基于单片机的多功能数字钟的设计.docx

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基于单片机的多功能数字钟的设计

基于单片机的多功能数字钟的设计

摘要：

本设计论文介绍了用AT89C2051单片机控制的数字钟的硬件结构与软件设计,给出了汇编语言源程序。

此数字钟是一个将“时”、“分”、“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。

它的计时周期为12小时，显示满刻度为12时59分59秒99毫秒，另外应有校时功能。

电路由时钟脉冲发生器、时钟计数器、译码驱动电路和数字显示电路以及时间调整电路组成。

用晶体振荡器产生时间标准信号，这里采用石英晶体振荡器。

根据60秒为1分、60分为1小时、24小时为1天的计数周期，分别组成两个60进制（秒、分）、一个12进制（时）的计数器。

构成秒、分、时的计数，实现计时的功能。

显示器件选用LED七段数码管。

在译码显示电路输出的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号。

针对数字钟会产生走时误差的现象，在电路中就设计有有校准时间功能的电路。

关键词：

单片机；AT89C2051；数字钟；计时

BasedonSCMmulti-purposedigitalclockdesign

Abstract:

ThepapermainlypresentsthehardwareandsoftwaredesignofthedigitalclockusingAT89C2051.ThesourceprogramusingassembleLanguageisgiven.Thisdigitalclockisatime-device,whichcandisplay"hour","minute","second".Itstimeperiodis12hoursandthefullscaleofthedisplayis12hours,59minutes,59secondsand99millisecondsandithasthefunctionoftimeadjustment.Thecircuitconsistsoftheclockpulsegenerator,theclockcounter,decodingdrivecircuit,digitaldisplaycircuitandthetimeadjustmentcircuit.Itgeneratestimestandardsignalusingcrystaloscillator,hereisthequartzcrystaloscillator.Because60secondsis1minute,60minutesis1hourand24hoursis1day,weusestwocountersof60partsandacounterof12partseparatelytoconstitutethecountofpercentageofsecond,second,minute,andhour.Soitcanrealizetimefunction.Displaycomponentselectsseven-segmentnumericaltubeLED.Drivenbydecodingoutputcircuit,itcandisplayshowingclearandintuitivefigures.Duetowalkingerrorofdigitalclock,wedesigntimecalibrationcircuitinthesystem.

Keywords：

Single-chipmicrocomputer;AT89C2051;Digitalclock;Time

第1章绪论

1.1前言

计算机尤其是以微细加工技术支持的微型计算机技术飞速发展，其应用渗透到了各行各业。

以单片机、嵌入式处理器、数字信号处理器（DSP）为核心的计算机系统，以其软硬件可裁剪、高度的实时性、高度的可靠性、功能齐全、低功耗、适应面广等诸多优点而得到极为广泛的应用。

目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片机化三个方向告诉发展[1]。

自1975年美国德州仪器公司（TexasInstruments）第一块微型计算机芯片TMS-1000问世以来，在短短的20年间，单片机技术已发展成为计算机领域一个非常有前途的分之，它有自己的技术特征、规范和应用领域。

单片机是自动控制系统的核心部件，主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。

它具有体积小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器）、价格低廉等一系列优点，应用领域不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通信、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件，已经渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，前景广阔。

数字钟具备单片机最小系统的基本组成，对于我们了解单片机有很大的帮助[2]。

1.2设计的目的及意义

本设计通过用对一个能实现定时，时钟显示功能的时间系统的设计学习，详细介绍了51单片机应用中的数据转换显示，数码管显示原理，静态扫描显示原理，单片机的定时中断原理等，从而达到学习、了解单片机相关指令在各方面的应用。

对于单片机学习者而言，这个程序基本上是一道门槛，掌握了电子钟程序，基本上就可以说把51单片机掌握了80%。

第2章数字钟的功能实现与设计方案

2.1数字钟的功能及设计要求

（1）可以实现时/分/秒/百分秒的显示，可以调整时/分

（2）使用LED显示

（3）有表示时钟正常工作的装置

（4）能稳定工作，可控制时钟的启动复位

（5）有实现闹铃功能

2.2数字钟的实现形式

数字钟既可以通过纯硬件实现，也可以通过软硬结合实现，根据电子时钟的核心部件——秒信号的产生原理，通常有三钟形式：

（1）用NE555时基电路的形式

采用NE555时基电路或其他震荡电路产生秒脉冲信号，作为秒加法电路的时钟信号或微处理器的外部中断输入信号，可构成电子时钟。

由555构成的秒脉冲发生器电路如图1-1所示。

输出的脉冲信号V0的频率F=1.443/（RA+2RB）×C,可通过调节这3个参数,使输V0的频率为精确的1Hz[3]。

图2-1基于555的秒脉冲发生器

（2）采用石英钟专用芯片的实现形式

采用石英钟专用计时芯片实现的电子钟，具有实现简单、计时精度高的特点。

石英计时芯片（简称“机芯”）比较多，常见的有STP5512F、SM5546A和D60400等[4]。

现基于5512F的2秒输出信号作为秒加法电路的计时脉冲，可实现电子时钟。

5512F的引脚如图1-2所示。

其中，引脚7、8为外接晶振及振荡电路，引脚1接电源正极，电源为1.5伏，引脚3、4原为指针用步进电机线圈的输出驱动端，这里可用3脚作为脉冲输出，频率决定于外接晶振的频率。

（3）采用基于单片机的实现形式

利用单片机的智能性，可方便的实现具有智能数字钟的设计。

而且，微处理系统具有时钟振荡系统，利用系统时钟并借助微处理器的定时/计数器功能可以实现数字钟的功能。

本设计采用AT89C2051单片机设计。

2.3方案的确定

可以从以下几个方面来确定电子闹钟的设计方案。

2.3.1微处理器

采用ATMEL的AT89C2051微处理器，是基于以下几个因素：

①内含Flash存储器,这在系统的开发过程中,可随意进行程序修改,既便错误编程之后仍可以重新编程,故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期;同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息。

②采用静态时钟方式,节省电能,这对于降低便携式产品的功耗十分有利。

③由于它是以8031核构成的,所以它与MCS251系列单片机是兼容的④AT89C2051为51内核，仿真调试软硬件资源丰富；⑤性价比高，货源充足；⑥DIP20封装，体积小，便于产品小型化；⑦为E2PROM程序存储介质，1000次以上擦/写周期，便于变成调试；⑧具有IDLE和POWER-DOWN两种工作模式，便于进行低功耗设计；⑨工作电压范围宽：

2.7～6V，便于交直流供电[5]。

2.3.2显示电路

就时钟而言，通常可采用液晶显示或数码管显示。

对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且也经显示作为一种被动显示，可视性相对较差；对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块（字符或点阵），一般多采用并行机接口，对于微处理器的接口要求较高，占用资源多。

另外，89C2051本身没有专门的液晶驱动接口，因此，本时钟设计采用了数码管显示方式。

数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、价格便宜等优点，而且市场上也有专门的时钟显示组合数码管。

2.3.3按键电路

考虑到对时和设定闹铃时间这两种操作的使用频率不是很高，为了精简系统

和节省成本，本时钟系统只设两个按键：

（1）SET键，对应系统的不同工作状态，具有三个功能：

●在复位后的待机状态下，用于启动设定时间参数（对时和定闹）；

●在设定时间参数状态而且不是设定最低位（即分个位）的状态下，用于结束当前位的设定，当前设定为下移；

●在设定最低位（分个位）的状态下，用于结束本次时间设定。

（2）+1键，用于对当前设定位（编辑位）进行加1操作，根据12/24小时工作模式和正在编辑的当前位的含义（时十位、时各位、分十位、分个位）自动进行数据的上限和下限判断。

例如，对12小时制，小时的十位只能是0、1，如果当前值为0，则按+1键后为1，再按+1键后为0。

第3章数字钟的硬件系统设计

电子时钟硬件部分的设计应包括秒信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电路，以及闹铃指示电路等几部分。

3.1数字时钟的硬件系统框架

电子时钟的系统框架入图3-1所示。

3.2数字时钟的主机电路设计

数字时钟的主电路指的是图1中框内部分，主要涉及到微处理器电路和按键县按钮电路。

主机的设计具体地说有：

（1）系统控制芯片的选择

（2）系统时钟电路设计；（3）系统复位电路设计；（4）按键与按钮电路设计；（5）闹铃声光指示电路设计。

3.2.1系统控制芯片CPU（AT89C2051）的选择

AT89C系列单片机是Atmel公司1993年开始研制生产的，优越的性能价格比使其成为颇受欢迎的8位单片机。

AT89C系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：

第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片（AT89C2051/1051），使整个电路的体积更小[6]。

（1）AT89C2051主要性能：

AT89C2051是Atmel公司生产的戴2KB闪速可编程可擦除只读存储器（PEROM）的8位单片机，它具有如下主要特征：

AT89C2051为51内核；

内部带2KB可编程闪速存储器（E2PROM），寿命为1000次擦/写循环，据保留时间为10年；

DIP20封装，体积小

工作电压范围为2.7～6V；

全静态工作频率为0Hz～24Hz；

两极程序存储器锁定；

位内部RAM；

15条可编程I/O线；、

2个16位定时器/计数器；

5个两级终端源；

可编程全双工串行UART通道；

直接对LED驱动输出

片内精确的模拟比较器；

片内振荡器和时钟电路；

低功耗的休眠和掉电模式；

（2）AT89C2051内部结构及引脚描述

AT89C2051单片机的内部与8051单片机的内部结构基本一致，区别只是增加了一个模拟比较器[7]，减少了两个对外的端口（P0、P2口），输出端口P1、P3有独