数字电子时钟设计毕业设计.docx

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数字电子时钟设计毕业设计

数字电子时钟设计

河南工业职业技术学院

毕业设计

课题名称数字电子时钟设计

姓名

学号

班级

专业机电一体化

所在系机电工程系

指导教师

完成日期2013/11/26

毕业设计任务书

设计题目：

数字电子时钟设计

设计要求：

本设计主要为实现一款可正常显示时钟/日历、定时闹铃、LCD背光调节，一键恢复的多功能电子时钟。

采用AT89C51芯片作为核心，LCD液晶显示器，完成时钟/日历的基本功能。

设计任务：

1．设计硬件电路，画出电路原理图；

2.设计软件，编制程序，画出程序流程图；

3．调试程序，写出源程序代码；

4．写出详细毕业设计说明书（10000字以上），要求字迹工整，原理叙述正确，会计算主要元器件的一些参数，并选择元器件。

设计进度要求：

第一周：

查阅资料并确定论文题目

第二周：

针对自己定的题目写出初步的设计方案

第三~五周：

根据自己的设计方案设计方案设计硬件和软件

第六~七周：

修改、完善设计，仿真，调试电路，整理论文

第八周：

毕业答辩

指导教师（签名）：

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AT89S51芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由4.5V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。

电子时钟主要是利用现代电子技术将时钟电子化、数字化，拥有时钟精确、体小、界面友好、可扩展能力强等优点，被广泛应用于生活和工作当中。

另外，在生活和工农业生产中也常常需要定时报警，这就需要电子时钟具有多功能性。

本人对当前电子时钟开发手段进行了比较和分析，最终决定了采用单片机技术实现多功能电子时钟。

设计采用AT89C51芯片作为核心，1602LCD液晶显示器，使用DS1302实时时钟日历芯片完成时钟/日历的基本功能。

这种实现方法的优点是电路简单，新能可靠，实时性好，时间精度高，操作简单编程容易。

该电子时钟可应用于一般的生活和工作中，也可通过改装提高性能，增加新功能，从而给人们的生活和工作带来更多的方便。

【关键词】电子时钟；AT89C51单片机；DS1302时钟日历芯片；LCD液晶显示器

一、概述

1.1数字电子时钟研究的背景和意义

时间是人类生活必不可少的重要元素，入过没有时间的概念，社会将不会有所法杖和进步。

从古代的水漏、十二天干地支，到后来的机械钟表以及当今的石英钟，都充分显现出了时间的重要性，同时也代表着科技的进步。

致力于计时器的研究和充分发挥时钟的作用，竟有着重要的意义。

20实际末，电子技术获得了飞速的发展。

再起推动下现代电子产品几乎渗透到了社会的哥哥领域，有力的推动和提高的社会生产力的发展与信息化程度，同时也是现代电子产品性能进一步提升，产品的更新换代节奏谱也越来越快。

时间对人们来说是那么的宝贵，工作的忙碌性和繁杂容易使人们忘记当前的时间。

然而遇到重大事情的时候，一旦忘记时间，就会给自己或者是他人造成很大的麻烦。

平时我们要求上班准时，约会或者召开会议必然要提及时间、火车要准点到达，航班要准时起飞，工业生产中，很多环节都需要时间来确定工序替换时刻。

所以说能随时准确的指导时间并利用时间，是我们生活中必不可少的。

想知道时间，手表当然是很好的选择，但是在忙碌当中，我们还需要一个“助理”时不时的给我们体形式将，所以，计时器最好能够用有一个定时系统，随时提醒容易忘记时间的人。

最早能够定时、宝石的时钟属于机械式钟表，但这种时钟受到机械结构、动力合体技的限制，在功能性能以及在造价上都没有办法与电子时钟相比。

电子时钟是采用电子电路实现对时、分、秒进行数字显示的即使装置，广泛应用月个人家庭、车站、码头办公室等公共场所，成为人们日常生活活动中不可少的必须品。

由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛使用，是的数字时钟的精度远远查过老师钟表，钟表的数字化跟人们生产生活带来了极大的方便，而且大大的扩展了钟表原先的时钟功能。

诸如整点提示、定时报警、定时广播、自动启闭路灯，定时开关烘箱、同多动力设备、甚至各种定时电气的自动启动等，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。

1.2数字电子时钟系统实用功能分析

电子时钟主要是利用电子技术讲时钟电子化、数字化，拥有时间精确、体积小、界面友好、可扩展性强等优点，被广泛应用于生活和工作当中。

当今市场上的电子时钟品类繁多，外形小巧别致。

也有体型较大的，诸如公共场所的大型电子宝石器等。

电子时钟首相是数字化了的时间显示或报时，在此基础上，人们可根据不同场合的要求，在诗中上加置其他功能，比如定时闹铃，万年历等功能。

本设计电子时钟主要功能为：

1.具有显示和手动校对功能，24小时制，年、月、日显示和手动校正功能；

2.具有闹铃功能；

3.具有背光调节功能和一键恢复功能；

1.3文章结构分析

本设计在绪论里主要介绍数字时钟研究的背景和意义、系统实用功能的分析、本设计的章节结构安排及使用的技术。

把系统总体设计作为第二部分，在这部分里介绍了各种元器件以及芯片的选择；第三部分是硬件电路的设计；主要对AT89C51芯片的具体介绍，时钟电路，复位电路，时间显示电路、按键电路、供电电路、闹铃指示电路等几部分，这一部分是本设计的重点。

第四部分是系统软件设计，主要是用汇编语言对图形汉字编程设计；第五部分是对全文的总结。

第六部分是致谢，第七部分是参考文献。

二、系统总体分析

2.1数字时钟方案

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DS12887A。

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。

2.2显示屏模块方案

LED显示屏幕能实时显示高清晰度、色彩丰富的动态图像；显示与播放可与控制计算机显示器上的内容点点对应，LED显示屏上的图像色彩、缩放比例和显示尺寸，还可通过计算机任意调整LED电子显示屏是集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体的大型显示屏系统。

它以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作稳定可靠等优点，但未处理器和LED发光二极管之间还需要处理芯片。

LCD显示屏幕是利用光的偏振现象来显示的，一般分为数字LCD和点阵LCD.前者用于显示简单的字符，后者能显示复杂的图像和自定义字符。

具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点LCD显示屏本身不发光可以靠反射投射光源发光的优点。

非常适合嵌入式系统，移动设备使用。

应用非常广泛。

基于设计需求选用LCD显示屏。

2.3数码管显示方案

方案一：

静态显示。

所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。

该方式每一位都需要一个8位输出口控制。

静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。

但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，造成了资源的浪费。

方案二：

动态显示。

所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。

利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。

显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。

调整参数可以实现较高稳定度的显示。

基于本设计选取的是动态显示。

2.4驱动电路的选择

驱动电路的选择采取并口输入，占用大量I/O口资源。

选取串口输入，I/O口资源使用较少。

所以我选用串口输入。

电路中行方向由AT89C51的p0口和p2口完成扫描，由于p0口没有上拉电阻，因此接一个4.7k*8的排阻上拉。

为提供负载能力，接16个2N5551的NPN三极管驱动。

列方向则由4—16译码器74LS154完成扫描，它由89C51的P1.0---P1.3控制。

同样，驱动部分则是16个2N5401的三极管完成的。

2.5数字电子时钟工作原理

数字电子钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。

它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外应有校时功能和报时功能。

因此，一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、“时”，“分”，“秒”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。

主电路系统由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。

秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。

将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。

“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。

“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。

译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态用七段显示译码器译码，通过七段显示器显示出来。

整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。

校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整。

2.6电路图

经以上分析，电路图汇总如下：

图2-1整体电路图

三、硬件设计

本设计采用以AT89C51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89C51芯片信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电路、闹铃指示电路等几部分。

参考以下框图：

图3-1

3.1AT89C51芯片的简单论述

单片机是微型机的一个主要分支，他在结构上的最大特点是吧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上芯片上。

就其组成的功能而言，一块单片机就是一台计算机。

单片机具有如下优点：

1.集成度高、体积小、有很高的可靠性；

2.控制功能强；

3.低功耗、低电压、便于生产便携式产品；

4.外部总线增加了I2C、SPI等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构；

5.单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

AT89C51单片机是一款低功耗，低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KB（可经过1000次擦写周期）的Flash可编程可反复擦写的只读存储器（EPROM）,器件采用CMOS工艺和ATMEI公司的高密度、非易失性存储器（NURAM）技术制造，其输出应缴和指令系统都与MCS-51兼容。

片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序活用常规的非易失性存储器来编程。

英雌，AT89C51是一种功能强大，灵活性高且价格合理的单片机，可放比偶按在应用在各个控制领域。

AT89C51具有以下主要性能：

1.4KB可编程序FLASH存储器；

2.全静态工作：

0---24Hz；

3.128X8字节内部RAM；

4.32个外部双向输入/输出（I/O）口；

5.6个中断优先级；2个16为可编程定时计数器；

6.可编程床行通信；

7.片内时钟振荡器。

图3-2AT89C51引脚图

此外，AT89C51是采用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式—空闲方式（IdleMode）和掉电方式（PowerDownMode）。

在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。

在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于始终被“冻结”，使一切功能都暂停，只保

存片内RAM中的内容，直到下次硬件复位为止。

3.1.1管脚说明 

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，能驱动8个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”时，被定义为高阻输入。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口:

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。

作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。

部分端口还有第二功能,如表1所示:

端口引脚 

第二功能 

P1.5 

MOSI（用于ISP编程） 

P1.6

MISO（用于ISP编程） 

P1.7 

SCK （用于ISP编程

表1

P2口:

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口, P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。

作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时,P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据寄存器（例如执行MOVX@Ri指令）时,P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容）,在整个访问期间不改变。

在Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号。

 P3口:

 P3口是一个带有内部上拉电阻的双向8位I/O口, P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写“1”时,它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入口使用时,被外部信号拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下表所示:

 P3口还接收一些用Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

端口引脚 

第二功能 

P3.0 RXD  

 （串行输入口） 

P3.1 TXD  

 （串行输出口） 

P3.2 0INT 

 （外中断0）

 P3.3 INT1 

（外中断1）  

P3.4   T0  

（定时/计数器0） 

P3.5   T1  

 （定时/计数器1） 

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）

表2

3.2时钟电路设计

系统时钟应用了实时时钟日历芯片DS1302，其连接如图，该硬件电路设计简单，抗干扰能力强。

如图下图AT89C51单片机P1.7直接DS1302的RST端，上电后，AT89C51的P1.7脚自动输出高电平，P1.6作为串行时钟接口，P1.5作为始终数据的I/O。

DS1302的晶振选用32768Hz，电容推荐值为6pF。

因为振荡频率较低，也可以不接电容，对计时精度影响不大。

图2-3时钟电路

DS1302时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。

它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。

实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。

对于小于31天的月和月末的日期自动进行调整，还包括闰年校正的功能。

时钟的运行可以采用24<小>时或带AM/PM的12小时格式。

工作电压宽达2.5~5.5V。

采用三线接口与CPU进行同步通信, 并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302内部有一个33x8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。

3.2.1引脚定义

X1、X2：

晶振接入管脚。

晶振频率32.768kHz。

RST：

复位引脚。

高电平启动输入/输出，低电平结束输入/输出。

I/O：

数据输入/输出引脚。

SCLK：

串行时钟输入引脚。

GND：

接地引脚

Vcc1:

在单电源与电池供电的系统中提供低电源，并提供低功率的电磁备份.Vcc1在双电池系统中提供主电源。

在这种运行方式中，Vcc1里连接到后备电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。

DS1302由Vcc1或Vcc2中较打大者供电。

当Vcc2＞（Vcc1+0.2V）时，Vcc2给DS1302供电；当Vcc2＜Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。

3.3显示电路设计

就时钟而言，通常了采用LCD显示或者LED显示。

对于一般的短时LCD，需要专门的驱动电路，但是电路设计简单，连接方便，数字感应信号强，软件编程简单，节省I/O接口，

如下图:

图2-4显示电路

3.3.1LCD显示基本原理

LCD显示屏有点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。

屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。

这就是LCD显示的基本原理。

1602LCD 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背光的比不带背光 的厚，是否带背光在应用中并无差别 1602LCD 主要技术参数：

  显示容量:

16×2 个字符  芯片工作电压:

4.5—5.5V  工作电流:

2.0mA（5.0V）  模块最佳工作电压:

5.0V  

字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm  

3.3.2引脚功能说明  

1602LCD 采用标准的 14脚（无背光）或 16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表所示:

编号

  符号  

引脚说明  

编号  

符号  

引脚说明  

1     

VSS     

电源地   

  9   

D2   

  数据 

 2     

VDD  

 电源正极

10

 D3

  数据

3     

VL   

液晶显示偏压   

 11   

D4    

数据 

4    

 RS   

数据/命令选择 

12 

 D5   

 数据 

 5    

 R/W 

 读/写选择      

 13  

 D6    

数据  

6   

  E     

使能信号     

14

  D7   

 数据  

7     

D0   

 数据            

15   

BLA  

背光源正极 

 8    

 D1    

数据            

16   

BLK  

背光源负极  

3.4复位电路设计

根据功能需要，本时钟需要设置一下功能键：

校对选择键（主键），加1操作键（+1），减1操作键（-1）。

按照键盘与CPU的连接方式可分为独立式键盘和矩阵式键盘，独立式键盘是各个按键相互独立，每个按键占用一个I/O口线，每根I/O口线上的按键不会影响其他I/O口上的按键工作状态。

独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口，在按键数量较多时，I/O口浪费较大，且电路结构复杂。

矩阵式键盘社和按键较多的时候使用。

由于本设计的电子时钟最多需要3分按键，若采用矩阵式键盘会有按键浪费，故采用多历史键盘。

键盘电路如下图：

对于内置上拉电阻的I/O引脚来说，外界上拉电阻式没有意义的。

键盘是为了完成时钟/日历校正的显示功能。

由此电子时钟要求具有闹铃功能，所以设计有闹铃电路，进行声音闹铃。

图2-5复位电路

校对选择键（主键）按下后进入校对状态，+1键对时间日期进行加1和右移功能，-1键对时间日期进行减1和左移功能。

3.5闹铃、背光电路设计

闹铃可直接采用蜂鸣器闹铃，如当前时刻与闹铃时间相同，单片机向蜂鸣器送出信号，蜂鸣器哦发生。

采用蜂鸣器结构简单，控制方便，只是铃声单一。

背光电路采用绿色的LED背光，即使在暗处不开灯也可以看清时间。

电路参考下

图2-6闹铃、背光电路图

四、软件程序设计

4.1程序流程图

4.2主程序设计

第一次上电，系统向进行初始化，1602LCD液晶显示为当前时间、年、月、日和星期。

单片机开始调用键盘扫描程序、DS1302程序、1062程序、闹铃程序和背光程序并循环。

4.3子程序设计

4.3.1实时时钟日历子程序设计

该程序主要实现对DS1302写保护，对年、月、日、时、分、秒等的寄器的读写操作。

在在读写程序中都执行了关中断指令，因为在串行通信时对时序的要求比较高，而且在此是用1602液晶显示器，所以在通信过程中最好保证传输的连续性，不要允许中断。

4.3.2显示子程序设计

单片机直接驱动1602液晶芯片，编程也简单。

单片机的串行输入数据，由读入读出信号控制。

4.3.3键盘扫描子程序

本设计要求简单，按键采用独立式按键接入。

程序对键盘的扫描方式有：

随机扫描、定时扫描和终端扫描。

在随机扫描方式中，CPU完成某种特定任务后，即执行键盘扫描程序，以确定键盘有无按键接入，然后根据按键功能转去之星相应的操作。

在之星键盘按键规定的功能中不理睬键盘的输入。

定时扫描方式与随机扫描方式基本相同，只是利用CPU内的定时中断，每个一定时间扫描有无按键信号输入，键盘反应速度较快，在处理键盘功能过程中，可以通过键盘命令进行干预，如取消、暂停等操作。

由于本设计中AT89C51单片机在系统的主要任务是接受DS1302和1602的数据并送出显示，完成时钟/日历校对和日期/星期的控制。

该单片机完全有能力完成以上工作，所以采用随机扫描键盘方式，系统也能正常运行。

单片机扫描完键盘，得到键值，并根据键值转入执行相应任务，以实现按键功能。

入过没有按键按下，择程序将键盘值清零，返回主程序