基于单片机的数字式时钟方案设计书.docx
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基于单片机的数字式时钟方案设计书
基于单片机的数字式时钟设计
学院信息电子技术
专业通信工程
班级06级1班
学籍号0609064107
姓名丁满芳
指导教师王全
佳木斯大学
2010年6月17日
摘要
近几年，单片机在各个领域得到广泛的应用。
因为其小巧的体积，低功耗，以及高效的性能，单片机受到了大家的欢迎。
该设计介绍了一种基于AT89C51单片机设计数字式时钟的方法。
首先介绍了数字式时钟的工作原理、AT89C51单片机的性能和特点、并概述了用单片机实现数字式时钟的硬件框图及软件实现方法。
本设计以AT89C51芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个简易的数字式时钟。
它由交流电源供电，用六个八段LED数码管动态扫描来显示时间，采用蜂鸣器进行报时；三个按键实现时间的调整和定时，软件方面采用汇编语言编程。
该数字式时钟具有硬件成本低、计时准确、调整时间容易等特点。
本系统大部分功能由软件来实现，吸收了硬件软件化的思想，使硬件电路简单明了，系统稳定性大大提高。
该系统不仅成功的实现了要求的基本功能,而且有一定的创新功能。
关键词：
单片机;数字式时钟；数码显示器；中断
ABSTRACT
Single Chip Microcomputerhasachievedaimmersepopularityinallfieldsinrecentyears．Duetoitssmallsize，lowpowercostandhighperformances，ithasbeenwelcomedbypeople.
AmethodofDigitalClockdesignbasedonAT89C51MicroControllerUnit（MCU）isintroducedinthisthesis.IntroducedtheworkingprincipleofDigitalClock,performanceandfeaturesofAT89C51MCU,andanoverviewoftheDigitalClockwithblockdiagramofthehardwareandsoftwareimplementation,AT89C51chipasthecorepartwithsomenecessaryperipheralcircuits,designasimpleDigitalClock.ACasthepowersupply,sixeight-segmentLEDdigital-tubesareusedfordisplay,threebuttonscanbeusedtoadjustthetime,inthesoftwareaspect,usesassemblylanguagesoftwareprogramming.Thedesignhassomefeatures,suchaslow-costhardware,time-accurateandeasyadjustmentoftime,andsoon.Thedesignachievedalltherequiredbasictechnicalindexes．Furthermore，adoptingtheideaofhardware-to-software,mostofthosefunctionsarerealizedbysoftware,whichmakestheelectro circuitmoreconciseandthesystemmorestable.
Keywords：
singlechipcomputer;DigitalClock；digitaldisplay；Interrupt
第1章绪论
1.1课题的来源及研究目的和意义
1.1.1课题的来源及研究目的
时间对于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，如果事情重要，一时的耽误可能酿成大祸。
例如，许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记拨掉已充满电的电器。
尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏。
注射后，一般等待5分钟后，如果超时，所作的皮试试验就会无效。
手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。
所以，使用单片机来制作一个定时系统显得很有必要。
这个系统能够很好的随时提醒这些容易忘记时间的人。
本文以AT89C51单片机为核心，配合周边电路实现数字式时钟的显示时间、定时、校时、整点报时等功能。
设计利用AT89C51单片机的中断系统和定时器、计数器等产生定时效果。
并通过运行单片机汇编语言程序实现数字式时钟的各种功能，再利用LED数码管动态扫描显示出单片机内部处理的数据结果。
同时通过单片机端口读入当前外部控制状态来及时改变系统汇编程序的状态，从而可以及时的实现和改变数字式时钟的各种功能。
1.1.2课题的研究意义
现代生活的人们越来越重视起了时间观念，可以说是时间和金钱划上了等号。
对于那些对时间把握非常严格和准确的人或事来说，时间不精确会带来非常大的麻烦，所以以LED数码管为显示器的数字式时钟比指针式时钟具有了很大的优势。
数码显示器显示的时间简单明了而且读数快、时间准确显示到秒。
而机械式的时钟依赖于晶体震荡器，经常会导致误差。
计算机尤其是以微细加工技术支持的微型计算机技术飞速发展，其应用渗透到了各行各业。
以单片机、嵌入式处理器、数字信号处理器（DSP）为核心的计算机系统，以其软硬件可裁剪、高度的实时性、高度的可靠性、功能齐全、低功耗、适应面广等诸多优点而得到极为广泛的应用。
目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片机化三个方向告诉发展.自1975年美国德州仪器公司（TexasInstruments）第一块微型计算机芯片TMS-1000问世以来，在短短的20年间，单片机技术已发展成为计算机领域一个非常有前途的分支，它有自己的技术特征、规范和应用领域。
单片机是自动控制系统的核心部件，主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。
它具有体积小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器）、价格低廉等一系列优点，应用领域不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通信、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件，已经渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，前景广阔。
数字式时钟具备单片机最小系统的基本组成，对于我们了解单片机有很大的帮助。
基于单片机的数字式时钟的研究和开发是单片机的一个很典型的实际应用。
数字式时钟是采用以单片机为核心和数字电路共同实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。
数字式时钟的精准度、稳定度远远超过老式机械钟。
在本次设计中，我们采用共阴极LED数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式，根据数码管动态扫描显示原理来进行显示，用12MHz的晶体震荡器产生振荡脉冲，单片机内的定时器计数。
在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整、定时和整点报时等功能。
数字式时钟以其小巧、价格低廉、精准度高、使用方便、功能多，便于集成化而深受广大消费者的喜爱因而也得到了广泛的使用。
数字式时钟广泛应用于家庭、车站、码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活中必不可少的必需品。
由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的应用,使得数字式时钟的精准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，研究数字式时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
1.2国内外的研究现状
数字式时钟的设计方法有很多种。
例如，可利用中小规模集成电路组成数字式时钟，也可以利用专用的数字式时钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成数字式时钟；还可以利用单片机来实现数字式时钟等等。
这些方法都各有不同的特点。
其中，利用单片机实现的数字式时钟具有编程灵活、便于电子钟功能的扩充、精确度高等明显的优点。
单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。
单片机是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。
它是一种集计数和多种接口于一体的微控制器，被广泛应用在智能产品和工业自动化上。
目前单片机应用于各个领域，其应用于仪器仪表中显得更为优越。
以单片机制成的数字式时钟具有计时准确，功耗低等优点。
从而得到了各个领域的广泛应用。
单片机正处在微控制器的全面发展阶段，全球各个公司的单片机产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。
单片机的发展推动了计算机应用系统的发展，应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求，从而又进一步促进单片机的发展。
单片机正在向着功能更强、速度更快、功耗更低、辐射更小的方向发展。
随着集成度的不断提高，把众多的外围功能器件集成在片内已经具备了充分的条件。
这也是单片机以后发展的重要趋势。
除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，随着单片机档次的提高，以适应检测、控制功能更高的要求，片内集成的器件通常还有电源监控与复位电路、WDT、A/D转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。
时间无处不在，与人类的生产生活息息相关。
时钟是用来比较精准地计量时间的工具之一。
从最初的机械式钟表到现在普遍用到的数字式钟表，时钟被广泛的运用于各行各业。
时至今日，随着科学技术的不断发展，人们对于时钟的要求在不断地提高。
时钟已不仅仅被看成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的功能。
随着科学技术的不断发展，人们对时间计量的精确度要求越来越高，应用越来越广。
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，因此走时精确度高、稳定性好、使用方便，不需要经常调校，数字式时钟用集成电路计时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示从而显示时间，减小了计时误差。
这种时钟具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性也较好。
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、智能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。
本文正是基于这种设计方向，以单片机为控制核心，设计出多功能智能数字式时钟。
1.3本课题的主要内容
近年来随着计算机在社会各个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，由于单片机具有功能强，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，本课题就是利用单片机的这一特点来设计一个具有多功能的数字式时钟。
本文从整体到部分、从硬件到软件都详细介绍了基于单片机的数字式时钟设计.该数字式时钟是以单片机AT89C51为核心来完成的,在硬件电路中采用AT89C51的P0口作为6位LED数码显示管的驱动接口,这是由于AT89C51的P0口输出驱动电路工作处于开漏状态，故只需外接上拉电阻便可以把LED数码显示管点亮。
在6位LED显示时，6个LED显示器共用一个8位的I/O口,将其相应的段选线并联在一起,由一个8位的I/O口控制,即P0口。
在这个整体电路中还设有三个控制按键即S1,S2和S3用来进行定时,选时和调时的选择,他们分别与单片机的P1.2,P1.4,P1.6口相连接。
P1.7口则与蜂鸣器相连接。
系统软件部分设计由系统主程序、数码显示器显示子程序、键盘子程序和定时器中断子程序等构成。
其中，主程序主要完成的功能是系统的初始化、定时器T0的初始化、计数单元内容设置等功能；定时器中断子程序主要实现时、分、秒的累加；系统的LED数码显示器在编程时采用动态显示方式，每位显示器逐个点亮，由于人眼的视觉残留效应，感觉显示器是同时点亮的，但要求动态点亮的速度应足够快，否则有闪烁感。
在这里每单位点亮的时间大约为0.5ms以内；键盘子程序主要完成通过按键识别来进行校时、定时等。
这是系统的软件设计部分。
在本文的附件中还附有系统完整的程序清单。
本设计是运用硬件和软件相结合的方式来进行设计的。
先利用AT89C51单片机中的定时器和计数器等单元配合必要的外围电路芯片完成硬件部分的设计，然后再通过运行单片机汇编语言程序实现数字式时钟的各种功能，并利用数码显示管动态扫描显示出来单片机内部处理的数据结果。
同时通过单片机端口读入当前外部控制状态来及时改变系统汇编程序的状态，及时实现和改变数字式时钟的各种功能。
所设计完成的数字式时钟具有24小时制显示时间、对指定的时间进行定时、当时钟显示的时间不准确的时候进行校对时间、整点报时等功能。
第2章数字式时钟硬件系统的设计
2.1AT89C51单片机简介和选型
2.1.1单片机简介及发展状况
单片机一词最初是源于"SingleChipMicrocomputer”，简称SCM。
在单片机诞生时，SCM是一个准确、流行的称谓，“单片机”一词准确地表达了这—概念。
随着SCM在技术上、体系结构上不断扩展其控制功能，单片机已不能用“单片微型计算机”来准确表达其内涵。
国际上逐渐采用"MCU"（MicroControllerUnit”）来代替，形成了单片机界公认的、最终统一的名词。
在国内因为“单片机”一词已约定俗成，故而继续沿用。
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机。
单片机按其内部中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）的字长分为1位机、4位机、8位机、16位机等。
从1976年8位单片机诞生以来，单片机领域中一直是以8位机为主流机型，预计这种情况还将继续下去。
单片机特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过1、2、3、3代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性方向发展。
其发展趋势不外乎以下几个方面：
1、多功能
单片机中尽可能地把所需要的存储器和I/O口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。
比如A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器---看家狗）、高速I/O口及计数器的捕获/比较逻辑等。
2、高效率和高性能
为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用RISC、流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：
单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内ROM（FLASH）和RAM的容量都突破了以往的数量和限制。
3、低电压和低功耗
单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。
由于CMOS等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2V或0.9V），功耗已经降低到uA级。
这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。
4、低价格
单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。
目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。
2.1.2AT89C51的介绍及选型
图2-1AT89C51单片机
1、主要特性
AT89C51单片机与MCS-51单片机兼容；具有4K字节可编程闪烁存储器；寿命：
1000次写/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和片内振荡器和时钟电路等主要特性。
2.管脚说明
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。
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，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。
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。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。
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。
表2-18051的初始态
特殊功能寄存器
初始态
特殊功能寄存器
初始态
ACC
00H
B
00H
PSW
00H
SP
07H
DPH
00H
TH0
00H
DPL
00H
TL0
00H
IP
xxx00000B
TH1
00H
IE
0xx00000B
TL1
00H
TMOD
00H
TCON
00H
SCON
xxxxxxxxB
SBUF
00H
P0-P3
1111111B
PCON
0xxxxxxxB
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。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
/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。
/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。
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。
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。
综合以上对AT89C51单片机的介绍，本次数字式时钟的设计我选择了AT89C51单片机作为核心元气件进行设计。
2.2系统硬件的整体框图
图2-2硬件电路整体框图
2.3系统硬件的电路图
2.3.1系统硬件的电路图及工作原理
该数字式时钟是以单片机AT89C51为核心芯片来完成的,在硬件电路中采用P0口作为6位LED数码管的驱动接口,这是由于P0口输出驱动电路工作处于开漏状态,它的驱动能力强,并接入芯片74LS04来驱动数码管的段码，用三极管PNP来驱动数码管的位码，故只需外接上拉电阻便可以把LED数码管点亮。
在6LED显示时，6个LED显示器共用一个8位的I/O口,6位LED数码管的位选线分别由相应的P2.0～P2.5控制,而将其相应的段选线并联在一起,由一个8位的I/O口控制,即
图2-3整体电路图
P0口。
在电路中还设有三个按键S1,S2和S3用来进行定时、选时和调时的选择,他们分别与单片机的P1.2,P1.4,P1.6口相连接。
P1.7口与蜂鸣器相连接。
通过数码显示器显示数据处理的结果。
6个数码显示管的段位选接到单片机的P0口，这里位选接到单片机的P2口。
数码管按照数码管动态显示的工作原理工作，将标准秒信号送入“秒单元”。
“秒单元”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分单元”的时钟脉冲。
“分单元”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时单元”。
“时单元”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。
24小时为一个整周期。
数码显示器显示电路将“时”、“分”、“秒”通过七段显示器显示出来。
电路有三个独立的按键，用于校对时间和设定时间。
校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整，按一下S1,秒单元就加1，按一下S2,分就加1，按一下S3，时就加1。
系统在复位电路中含有按键K用来控制复位电路的通断。
2.3.2电路图各个功能模块电路介绍
1、电源电路
图2-4电源电路
电源电路将220V的交流市电经变压器T1降低压降之后，经整流桥D1进行整流，将T1输出的电压变成直流电压。
但此时的电压还含有很多的交流成分，需要经过电解电容C4、C5进行滤波。
输出的电压经过7805三端稳压器稳压之后给AT89C51供电。
其中，芯片7805还有过压保护、过流保护、过热保护的功能，这
使它的性能很稳定。
电源电路中还含有一个发光二极管LED，当系统供电时发光二极管点亮，显示电源供电。
2、LED数码显示管显示电路
图2-5数码管显示电路
显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据。
按照材料及产品工艺，单片机应用系统中常用的显示器有：
发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。
发光二极管（LED）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件（半导体显示器）。
分段式显示器（LED数码管）由7条线段围成8字型，每一段包含一个发光二极管。
外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。
只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示各种字形或符号。
LED数码管有共阳、共阴之分。
本次设计采用的是共阳式数码管。
通常用的七段数码显示器的内部有8个发光二极管，其中7个发光二极管组成了数字“8”，剩下一个发光二极管就是这位数字所带的小数点。
数码显示管结构图如图所示。
数码管在应用时将公共极接地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为低电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为高电平时，相应字段就不亮。
从而通过软件编程来控制发光二极管阳极的电平状况，来控制数码显示器相应字段的亮和不亮，达到理想的数据显示结果。
3、键盘控制电路
图2-6键盘控制电路
本次设计的数字式时钟需要校对时间和定时，在电路的设计中用三个独立的控制按键来实现这些功能。
这三个按键分别是：
S3、S2、S1命名的功能键。
按S3键用来调节小时的时间显示，按S2键用来调节分的显示时间，按S1键用来调节秒的显示时间。
用手按下一个键时，往往按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才会稳定到闭合状态位置的情况；在释放一个键时，也会出现类似的情况。
这就是按键的抖动。
抖动的持续时间随键盘材料和操作员而异，不过通常总是不大于10ms。
很容易想到，抖动问题不解决就会引起对闭合键的识别。
从而对系统的显示结果产生误差。
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