户带入了一个可广泛选择的时代。
(1)电气商、半导体商的普遍投入。
(2)满足各种类型要求的单片机种类繁多。
(3)大力发展专用型单片机。
(4)致力于提高单片微机综合品质。
(二)单片机的特点
1.硬件特点
单片机作为微型计算机的一个分支,与一般的微型计算机没有本质上的区别,同样具有快速、精确、记忆功能和逻辑判断能力等特点。
但单片机是集成在一块芯片上的微型计算机,它与一般的微型计算机相比,在硬件结构和指令设置上均有独到之处,主要特点有:
(1)目前大多数单片机采用哈佛(Harvard)结构体系,存储器ROM和RAM是严格区分、相互独立的。
(2) I/O引脚通常是多功能的。
(3)有面向控制的指令系统。
(4)外部扩展能力强。
2.单片机的应用特点
(1)体积小,成本低,运用灵活,性能价格比高,易产品化;研制周期短,能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器。
(2)可靠性高,抗干扰性强:
BUS大多在内部,易采取电磁屏蔽;适用温度范围宽,在各种恶劣的环境下都能可靠地工作。
(3)实时控制功能强:
实时响应速度快,可直接操作I/O口。
(4)可方便地实现多机和分布式控制,提高整个控制系统的效率和可靠性。
表1.1AT89系列单片机一览表
型号
快闪程序存储器(KB)
数据存储器(B)
寻址范围ROM(KB)
寻址范围RAM(KB)
并行I/O口线
串行UART
中断源
定时器/计数器
工作频率(MHz)
AT89C51
4
128
64
64
32
1
5
2×16
0~24
AT89C52
8
256
64
64
32
1
6
2×16
0~24
AT89LV51
4
128
64
64
32
1
5
2×16
0~24
AT89LV52
8
256
64
64
32
1
6
3×16
0~24
AT89C1051
1
64
4
4
15
—
3
1×16
0~24
AT89C1051U
1
64
4
4
15
1
5
2×16
0~24
AT89C2051
2
128
4
4
15
1
5
2×16
0~24
AT89C4051
4
128
4
4
15
1
5
2×16
0~24
AT89C55
20
256
64
64
32
1
6
3×16
0~23
AT89S53
12
256
64
64
32
1
7
3×16
0~23
AT89S8252
8
256
64
64
32
1
7
3×16
0~23
AT88SC54C
8
128
64
64
32
1
5
2×16
0~24
二、国内外研究现状
单片机也叫做单片微控制器,他并不是用来实现某一个逻辑功能的芯片,而是一个完整的系统。
可以这样说,单片机就是把一个计算机系统集成到一个芯片上,一个单片机也就是一台微型电脑。
他具有体积小、质量轻、应用简便。
造价低廉等优点,进入了人类生活和生产的各个角落,如智能仪表、家用电器、实时控制等方面,为人类社会的现代化、智能化、自动化起到了巨大的促进作用。
随着科学技术的不断进步,人们的生活节奏也越来越快,对度量单位精确性的要求也越来也高,尤其是时间方面的要求。
在现代化通信领域,无论是采集还是发送信号,时间的控制都是要求极为精确的,而传统机械时钟也无法满足这些要求,所以高精度的数字钟便飞速发展起来。
基于单片机的数字电子钟具有精确度高、可靠性好、便于调节等方面的优点,在现代社会中应用的非常普遍,无论是旅店、车站、机场还是电视、手机里都可以见到。
三、本文研究的意义及目的
随着电子技术的飞速发展,特别是伴随着大规模集成电路的产生而出现的微型计算机给人们的生产和生活带来的极大的便利,从工厂到床头,大到飞机巨轮,小到手表路灯,到处都可以看到单片机的应用。
更重要的是,由于单片机的可靠性和智能性,使其在广泛应用到工业控制系统、数据采集系统、智能仪表系统、办公自动化的领域中的同时,大大减少人力的需求,释放了大量的劳动力,并极大的减少了可能出现的误差。
可以说,单片机的应用与开发已逐步成为衡量一个国家自动化发展水平高低的一个重要标志。
本次设计是基于AT89C51单片机基本原理、应用典型接口电路的方法,实现通过单片机驱动,在LED数码管动态显示时、分、秒。
通过本次试验掌握及熟练应用汇编语言编程、功能电路图的绘制和修改。
第二章基于单片机的数字电子钟电路的硬件设计与实现
一、设计思路
(一)工作原理
计数时钟由复位电路模块、时钟电路模块、显示电路模块、报警模块、分/小时设定模块等组成。
电子钟是一个将“时”,“分”、“秒”用LED数码管显示的计时装置。
它的计时周期为24小时,显示满刻度为23时59分59秒,具有校时功能和报时功能。
因此,一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”,“分”,“秒”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。
主电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。
秒信号产生器是整个系统的时基信号,它直接决定计时系统的精度,采用内部定时/计数器方式将标准秒信号送入“秒计数器”,“秒计数器”采用60进制计数器,每累计60秒发出一个“分脉冲”信号,该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。
“分计数器”也采用60进制计数器,每累计60分钟,发出一个“时脉冲”信号,该信号将被送到“时计数器”。
“时计数器”采用24进制计时器,可实现对一天24小时的累计。
译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态用七段显示译码器译码,通过七段显示器显示出来。
整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生脉冲信号,然后去触发音频发生器实现报时。
校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整。
(二)设计思路
用单片机设计电子时钟通常有两种方法:
一是通过单片机内部的定时器/计数器。
这种方法硬件线路简单,采用软件编程实现时钟计数,一般称为软时钟。
系统的功能一般与软件设计相关,通常用在对时间精度要求不高的场合;二是采用时钟芯片,它的功能强大,功能部件集成在芯片内部,自动产生时钟等相关功能。
硬件成本相对较高,软件编程简单。
通常用在对时钟精度要求较高的场合。
基于单片机的数字电子钟的设计要通过软件和硬件相结合来实现。
通过AT89C51单片机内部定时器计数的方式来确定时间,以保证计时的准确,并将误差控制在最小的范围内。
然后利用软件的灵活性对时间信号进行调整和控制,将AT89C51单片机计算后的信号分别送入相应的LED七段数码管显示时间。
软件:
通过QTH使用汇编语言编写程序,Proteua软件进行绘制电路图和仿真;
硬件:
AT89C51单片机、LED七段数码管、12MHz晶振、电阻、电容等。
(三)设计要求
用单片机及键盘、LED数码管显示器构成一个单片机应用硬件系统,在此硬件系统上设计一个时间可预制的数字电子钟,用8个数码管显示小时、分钟和秒。
显示部分与键盘合用部分I/O接口,显示采用动态显示。
1.基于AT98C51单片机实现12h/24h计时方式的数字电子钟;
2.在六个七段LED数码管上分别显示时、分、秒,自动进位;
3.进制:
时:
12或24进制;分:
60进制;秒:
60进制;
4.可实现复位,修改时间;
5.设置定点闹铃;
6.使用12MHz的晶振产生振荡脉冲,定时器计数使计时准确,误差小。
二、数字电子钟的硬件设计
(一)硬件选择
1.单片机:
采用AT89C51单片机,12MHz晶振
2.显示电路:
采用软件动态译码LED显示
3.电源:
直流+5V电源
1.AT89C51
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C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。
AT89C51单片机提供4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,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。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
外形及引脚排列如图2.1所示
图2.1三种单片机外形图
双列直插式封装(DIP)的8051单片机有40条引脚,其引脚图如图2.2所示。
图2.2AT89C51单片机管脚图
主要特性:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命:
1000写/擦循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·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
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。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻。
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。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。
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,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
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,如下所示:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果
微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP:
当EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
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。
编辑本段芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬
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