毕业设计论文数字钟设计.docx
《毕业设计论文数字钟设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文数字钟设计.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕业设计论文数字钟设计
题目：
基于单片机的数字钟设计
【摘要】近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
【关键词】单片机；集成块；程序设计
引言………………………………………………………………………1
一.单片机发展历史…………………………………………………….1
1.1三大阶段………………………………………………………….2
1.2单片机的发展趋势………………………………………………4
二.单片机的组成及特点………………………………………………6
2.1单片机的组成……………………………………………………6
2.2单片机的分类……………………………………………………6
2.3单片机的特点……………………………………………………7
三.设计方案……………………………………………………………8
3.1系统主要功能……………………………………………………8
3.2硬件设计…………………………………………………………8
3.3软件设计…………………………………………………………15
3.4错误检测…………………………………………………………19
3.5总结………………………………………………………………20
四.结束语………………………………………………………………20
附录…………………………………………………………………….21
1.电子钟基本部分参考电路器件清单
2.参考文献：
3.电子钟设计程序清单
引言
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。
但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势：
单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，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。
数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
一.单片机发展历史
1.1三大阶段
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。
自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。
如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段:
（1）第一阶段（1976-1978）：
单片机的控索阶段。
以Intel公司的MCS–48为代表。
MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。
MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
（3）第三阶段（1982-1990）：
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。
随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。
1.2单片机的发展趋势
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
CMOS化近年，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。
CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。
因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
低功耗化单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。
目前0.8V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
大容量化以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。
但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。
目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。
随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。
在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多5著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。
这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。
80C51单片机已成为单片机发展的主流。
二.单片机的组成及特点
单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。
就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。
2.1单片机的组成
单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。
其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。
2.2单片机的特点
由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。
单片机主要发如下特点：
（1）有优异的性能价格比。
（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
（3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
（5）外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
2.3单片机的分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。
根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
1.通用型/专用型
这是按单片机适用范围来区分的。
例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
2.总线型/非总线型
这是按单片机是否提供并行总线来区分的。
总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。
3.控制型/家电型
这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。
一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。
显然，上述分类并不是惟一的和严格的。
例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。
三.设计方案
3.1系统主要功能
电子钟的主要功能有：
四只LED数码管显示当前时间；两个按钮，一个用作“分”的设定另一个做“秒”的设定。
长按按钮可进行快进调节。
3.2硬件设计
电脑钟的原理框图如图1所示。
它由以下几个部件组成：
单片机89C2051、电源、时间显示部件以及显示驱动部分。
时分显示采用静态扫描，用74LS164驱动数码管显示时分，显示驱动的数据输出和时钟信号输出都通过AT89C2051的P1.0和P1.1口控制。
电源部分：
电源部分有二部分组成。
一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作。
3.2.1AT89C2051单片机及其引脚说明
AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。
内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。
由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图2所示。
与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为：
图2AT89C2051引脚配置
VCC电源电压。
GND接地。
RST复位输入。
当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。
XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2来自反向振荡放大器的输出。
P1口8位双向I/O口。
引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。
P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。
在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。
P3口引脚P3.0～P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。
P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。
P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。
P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。
P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
表1P3口特殊功能
P3口引脚
特殊功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
3.2.2驱动部件
本设计的驱动电路采用74LS164，74LS164是最常见的移位寄存器，移位寄存器是暂时记忆数据的“寄存器”，其特征是具有将数据向左或向右移动的功能。
移位寄存器有各种形式。
按存数据的位数有4位、8位等，按“输入/输出数据”形式有“串入/串出”、“串入/并出”、“并入/串出”、“并入/并入”等。
图3（a）是串行输入/并行（串行）输出移位寄存器74LS164的管脚排列图。
其功能表见表2所示。
74LS164有两个串行数据DA、DB输入端，使用时一般把它们连在一起；
为清零输入端，低电平有效，当该端加入低电平时，寄存器输出Q0～Q7全为低电平。
在正常情况下，清零输入端接高电平，当CP信号上升沿到来时，数据右移一位；Q0～Q7为并行数据输出端，同时Q7端也是串行数据输出端，对于串行输入的数据，最先输入的从Q7输出，最后进入的从Q0输出。
CP为移位脉冲。
图3常用移位寄存器管脚排列图
表274LS164的真值表
输入
输出
CPDADB
Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7
0XXX
00000000
10XX
Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7
1↑11
1Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6
1↑0X
0Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6
1↑X0
0Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6
3.2.3时间显示部件
由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。
LED有共阴极和共阳极两种。
如图4所示。
二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。
一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。
当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。
为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。
图4LED数码管结构原理图
众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。
本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。
所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的转换。
从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。
各段码位与显示段的对应关系如表3。
段码位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示段
dp
g
f
e
d
c
b
a
表3各段码位的对应关系
需说明的是当用数据口连接LED数码管a～dp引脚时，不同的连接方法，各段码位与显示段有不同的对应关系。
通常数据口的D0位与a段连接，D1位与b段连接，……D7位与dp段连接,如表3所示，表4为用于LED
码管显示的十六进制数和空白字符与P的显示段码。
表4LED显示段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
0
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
B
83H
7CH
3
BOH
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
84H
71H
7
F8H
07H
空白
FFH
00H
8
80H
7FH
P
8CH
73H
注：
（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。
（2）“空白”字符即没有任何显示。
3.2.4总原理图设计
根据AT89C2051单片机灌电流能力强，拉电流能力弱的特点，我们选用共阴数码管。
将AT89C2051的P1.0～P1.1分别与74LS164的数据输入口和时钟信号输入口相连，74LS164是8位串入并出移位寄存器，负责将P1.0输出的串行数据转换成并行信号。
显然，这种方式显示同样的位数使用单片机的口线大大减少，即可以让LED当前时间数值，数码管显示器有二种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。
为节省端口，本系统采用静态扫描显示方式。
系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成，前两只用于时的显示，后两只用于分的显示。
每个LED数码管由相对应的74LS164驱动，数码管的a,b,c,d,e,f,g,h,分别分别74LS164的QA，QB，QC，QD，QE，QF，QH相连。
具体设计原理图及实物PCB图见下图所示：
数字钟原理图5
3.3软件设计
本系统的软件系统主要可分为主程序和定时器中断程序以及查询P1.2，P1.3端口并判断是否调用子程序三大模块。
下面对部分模块作介绍。
3.3.1系统主程序设计
主程序的功能是完成系统的初始化，程序流程如图4所示。
图7
时间设置设计
在时间设置功能设计中，主要用判断语句JBP1.2，REL或JBP1.3，REL，进行对P1.2，P1.3端口的电平高低进行实时查询判断，初始值为低电平，当P1.2检查到高电平时，关闭TO，T1定时器中断，并使T0停止计时，进入分设置模式，设置完毕后返回，同时打开TO，T1定时器中断，并使T0开始计时；当P1.2检查到高电平时，同样的关闭TO，T1定时器中断，并使T0停止计时，进入时设置模式，设置完毕后返回，同时打开TO，T1定时器中断，并使T0开始计时。
分设置具体流程图设计见图（10）
分设置流程图与秒设置基本相似，把P1.2端口换成P1.3即可，在进位过程中的设计可以参看图，使之能在60时进位置00时。
流程图设计
（60min、60s既复位清零）
“秒”设置流程图图（10）
3.4错误检测
在此设计过程中，就对时分之间的点闪烁体现是用查表输出形式实现的，由于本系统设计是采用74LS164驱动数码管，只有一个数据信号输入口，所以不能对数码管进行“位”控，只能对数码管的整体显示进行控制。
所以每秒内至少需两次数据输出并显示，第一次输出显示的数的小数点都不亮，第二次输出显示的数（数的值不变）中第三个数码管的数的小数点亮，两者交替输出显示，即可实现点时分之间的点闪烁。
在具体实现过程中是用查表方式实现，即在第二次输出显示时，把R3的值加10，既R3查表所得的值是TAB表格中第二排数值（参看程序清单），而第二排数值所对应显示的数都是小数点亮的，在此次输出显示完成后，再把R3减10，返回原来的值并继续进行计时。
另外在设计按钮时，一开始遇到的难题是：
按一下按钮，时或分所加的数值并不为1，加的数为不确定值，最后经过研究，使设计程序在查询P1.2，P1.3端口时，若检测到高电平时需延迟20ms左右后，再进行二次检测，以消除按钮的抖动干扰，使之按一下能正确调节时分进行加1调整（参看程序清单）。
最后值得总结的是，在程序设计过程中还存在很多细节上的问题，如因为没有对进位标志位CY清零，在其他程序都正确的情况下却始终调不出正确满意的结果，最后费了很多时间精力去查找寻错，才得以解决。
3.5总结
上述电子钟，在外观上实行最简洁设计。
在元器件配置上选择最实惠器件进行设计，且功能完整，计时正确，精确度可达0.1S，已完全符合设计要求。
另外值得一提的是，本电子钟设计过程中，附加了比较实用功能，长按按钮，按住不放，可进行快进，即快速调节时间，按一下则进行加1调节，此功能并不需要任何的硬件，只需对程序进行稍微设计即可，所以此电子钟已完全符合市场上的所售电子时钟的一般功能的要求。
若需要，可进行批量生产，进行销售。
四．结束语
通过这次的设计使我认识到我对单片机方面的知识知道的太少了，对于书本上的很多知识还不能灵活运用，有很多我们需要掌握的知识在等着我去学习，我会在以后的学习生活中弥补我所缺少的知识。
本次的设计使我从中学到了一些
升级会员 