电子钟的设计.docx

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电子钟的设计

课程设计

课程名称:

专业课程设计

设计课题:

电子钟的设计

指导教师:

方芳

专业：

电子信息工程班级：

1382052

姓名：

郭国信学号：

138205206

电子信息工程专业

课程设计题单

班级1382052学生郭国信

课程名称专业课程设计

课题电子钟的设计

设计要求利用单片机最小系统设计一个电子钟

用8255扩展键盘及显示接口

显示方式：

**时**分**秒

时间可以任意修改

课题发给日期2016.06.08

课程设计完成日期2016.07.03

指导教师方芳

评语：

评分：

摘要

当今信息科技高速发展，使用方便、低成本电子设备已逐步成为我们日常生活中电子产品的主力军。

用软件代替硬件的电子设备能大大地节省成本，且有利于资源的节约，因此，以软代硬的设计必将成为我们现代设计的主流。

本设计是利用MCS-51系列单片机内部的定时器/计数器进行定时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。

该方案节省硬件成本，且能够使设计者在定时/计数器的使用中及程序设计方面得到锻炼和提高，因此本系统将采用软件方法实现计时。

关键词：

单片机计数器软件

第一章实验要求及设计思路

1.1设计内容及要求

设计一个电子钟，要求如下：

（1）利用单片机最小系统设计一个电子钟

（2）用8255扩展键盘及显示接口

（3）显示方式：

**时**分**秒

（4）时间可以任意修改

图1-1电子钟系统结构

1.2设计的目的与意义

人类的生活包括：

工作、学习、休息以及参与社会的多种实践活动，环环有条理，更加丰富多彩。

应该说时钟的计时功能与人类的各种行为和活动有着密切的联系，于是时钟的作用便体现出来，生活中有许多人，因为只顾工作而忘记时间，从而耽误了重要的安排或者计划，造成不可挽回的损失，使之后悔莫及。

我们要养成良好的时间观念，就需要电子钟时刻提醒我们。

因此，电子钟已成为人们日常生活中必不可少，它的应用非常广泛，应用于家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。

现在投入生产的大多是智能时钟，它的功能很全面，但价格有点昂贵，大多数学生或者经济条件较差的人，想要拥有它，都有点困难。

因此，在这里设计一个较简单的电子钟，它能完成计时和校时的功能。

这个时钟系统很简单，投入生产的成本很低，因此，它的价格比较便宜，对于学生很实用。

1.3设计的基本思路与主要内容

设计一个电子产品，首先了解它能实现的功能，时钟系统最基本的功能就是实现计时，在这里设计的数字电子时钟，它能实现计时和校时的功能，给电子钟加上电自动计时，设计一个按键对时钟进行复位和一个按键对时间切换，六个按键对时间进行调整。

硬件设计很简单，主要包括：

单片机、按键电路、驱动显示电路，以及LED显示器四个部分。

单片机选用AT89C52芯片，它无须外扩程序存储器，设计电路很简单。

通过程序扩展，用了八个按键，所以采用独立式按键使设计更简单。

显示时（年）、分（月）、秒（日）加两个分隔符，采用8位的数码管，利用8255扩展的数码管及键盘达到时间显示和修改的功能。

简易数字时钟可实现校时和整点报时功能，该软件采用C语言来实现，主要包括主程序、键输入程序、显示程序、定时程序和中断程序等软件模块。

把原程序加入原理图，做出电子钟的仿真，以秒计数并显示时、分、秒。

其中秒和分为60进制，小时为24进制计数。

可通过按键实现时钟复位和分、秒、时的校正。

第二章系统组成及工作原理

2.1系统组成

电子钟的电路图主要由单片机（AT89C52）、键盘电路、驱动显示电路和LED显示器四部分组成，它主要实现时钟的显示，以及对时（年）、分（月）、秒（日）进行调整，即实现调时（日）的功能。

其数字钟系统整体结构如图2-1所示。

图2-1电子钟系统整体结构

1.显示方案

方案一:

静态显示就是当CPU将要显示的字或字段码送到输出口，显示器就可以显示出所要显示的字符，如果CPU不去改写它，它将一直保持下去；静态显示硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢。

方案二:

动态显示则是一位一位地轮流点亮显示器地各个位（扫描）。

对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次；动态显示耗能较小，但编写程序较复杂。

动态显示硬件连接简单，信息刷新速度快。

由于本次设计是对时间进行显示，如采用静态显示，则所占用的I/O口较多，电路较复杂,所以在此选择的是方案二，采用动态显示。

2.键盘方案

方案一:

独立式键盘。

独立式键盘的各个按键相互独立，每个按键独立地与一根数据输入线（单片机并行接口或其它芯片的并行接口）连接。

独立式键盘配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根接口线，在按键数量不多时，接口线占用多。

所以，独立式按键常用于按键数量不多的场合。

方案二:

矩阵式键盘。

矩阵式键盘采用的是行列式结构,按键设置在行列的交点上.（当接口线数量为8时,可以将4根接口线定义为行线,另4根接口线定义为列线,形成4*4键盘,可以配置16个按键。

）

由于本设计只用了八个按键，不需要采用矩阵式键盘，所以选用第一种方案,采用独立式键盘。

3.计时方案

采用软件控制:

利用单片机内部的定时/计数器进行定时，配合软件定时实现时（年）、分（月）、秒（日）的计时。

该方案能够使设计者，在设计的过程中容易实现，且节省硬件成本，因此本系统将采用软件方法实现计时。

2.2工作原理

AT89C52内部有三个16位的定时器/计数器，利用它们可以获得精准的时间。

设计中定义40H-47H8个单元为时间显示缓冲区，里面存放00H-0AH之间的数，其中0AH在查表时会查到‘—’的字形码。

我们让定时器T1定时50ms。

同时再定义一个单元来记录T1定时器记满50ms的次数，当该单元中的次数达到了20次时，即时间走了1s钟，马上执行时间加1s的程序。

即要对40H-47H中的秒缓冲单元加一，再将更新后的40H-47H依次查表后送8255去显示，这样便实现了电子钟走时的功能。

8255的PC口接有按键开关，平时不按下，对应的PC口会获得一个高电平，可一旦有键按下，对应的PC口便会接地而获得一个低电平。

设计中使用了八个PC口。

这样，每个键都会有一个确定的键值对应着。

如此，我们便可在程序中根据读取到的键值让单片机去执行相应的设置时（年）、分（月）、秒（日）加、减和确定等功能程序。

数码管的动态显示是指一位一位地轮流点亮各个数码管。

对于每一个数码管来说，每隔一段时间点亮一次。

通常点亮时间为1ms左右，相隔时间为20ms。

图2.2中，PA口的输出为段数据口，接显示器的各个段极，PB口输出为位扫描口，将PB0和PB1分别接入两个74HC573锁存器的LE锁存使能输入引脚。

显示时，首先使PB口的B0为低电平，B1-B7为高电平，则仅第一位数码管的公共阴极为低电平（被选通）；同时PA口输出第一个显示数据的段码，这时第一位数码管将显示出第一个显示数据。

持续1ms左右后，使B0为高电平，关闭第一个数码管，随后使B1为低电平，选通第二位数码管，并由PA口输出第二个显示数据，并持续1ms左右。

用类似的方法依次选通第3，第4，···，第8位即完成一次循环显示。

如果连续地循环便可在数码管上稳定地显示所需显示的内容。

图2.2电子钟硬件电路图

第三章硬件设计与分析

3.1硬件设计原理

时钟电路的核心是AT89C52单片机，其有256个字节的内部RAM，80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的。

3.2AT89C52单片机介绍

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

3.3单片机最小应用系统

时钟电路和复位电路是单片机最小应用系统中必不可少的。

单片机时钟电路图，如图3-1所示:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

复位是使单片机或系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。

单片机的工作就是从复位开始的，当在单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。

实际应用中，复位操作有两种基本的形式：

一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。

由于本次设计采用的是上电复位，所以这里只介绍上电复位，如下图3-1所示：

图3-1单片机最小应用系统电路图

上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。

常用的上电复位如上图所示。

上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。

3.4显示电路

一、七段LED显示器的原理

显示器是单片机应用系统常用的设备，包括LED、LCD等。

LED显示器由若干个发光二极管组成。

七段LED通常构成字型“8”，还有一个发光二极管用来显示小数点。

每段LED分别引出一个电极，电极的名为a、b、c、d、e、d、g、dp，其中dp是小数点段的引出电极。

当发光二极管导通时，相应的一个笔画或一个点就发光。

控制相应的二极管导通，就能显示出对应字符。

说明：

在该设计中，用单位的数码管来显示分隔符，其七段LED显示器如图3-4.1所示

图3-4.1七段LED显示器

二、动态显示

本设计共享了八位LED显示器，因此采用动态显示方式。

所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮显示器的各个位。

对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。

虽然在同一时刻只有一位显示器在工作，但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余晖，我们看到的却是多个字符“同时“显示。

显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间长短和时间间隔有关。

显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需要一个I/O接口，称为扫描口或字位口，控制各位LED显示器所显示的字型也需要一个8位接口，称为段数据口或字型口。

3.5键盘及其接口

键盘是由若干个按键组成的，它是单片机最