数字时钟的毕业设计.docx
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数字时钟的毕业设计
河南农业大学
本科生毕业论文
题目基于单片机的数字时钟的设计
学院理学院
专业班级10级电科四班
学生姓名杨亚博
指导教师曹晴
撰写日期2014年5月15日
基于单片机的数字时钟毕业设计
杨亚博
摘要
多功能数字钟的应用非常普遍，由单片机作为数字钟的核心控制器，通过它的时钟信号进行实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。
通过键盘可以进行校时、定时等功能。
输出设备显示器可以用LED显示技术来显示技术。
本系统利用单片机实现具有计时、校时等功能的数字时钟，是以单片机AT89C51为核心元件，以蜂鸣器实现闹钟，同时采用LED动态显示“时”，“分”，“秒”的现代计时装置。
另外具有校时功能，秒表功能，和定时器功能，利用单片机实现的数字时钟具有编程灵活，便于功能的扩充等优点。
简要介绍了LED显示的发展状况和其所特有的优势，简述了该系统中一些重要芯片的基本工作原理，着重论述了硬件线路各个模块的设计思想。
LED显示与单片机的接口采用动态显示技术，利用了时钟芯片的系统自带电池功能来实现断电时保存一些重要数据，以便来电时正确显示信息的功能。
模块化的设计和调试方法在整个课题研究过程中至关重要，事实上在任何设计中也同样关键和有效。
关键词：
数字钟系统；单片机；LED显示；蜂鸣器
GraduationdesignbasedonSCMdigitalclock
Yangyabo
Abstract
Multi-functiondigitalclockisverycommon,bysinglechipmicrocomputerasthecoreofthedigitalclockcontroller,throughitsfunctionoftimingclocksignal,thetimedatabytheMCUoutput,usingthemonitordisplay.Throughthekeyboardtoschool,timing,etc.OutputdevicesdisplaycanusetheLEDdisplaytechnologytodisplaytechnology.
ThissystemUSESsinglechipmicrocomputertorealizedigitalclockwithtiming,whentheschoolandotherfunctions,isbasedonsinglechipmicrocomputerAT89C51asthecoreelement,withabuzzeralarmclock,andUSEStheLEDdynamicdisplay"when","points","second"moderntimingdevices.Alsohasthefunctionoftheschoolwhen,stopwatchfunctions,andtimerfunction,usingthesinglechipmicrocomputerimplementationofdigitalclockwithflexibleprogramming,functionexpansionconveviently.
ThispaperbrieflyintroducesthedevelopmentofLEDdisplayanditspeculiaradvantage,thispaperexpoundssomeimportantchipinthissystemthebasicworkingprinciple,mainlydiscussesthehardwarecircuitdesignofeachmodule.LEDdisplayandsinglechipmicrocomputerinterfacedynamicdisplaytechnology,usingthefunctionofclockchipsystemcomeswithbatterypowertoimplementsavesomeimportantdata,inordertocalltherightshowsthefunctionofinformation.
Modulardesignanddebugmethodisofvitalimportanceinthewholeresearchprocess,infactisalsothekeyinanydesignandeffective.
Keywords:
Digitalclocksystem;Singlechipmicrocomputer;LEDdisplay.buzzer
附录A………………………………………………………………………………………21致谢…………………………………………………………………………………………31
1绪论
随着生活水平的提高，人们越来越追求人性化的事物，传统的时钟已不能满足人们的需求。
现代的数字钟不仅需要数字电路技术而且需要模拟电路技术和单片机技术，增加数字钟的功能。
利用软件编程尽量做到硬件电路简单稳定，减小电磁干扰和其他环境干扰,减小因元器件精度不够引起的误差，但是数字钟还是可以改进和提高如选用更精密的元器件。
但与机械式时钟相比已经具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用数字钟通过数字电路实现时,分,秒,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。
2系统总体设计方案
本次设计时钟电路，使用了AT89C51单片机芯片控制电路，单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路，使得电路简明易懂，使用键盘键上的按键来调整时钟的时、分、秒，用蜂鸣器来进行定时提醒，同时使用C语言程序来控制整个时钟显示，使得编程变得更容易，这样通过四个模块：
键盘、芯片、蜂鸣器、显示屏即可满足设计要求。
系统功能实现总体设计思路
本系统可模拟电子时钟，实现时钟，秒表，校时功能，主从CPU数据处理、键盘控制与数据显示。
主控系统能响应按键，并对其进行相应的处理，再把其对应的结果数据在液晶屏幕LED上显示。
方案选择
1.用单片机定时器中断原理实现数码管动态10ms循环扫描，同时完成计数功能，并经过多次中断产生“秒”信号。
2.可控制按键实现时，分，秒加一，减一功能。
3.总体框图如图2.1：
3硬件设计
3.1AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51单片机内部主要有以下部件：
8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口。
AT89C51是89系列单片机的标准型，它是与MSC-51系列单片机兼容的[1]。
在内部含有4KB或8KB可重复编程的Flash存储器，可进行1000次擦写操作。
全静态工作为0-24MHZ，有3级程序缓存器，内部含有128-256字节的RAM，有32条可编程I/O口线，2-3个16位定时/计数器，6-8个中断源，通用的串行接口，低电压空闲及电源下降方式。
AT89C51单片机内部CPU、4KB的FPEROM，128的RAM，两个16位的定时/计数器T0和T1，4个8位的I/O端P0、P1、P2、P3等组成。
单片微机内部最核心的部分是CPU。
CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算数运算、逻辑运算以及操作处理等，CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。
控制器由程序计数器PC、指令存储器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。
它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路在限定的时间发出各种操作所需要的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令规定的操作。
运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。
如图3.1。
3.1.1AT89C51主要性能参数
AT89C51与MCS-51控制系列产品兼容，片内有4K可在线重复编程闪速电擦除存储器（FlashMemory）,存储器可循环写入/擦除1000次；存储器数据保存时间可达10年；工作电压范围宽：
Vcc可由2.7V到6V；全静态工作可由0HZ到16MHZ；中继结构具有3级所存保护；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；中断结构具有5个中断源和2个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存储存内容[3]。
AT89C51单片机的功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能：
8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位[9]。
a.MCS－51单片机的中断系统[10]
（1）中断源
MCS－51单片机是一个多中断源的单片机，有五个中断源：
外部中断0、定时器0中断、外部中断1、定时器1中断和串行接收或发送中断。
各中断源的中断处理程序入口地址如下表3.2所示：
中断源
入口地址
外部中断0
0003H
定时器0
000BH
外部中断1
0013H
定时器1
001BH
串行口
0023H
（2）中断控制
1．中断的开放或禁止是由中断允许寄存器IE控制的。
IE的格式如表3.3：
EA
/
/
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
1）EA－中断总允许位。
EA＝1，开放总中断，而各个中断源的中断请求是允许还是禁止，分别由各自的中断允许位确定；EA=0，禁止一切中断。
2）ES－串行口中断允许位。
3）ET1和ET0分别是定时器T1和T0的中断允许位。
4）EX1和EX0分别是外部中断1（INT1）和外部中断0（INT0）的中断允许位。
以上五个中断允许位的意义是：
0为禁止中断,1为允许中断。
2．中断源优先级控制－中断优先级寄存器IP。
MCS－51单片机有高、低两个中断优先级，5个中断源可由程序设置为高优先级中断或低优先级中断，实现二级中断嵌套。
一个正在执行的低优先级中断源的中断服务程序，能被高优先级中断源所中断，但不能被同级别的另一个中断源所中断。
MCS－51单片机的5个中断源的优先级由中断优先级寄存器IP的相应位设定。
IP格式如表3.4：
/
/
/
PS
PT1
PX1
PT0
PX0
表3.4IP格式
1）PS是串行口的中断优先级控制位。
2）PT1和PT0分别是定时器T1和T0的中断优先级控制位。
3）PX1和PX0分别是外部中断INT1和INT0的中断优先级控制位。
中断优先级控制位的意义是：
0为设定为低优先级中断源；1为设定为高优先级中断。
如果同优先级的多个中断请求同时出现时，则按MCS－51单片机的CPU查询次序确定那个中断请求被响应，其查询次序为：
IE0、TF0、IE1、TF1、RI或TI。
b.MCS－51的定时系统
在控制系统中，常常要求有一些实时时钟以实现定时或延时控制，如定时中断、定时检测、定时扫描等等，也往往要求有计数器能对外部事件计数。
MCS－51单片机有2个定时器，称为定时器0（T0）和定时器1（T1）。
（1）定时器的结构
MCS－51单片机的定时器由计数器0、计数器1、方式控制寄存器和定时器控制寄存器组成。
计数器0和计数器1分别由8位计数器TH0、TL0和TH1和TL1构成。
TH0、TL0、TH1、TL1是不能位寻址的特殊功能寄存器，通过对TH0、TL0、TH1、TL1的初始化编程来控制T0和T1的计数初值[4]。
MCS－51单片机的两个计数器TH0、TL0和TH1、TL1可以构成16位的计数器、13位的计数器和8位的计数器。
计数器是定时器T0和T1的核心，它可以对引线T0和T1来的外部事件计数；也可以对单片机的机器周期计数。
一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。
这样，不但可以根据计数值计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的预置值。
计数器是加法计数器，所以预置的计数初值应为计数值的补码。
（2）定时器的工作方式
MCS－51单片机的T0有方式0、方式1、方式2和方式3四种工作方式。
T1有方式0、方式1和方式2三种工作方式。
工作方式控制寄存器TMOD:
TMOD寄存器是不能位寻址的特殊功能寄存器，用于控制T1和T0的工作方式，各位的定义如下：
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
表3.5TMOD
TMOD的高半字节和低半字节的定义相同，高半字节用于控制T1，低半字节用于控制T0，其中，GATE是门控位。
GATE为1时，定时器的计数器受外部引线INT0或INT1输入电平的控制，输入高电平计数，输入低电平停止计数，这时可以用于测量在INTx引线出现的正脉冲宽度；GATE为0时，定时器的计数不受INT0或INT1引线的控制。
C/T是定时器和计数器选择位。
C/T为1，选择计数器方式，计数器THi和TLi对Ti引线输入的外部事件计数；C/T为0，选择定时器方式，计数器THi和TLi对机器周期进行计数。
M1和M0是定时器的工作方式选择位。
M1和M0这2位有00－11四个状态，分别选择方式0（13位定时器）、方式1（16位定时器）、方式2（8位自动重装载定时器）和方式3（T0分成两个8位的定时器）。
LED数码管
LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写。
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
LED的技术进步是扩大市场需求及应用的最大推动力。
最初，LED只是作为微型指示灯，在计算机、音响和录像机等高档设备中应用，随着大规模集成电路和计算机技术的不断进步，LED显示器正在迅速崛起，近年来逐渐扩展到证券行情股票机、数码相机、PDA以及领域。
LED显示器集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体，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，成为最具优势的新一代显示媒体，目前，LED显示器已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境的需要。
3.2.1LED显示器的结构
led数码管（LEDSegmentDisplays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。
这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
本设计中采用的是7SEG-MPX8-CA-BlUE八位数码管，该数码管为蓝色数码管，每一段数码管内部相当于有一个蓝色发光二极管。
发光二极管具有单向导电性，只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，它的开启电压比普通二极管的大，红色的在1.8V－2.2V之间，绿色的约为2V。
正向电流越大，发光越强。
内部结构如图3.3。
3.2.2LED的接线形式
根据内部发光二极管的接线形式分成共阴极型（公共点接地）和共阳极型（公共点接电源）。
计算机与七段显示器的接口，分成静态显示接口和动态显示接口。
静态接口是每个七段显示器单独用一组寄存器控制，将其公共点接地。
动态接口使用两组寄存器。
几个显示器的七段用一组寄存器控制，该寄存器称作段选寄存器。
另一组寄存器控制这几个七段显示器的公共点，控制这几个显示器逐个循环点亮。
适当选择循环速度，利用人眼“视觉暂留”效应，使看上去好像这几个七段显示器同时在显示一样。
控制公共点的寄存器称为位选寄存器。
本次设计中采用共阳极型接法，公共级通过一个PNP三极管与＋12V的电源相连。
接口采用动态显示。
键盘电路设计
图3.7多功能控制键
硬件设计总体框图
设计的电路主要由四模块构成：
单片机控制电路，显示电路、闹铃电路以及校正电路如图3.5所示。
图3.8详细电路功能图
本系统的设计电路如图3.5所示，左边按键控制时分秒加一减一操作，右边开关切换数码管显示时钟，秒表，倒计时定时器等功能。
右上角是八位一体的数码管LED，用于显示。
数码管左边的上拉电阻具有自动拉高P0I/O口的功能。
本设计采用C语言程序设计，使单片机控制数码管显示时、分、秒，当秒计数计满60时就向分进位，分计数器计满60后向时计数器进位，小时计数器按“23翻0”规律计数[7]。
时、分、秒的计数结果经过数据处理可直接送显示器显示。
当计时发生误差的时候可以用校时电路进行校正。
设计采用的是时、分、秒显示，单片机对数据进行处理同时在数码管上显示[6]。
4软件设计
主程序流程图
：
图4.1主程序流程图
总中断程序流程
时间的显示通过此中断程序来控制，并且通过与设定的时间进行比较来判断是否让闹铃工作。
程序中包含时间的设定，如设定tcount来使秒等工作，进而来控制分和时。
如上图4.2。
A.秒表中断程序流程
秒表功能通过另一程序实现。
通过保护主程序的数据来进行秒表功能，设置秒表的具体显示方法如图4.3所示。
秒表中断程序流程图
B.按键程序流程
图4.4为时钟和闹钟的调节，程序中通过扫描来判断按键是否按下进行时间和闹钟的调节。
图4.5为进入中断和清零图，程序中通过扫描来判断按键是否按下进行执行相应的中断来事实现相应的功能。
5毕业设计结果仿真
此时钟设计是利用protues仿真软件进行仿真，基本上实现了课程设计要求实现的功能。
硬件部分设置了的六个按键。
当按键一按下时，进入秒表显示状态，秒表开始计时，当按键六按下时，秒表暂停；当按键四按下时恢复到时间显示功能；当按键二按下时，进入调分状态，按一次，分加一，60一循环；按键三按下时，进入调时状态，按一次，时加一，60一循环；按键五按下时，进入闹铃设置功能，紧接着按下按键二和按键三进行时和分的设置，再按下按键4恢复显示时间，当显示的时间和定时设置的时间一致时，蜂鸣器发出蜂鸣声，蜂鸣时间我们设置为10秒。
另外，闹铃电路有音乐闹钟的扩展的功能（可以将蜂鸣器换成扬声器再加一段音乐程序即可实现）。
调试阶段，出现一些问题。
比如，实际小时显示到29才归零，分钟显示到60才进一……经过软件调试，以上问题均一一排除，结果达到预期目标。
但时间有限，部分扩展功能不能及时实现，比如音乐闹铃。
时钟运行时仿真图
仿真开始运行时，或按下仿真软件的开始按键时，时钟从12：
00：
00开始运行，其中K3键对时进行调整，K2对分钟进行调整，K6键可以让钟表显示暂停。
：
秒表记时仿真图
当按下K1键进入秒表计时状态，K6键是秒表暂停键，可按K4键跳出秒表计时状态。
如图5.2所示：
闹钟运行仿真图
该数字钟是用一片AT89C51单片机通过编程去驱动8个数码管实现的[8]。
通过6个开关控制,从上到下6个开关K1-K6按键的功能分别为：
K1键是切换至秒表；K2键是调节时间,每调一次时加1；K3键调节时间,每调一次分加1；K4键从其它状态切换至时钟状态；K5是切换至闹钟设置状态,也可以对秒表清零；K6键是秒表暂停.控制键分别与P1.0-P1.5口连接．其中：
A通过P2口和P3口去控制数码管的显示如图所示P2口接数码管的a——g端，是控制输出编码,P3口接数码管的1——8端,是控制动态扫描输出．
B从P0.0输出一个信号使二极管发光，二极管在设置的闹钟时间到了时候发光，若有乐曲可以去驱动扬声器实现。
总结
通过作者的不懈努力，和同学老师的帮助，作者终于完成了毕业设计任务书上的任务要求。
功能上基本达标：
时钟的显示，秒表显示，校时功能，调时功能。
时钟显示功能，精确度完全可以满足日常生活显示时间的需要；秒表功能，可以满足比赛计时的需要；调时功能，方便快捷；校时功能保证了时钟准确和可靠性，还有扩展成音乐闹钟的余地。
硬件设施合乎要求，软件设计可以配合硬件实现要求功能。
但是由于时间比较短，出现部分不足：
使用定时和秒表功能时时间显示功能停止运行。
经讨论只是软件部分还不完善。
不过，作者相信如果时间充足，将软件改进，作者完全可以很好实现所有功能。
可见技术在不断进步，机械式时钟已经被淘汰，取而代之的是具有高度准确性和直观性且无机械装置，具有更长的使用寿命等优点的数字时钟。
数字时钟更具人性化，更能提高人们的生活质量，更受人们欢迎。
无可否认机械时代已经过去，电子时代已经到来。
做为新时代的人们，更应该提高自身能力，适应新时代的发展。
知识来自实践，多去生活中探询所需要的。
对于上述所提到的研究课题，我们应尽量考虑到人的因素，增强时钟的实用性和操作性，为使用者提供切实的方便，营造一种舒适的生活氛围。
所以，在设计的时候，应该从多方面、多角度去考虑问题，而且应该进一步提高时钟的质量。
另外，在本次设计的过程中，作者发现很多的问题，虽然以前没有做过这样的设计但通过这次设计作者学会了很多东西，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，比如写一个程序看其功能很少认为编写程序简单，但到编的时候才发现一些细微的知识或低级错误经常犯做不到最后常常失败，所以有些东西只有学精弄懂并且要细心才行，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。
从这次的课程设计中，作者真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把所学的理
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