电子时钟设计.docx
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电子时钟设计
目录
前言……………………………………………………………………………………2
一、概述………………………………………………………………………………3
1.1课程设计项目名称……………………………………………………………3
1.2项目设计目的及技术要求……………………………………………………3
1.3实验使用的仪器设备…………………………………………………………3
二、整体制作思路…………………………………………………………………3
三、系统设计………………………………………………………………………4
3.1硬件框图……………………………………………………………………4
3.2电路原理与原理图…………………………………………………………8
3.2程序框图……………………………………………………………………9
四、仿真及结果……………………………………………………………………12
4.1Protues仿真图………………………………………………………………12
4.2仿真结果……………………………………………………………………13
4.3实物图片……………………………………………………………………13
五、结束语…………………………………………………………………………14
六、参考文献………………………………………………………………………15
附录（源程序）
前言
时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。
怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？
这就要求人们不断设计出新型时钟。
现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。
时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。
在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：
一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：
一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有：
DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。
本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机STC12C5A06S2芯片和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。
一、概述
1.1课程设计项目名称
电子时钟设计
1.2项目设计目的及技术要求
基于51单片机，通过设计外围硬件设计和编写软件程序，完成LED七段数码管数字钟电路，数字钟显示格式为：
HH：
MM：
SS。
具有通过键盘能够调整时、分、秒的功能。
要求设计者拥有对51单片机的基本运用能力。
拥有使用计算机语言进行简单程序开发的能力。
以及对新接触电子模块的学习使用能力。
1.3实验使用的仪器设备
一块单片机STC12C5A60S2、一块74LS04芯片、3个2位数码管、4个按键、一个石英晶振、两个30pf的电容、5个发光二极管。
二、整体制作思路
首先，我们明确本设计需要解决的问题有：
（1）芯片的选择
（2）硬件的连接
（3）电子时钟的实现
然后围绕这些问题进行总体考虑并逐项解决。
通过查阅大量资料，特别是论文，我们选择了单片机STC12C5A60S2，然后搭建了最小系统，通过proteus仿真，证实我们的方案是切实可行的，能够完成电子时钟功能。
最后通过把程序烧到单片机中，实现了设计要求。
在这过程中，其实并不是一帆风顺的，首先对最小系统的搭建就经过我们的大量讨论，然后才确定了器件的选择。
由于proteus中没有STC12C5A60S2，我们用AT89C51进行仿真实验。
接着就是程序了，这也是我们头痛的地方。
通过看书并到图书馆借阅单片机编程相关资料，我们编出了程序，但仿真时却发现有错误，通过反复修改并仿真，才最终完成设计要求。
最后我们将程序烧到焊好的单片机中，完成了本次课程设计。
3、系统设计
3.1硬件框图
本设计使用单片机STC12C5A60S2作为主控芯片，通过外接按钮进行时间调整，完成时间调整，并在数码管上显示出来相应的结果。
根据本次设计的要求，在尽量要求准确精简的条件下设计了以下电路框图。
本次设计包含有四个主要的部分：
单片机的最小系统，即由单片机，时钟电路，复位电路组成；数码管显示电路和按键控制电路。
其整体设计框图如下图3.1所示：
图3.1电路框图
STC12C5A60S2单片机功能介绍：
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。
1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；
2.工作电压：
STC12C5A60S2系列工作电压：
5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2
系列工作电压：
3.6V-2.2V（3V单片机）；
3.工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz；
4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节；
5.片上集成1280字节RAM；
6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma；7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
8.有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）；
9.看门狗；
10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；
11.外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%；
12.时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以内）1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：
5.0V单片机为：
11MHz～15.5MHz，3.3V单片机为：
8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；
13.共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现
2个16位定时器；
14.2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟；
15外部中断I/O口7路传统的下降沿中断或低电平触发中断并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2）,CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）；
16.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）：
——也可用来当2路D/A使用——也可用来再实现2个定时器——也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）；
17.A/D转换,10位精度ADC共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）
18.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA
软件实现多串口；
19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）；
20.工作温度范围：
-40-+85℃（工业级）/0-75℃（商业级）
21.封装：
PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双
CPU,三线通信，还多了串口。
时钟电路模块：
单片机时钟内部有一个高增益反向放大器，用于构成时钟震荡电路，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为放大器的输出端，但要形成时钟还需附加其他的电路。
（1）内部时钟方式利用单片机内部的高增益反相放大器，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡。
定时元件一般采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体可在1.2~12MHz之间任选，电容可在5~30pF之间选择，电容C1和C2的大小可起频率微调的作用，电容大小要和晶体的容性负载阻抗相匹配，否则不易起振。
（2）外部时钟方式外部时钟方式常用于多机系统，以便各个单片机能够同步工作。
对外部振荡信号无特殊要求，但需保证脉冲宽度不小于20ns，且频率应低于单片机所支持的最高频率。
本设计采用12Mhz的晶振，30pF的电容，内部时钟电路。
如图3.2所示：
图3.2时钟电路
复位电路模块：
计算机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
MCS-51单片机有一个复位引脚RST，采用施密特触发输入，对于CHMOS单片机，RST引脚的内部有一个低拉电路。
当振荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平时即可确保使器件复位。
复位完成后，如果RST端继续保持高电平，单片机就一直处于复位状态，只有RST端恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。
RST端的外部复位电路有两种复位操作形式：
上电自动复位和按键手动复位。
（1）上电自动复位电路对于HMOS型单片机，只要在RST复位端接一个电容至VCC和一个电阻至VSS（地）,就能实现上电自动复位。
在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定宽度的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使单片机有效复位。
RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间。
VCC上升时间约为10ms,振荡器起振时间和频率有关。
10MHz时约为1ms.1MHz时约为10ms，所以一般为了可靠的复位，RST在上电时应保持20ms以上的高电平。
当振荡频率为12MHz时，典型值为C=10Uf,R=8.2K。
（2）按键手动复位按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC接通而实现的；按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生正脉冲来实现的。
复位电路采用手动复位和上电自动复位组合。
如图3.3所示：
图3.3复位电路
外部中断和内部中断并存，单片机硬件复位端，只要持续4个机器周期的高电平即可实现复位，硬件复位后的各状态可知寄存器以及存储器的值都恢复到了初始值，因为本设计中功能中有倒计时时间的记忆功能，所以不能对单片机进行硬件复位，只能用软件复位，软件复位实际上就是当程序执行完之后，将程序通过一条跳转指令让它完成复位。
键盘控制模块：
根据题目要求及另加的一些功能要求，总共只需要4个按键（如图3.4），故选用独立按键模式。
这4个键分别为，调时选择键k0、加值键k1、减值键k2、单片机复位键k3。
下面具体介绍一下每个键的功能。
K0：
时、分、秒的调时选择键。
K1：
加值键，每按一次所选的时间值加1；K2：
减值键，每按一次所选的时间值减1；K3：
单片机手动复位键。
图3.4控制按键
3.2电路原理与电路图
3.2.1电路原理
一个AT89C51单片机做为控制电路，用P0、P2口来控制数码管的段码和位码，利用动态扫描来实现数码管的显示。
开通定时器T0中断来对数码管的查表和1秒的准确计时，然后利用P3口的低三位作为判断程序，判断是否分时秒是否溢出，若无溢出则显示当前值，若溢出则清零实现时分秒的加一。
3.2.2电路原理图
图3.1电路原理图
3.3程序框图
3.3.1系统软件设计主程序流程图
主程序先对显示单元和定时器/计数器初始化，然后重复调用数码管显示模块和案件处理模块，当有键按下时，则转入相应功能程序。
图3.2主程序流程图
3.3.2定时器/计数器T0中断服务程序
计数选择定时器/计数器T0.具体处理如下：
定时器/计数器T0选择方式1，重复定时，定时时间设为50ms，定时时间到则中断，在中断服务程序中用一个计数器对50ms计数，计20次则对秒单元加1，秒单元加到60则对分单元加1，同时秒单元清零；分单元加到60则对时单元加1，同时分单元清零；时单元加到24则对时单元清零，标志一天时间计满，这样就行成了时钟关系。
在对各单元计数的同时，把它们的值放到存储单元的指定位置。
定时器/计数器T0中断服务的流程图如下：
图3.3定时器/计数器T0中断服务程序的流程
3.3.3按键处理模块
按键处理设置为:
如没有按键，则时钟正常走时。
当按K0键一次，时钟暂停走动，进入调分状态，再按K0键一次，进入调小时状态，再按K0键一次，回到正常走时；对于K1和K2按键，如果是正常走时，按K1和K2不起作用，如果进入调时或调分状态，按K1可对时或分进行加1操作，小时加到24则回到0，分加到60则回到0；按K2可对时或分进行减1操作，小时减到负责回到23，分减到负则回到59。
按键处理模块的流程如图所示：
图3.4按键处理模块的流程
四、仿真及结果
4.1Protues仿真图
通过protues建立基于AT80C51单片机仿真原理图，按键从左到右，第一个键为模式选择键，按第一次暂停设分钟，按第二次暂停，设小时，按第三次从新走动。
第二个键为加1键，第二个键为减一键。
4.2仿真结果
通过Proteus进行仿真，通过按键调整让其显示时间为12时07分。
4.3实物图片
上图是由STC12C5A06S2单片机做出的实物，可以通过按钮调整时间。
五、结束语
我在这一次数字电子钟的设计过程中，很是受益匪浅。
通过对自己在大学三年时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对毕业设计的思考及书面表达能力，最终完成了。
这为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验。
撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。
培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。
通过这次课程设计我发现，只有理论水平提高了；才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。
这个实验十分有意义我获得很深刻的经验。
通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。
我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。
学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。
这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。
六、参考文献
[1]曹巧媛，单片机原理及应用[M]，北京：
电子工业出版社，1997.7
[2]赵秀珍，单永磊，单片微型计算机原理及其应用[M]，北京：
中国水利水电出版社，2001.8
[3]张毅刚，修林成，胡振江，MCS-51单片机应用设计[M]，哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，1990.8
[4]张洪润，兰清华，单片机应用技术教程[M]，北京：
清华大学出版社，1997.11
[5]李华，MCS-51系列单片机实用接口技术[M]，北京：
北京航空航天大学出版社，1993.8
[6]陈景初，单片机应用系统设计与实践[M]，北京：
北京航空航天大学出版社
[7]马忠梅，单片机的C语言Windows环境编程宝典[M],北京：
北京航空航天大学出版社，2003.6
[8]李光飞,单片机C程序设计指导[M],北京:
北京航空航天大学出版社，2003.01
附录
源程序如下:
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharsec,min,hour;//定义时、分、秒变量
ucharcounter10ms0,counter10ms1;//定义T0和T1的10ms计数变量
ucharcounter05s0;//定义0.5秒变量
ucharKeyCounter;//定义保存功能按键计数值变量
ucharOldKey;//定义保存按键状态变量
bitAddFlag,SubbFlag;//定义加、减按键标志
bitFlashFlag;//定义闪烁标志
sbitLED1=P1^0;
sbitLED2=P1^1;
sbitLED3=P1^2;
sbitLED4=P1^3;
ucharDisbuff[8]={1,2,10,3,4,10,5,6};//定义数码管显示缓冲区单元
ucharcodeDisCode[12]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf,0xff};//共阳数码管段码，0~9及“-”“熄灭”字符的字型码
//ucharcodeDisCode[12]={0X3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40,0x00};
//共阴数码管段码，0~9及“-”“熄灭”字符的字型码
sbitLED=P3^4;//工作指示灯
/****************************************
*延时函数Delaynms（uintdly）*
*延时时间dlyx1ms12MHz*
****************************************/
voidDelaynms（uintdly）
{
uchari;
while（dly--）
for（i=0;i<123;i++）;
}
/***************************************/
/****************************************
*显示函数Display（）*
*功能：
根据将8个数码管显示一遍*
****************************************/
voidDisplay（void）
{
uchari,n=0x01;
for（i=0;i<8;i++）
{
P0=DisCode[Disbuff[i]];//送段码
P2=~n;//开位选
Delaynms
（1）;//延时
n=n<<1;//位选移位
P0=0xff;//段码低电平全灭
P2=0xff;//经过非门后变成高电平，使得位选关闭
}
}
/****************************************/
/****************************************
*BIN码变换成BCD码函数TimeDataBin2Bcd（）*
*功能：
将时、分、秒分离出十位和个位*
****************************************/
voidTimeDataBin2Bcd（）
{
Disbuff[0]=hour/10;//分离小时十位
Disbuff[1]=hour%10;//分离小时个位
Disbuff[3]=min/10;//分离分钟十位
Disbuff[4]=min%10;//分离分钟个位
Disbuff[6]=sec/10;//分离秒十位
Disbuff[7]=sec%10;//分离秒个位
}
/***************************************/
/****************************************
*读入按键函数ReadKey（）*
*功能：
若有按键按下，返回按键值*
*若没有按键按下，返回255*
****************************************/
ucharReadKey（）
{
ucharKey;
Key=P3&0xe0;//读入按键值P3&11100000
if（Key!
=0xe0）
{//若有键按下
Delaynms（10）;
Key=P3&0xe0;//重新读入按键值
if（Key!
=0xe0）
{//若有键按下
if（（Key!
=0xe0）&&（OldKey==0xe0））//判断是否下降沿?
?
{
OldKey=Key;//保存本次按键值
return（Key）;//返回按键值
}
}
}
OldKey=Key;//无键按下，保存本次按键值，返回255
return（255）;//不能够删，否则出错？
？
？
}
/***************************************/
/****************************************
*按键分析函数KeyAnalysis（ucharKey）*
*功能：
对功能键计数*
*对加、减键设标志*
****************************************/
voidKeyAnalysis（ucharKey）
{
if（Key!
=255）
{//有键按下
switch（Key）
{
case0x60:
KeyCounter++;//功能键按下01100000因为85行Key=P3&0xe0;//重新读入按键值
if（KeyCounter==3）KeyCounter=0;
break;
case0xa0:
if（KeyCounter!
=0）AddFlag=1;break;
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