单片机电子时钟毕业论文设计.pdf

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1、I / 22 单片机电子时钟的设计 摘要 单片机自20 世纪 70 年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用 很广、发展很快。单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性 高、灵活性好、开发较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化 控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，而51 单 片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习、应用，以 AT89S51 芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由4.5V 直流电源供 电，通过数码管能够准确显示时间，

2、调整时间，从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。 关键词： 单片机 AT89S 摘要 I Abstract 错误！未定义书签。 第一章前言0 第二章方案论证与比较1 2.1 数字时钟方案1 2.2 数码管显示方案1 第三章系统设计2 3.1 总体设计2 3.1.1 系统说明2 3.1.2 系统框图2 3.2 模块设计3 3.2.1 电源部分3 3.2.2 复位电路3 3.2.3 程序下载接口4 3.2.4 位选部分4 3.2.5 数码管的连接电路5 3.2.6 控制部分5 第四章原理图与PCB图 7 第五章软件设计8 5.1 程序流程图9 5.2 源程序 11 第六章总结17 6.1 物品清

3、单与元件特性18 6.2 设计总结18 参考文献（ References）： 19 致谢错误！未定义书签。 0 / 22 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

4、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：

5、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AT89S51 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。 1 / 22 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

6、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

7、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

8、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。 2 / 22 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（AT89S51）制作简易电子时钟，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。6个 PNP 管（ 9012）分别控制六个数码管的亮 灭，一个按键用于时间调整。 3.1.2 系统框图 图 3-1 显示部分 控制部分 单片机（ AT89S51） 按

9、键 S2 复位电路 电源部分 直流电源4.5V 6 个七段共阴极数码管 显示秒，分钟及小时位 位选部分 6 个 PNP 三极管（ 9012） 3 / 22 3.2 模块设计 3.2.1 电源部分 图 3-2 如图 3-2 所示，从外部引入4.5V 的直流电，为单片机、复位电路提供电源。 3.2.2 复位电路 图 3-3 如图 3-3 所示，复位电路主要由型号为1N4148 的二极管，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S1 构成， S1 接芯片的相应引脚RST，当开关按下时 引脚 RST 为高电平1，断开时引脚为低电平0。 4 / 22 3.2

10、.3 程序下载接口 图 3-4 如图 3-4 所示，由AT89S ISP 构成的两排十针下载口，板图上有一个小方框，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。 3.2.4 位选部分 图 3-5 图 3-5 为位选电路，三极管的集电极接数码管的公共端，当P2 口对应的引脚输出高电平时三 极管导通，对应的数码管显示数据。这样，在同一时刻，6 位 LED 中只有选通的那1 位显示出字 符，而其他5 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

11、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。 5 / 22 3.2.5 数码管的连接电路 图 3-6 图 3-6 为数码管的引脚图，每位的段码线 （ a,b,c,d,e,f,g,dp）分别与1 个 8 位的锁存器输出相连，由 AT89S51 控制组合09 十个数据，如令其显示1 则 b,c 引脚 （即 2， 3引脚）送高电平，此时数码管显示1。由于各位的段 码线并联， 8

12、位 I/O 口输出段码对各个显示位来说都是相同 的。 3.2.6 控制部分 6 / 22 图 3-7 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能CMOS 8 位单片机，片内含4K bytes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。AT89S51 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

13、 3-7 所示， AT89S51 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SFT AUXR 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

14、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（S2P3.7）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

15、。 7 / 22 第四章原理图与 PCB图 图 4-1 8 / 22 图 4-2 第五章软件设计 9 / 22 5.1 程序流程图 主程序开始 设定定时器常数， 开中断 显示时间 到 1 秒？ T0 中断 现场保护 重装定时器初值 满 20 次否？ 满 24小时否？ 满 60 秒否？ 满 60 分否？ 恢复现场 时值加 1 时缓冲单元清零 秒值加 1 分缓冲单元清零 秒缓冲单元清零 分值加 1 结束 10 / 22 时钟调整程序 关闭显 示，省电 分钟闪烁，调时状态 分值加 1 按键 S2时间 t1 时值=24？ 按键 S2 时间 t1000 次） ISP Flash ROM 32 个可编程

16、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 19 / 22 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（ t0.5s）分钟位闪亮，此时按下S2键（ t0.5s）时 钟位闪亮，此时按下S2 键（ t0.5s），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

17、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。 i.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AT89S51 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

18、始走时。 ii.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Protel 99SEM 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 20 / 22