基于单片机电子时钟设计.pdf

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1、课程设计 (论文) 题 目 名 称基于单片机的电子时钟设计 课 程 名 称C51 应用技术课程设计 学 生 姓 名 学号 系 、专业电气工程系 指 导 教 师 2014 年 6 月 3 日 邵阳学院课程设计（论文）任务书 年级专业学生姓名学号 题目名称 基于单片机的电子时钟设计 设计时间 2014 年 6 月 3 日2014 年 6 月 16 日 课程名称 C51 应用技术课 程设计 课程编号121200105设计地点 数字控制与PLC 实验室 创新实验室 （214） （305） 一、课程设计（论文）目的 课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。单片机课程 设计，

2、 要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺 乏动手能力的现象. 单片机课程设计是继电子技术、和单片机原理与应用课程之后开 出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程“电子技术基础”、 “单片机原理及 应用”的基本知识，独立进行单片机应用技术和开发工作,掌握单片机程序设计、调试和应用电路 设计、分析及调试检测。 二、已知技术参数和条件 1、 89C51 系列单片机 2、 KEIL 软件； Wave 软件 3、 THKSCM-1 型单片机实验系统。 三、任务和要求 1、用 6 个 7 段 LED 数码管作为显示设备，设计时钟功能； 2、可以分别

3、设定小时、分钟和秒，复位后时间为00：00：00； 3、秒钟复位功能，秒复位键按下后，秒回到00； 4、要求设计出电气原理图；设计出程序流程图；设计出程序。 注： 1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效； 2此表 1 式 3 份，学生、指导教师、教研室各1 份。 四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等） 1、单片机课程设计指导，中南大学出版社，张一斌等2009 年 9 月 2、单片机实验与实践教程，北京航空航天大学出版社，何立民等2004 年 7 月 3、THKSCM-1 型单片机实验系统实验指导书、KEIL 软件， WAVE 软件 4、数字控制与PL

4、C 实验室 ” THKSCM-1 型单片机实验系统” 。 五、进度安排 2014 年 6 月 3 日-4 日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求总体方案设计 2014 年 6 月 5 日-6 日：硬件电路设计 2014 年 6 月 7 日-9 日：软件设计 2014 年 6 月 10 日-12 日：系统调试改进 2014 年 6 月 13 日：整理书写设计说明书 2014 年 6 月 14 日：答辩并现场考核 六、教研室审批意见 设计目的明确，要求合理，难度适中，符合课程设计教学要求。 教研室主任（签名） ：年月日 七|、主管教学主任意见 符合课程设计要求。 主管主任（签名） ：年月

5、日 八、备注 指导教师（签字） ：学生（签字）： 邵阳学院课程设计（论文）评阅表 学生姓名学号 系电气系专业班级 题目名称基于单片机的电子时钟设计课程名称C51 应用技术 一、学生自我总结 通过这次课程设计我也发现了自身存在很多缺点。理论知识太少了，还有总是不能完全浸下 心来学习，这是一个很大的缺点，但是，俗话说，知错能改善莫大焉，在今后的学习过成我会尽力 改正这些点，也尽力去学习别人的优点。 最后在这里衷心的感谢老师安排了这次电子技术课程设计，感谢王老师的辛勤付出。这种综合型的 设计课，不仅对我们今后的发展有着重要的影响，也是对我们过去所学的一个总结，还是非常感谢 王老师的指导与帮助，让我学

6、到了很多和成长了许多。 学生签名：年月日 二、指导教师评定 评分项目平时成绩论文答辩综合成绩 权重30 40 30 单项成绩 指导教师评语： 指导教师（签名） ：年月日 注： 1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面； 2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。 I 摘 要 在日新月异的21世纪里，家用电子产品得到了迅速发展。许多家电设备都趋于人 性化、智能化，这些电器设备大部分都含有CPU控制器或者是单片机。单片机以其高 可靠性、高性价比、 低电压、低功耗等一系列优点， 近几年得到迅猛发展和大范围推广， 广泛应用于工业

7、控制系统、通讯设备、日常消费类产品和玩具等。 本文设计的电子万年历属于小型智能家用电子产品。利用单片机进行控制，实时时 钟芯片DS12C887时钟芯片进行记时及掉电存储，外加键盘电路和显示电路，可实现 时间的调整和显示。电子万年历既可广泛应用于家庭, 也可应用于银行、邮电、宾馆、 医院、学校、企业、商店等相关行业的大厅，以及单位会议室、门卫等场所。因而，此 设计具有相当重要的现实意义和实用价值。 关键词：高精度时钟；DS12C887；STC89C52RC；LCD1602 目录 摘要. 引言1 1系统总体设计 .2 1.1 系统设计的主要内容和具体要求 2 1.1.1 主要内容 2 1.1.2

8、具体技术要求 : .2 1.2 设计方案 3 1.2.1 方案: 基于DS12C887的电子时钟设计 3 2 系统硬件电路设计 4 2.1 单片机控制电路 4 2.1.1STC89C52的引脚及功能 .4 2.1.2 复位电路 .6 2.1.3 晶振电路 .7 2.2 DS12C887时钟电路 7 2.2.1 器件介绍 7 2.2.2 DS12C887与单片机的连接 . 8 2.3 1602液晶显示屏 8 2.4 键盘电路 . 11 2.5 闹铃电路 . 11 2.6 电子时钟原理图 12 3系统软件程序设计 13 4 结论 14 参考文献. 15 附录：电子钟设计电路实物图 16 致谢 17

9、 引言 数字时钟具有性能稳定、 精确度高、 成本低、易于产品化， 以及方便、 实用等特点。 适用于家庭、公司、机关等众多场所。为人们的日常生活、出行安排提供了方便，成为 人们日常生活中不可缺少的一部分。 近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的 时钟已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变 化，有电子时钟、数字闹钟等等。 单片机在多功能高精度时钟中的应用已是非常普遍的， 人们对高精度钟的功能及工作顺序都非常熟悉，但是却很少知道它的内部结构以及工作 原理。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功 能，将其

10、时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘可以进行定时、校时 功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。 本 文 提 出 了 一 种 基 于STC89C52RC单 片 机 的 时 钟 设 计 方 案 ， 本 方 案 以 STC89C52RC单片机作为主控核心， 与时钟芯片DS12C887、独立按键、1602LCD 显示等模块组成硬件系统。在硬件系统中设有独立按键和LCD显示器，根据使用者的 需要可以随时对时间进行校准与设定等操作，综上所述此电子时钟具有读取方便、显示 直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具 有广阔的市场前景。 1系统总

11、体设计 图1.1 系统总体设计图 1.1 系统设计的主要内容和具体要求 1.1.1主要内容 本次设计的题目是基于DS12C887的高精度时钟的设计， 可以正常的显示年、 月、 日、时、分、秒。本系统利用单片机实现具有计时、校时等功能的数字时钟，是以单片 机STC89C52为核心元件，同时采用1602液晶显示屏动态显示“时” 、 “分” 、 “秒” 的现代计时装置。与传统机械表相比，它具有走时精确，显示直观等特点。另外具有校 时功能，利用单片机实现的数字时钟具有编程灵活，便于功能的扩充等优点。 本次设计可分为两部分：硬件部分、软件部分。 硬件部分包括：STC89C52单片机、DS12C887时钟

12、芯片、1602LCD液晶显示 器。主要由STC89C52单片机、实时时钟芯片电路、液晶显示输出电路、键盘输入电 路等几大部分组成。具体说来，系统智能控制部分由单片机及其相关的外围电路组成， 外围电路包括复位电路、晶振电路、键盘设计、闹铃电路及电源电路。 利用单片机将复位电路、动态显示电路、电源电路等正确的连接在一起，并通过单 片机的编程来实现本次设计任务中的要求。 软件部分主要包括了主程序模块，DS12C887模块，LCD1602模块，键盘控制 模块。 1.1.2 具体技术要求 （1）在1602液晶上显示年、月、日、星期、时、分、秒，并且按秒实时更新显示。 人机接口 单片机控制电路 软件控制程

13、序 显示电路 电源电路 （2）具有闹铃设定及到时报警功能，报警响起时按任意键可取消报警。 （3）能够通过按键随时调节各个参数，按键可设计4个有效键，分别为功能选择键、 数值增大键、数字减小键和闹铃查看键。 （4）每次有键按下时，蜂鸣器都以短“滴”声报警。 （5）利用DS12C887自身掉电可继续走时的特性，设计实现断电时间不停、再次 上电时间仍然准确显示在液晶上的功能。 1.2 设计方案 时钟电路有各种各样的，在不同的要求和条件下有着各自的优势，本设计的题目是 高精度时钟的设计，根据设计要求时钟显示正常的年、月、日、星期、时、分、秒。要 想实现上述功能，所以设计要从电路设计的性价比、 显示时间

14、的精确以及稳定性为前提。 本设计是要将硬件系统和软件系统有机的结合在一起，方可实现我们设计任务中的各项 要求。 1.2.1方案：基于DS12C887的电子万年历设计 在以单片机为核心构成的装置中，经常需要一个实时的时钟和日历，以便对一些实 时发生事件记录时给予时标，实时时钟芯片便可起到这一作用。过去多用并行接口的时 钟芯片，如MC146818,DS12887等。它们已能完全满足单片机系统对实时时钟的要 求，但是这些芯片与单片机接口复杂、占用地址, 数据总线接线多、芯片体积大占用空 间多、近年来串行接口的各种芯片在单片机系统中应用愈来愈多，串行接口的实时时钟 芯片也出现了不少，DS12C887是

15、一个综合性能较好且价格便宜的串行接口实时时钟 芯片。 利用单片机进行控制，采用DS12C887作为实时时钟芯片，并与单片机进行同步 通信，外加显示电路、键盘电路、闹铃电路，即构成一个基本的电子万年历系统。若还 要添加其他功能，在这基础上外扩电路即可。 由于在系统设计时，需要考虑以下几点因素：功耗低、精确度高、软件编程较简单，芯 片的体积小、芯片成本低等，而DS12C887芯片有上面所述的诸多优点，所以本设计 采用此方案。 2 系统硬件电路设计 按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由主控模块、时钟模块、供电模块、 键盘接口模块、显示模块和闹铃模块共6个模块组成，电路系统构成框图如图2.1所示

16、。 图2.1实时日历时钟电路系统构成框图 2.1 单片机控制电路 单片机控制系统包括STC89C52单片机以及它的外围电路（晶振电路和复位电 路） 。 2.1.1STC89C52的引脚及功能。 单片机STC89C52的管脚说明如图2.2所示。 图2.2 STC89C52管脚图 DS12C887 时钟电路 STC89C52RC 控制芯片 键盘扫描电路 供电电路 闹钟电路 LCD1602显示 （1）主要电源引脚VCC 电源端GND 接地端 （2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的 输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收

17、振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时 钟发生器的输入端。 XTAL2 接外部晶体的另一个引脚。 在单片机内部， 它是上述振荡器的反相放大器的 输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。 (3) 控制或与其它电源复用引脚RST、ALE/PROG、/PSEN和/EA/VPP RST复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使 单片机复位。 ALE/PROG 当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的 低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的 1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目

18、的。 然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存 储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（/PROG） 。 /PSEN 程 序存 储允 许 （/PSEN）输 出是 外部程 序存 储 器的读 选 通信 号。 当 STC89C52/LV52由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次/PSEN 有效（既输出2个脉冲） 。但在此期间内，每当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 外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H FFFFH） ，则/EA端必须保持低电平（接到GND端） 。当/EA端保持

19、高电平（接VSS 端）时， CPU 则执行内部程序存储器中的程序。 输入/ 输出引脚P0.0 P0.7、P1.0P1.7、P2.0 P2.7和P3.0P3.7 P0端口（P0.0 P0.7）P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用 时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入 端用。 P1端口（P1.0 P1.7）P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1 的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内 部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。作输入口时，因为有内部的上拉 电阻，那些被外部信号拉低的引脚

20、会输出一个电流。 P2端口 （P2.0P2.7）P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2 的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内 部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内 部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 P3端口（P3.0P3.7）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，这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能，这

21、些特殊功能见表2.1。 表2.1 P3端口的特殊功能 端口引脚兼用功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外部中断0） P3.3 INT1（外部中断1） P3.4 T0（定时器0的外部输入） P3.5 T1（定时器1的外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 WD（外部数据存储器读选通） 2.1.2 复位电路 单片机复位的条件是当单片机振荡器工作时，RST引脚上出现持续两个机器周期 的高电平，从而实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一 定的起振时间，RST引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复

22、位。 STC89C52的复位是由外部的复位电路来实现的： 图2.3 复位电路图 2.1.3晶振电路 晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。晶振电路中接在晶振旁的两个电容，叫 负载电容。一般单片机的晶振工作于并联谐振状态，也可以理解为谐振电容的一部分。 电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有 少许影响，C2、C3可在30pF时振荡器有较高的频率稳定性。 图2.4晶振电路图 2.2 DS12C887时钟电路： 本次设计采用实时时钟芯片是DS12C887，这种实时时钟芯片具备年、月、日、 星期、时、分、秒计时功能和多点定时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不

23、需 程序干预。 2.2.1器件介绍 DS12C887是美国Dallas半导体公司推出的并行接口实时时钟日历芯片，采用 CMOS技术制成，具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池，同时它与计算机常用的时钟 芯片MC146818和DS12887管脚兼容，可直接替换。采用DS12C887芯片设计的 时钟电路无需任何外围电路和器件，并且有良好的微机接口。DS12C887芯片内有微 功耗，外围接口简单，精度高，工作稳定可靠等优点，广泛各种需要较高精度的实时时 钟系统中。 DS12C887主要功能介绍： （1）内含一个锂电池，断电后运行十年以上不丢失数据； （2）计秒、分、时、天、星期、日、月、年、并有闰年补偿功

24、能； （3）二进制数码或BCD码表示时间，日历和定闹； （4）12小时或24小时制，12小时时钟模式带有PM和AM指示，有夏令时功能； （5）Motorola和Intel总线时序选择； （6）有128个字节RAM单元与软件接口，其中14个字节作为时钟和控制寄存器， 114字节为通用RAM，所有RAM单元数据都具有掉电保护功能； （7）可编程方波信号输出； （8）中断信号输出（IRQ）和总线兼容、定闹中断、周期性中断、时钟更新周期、 结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试； 2.2.2 DS12C887与单片机的连接 DS12C887是一款纯数字式的芯片，只要它与电片机的I/O口直接相连就可

25、以操 作。操作DS12C887时钟芯片共需要13条信号线，分别是并行数据地址复用线 AD0AD7、CS、AS、R/W、DS和IRQ。然后将RESET引脚固定接高电平，再 将DS12C887芯片的VCC和GND引脚正确连接即可。DS12C887的管脚如图2.5 所示。 图2.5 DS12C887管脚图 2.3 1602液晶显示屏 液晶显示器简称为LCD显示器，它是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向 的特征实现显示信息的。液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等 特点，在单片机应用系统中得到日益广泛的应用。液晶显示器按其功能可分为三类：笔 端式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图

26、形点阵式液晶显示器。前两种可以显示数 字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形。 下面是1602字符型LCD引脚接口介绍。 图 2.6 1602字符型LCD显示器正反面 1602字符型LCD引脚说明 。 第1脚：VSS 为电源地，接GND。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度 最高，对比度过高时会产生 “鬼影” ，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：RW 为读写信号线， 高电平时进行读操作， 低电平时进行写

27、操作。 当 RS和 RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读 忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：EN 端为使能端，当E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第15脚：BLA背光电源正极 (+5V)输入引脚。 第16脚：BLK背光电源负极，接GND。 引脚说明如表2-2所示。 表2.2 1602字符型LCD引脚 1602字符型LCD与单片机的连接接口说明如下： （1）液晶1、2端为电源；15、16端为背光电源；15脚接一个10欧电阻用于限流。 （2）液晶3端为液晶对比度调节端，

28、通过一个10K电位器接地来调节液晶显示对 比度。首次使用时，在液晶的上电状态下，调节至液晶上面一行显示出黑色小格为止。 （3）液晶4端为向液晶控制器写数据 /写命令选择端，接单片机的P2.5口。 （4）液晶5端为读 /写选择端只向其写入命令和显示数据。 （5）液晶6端为使能信号，是操作时必须的信号，接单片机的P2.6口。 图2.7 LCD1602连接图 2.4键盘电路 本设计共采用按键4个，分别与单片机的P2.4、P2.3、P2.2、P2.1口相连，分 别是功能选择键、数值增大键、数值减小键和闹铃查看键。在时间调节中，可按功能选 择键，配合数值增大、减小功能键可分别对日期和时间进行调节。在调节

29、过程中，显示 器光标会在对应调节项目上游走，分别是： “秒、分、时、星期、日、月、年” 。在闹铃 设置中，可按闹铃查看键，配合数值增大、减小功能键可对闹铃时间进行设置。 图2.8 键盘电路图 2.5闹铃电路 随着闹铃时间的设定，当实时时间到达闹钟的时间时，P2.0会输出一组方波，当 P2.0输出一个高电平时， 使三极管导通， 喇叭会发出蜂鸣声， 当P2.0输出为低电平时， 三极管不导通喇叭不发声。 所以，整个闹钟输出为一组滴滴声。 闹铃电路如图2.9所示。 图2.9闹钟电路图 2.6电子时钟电路原理图 图3.1 电路总原理图 3系统软件程序设计 在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大

30、量的工作就是如何根据每个 生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地 位。 在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理 包括：数据的采集、数字滤波等。 过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算， 然后再输出，以便控制实现想要的结果。 为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫 做一个模块。所谓“模块” ，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程 序设计方法叫模块程序设计法。 模块程序设计法的主要优点是：单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；模块 可以共存，一个模块可以被多个任务在不

31、同条件下调用；模块程序允许设计者分割任务 和利用已有程序，为设计者提供方便。 本系统软件采用模块化结构，主要由主程序DS12C887子程序、LCD1602子 程序及键盘控制子程序构成。 4 结论 本设计硬件电路较简单，所用器件较少，电路中使用了STC89C52单片机、 DS12C887时钟芯片、1602液晶显示器等主要器件 , 实现计时、校时和闹铃功能。 在对芯片的管脚功能和用法有充分的了解后，根据设计要求设计硬件电路，包括单片机 控制电路、 时钟电路、 显示电路、供电电路、 键盘电路和闹铃电路。 然后通过软件编程， 实现了对年、月、日、时、分、秒、星期、闰年和阴历的自动调整，用按键进行控制，

32、 用液晶模块进行显示，并具有闹铃功能。 实时日历电子钟可以正常显示时间并进行时间调整，基本完成了预期要实现的目 标。 参考文献 1 郭天祥 . 新概念 51 单片机 C 语言教程 M. 北京：电子工业出版社，2013. 2 美普拉塔 . C Primer Plus（第五版）中文版.北京：人民邮电出版社，2005. 3 宋雪松、李东明、崔长胜. 手把手教你学单片机（C 语言版） .北京：清华大学出版社，2014. 4 胡宴如 . 模拟电子技术基础.高等教育出版社，2011. 5 张克农 . 数字电子技术.高教出版社出版，2010. 附录：实时日历电子钟设计电路实物图 致谢 首先，在这里感谢学校给我们安排这次课程设计，使我有一个可以自己动手学习的 机会。通过动手实践，我学习到了很多课本以外的知识，体会到了自己亲自动手做出成 果的喜悦。 其次，在这要感谢我的指导老师王跃球老师，在百忙之中抽出宝贵的休息时间，仔 细耐心为我为我指导，虽然老师工作繁忙，但还是会时常关注学生的课设进展，并给出 很多宝贵的点拨，帮助我们解决了很多技术上难题。可以说，没有老师的悉心指导，就 不会有我今天的作品。 最后，我还要感谢这次课程设计中给我帮助的同学，是你们的帮助，我才能顺利的 完成课程设计任务。谢谢你们的帮助。