基于单片机的简易电子时钟单片机的科研实践学位论文Word文件下载.docx
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5.2硬件调试17
5.3实物调试17
结论19
参考文献20
附录1元件清单21
附录2实物图22
附录3程序代码23
基于单片机的简易电子钟设计
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STC89C51单片机为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由5V直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间，调整时间，从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。
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。
数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。
在这次设计中，我们采用LED数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，用12MHz的晶振产生振荡脉冲，定时器计数。
在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整。
数字钟是其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱，因此得到了广泛的使用。
关键词：
单片机，数码管，电子时钟
第1章概述
1.1课题意义
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。
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。
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。
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、分和秒的校对，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。
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STC89C51单片机和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。
1.2课题内容
此设计是在数码管上显示时、分和秒，电路包括：
键盘、单片机、显示驱动电路及发生驱动。
各部分说明：
（1）键盘用于校正、调节数码管上显示的时间。
（2）单片机通过输出各种电脉冲信号开驱动控制各部分正常工作。
（3）单片机发送的信号经过显示电路通过译码最终在数码管上显示出来。
（4）整点或半点蜂鸣器响，小灯整点闪10下，半点的时候闪5下。
系统工作过程：
时间的主要处理过程是在CPU中完成的。
CPU会随时对时间进行读取数据的操作。
在读取了相应的寄存器的值后，CPU将读取的值进行处理，再通过I/O口把数据显示在数码管上。
第二章单元电路方案论证
根据设计要求，本系统主要由控制器模块、显示驱动模块和输入模块构成。
为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了以下几种方案并分别进行了论证。
2.1控制器模块
方案1：
采用51系列作为系统控制器
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
由于其功耗低、体积较小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域应用广泛。
而且抗干扰性能好。
方案2：
采用凌阳系列单片机为系统的控制器
凌阳系列单片机可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性。
凌阳系列单片机提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
因51单片机价格比凌阳系列低得多，且本设计不需要很高的处理速度，从经济和方便使用角度考虑，本设计选择了方案1。
2.2计时模块
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DS12C887。
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。
2.3显示模块
采用LED数码管
显示用LED数码管。
虽然显示的内容有限，但是也可以显示数字和几个英文字母，在此设计中已经足够了，并且价格比液晶字符式要低的多，为了降低设计制作的成本，在此设计中我们选用LED数码管显示。
采用液晶字符显示器
显示用液晶，可以用软件达到很好的控制，硬件不复杂，液晶字符显示器可以显示很丰富的内容，显示清晰，但是液晶字符式价格昂贵，在本设计中不需要用到复杂的显示内容，因此我们放弃了此方案。
从经济的角度考虑，我们选择了方案1。
2.4最终方案
经过反复论证，最终确定了如下方案：
（1）采用STC89C51单片机作为主控制器。
（2）采用单片机内部定时器计时。
（3）采用LED数码管作为显示器。
第三章系统硬件介绍
本设计采用STC89C51单片机作为主控制器，外部加上74HC573驱动数码管。
系统总体框图如下：
图1系统总体框图
3.1STC89C51单片机简介
单片机是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。
片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、PWM等模块。
（一）STC89C51主要功能、性能参数如下：
（1）内置标准51内核，机器周期：
增强型为6时钟，普通型为12时钟;
（2）工作频率范围：
0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ;
（3）STC89C51RC对应Flash空间：
4KB;
（4）内部存储器（RAM）：
512B;
（5）定时器\计数器：
3个16位；
（6）通用异步通信口（UART）1个；
（7）中断源:
8个；
（8）有ISP（在系统可编程）\IAP（在应用可编程）,无需专用编程器\仿真器；
（9）通用I\O口：
32\36个；
（10）工作电压：
3.8~5.5V；
（11）外形封装：
40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。
（二）STC89C51单片机的引脚说明
如图2所示：
图2STC89C51单片机引脚图
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P1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/地址的第八位。
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外部必须被拉高。
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口作为第八位地址接收。
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。
P3.0RXD（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。
（三）STC89C51单片机最小系统：
最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。
用STC89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，原理图如图3所示。
图3单片机最小系统原理图
3.2数码管驱动模块
数码管是一种把多个LED显示段集成在一起的显示设备。
有两种类型，一种是共阳型，一种是共阴型。
共阳型就是把多个LED显示段的阳极接在一起，又称为公共端。
共阴型就是把多个LED显示段的阴极接在一起，即为公共商。
阳极即为二极管的正极，又称为正极，阴极即为二极管的负极，又称为负极。
通常的数码管又分为8段，即8个LED显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP是小数点位段。
而多位数码管，除某一位的公共端会连接在一起，不同位的数码管的相同端也会连接在一起。
即所有的A段都会连在一起，其它的段也是如此，这是实际最常用的用法。
数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。
静态显示就是数码管的8段输入及其公共端电平一直有效。
动态显示的原理是，各个数码管的相同段连接在一起，共同占用8位段引管线；
每位数码管的阳极连在一起组成公共端。
利用人眼的视觉暂留性，依次给出各个数码管公共端加有效信号，在此同时给出该数码管加有效的数据信号，当全段扫描速度大于视觉暂留速度时，显示就会清晰显示出来。
图4数码管
本设计采用共阴数码管，显示方式为动态显示，利用数码管的dp点将小时、分钟和秒分隔开。
3.374HC573芯片介绍
74HC573包含八路D型透明锁存器，每个锁存器具有独立的D型输入，以及适用于面向总线的应用的三态输出。
所有锁存器共用一个锁存使能（LE）端和一个输出使能（OE）端。
当LE为高时，数据从Dn输入到锁存器，在此条件下，锁存器进入透明模式，也就是说，锁存器的输出状态将会随着对应的D输入每次的变化而改变。
当LE为低时，锁存器将存储D输入上的信息一段就绪时间，直到LE的下降沿来临。
当OE为低时，8个锁存器的内容可被正常输出；
当OE为高时，输出进入高阻态。
OE端的操作不会影响锁存器的状态。
本设计只用到了74HC573的驱动作用，来驱动数码管的形，使得数码管更亮，单片机直接控制数码管的位，实现数码管的驱动显示，电路中的应用图5如下：
图574HC573驱动电路
3.4按键调时模块
单片机键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种：
独立键盘每一个I/O口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地（一般接地），这种接法程序比较简单且系统更加稳定；
而矩阵式键盘式接法程序比较复杂，但是占用的I/O少。
根据本设计的需要这里选用了独立式键盘接法。
在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖动。
这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。
这种抖动一般10~200毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒的单片机而言则是慢长的。
硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，软件去抖动不是去掉抖动，而是避抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。
所以这里选择了软件去抖动，实现法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时10~200毫秒以避开抖动（经典值为20毫秒），延时结束后再读一次I/O口的值，这一次的值如果为1表示低电平的时间不到10~200毫秒，视为干扰信号。
当读出的值是0时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。
硬件电路如图6所示：
图6键盘控制电路图
本设计的按键功能是：
当K1按键的时候是小时加一，当K2按下的时候分钟加一，当K3按下的时候秒清零。
就是通过这3个按键实现对时间的校正。
3.5整点提示模块
整点提示模块包括LED提示和蜂鸣器提示。
本设计中半点的时候LED小灯会闪烁5次，整点的时候会闪烁10次。
图7LED提示电路
设计的声音提示是用三极管驱动蜂鸣器。
利用三极管当做开关电路可以保护单片机，还可以起到放大电流的作用，当三极管基极为高电平时，发射极截止，为低电平时，发射极导通。
报警模块如图8所示。
图8蜂鸣器驱动模块
第四章.系统软件设计
4.1编程软件KeilC51
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
Keil_c软件界面如图1所示：
图1Keil_c软件界面
该软件是一款集编程和仿真于一体的软件，它支持汇编、C语言及二者的混合编程。
4.2仿真软件proteus
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
图2proteus仿真软件
4.3程序流程图
程序流程图如图3所示：
图3程序流程图
第5章调试与实现
5.1软件调试
利用KeilC编写程序，根据4.1讲诉的方法对编写的程序进行调试，调试结果如图5-1所示。
图5-1程序调试最终结果
此次程序，先调试数码管显示程序，再调试控制按键程序：
小时加、分钟加和秒清零，最后进行整点半点提示调试。
程序调试是本次设计较为困难的一部分，需要反复的调试，才能达到理想的效果。
其中时间的准确度是本设计的重点调试对象，要反复调整定时器中断的初值，来达到设计的准确性。
5.2硬件调试
利用Proteus软件进行模拟仿真，这是实物制作很重要的一步。
主要是结合编译产生的hex文件对程序进一步调试，51单片机通过加载hex文件进行仿真，通过仿真的结果检验本次设计最终的效果。
Proteus最终调试结果如图5-2所示。
图5-2Proteus最终调试结果
5.3实物调试
经过仿真软件的成功，接下来就是实物的制作，再是程序的烧写，最后进行实物的调试。
最终调试结果如图5-3、5-4所示。
图5-3半点调试
图5-4整点调试
本次调试中应注意的事项或情况有：
线路焊接好后，不要忙于通电，首先要检测有没有短路，万一有短路又通电后，将会很麻烦，容易烧毁电路板或元器件，更容易引发安全隐患。
初次按下按键的时候，按键会加好几个数，按键的延时去抖已经加了为什么还会这样呢，经过反复的查找和更改程序，最终知道原来按键的处理程序没有加等待按键释放程序，如果不加，就在轻轻按下按键的一瞬间程序已经走了好几遍，所以会出现这个情况。
再一个遇到的问题就是整点的时候小灯会闪，但是蜂鸣器不会响。
首先检测程序发现没有问题，仿真是没问题的。
通过排除发现一定是硬件的原因，用万用表测量单片机的引脚有电平变化，那一定就是蜂鸣器驱动那里的问题了，最终发现是三极管的引脚接错了，发射极和集电极接反了，重新焊接就正常了。
结论
我在这一次数字电子钟的设计过程中，很是受益匪浅。
通过对自己在大学三年时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对毕业设计的思考及书面表达能力，最终完成了。
这为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验。
撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。
培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。
通过这次课程设计我发现，只有理论水平提高了；
才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。
这个实验十分有意义
我获得很深刻的经验。
通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。
我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。
学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。
这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。
.
参考文献
【1】51单片机C语言应用程序设计实例精讲/戴佳，戴卫恒编著.--北京：
电子工业出版社，2006.4（电子工程应用精讲系列）
【2】51单片机C语言程序设计经典实例/陈忠平编著.--北京：
电子工业出版社，2012.5（卓越工程师培养计划）
附录1元件清单
序号
名称
型号、参数
备注
数量
1
CPU
STC89C52
DIP40封装
2
数码管
7SEG-MPX4-CC
3
7SEG-MPX2-CC
4
驱动数码管
74HC573
5
晶振
11.0592MHz
49S型
6
元片电容
30pf
7
电解电容
470uf/16V
8
按钮
6*6按钮-4P
6mm×
6mm
9
电阻
1K/0.25W
金属膜1/4W
10
220/0.25
11
排阻
10k
12
蜂鸣器
13
三极管
8055
附录2实物图
附录3程序代码
/************************************************************
作品名字：
简易声光报时时钟
功能：
六位数码管显示时分秒，整点半点报时,夜间只有灯光提醒
二十四小时制
到整点时长鸣1次，LED闪烁10次
到半点时短促鸣响1次，LED闪烁5次
制作说明：
P0接数码管段选，P2低6位接数码管位
**************************************************************/
#include<
reg52.h>
//头文件
#defineucunsignedchar
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