单片机数字时钟设计.docx
《单片机数字时钟设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机数字时钟设计.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
单片机数字时钟设计
标题：
单片机的数字时钟设计
姓名：
陈帅
学号：
20092080502
班级：
09电气工程系机电5班
指导教师：
王爱玲
摘要
单片微型计算机简称单片机，它是把微型计算机的各个功能部件:
中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口、定时器/计数器以及串行通信接口等待集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机，故又把它称为单片微型计算机。
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。
近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
本次做的数字钟是以单片机（AT89C51）为核心，结合相关的元器件（共阴极LED数码显示器、BCD-锁存/7段译码/驱动器CC4511等），再配以相应的软件，达到制作简易数字钟的目的，其硬件部分难点在于元器件的选择、布局及焊接。
关键词：
单片机AT89C51共阴极LED数码显示器BCD-锁存/7段译码/驱动器CC4511
目录
摘要1
目录1
引言1
第一章题目2
1.2、课程设计目的3
第二章单片机发展历史3
2.1三大阶段3
2.2如果将8位单片机的推出作为起点4
2.3 单片机的发展趋势4
第三章单片机的组成及特点6
3.1 单片机的组成6
3.2 单片机的特点7
3.3单片机的分类7
第四章单片机的应用9
4.1单片机的应用分类9
第五章数字种的构成10
5.1数字钟的构成10
5.2实验中所需的器材11
5.3方案选择与相关技术11
5.4AT89C51的单片机简介12
5.4.1主要特性12
5.4.2管脚说明13
5.4.3振荡器特性16
5.5CC4511集成简介17
5.5.14511集成分析17
5.5.24511的逻辑图18
5.6LED数码显示器简介19
5.6.1LED数码显示器的结构19
5.6.2LED数码显示器有两种连接方法19
第六章电路设计20
6.1电路接法20
6.1.1晶体振荡器与AT89C51的接法21
6.1.2单片机AT89C51的银脚的连接21
6.1.3译码器CC4511的银脚连接21
6.2数字钟电路图22
第七章调试过程：
…………………………………………………………………………..24
1）检测AT89C51运行否24
2）七段数码管24
总结25
参考文献…………………………………………………………………………….26
引言
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。
但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。
数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,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。
第一章题目
做一个基于AT89C51的简易的单片机数字钟。
该数字钟有4个共阴极七段数码管，分别显示分钟和秒。
其显示方式为：
XX：
XX。
1.1课程设计要求
（1）掌握AT89C51实验开发系统中的实验模块原理，画出电路原理图;
（2）综合运用实验模块，用89C51开发设计具有一定功能的单片机控制系统，进行软、硬件设计及调试；
（3）写出完整的设计任务书：
课题的名称、系统的功能、硬件原理图、软件框图、程序清单、参考资料；
（4）时间以60分种为一个周期;电子钟的格式为：
XXXX，由左向右分别为：
分、秒。
完成显示由秒01一直加1至59，再恢复为00；分加1，由00至01，一直加1至59，再恢复00；
（5）为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。
1.2、课程设计目的
（1）巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；
（2）培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；
（3）过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤；
（4）掌握计数器、加法器、半导体数码管显示器与七段码显示译码器的使用；
（5）连接数字钟的工作原理。
第二章单片机发展历史
2.1三大阶段
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
1.SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
2.MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。
自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。
2.2如果将8位单片机的推出作为起点
如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段:
（1）第一阶段（1976-1978）：
单片机的控索阶段。
以Intel公司的MCS – 48为代表。
MCS – 48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS – 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS –51。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。
MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
（3）第三阶段（1982-1990）：
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS – 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。
随着MCS – 51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。
（4）第四阶段（1990—）：
微控制器的全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。
2.3 单片机的发展趋势
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
CMOS化 近年，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。
CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。
因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
低功耗化 单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
低电压化 几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。
目前0.8V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
大容量化 以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。
但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。
目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。
高性能化 主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。
现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。
这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。
由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。
小容量、低价格化 与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。
这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。
外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。
随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。
除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。
串行扩展技术 在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。
随着低价位OTP（One Time Programble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。
特别是 I C、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。
随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。
在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS –51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。
这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。
80C51单片机已成为单片机发展的主流。
专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。
第三章设计的简要阐述
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。
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三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AT89C51芯片，它无须外扩程序存储器，设计电路很简单。
由于只用了四个按键，所以采用独立式按键使设计更简单。
显示时、分、秒加两个分隔符，采用8位的数码管，用常用的74LS244来驱动LED数码管显示字符。
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。
第四章单片机的组成及特点
单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把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芯片上。
就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。
3.1 单片机的组成
单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。
其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。
3.2 单片机的特点
由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。
单片机主要发如下特点：
（1）有优异的性能价格比。
（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
（3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
（5）外部总线增加了I C（Inter-Integrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
3.3单片机的分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。
根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
1. 通用型/专用型
这是按单片机适用范围来区分的。
例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
2. 总线型/非总线型
这是按单片机是否提供并行总线来区分的。
总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。
3. 控制型/家电型
这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。
一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。
显然，上述分类并不是惟一的和严格的。
例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。
第五章单片机的应用
4.1单片机的应用分类
由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。
它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：
（1） 单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
（2）单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是械工业发展的方向。
机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。
单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。
（3） 单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。
例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。
单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。
（4） 单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。
多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。
单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。
单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。
（5） 单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。
单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。
综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。
另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
第六章数字钟的构成
数字时钟的发展史
电子钟有着很长的历史，从民国19年的电钟，研制始於60年代中期的国内电晶体、半导体管钟，到研制始於70年代末的石英电子钟，再到今天我们所用的智能电子钟。
以前的电子钟存在着很多缺点，其外观体积庞大，在功能上有死摆、走时时间不长、走时精确度不高等缺点。
如今无论是外观，还是在功能上，电子钟都有了很大的改进。
虽然世界绝大多数钟表都是中国制造，但钟表对于国内市场来说只是个小行业，2003年总盘子不过才100多亿，但不是没有前景。
近年来，市场在急剧膨胀。
根据国外的统计数据显示，发达国家人均一生拥有手表23块，发展中国家12块，而目前中国的城镇人口人均拥有量不多于6块，空间很大。
比如彩电一般是一个家庭一台，手表则是每人一块，但从销售量来看，光TCL一家公司两个月的彩电销量可以接近300万台，而我们手表每年总共才卖200多万只。
所以绝对不是市场潜力不够的问题，而是我们应该如何去做的问题。
数字钟的构成
数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路.由于计数的起始时间不可能与标准时间一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1MHZ时间信号必须做到准确稳定.通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟.
⑴晶体振荡器电路
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的12MHz的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定.不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路.
⑵时间计数器电路
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器电路构成,秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器.
⑶译码驱动电路
译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流.
⑷数码管
数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管,本设计提供的为LED数码管.
图1数字钟的工作原理图
5.2实验中所需的器材
5V电源.
面包板1块.
万用表.
镊子1把.
剪刀1把.
网络线2米
AT89C51弹片机1个
12M晶体振荡器1个
CC4511集成块4块.
共阴七段数码管4个.
680Ω电阻28个.
10ＫΩ电阻1个.
升级会员 