数字电子钟的设计与实现设计说明.docx

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数字电子钟的设计与实现设计说明

毕业设计说明书

数字电子钟的设计与实现

专业

自动化

学生

班级

B自动化

学号

0

指导教师

完成日期

203年6月日

毕业设计说明书

独创性声明

本人声明所呈交的毕业设计说明书是本人在导师指导下进行的研究、设计工作后独立完成的。

除了文中特别加以标注和致的地方外，说明书中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究所做贡献集体和个人，均己在说明书中作了明确的说明并表示意。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

毕业设计说明书作者签名:

日期:

年月日

指导教师签名:

日期:

年月日

数字电子钟的设计与实现

摘要:

单片机的诞生是在20世纪70年代，因为它具有极高的性价比，更为重要的是其应用领域非常广泛、而且发展速度也比较快，所以倍受广大专业人士的青睐。

相对而言单片机的体积较小、而且非常轻、开发比较简单、价钱便宜、对环境基本上没什么过高的要求、更重要的是其具有较好的灵活性和稳定性，抗干扰的能力特别强。

正因为单片机综合了上述所以有点，所以就目前国而言，单片机已被各行各业所广泛应用，其比较突出的是在机电一体化设备、工业自动化控制、智能仪器仪表、电力电子、自动检测、家用电器等方面。

在本次毕业设计中将通过对它全面的了解，以STC89C51芯片为主，再加上相关的实现电路，简单的设计了一个的数字电子钟，它是由4.5V直流电源供电，通过数码管将时间准确的显示出来，通过相关的按键及时对时间进行调整。

从而通过本次设计来提高学习、设计、开发软硬件的能力。

关键词：

单片机；STC89C51；电子时钟；数码管

Designandimplementationofdigitalelectronicclock

Abstract:

TheSCMwasborninthe1970s,becauseithasaveryhighprice,themoreimportantisitsbroadrangeofapplications,andthedevelopmentspeedisrelativelyfast,somuchthemajorityofprofessionalsofallages.SCMrelativelysmaller,andverylight,developmentofmoresimple,cheap,environmentallybasicallynoexcessiverequirements,andmoreimportantly,ithasgoodflexibilityandstability,theabilityofanti-jammingspecialstrong.Becauseofacombinationoftheabovesoabitmicrocontroller,sothecurrentdomesticpurposes,SCMhasbeenwidelyusedbybusinesses,whicharemoreprominentinmechatronicsequipment,industrialautomationandcontrol,smartinstrumentation,powerelectronics,automaticdetection,householdappliancesandsoon.SCMhasmanyseries,and51single-chipmicrocontrolleristhereforethemostrepresentativeone.InthisgraduationprojectwillbethroughitscomprehensiveunderstandingtoSTC89C51chip-based,coupledwiththeassociatedcircuitimplementation,thesimpledesignofadigitalelectronicclock,whichispoweredbya4.5VDCpowersupply,throughthedigitaltheaccuratetimedisplay,throughtherelevantkeyonthetimetoadjusttime.Thusdesignedtoimprovethroughthisstudy,design,developmenthardwareandsoftwarecapabilities.

Keywords:

Microcontroller;STC89C51;Electronicclock;Digitalpipe

1概述

1.1课题研究的背景及意义

由于单片机有着独一无二的性能，所以在各行各业都有着广泛的运用。

单片机在控制、检测领域中的应用具有以下特点：

1）体积小、灵活性高、易于产品化。

2）可靠性好，所能适应的温度围比较宽。

3）有可拓展的功能，可以根据需要来设计各种规模的系统。

现如今，我们生活中的各个领域都出现了单片机，其所涉及到的已经不仅仅是电子方面了。

数字电子钟的时、分、秒都是用更加直观的数字来表示的，与传统的指针式的钟表相比，它不仅走时准确、显示直观，而且它不需要用安装机械传动装置，故在许多方面都得到了广泛应用。

伴随着物质生活水平的不断提高，在相当一部分地方都要用到数字电子钟。

而就目前国市场而言，绝大多数的电子钟都是采用全硬件电路来实现，这种方法不仅使电路的结构变得非常复杂，而且会损耗很大的功率。

因此有必要对数字电子钟进行改进。

自电子计数器诞生以来，就已经成为人们日常生活中所必不可少的工具，但随着人们对科学技术的不断追求，对时间计量精度的要求也越来越严格，对其应用领域的需求也越来越广泛。

那么本着以人为本的精神，我们怎样才能做到让数字电子钟更好的服务于大众呢？

这就需要人们不断去探索创新，研发出新型的、更有精准的时钟。

现如今，基本上所有精度高的计时工具都是采用的石英晶体振荡器，由于数字电子钟，石英表，石英钟等都是采用的石英技术，因此使用起来就比较方便，走势也比较稳定，走时精度相当的高，也就没必要经常校时了[1]。

数字电子钟是采用集成电路来进行计时的，用译码技术来代替普通的机械式传动，用数码管显示时间来代替指针显示时间，用这种技术不仅减小了计时误差，而且这种表具有秒、分、时的时间显示功能，甚至还可以对时钟和分钟进行调节，片选性能非常好[2]。

在计算机系统中，电子计时器电路有着不可替代的地位，并且能够确保系统正常工作。

在一个单片机应用系统中，时钟包括两层意思：

第一，是指为了确保系统能够正常工作的基本振荡信号，主要由晶振和相关实现电路构成，振荡频率的大小决定了单片机系统的工作效率；第二，是指系统的标准定时时钟，也就是定时时间[4]，它主要有两种实现的方法：

一是用软件实现，也就是说用单片机部自带的定时/计数器来实现，但使用此种方法时误差相对来说比较大，因此该方法主要用在针对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，采用这种方法通常是在对时间精度要求很高的情况下，典型的时钟芯片有：

DS1302，DS12887，X1203等。

[6]

本次设计主要采用单片机部的定时/计数器来实现数字电子钟的方法，以单片机STC89C51芯片和数码管为核心，加上相关的实现电路，从而构成了一个单片机电子计时器。

1.2课题设计容

微处理器的设计选择STC89C51；显示电路的设计选用数码显示，将数码显示与驱动集成在一块芯片上；调整时间的电路设计，则通过3个按钮来实现，SP1按钮用于选择调时、调分还是调闹钟，SP2使数值加一，SP3使数值减一；硬件方面，同样需要用到一个按钮来设置闹铃时间以及停闹铃；还有一些其他控制电路如复位电路、时钟电路等。

通过这些控制电路的连接构成了完整的电路[3]。

本设计是制作一个具有现实时间和闹铃功能的数字电子钟，用数码管来显示时间，通过对多个按钮进行相关的操作，就可以对时、分进行加减一的调节，设闹钟以及复位。

1.3课题预期效果

LED显示器可准确显示00：

00：

00——23：

59：

59，24小时制的时间计数。

并且通过对时、分两开关的即“S1”、“S2”、“S3”的调节，可分别实现调时调分调闹钟的功能。

2系统的总体方案设计

2.1设计原理

图2.1系统结构图

通过对定时器设置一个50ms的脉冲来用以计数，设定一个有计数功能的单元地址20H，其单元容为20。

通过当20H中值减为0时秒加一。

当秒、分值为60时，该位清零，且高位加一。

时、分的调节是通过P3.2、P3.3、P3.4口三个按钮，分别对应S1、S2、S3实现的，S1为功能选择键：

按一下调节小时，按两下调节分钟，按三下调节闹钟小时，按四下调节闹钟分钟，按五下开始工作；S2为数值加一按键；S3为数值减一键；初始化钟表时间为12:

00:

00；复位电路我们采用了上电复位的形式，设置了一个开关按钮。

2.2具体模块

主控模块：

其控制核心为STC89C51单片机，STC89C51可以完成待测信号的计数，译码，显示以及对分频比的控制。

显示模块：

显示电路采用LED1602数码显示器来动态显示，便于观测。

按键模块：

该设计需要校对时间，所以用三个按键来实现。

晶振模块：

该模块给单片机提供时钟频率。

闹钟模块：

当达到设定的时间是发出报警。

3系统的硬件设计与实现

3.1控制模块

3.1.1STC89C51单片机介绍

电子计时器计时应用单片机技术原理，由单片机芯片STC89C51作为核心控制器，STC89C51RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。

STC89C51系列单片机集合了8051的核功能，具有机器周期、单时钟的功能，是一种运行速度快，功率消耗低的新型单片机。

其特点有一下几点：

●工作电压：

3.4V-5.5V（5V单片机）/2.0V-3.8V（3V单片机

●实际工作频率可达48MHz.

●用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节

●片上集成512字节RAM

●可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

●EEPROM功能

●看门狗

●时钟源：

外部高精度晶体/时钟，部R/C振荡器。

常温下部R/C振荡器频率为：

5.2MHz～6.8MHz。

●有2个16位定时器/计数器

●STC89Cc516AD具有ADC功能。

10位精度ADC，共8路

●通用异步串行口（UART）

●SPI同步通信口，主模式/从模式

●工作温度围：

0-75℃/-40-+85℃

3.1.2STC89C51的引脚功能

STC89C51的引脚功能如下：

●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既可以用于外部程序数据的存储器，也可以作为源码的输入端口。

●P1口：

P1口本质上是一个8位的I/O口，

●P2口：

P1口本质上也是一个8位的I/O口，[3]

●P3口作为STC89C51单片机的一个特殊功能口，具有多种功能，如下表所示：

●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）

●RST：

复位输入。

●ALE/PROG：

如果对外部存储器进行访问，那么输出的电平将用于对地址字节的锁存。

一般情况下，ALE端输出的为稳定的脉冲信号。

●/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

●XTAL1：

部时钟电路和反向振荡放大器的输入端口。

●XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

图3.1STC89C51引脚图

3.1.3单片机引脚分配

P0.0-P0.7和P2.2-P2.7用于数码显示；

P2.0用于蜂鸣器闹钟报警；

P3.2-P3.4用于按键；

RST用于上电复位；

XTAL1、XTAL2用于晶振。

本设计所用主控制模块如图所示。

图3.2设计主控模块

3.2显示模块

显示器由3个共阳两位LED数码管组成。

共阳极数码管就是将所有发光二极管的阳极接到一起，形成只有一个公共阳极揭发，当需要用到共阳极数码管的时候应将公共极接+5V电压，如果有一个字段的发光二极管的阴极输入为低电平时，那么相应字段的二极管就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮[11]。

LED数码管是用好几个发光二极管封装而成的，从外表上看就像一个“8”字型的器件，部引线已经连接完毕，而只是将它们的各个笔划引出来接成公共电极就行了。

每个LED数码管总共有8个段数，其中7段用于对数字的显示，还有一段是用于显示小数点的。

[12]

图3.4LED显示器的符号

图3.3共阳极接线图

本设计显示器由3个2位7段LED数码管组成。

通过总线分别与单片机的P0.0-P0.7口和P2.2-P2.7口连接。

其中P2.7-P2.6口显示时、P2.5-P2.4口显示分、P2.3-P2.2口显示秒。

[13]如图3.4所示：

图3.5显示电路

3.3复位模块

本设计采用自动上电复位，电路复位后P0－P3口引脚全部表现为高电平，特殊功能寄存器和程序计数器将全部被清零。

当复位脚由高电平变为低电平时，单片机将从ROM的00H处开始运行程序[8]。

复位通常是由外部的复位电路来实现的。

电路图如图所示：

图3.6复位电路

3.4按键模块

按键控制模块由3个按键组成。

系统通过扫描按键是否被按下，来设定各模块的工作情况，使计时器可以在按键的控制下，有序地进行工作。

设计中每个按键实现各自的功能，操作方式十分简单[9]。

如图所示：

图3.7按键模块

3.5晶振模块

晶振模块的组成只有两种元器件，一个晶振和两个电容，两个电容的与晶振相串联后连接到单片机上，并接地。

要是单片机能够正常的工作，就必须要有晶振电路来给其提供时钟频率，而且随着该频率的不同单片机的工作速度也就不一样。

图3.8晶振模块

3.6闹钟模块

闹钟模块是由一个PNP型的三极管，一个电阻和一个蜂鸣器组成的，三极管的发射极接电压，基极经电阻与单片机相连，集电极与蜂鸣器相连，而蜂鸣器的另一端接地。

当单片机P2.0引脚输出一个电平时，三极管导通，蜂鸣器报警，从而达到闹钟的功效。

图3.9闹钟模块

本次设计的数字电子钟概括讲就包括以上六个基本模块，每个模块实现各自的功能，互不干扰。

原理图见附录1，PCB图见附录4。

4系统软件程序设计

4.1程序流程图

各个中断口的首地址是在程序运行后再设置的，紧接着中断被开启，中断开启后将比较设定时间与当时时间，倘若两项比较不一致，则显示时钟然后进行扫描，并程序继续往下执行[14]。

倘若达到了闹钟设定数值，则向闹钟。

当外部中断有相应时，闹钟就会停止。

图4.1调时钟流程图

当P3.2按下一次调时；按下两次调分；在此基础上P3.3按下数值加一、按下P3.4

数值减一，设定完成之后再显示。

　　　　　　　　　　设置闹钟时间

　　　　　　　　　　回到闹铃比较处

图4.3设闹钟流程图

开始对闹钟时间进行调节，按P3.2三次和P3.3、P3.4分别对闹钟时钟加一或减一，按P3.2四次和P3.3、P3.4分别对闹钟分钟进行加一或减一设置，查看显示值，再判断是否退出回到闹铃比较处。

图4.4主时钟计时流程图

该程序是主时钟的中断服务程序，先要对其设定一个初始值，查看首地址中的值是否为零，如果为零，则秒单位自动加一，当秒为60时，则分就会自动加一[15]。

当分为60时，时加一。

当时为24时，对秒分时都清零。

然后返回中断。

秒信号发生器是整个系统的时基行，由晶振和分频器实现的，将标准秒信号送入“秒计数器”，秒计数器采用60进制计数器，每当累计60秒时发一个“分脉冲”信号，该信号作为分计数器的时钟脉冲。

以此类推，分计数器与时计数器均采用同样的方式进行计数。

5系统调试

数字电子钟的系统调试包括软件调试，硬件调试。

硬件调试包括电源模块、显示模块、按键模块等模块的调式，软件调试就是通过修改软件程序，使电子钟的功能完善，能满足课题的基本要求，并提高数字电子钟的精度。

首先使用软件仿真，并不断的进行调试，直到仿真结果能满足设计的要求为止，当软件调试成功了，才开始硬件电路的调试，如此进行软硬件联合调试[19]。

5.1软件调试

5.1.1Proteus软件调试

PROTEUS不仅综合了许多模块，而且包含了各种信号源、虚拟仪器等等。

我们可以运用其来模拟各种电路的仿真运行[20]。

比如说有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能[21]；它还包含了专门用来精确测量与分析的高级仿真图表。

它们构成了单片机系统设计与仿真的完整的虚拟实验室。

根据课题系统设计要求，进行Keil和Proteus系统仿真，不断调试程序，直到符合功能要求。

Proteus总体仿真图5-1所示。

图5.1仿真图

5.1.2Keil软件调试

首选在Keil软件中根据设计要求编好一个程序代码，确保编译没有错误后，再添加到PROTEUS仿真软件中的STC89C51芯片中，保存，运行，观察是否能得到想要的结果；如果不能，则回到Keil中重新改进程序，再编译、仿真，直至所有功能均可实现为止。

显示时钟功能，要能显示时、分、秒。

清零功能，按下清零键当前时间从初始值走起。

设置闹钟时间功能，分别按下S1键三次和四次，进行调时和分的调节。

闹铃功能，当达到了设定的闹钟时间后，蜂鸣器就会不断的发出声音。

5.2硬件调试

软件系统测试能够正确的显示时间以及闹钟，然后把各模块组合在一起，就做成完整的数字电子钟，实物图附录3所示。

经过不断的软硬件联合调试，修改程序和硬件连接，最终完成的作品就能实现数字电子钟设计所提出的功能。

总结

毕业设计其实是一次综合性的实践，它将我们所学的各种知识综合运用到实践上，在整个设计过程中，我通过查阅资料来扩展所学的知识，并将它们串联在一起，进而加深对所学理论知识的理解，在此基础上锻炼了操作能力。

通过本次毕业设计，获益良多。

掌握了用C语言来编写程序，学会了使用Proteus和Keil软件来模拟单片机的仿真。

此外，在收集、查阅、应用文献资料的过程中，学会了如何根据实际需要有选择有价值性的资料，从而来确定能满足系统要求的元件及型号。

在整个设计过程中，将会遇到各种各样的问题，面对在设计过程中出现的大小问题，就需要有针对性的对问题进行分析，从而解决好每一个小问题，这样才能确保整个系统的正确性。

第一，要查看是不是软件编程中出现了问题，如果连程序都没有完善好，那么，程序下载到硬件电路中，在实际操作的过程中就肯定会存在问题。

找到问题所在后，自己解决不了的，可以找老师、同学一起讨论研究，不断地完善自己所设计的数字电子钟。

总之，在理论与实践相结合的过程中，只有不断地思考和不断地动手实践，才能减小理论与实践之间的距离，将理论知识充分的运用到实践中去。

在毕业设计的过程中，我的能力在多方面都得到了提高，尤其在单片机软件编程及元器件的焊接制作方面受益匪浅。

软件设计是个即灵活又细腻的工作，我要细心地去发现问题，解决问题，去不断完善，以此来培养我良好的逻辑思维能力以及分析问题，解决问题的能力。

元器件焊接时，要求我在原理图完成后一定要进行电气检查，这样可以降低错误率，提高制作出来的单片机的成功率。

经过此次毕业设计，我不仅对所学的知识有了更加深入的理解，而且还锻炼了自己的动手能力，这所以的一切将会为我今后的发展打下坚实的基础。

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