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基于单片机的时钟电路设计

商丘工学院

学院：

信息与电子工程学院

班级：

12级电信工程技术班

专业：

信息电子工程技术

题目：

基于单片机的时钟电路

指导老师：

刘琳

学生姓名：

庄军帅

学号：

1212010150I

信息与电子工程学院．

I商丘工学院《单片机的时钟电路设计》

基于单片机的时钟电路设计

摘要

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种芯片。

本次设计以AT89C51单片机芯片为核心，辅以必要的外围设计电路，设计了一个简易的电显示，数码管采用的是动态扫描显示的时钟电路。

通过数码管能够比较准确显示时、分,LED一闪一灭显示秒，设计方面采用汇编语言编程，整个电子时钟系统能完成对时间的显示、复位等功能。

通过这次设计让我更深入了解单片机基本电路、如何控制定时器和中断编程的基本方法，从而锻炼了我学习、设计和开发软、硬件的能力。

关键词：

AT89C51；单片机；数码管。

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II商丘工学院《单片机的时钟电路设计》

1绪论....………………………………………………………………………..…...I

1.1选题的目的和意义1………………………………………………………………….1.2单片机的应用………………………………………………………………1

1.3单片机数字时钟的总体设计方案…………………………………………3

1.4程序流程图………………………................................................................4

2硬件分析………………………………………………………………………….6

2.1单片机的选用………………………………………………………………6

2.1.1AT89C51的主要性能参6…………………………………………………..数2.1.2引脚说明……………………………………………………………...7

2.1.3复位电路……………………………………………………………...8

2.2数码管的选择………………………………………………………………8

2.2.1数码管的主要特点…………………………………………………...8

2.2.2驱动方式……………………………………………………………...9

2.2.3性能检测……………………………………………………………...9

3系统设计………………………………………………………………………...11

3.1分析论证…………………………………………………………………..11

3.2电路组成及工作原理……………………………………………………..11

3.3显示模块…………………………………………………………………..11

3.4运算模块…………………………………………………………………..11

3.5显示的原理………………………………………………………………..12

3.6主要程序分析设计………………………………………………………..13

3.7程序流程图…………………………………………………………..……14

4系统的仿真与调试……………………………………………………………...15

4.1硬件系统与调试…………………………………………………………..15

4.2软件调试…………………………………………………………………..16

结论………………………………………………………………………………….16

参考文献…………………………………………………………………………….17

附录………………………………………………………………………………….18

附录A……………………………………………………………………….....18

附录B………………………………………………………………………….24

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1商丘工学院《单片机的时钟电路设计》

1、绪论

1.1选题的目的和意义

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广泛、发展很快、单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。

由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。

这次毕业设计通过对它的学习、应用，以AT89C51芯片为核心，加以辅助电路，设计了一个简易的电子时钟，它由直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间。

数字时钟是现代社会应用广泛的计时工具，在航天、电子等科研单位，工厂、医院、学校等企事业单位，各种体育赛事及我们每个人的日常生活中都发挥着重要的作用。

本系统是基于AT89C51单片机设计的一个具有四位数码管显示的数字时钟，该系统同时具有硬件设计简单、工作稳定性高、价格低廉等优点。

数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。

在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。

在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。

下面分别就这几个方面说明单片机的技术进步状况。

1.2单片机的应用

（1）单片机在智能仪表中的应用

单片机广泛地应用于各种仪表仪器，使仪表仪器智能化，提高它们的测量速度和精度，并提高运算速度还加强其控制功能。

（2）单片机在机电一体化中的应用

单片机的出现促进了机电一体化，它作为机电产品的控制器，充分地发挥了体积小，可靠性高，功能强，现场安装灵活方便等优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的精度，自动化和智能化的水平。

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（3）单片机在实时控制中的应用

对于过程控制中的各种物理参数：

如转速,位移，流量，压力，温度，湿度，化学成分的测量和控制。

将测量技术，自动控制技术和计算机技术相结合，充分发挥数据处理和实时控制功能，使系统工作在最佳状态。

（4）单片机在分布式多机系统中的应用

单片机在这种多机系统中，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。

当今的微处理器和微型计算机正向着功能更强，速度更快，价格更廉和网络化，智能化以及多图型，超媒体的方向发展。

随着网络通信技术的和多媒体技术的发展，微机及其应用技术将以前所未有的速度，深度和广度向前发展。

将迅速改变人们传统的生活方式，给未来的政治，经济发展带来日益深远的影响。

而51单片机是各单片机中最具有代表性的一种。

本次毕业设计是用51单片机来设计电子时钟。

电子时钟是现代电子技术在时钟领域的具体实现方式。

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，由于电子时钟采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子时钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示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，选的灵活性好。

电子时钟给人们的生活带来极大的方便，而且大大扩展了钟表原先的功能。

诸如定时自动报警，定时开关，自动起闭电路等等。

在一定程度上让单片机的涉及范围得以体现，从而扩大应用领域。

因此研究电子时钟及扩大其应用，在一定程度上有很大的现实意义。

随着科学技术的进步，单片机的功能也会日益增强，那么电子时钟这项技术也可以发展成一项新型技术。

电子时钟也可以由单一的定时，计数，报警等功能，开发成低成本、通用及高性能数据通信、光纤网络和存储系统应用的产品。

本次毕业设计，通过对51单片机的学习、应用，通过学习与制作掌握单片机的应用,程序的编写,以及硬件电路的制作。

运用所学的知识，以AT89C51芯片为核心，辅2

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以必要的电路，设计可以实现的单片机电子时钟方案，通过数码管能够显示时间，调整时间，从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。

1.3单片机数字时钟的总体设计方案

本设计主要选用单片机P1.0-P1.6口控制数码管7引脚，P2.4-P2.7口控制三极管放大电流从而保证输出的脉冲信号稳定，P0.2-P0.3口控制LED输出高电频亮低电频灭的功能。

为方便程序的下载,设计中采用了与单片机相配合的下载端口,整个控制系统如图1-1所示：

时钟电复位按下载线路系统钮

单片机

控制系统图1-1图

程序流程图1.4

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设置初始常启动定时读取小时转换成显示数显示数据送脉读取分数转换成显示数显示数据送脉读取秒数转换成显示数调用子程序

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1-2图程序流程图5

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2、硬件分析

2.1单片机的选用

本设计选用的单片机是AT89C51，AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableRead

OnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

它的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

2.1.1AT89C51的主要性能参数

·8位CPU，片内振荡器；

·128b的数据存储器RAM；

·4kb片内程序存储器（ROM）；

·32条I/O接口；

·111条指令，大部分为单字节指令；

·21个特殊功能寄存器SFR；

·2个可编程定时/计数器；

·5个中断源，2个优先级；

·一个全双工串行通信口；

·外部数据存储器寻址空间为64KB；

·外部程序存储器寻址空间为64KB；

·逻辑操作为寻址功能；

·单一+5V电源供电；

AT89C51提供以下标准功能:

4k字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O接口，2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AT89C51降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式。

空闲方式体制CPU6

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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中的内容，但振荡器体制工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。

2.1.2引脚的说明

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，图2-1是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。

现在我们对这些引脚的功能加以说明：

·Pin20:

接地脚。

·Pin40:

正电源脚，正常工作或对片内EPROM编写程序时，接+5V电源。

·Pin19:

时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。

·Pin18:

时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。

8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。

另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。

输入输出（I/O）引脚：

Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚。

·Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。

图2-1MCS-51引脚图

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2.1.3复位电路

8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图2-2。

此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：

上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

图2-2自动手动复位

2.2数码管的选择

2.2.1数码管的主要特点

（1）低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。

（2）发光响应时间极短（<0.1μs），高频特性好，单色性好，亮度高。

（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。

（4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。

成本低。

因此它被8

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广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。

2.2.2驱动的方式

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

本设计采用的是动态式驱动方式。

（1）静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二～十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个AT89S52单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

（2）动态显示驱动：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

2.2.3性能检测

LED数码管外观要求颜色均匀、无局部变色及无气泡等，在业余条件下可用干电池作进一步检查。

现以共阴数码管为例介绍检查方法。

将3伏干电池负极引出线固定接触在LED数码管的公共负极端上，电池正极引出线依次移动接触笔画的正极端。

这一根引出线接触到某一笔画的正极端时，那一笔画就应显示出来。

用这种简单的方法就可检查出数码管是否有断笔（某笔画不能显示），连笔（某些笔画连在一起），并且可相对比较出9

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不同笔划发光的强弱性能。

若检查共阳极数码管，只需将电池正负极引出线对调一下，方法同上。

LED数码管每笔画工作电流I约在5～10mA之间，若电流过大会损坏数码LED管，因此必须加限流电阻，其阻值可按下式计算：

R限=（U。

-U）／I其中U。

为加LEDLED在LED两端电压，U为LED数码管每笔画压降（约2伏）。

利用数字万用表的HFE插口能LED够方便地检查LED数码管的发光情况。

选择NPN挡时，C孔带正电，E孔带负电。

例如检查LTS547R型共阴极LED数码管时，从E孔插入一根单股细导线，导线引出端接9极（第③脚与第⑧脚在内部连通，可任选一个作为负极），再从C孔引出一根导线依次接触各笔段电极，可分别显示所对应的笔段。

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3、系统设计

3.1分析论证

此时钟的设计与实现，主要采用了4只LED数码管，8031内部二进制16位定时器/计数器，可编程中断控制器8031等芯片，包括显示模块、运算模块两大功能模块。

3.2电路组成及工作原理

本设计主要利用AT89C51单片机控制数字时钟电路,由单片机的P1口控制数码管的段显示，P2控制三极管来放大电流，P0控制LED的一闪一灭。

在设计中引入一个电源电路，一个外部电源系统产生+5V电压，用于给CPU及显示电路提供工作电压，这是数字时钟正常工作时的总电压。

整个系统工作时，秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，将秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用LED的一灭一闪60次，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。

“分计数器”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“时计数器”。

“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。

显示电路将“时”、“分”、计数器的输出，通过四个七段LED显示器显示出来。

3.3显示模块

设计主要是用数码管的显示功能来实现，显示部分硬件用四只数码管为显示管，这些数码管的阳极是互相连接在一起的，所以称为共阳极数码管。

通过在这四只数码管的阳极加+5V或0V的电压使数码管形成不同的数字。

3.4运算模块

该模块的主要功能是对时、分、秒的运算，并把运算出的最终结果存到事先已经开辟的内存单元里，以便显示模块即时地显示出来。

该模块可以细分为秒定时模块和运算模块。

秒定时模块负责提供中断信号，由于CPU运算模块中的指令消耗一定的时间，所以中断信号最好通过硬件来实现。

本实验中用8031定时器/计数器，但因为8031供的信11

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号的周期是毫秒级的，因此必须通过软件的方法在运算模块中设置一个统计中断次数的变量，并且这一变量必须事先在内存里开辟存储单元。

中断信号是8031工作方式为方式1，产生一个50ms的脉冲信号。

运算模块负责时、分、秒的计算，该模块主要通过8031的IR1号中断来实现，但由于每50ms一次中断请求，所以在中断服务程序必须利用已申请内存单元26H来统计中断请求的次数，只有当26H的值为20时，才能让秒单元内的数值加1。

在中断服务程序里，必须对秒、分和时的单元内的数值进行判断，当LED闪动到60次时，分必须加1、秒又开始重新闪动；当分加到60时，时加1、分清零。

当时加到24时，直接清零。

3.5显示的原理

LED数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。

共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极（负极）短接后作为公共阴极。

当驱动信号为高电平、负端接低电平时，才能发光。

LED的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。

发光颜色不仅与管芯材料有关，还与所掺杂质有关，因此用同一种管芯材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码管。

其他颜色LED数码管的光谱曲线形状与之相似，仅入，值不同。

LED数码管的产品中，以发红光、绿光的居多、这两种颜色也比较醒目。

LED数码管等效于多只具有发光性能的PN结。

当PN结导通时，依靠少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相似。

在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。

当电压超过开启电压时，电流就急剧上升，笔段发光。

因此，LED数码管属于电流控制型器件，其发光亮度L（单位是cd／m2）与正向电流IF有关，用公式表示：

L=KIF即亮度与正向电流成正比。

LED的正向电压U，则与正向电流以及管芯材料有关。

使用LED数码管时，工作电流一般选10mA左右／段，既保证亮度适中，又不会损坏器件。

3.5.1实验原理

这里用的共阳极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正。

数码管的引脚如图3-3：

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3-1数码管的引脚图脚）3/8端（1、是要在VT从上图可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件：

”电平。

这样才能显示的。

）端接低电平或“0加正电源；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp字段不亮；这dp”了，而g和如要显示“0”，则a,b,c,d,e,f六个字段亮就显示“0口送出相应的代码即可，编码方法如下表：

样只要向P0数码管编码显示表1-2

显示字符

编码

P0.7

P0.6

P0.5

P0.4

P0.3

P0.2

P0.1

P0.0

COH

F3H

A4H

B0H

99H

92H

82H

F8H

80H

90H

88H

8EH

口，然后打开相应的数码管显示位P0程序使用时，只需将显示数字所对应的编码送的电源控制即可显示相应的字符。

3.6主要程序设计分析）主程序（1中断完成，其余状态循环调用显示子程序。

T0设计中采用定时器13

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