简易数字钟电路的设计毕业设计论文说明书.docx
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简易数字钟电路的设计毕业设计论文说明书
摘要
数字钟在日常生活中最常见，应用也最广泛。
随着科学技术不断地发展，人们对于数字钟的要求也在不断地提高，而传统的数字钟，多数只能显示小时、分钟等信息，功能单一，而且大都采用LED数码管作为显示器件，功耗大，不能令消费者满意。
因此有必要对数字钟进行改进。
本课题设计是基于数字钟的原理，在经典基本电路上加以改进，设计并制作符合指标要求的多功能数字时钟。
该多功能数字钟设计基于单片机技术原理，以单片机芯片AT89S51作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制来完成。
本文详细叙述了系统硬件、软件的具体实现过程，重点阐述时钟系统硬件中时钟主控模块、键盘模块、报时模块、液晶显示模块的模块化设计与制作；软件中同样采用模块化的设计，主要包括键盘模块、时钟主控模块、报时模块、时间调整模块设计，并采用简单流通性强的C语言编程实现。
本设计实现了显示年、月、日、时、分、秒、星期的功能，按键调整时间，仿电台整点报时功能。
该系统功能实用，实现方法简单，具有工作稳定、使用方便等特点,可以广泛应用于人们日常生活中。
关键字：
单片机AT89S51；数字钟；LCD1602；报时。
Abstract
Thedigitalclockisusedwidelyinourdailylife.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theperformanceofdigitalclockhasbeenimprovingforpeople’srequirements.However,themosttraditionaldigitalclockscanonlyshowsomemessagessuchashours,minutes,etc.ForthesinglefunctionsandhighpowerconsumptionoftheLEDdigitaltubeasdisplaydevice,theycannotmakecustomersatisfaction.Thereisaneedtoimproveonthedigitalclock.
Thesubjectofdesignisbasedontheprincipleofdigitalclock,intheclassictobeimprovedonthebasiccircuitdesignandproductionmeettheindexrequirementsofmulti-functionaldigitalclock.Themulti-functiondigitalclockdesignprinciplesbasedonmicrocontrollertechnologytochipAT89S51microcontrollerasthecorecontroller,throughtheproductionofhardwareandsoftwaretocompletethepreparationprocess.Thispaperdescribesthesystemhardwareandsoftwarerealizationprocess,wefocusonthedesignandproductionofthehardwarekeyboardmoduleclocksystem,theclockmastermodule,alarmmodule,LCDmodule;inthedesignofthesoftware,modulardesignisalsoadopt,thekeyboardmodule,theclockmastermodule,alarmmodule,imeadjustmentandtimingmoduleareallincluded,andwithasimpleClanguageprogramming,weachievethefunctionofsoftwarecontrol.Withthedevice,thefunctionofdisplaytheyear,month,day,hour,minute,second,weekoffeatures,buttonstoadjusttime,setthealarmoftime,thewholepointtimekeepingofimitationradioisrealized.Consideringthesystemisfunctional、practical、simpletoachieve、stableandeasytouse,itcanbewidelyusedinourdailylife.
Keywords：
SinglechipAT89S52;Digitalclock;LCD1602;alarmclock.
1绪论
人类的生活和工作均离不开时钟。
从古代的滴漏更鼓到近代的机械钟，从电子表到目前的数字时钟，为了准确的测量和记录时间，人们一直在努力改进着计时工具。
钟表的数字化，大力推动了计时的精确性和可靠性。
1.1课题的提出及研究意义
1.1.1课题的提出
近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的要求。
多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等。
数字钟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。
在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。
早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。
小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。
它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。
随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。
根据这种实际情况，设计了一个单片机多功能数字时钟，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制，同时又可以进行时钟校准和定点打铃。
它可以执行不同的时间表（考试时间和日常作息时间）的打铃，可以任意设置时间。
这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可能。
电子钟是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到广泛应用。
随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到数字电子钟。
在城市的主要营业场所、车站、码头等公共场所使用LCD数字电子钟已经成为一种时尚。
但目前市场上各式各样的LCD数字电子钟大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂，功率损耗大等缺点，因此有必要对数字电子钟进行改进。
1.1.2课题研究的意义
多功能数字时钟的用途十分广泛，只要有计时的存在，便要用到数字时钟的原理及结构；同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费者的喜爱。
随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断提高。
时钟已不仅仅被看出一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。
高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。
在这种趋势下，时钟的数字化、多功能化已经成为现在时钟生产研究的主导设计方向。
1.2数字时钟的发展现状
随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。
数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、电子秒表等等，国内外已有多种数字钟设计成果，下面介绍几种常用数字时钟设计方案：
（1）基于低成本数字集成电路及配套的LED显示器组成的数字钟设计
系统由数字逻辑集成芯片构成纯硬件电路，其电路有以下几个模块电路组成：
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。
分频器电路将高频方波信号经分频后得到1Hz的方波信号供秒计数器进行计数。
校时电路由按键组成，当按键按下时产生一个脉冲信号来控制计数器的计数。
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及时个位和时十位计数器电路构成，其中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，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为24进制计数器。
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。
一般时钟都应具备整点报时电路功能,即在时间出现整点前数秒内,数字钟会自动报时,以示提醒.其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波。
其设计框图如图1-1所示。
图1-1基于微机系统的数字时钟设计框图
这种设计只用硬件构成，实现起来比较简单，但由硬件搭建的电路不够稳定，功能不能扩展，数码管显示效果较差，且电路功耗较大。
（2）基于VHDL的数字时钟设计
基于VHDL语言，用Top_Down的思想进行设计。
用CN6无进位六进制计数器选择数码管的亮灭以及对应的数，循环扫描显示，用SEL61六选一选择器选择给定的信号输出对应的数送到七段码译码器。
K模块进行复位，设置小时和分，输出整点报时信号和时，分，秒信号。
单元模块设计如图1-2所示。
图1-2基于VHDL数字时钟的设计模块
单元模块设计部分分三个部分，介绍数字钟选择显示数码管和对应的数模块CN6,信号选择模块SEL61,七段码译码器模块DISP和复位，秒，分，时显示，设置模块。
（3）基于单片机数字时钟设计
基于单片机的数字时钟设计是模块化设计，以单片机做主控制模块，将数据控制输出到显示模块。
通过编程来实现各种需要的时钟功能。
基于MCS-51单片机的数字时钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点。
单片机自诞生以来给全世界人类的生活和工作起到了剧烈的变化，而MCS-51单片机是我国使用最早、最易掌握和应用的一款单片机。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，录象机、摄象机，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。
但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。
由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。
通过键盘可以进行定时、校时功能。
输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。
1.3课题研究目的、研究内容及设计方案选择
1.3.1课题研究目的
数字钟是一种利用电子电路来显示秒、分、时的计时装置，从原理上讲是一种典型的数字电路，经典基本设计可用纯硬件电路实现，但电路结构复杂，功率损耗大等缺点，因此有必要对数字数字钟进行改进。
本课题设计就是为了研究数字钟的原理，在经典基本电路上加以改进，并添加一些功能模块，制作出一件多功能数字钟。
1.3.2课题研究内容
（1）查阅和整理关于多功能数字钟电路的资料，确定最佳设计方案。
能够根据课题的设计要求参考、应用、改进经典电路；
（2）课题的设计方案应本着简洁、实用、高性能和经济的原则，要求对设计的方案进行比较，选择最佳方案；
（3）准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间；
（4）扩展功能：
仿广播电台正点报时；
（5）硬件作品达到外表简洁美观大方、性能良好。
1.3.3课题设计方案选择
在1.2节介绍的几种数字钟设计方案里，其中使用单片机设计的数字钟，功能强大，界面友好，更好的满足了人们对它的智能化要求，这使得单片机在多功能数字钟中的应用非常普遍。
由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。
通过键盘可以进行定时、校时功能。
由于数码管的显示效果比较差，而液晶显示器的液晶显示范围广，能显示的东西多，显示效果明显，所以输出设备显示器用液晶显示技术。
使用单片机系统设计多功能数字时钟成为一项不可回避的良好设计方案。
2多功能数字时钟硬件设计
使用单片机设计的数字钟的器件可以确定以下几个方面。
微处理器的选择，AT89S51是2003年ATMEL推出的新型品种，除了完全兼容8051外，还多了ISP编程和看门狗功能。
显示电路的设计，随着科技的发展，液晶显示的使用越来越方便，已被普遍的使用。
由于液晶显示与驱动都集成在一个芯片上，因此使用起来很方便。
在这里采用液晶显示；校时和定时电路的设计；实时控制电路是时钟电路的一个重要组成部分，采用的是一个时钟芯片，单片机从中读取数据送到显示器上显示，从而实现数字钟的功能；还有一些其他控制电路如复位电路、时钟电路等。
通过这些控制电路的连接构成了完整的电路。
按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由主控制模块、显示模块、键盘模块、报时功能模块共4个模块组成，电路系统构成框图如图2-1所示。
图2-1电路系统构成框图
2.1主控制模块设计
主控使用AT89S51，AT89S51提供以下标准功能：
4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S51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中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。
2.1.1单片机AT89S51的特性概述
主要特性：
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
全静态工作：
0Hz-24Hz
三级程序存储器锁定
128*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
2.1.2单片机AT89S51管脚说明
AT89S51引脚如图2-2所示。
图2-2AT89S51引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性：
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。
2.1.3单片机AT89S51最小系统
主控模块采用的是AT89S51构成的最小系统，原理图如图2-3所示：
图2-3单片机AT89S51最小系统
AT89S51所用的晶体振荡电路采用内部振荡方式，由一个频率为12MHz的晶振和两个22PF的电容组合而成。
AT89S51的复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
无论是在单片机刚接通电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。
复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。
当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。
复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。
复位电路由按键复位和上电复位两部分组成：
（1）上电复位：
AT89系列单片机为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。
（2）按键复位：
按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。
复位按键为K1，当K1按下时给RST复位脚提供高电平。
本最小系统还包含有下载口电路和电源接口，下载口电路（即图2-3中的JP）是为单片机提供烧录程序的入口，同时下载口还能作为供电口。
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。
为了保证能在普通场合运行数字钟系统，在系统设计中还设计了单独电源接口（即图2-3中的J1），电源接口使用外部稳定的5V电源供电模块供给，电路中接入了电源指示灯LED（即为图2-3中的D1），当接入电源时D1点亮。
2.2显示模块设计
随着科技的发展，液晶显示的使用越来越方便，已被普遍的使用，所以本次设计采用液晶显示。
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点。
由于液晶显示与驱动都集成在一个芯片上，因此使用起来很方便。
数字钟要显示现在的日历时间包括年、月、日、星期、时、分、秒，在这里采用LCD1602液晶显示。
2.2.1LCD1602显示器的结构
（1）LCD1602主要技术参数
显示容量为16×2个字符；
芯片工作电压为4.5～5.5V；
工作电流为2.0mA（5.0V）；
字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。
（2）接口，LCD1602的引脚是很整齐的SIP单列直插封装，LCD1602采用标准的16引脚（带背光）接口，如表2-1所示：
表2-1LCD1602引脚接口
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DateI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DateI/O
3
VEE
液晶显示偏压信号
11
D4
DateI/O
4
RS
数据/命令选择端（V/L）
12
D5
DateI/O
5
R/W
读/写选择端（H/L）
13
D6
DateI/O
6
E
使能信号
14
D7
DateI/O
7
D0
DateI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DateI/O
16
BLK
背光源负极
①2组电源一组是模块的电源一组是背光板的电源均为5V供电。
②VEE是调节对比度的引脚调节此脚上的电压可以改变黑白对比度
③RS是很多液晶上都有的引脚，是命令/数据选择引脚，该脚电平为高时表示将进行数据操作；为低时表示进行命令操作。
④RW也是很多液晶上都有的引脚，是读写选择端，该脚电平为高是表示要对液晶进行读操作；为低时表示要进行写操作。
⑤E同样很多液晶模块有此引脚，通常在总线上信号稳定后给一正脉冲通知把数据读走，在此脚为高电平的时候总线不允许变化。
⑥D0—D78位双向并行总线，用来传送命令和数据。
⑦BLA是背光源正极，BLK是背光源负极。
2.2.2LCD1602数据原理
（1）LCD1602的基本操作时序
操作时序永远使用是任何一片IC芯片的最主要的内容。
LCD1602的基本操作时序如表2-2所示。
表2-2LCD1602的基本操作时序
读状态
输入
RS=L，R/W=H，E=H
输出
D0～D7=状态字
写指令
输入
RS=L，R/W=L，D0～D7=指令码，E=高脉冲
输出
无
读数据
输入
RS=H，R/W=H，E=H
输出
D0～D7=数据
写数据
输入
RS=H，R/W=L，D0～D7=数据，E=高脉冲
输
升级会员 