数字电子钟.docx

数字电子钟.docx

《数字电子钟.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子钟.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

数字电子钟

本科实训论文

数字电子钟

数字电子钟

摘要

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，时间的不准确会带来非常大的麻烦，所以以数码管为显示器的时钟比指针式的时钟表现出了很大的优势。

数码管显示的时间简单明了而且读数快、时间准确显示到秒。

而机械式的依赖于晶体震荡器，可能会导致误差。

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。

数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。

在这次设计中，我们采用LED数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，12MHz的晶振产生振荡脉冲，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。

数字钟是其小巧，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的喜爱，因此得到了广泛的使用。

关键字：

数字电子钟，单片机

Digitalclock

Abstract

The modern life of people pay more and more attention to up the concept of time, may say that time and money with the hospital. For those who hold on time is very strict and accurate people or things, it's not accurate time will bring very big trouble, so to digital pipe for the clock display pointer type than the clock showed a lot of advantage. Digital pipe display time simple and fast reading, time show to the seconds. And mechanical dependent on the crystal oscillator, could lead to errors.

A digital clock is the digital circuit to realize ", "and" points ", "seconds" digital display timer device. A digital clock precision, stability is far more than old mechanical clock. In this design, we adopt LED digital display tube when, minutes and seconds, with 24 hours timer way, according to the principle of digital dynamic display to show, 12 MHz of crystals produce oscillation pulse, the timer count. In this design, the circuit has a show time its this function, still can realize to the adjustment of the time. A digital clock is its small, the price is low, when the high precision, easy to use, the function is much, facilitate integration and the consumption by love, so it has been widely used.

Keywords:

 digital electric clock microcontroller

目录

第1章绪论1

1.1选题背景1

1.2选题意义1

1.3选题目的2

1.4设计要求2

1.5本章小结2

第2章基础知识的介绍3

2.1MCS-51单片机3

2.1.1控制器3

2.1.2存储器的结构3

2.1.3并行I/O口4

2.1.4时钟电路与时序5

2.1.5单片机的应用领域5

2.2led数码管6

2.3MAX2327

2.4本章小结8

第3章硬件设计9

3.1硬件设计原理9

3.2电路设计图9

3.3主要模块设计10

3.3.1单片机系统的晶振电路10

3.3.2单片机的复位电路11

3.3.3按键控制电路11

3.3.4串口模块电路12

3.3.5数码管显示电路13

3.7本章小结14

第4章软件设计15

4.1软件流程图15

4.2仿真结果18

4.3PCB图19

4.4实物截图20

4.5本章小结20

第5章结论与心得21

5.1结论21

5.2心得21

参考文献23

附录:

程序24

第1章绪论

1.1选题背景

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。

1.2选题意义

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。

1.3选题目的

数字钟已成为人们日常生活中：

必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、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。

由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。

1.4设计要求

1、用AT89C51单片机及接口电路设计一个电子计时器。

（1）系统硬件设计：

根据任务要求，完成单片机最小系统及其扩展设计，组成功能完整的系统。

（2）系统软件设计：

根据数字电子计时器功能，完成控制软件的编写与调试，并对数码显示进行控制。

2、实现的功能：

（1）开机时，电子钟从12:

00:

00开始自动计时。

（2）设置按键，能对时、分、秒进行调整。

（3）倒计时功能（设定一段时间长度，能实现倒计时显示，时间长减到0时，闪烁提示）。

1.5本章小结

本文介绍的设计是针对教学所用的多功能定时器，可以完成教学所需的功能。

该定时器操作简单，功能齐全，是单片机智能化的一种应用。

第2章基础知识的介绍

2.1MCS-51单片机

MCS-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。

如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。

它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。

但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。

2.1.1控制器

控制器是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。

单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。

首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送至指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。

这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。

控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。

2.1.2存储器的结构

MCS-51单片机存储器采用的是哈佛结构,即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开,程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式,寻址空间和控制系统。

这种结构对于单片机面向控制的实际应用极为方便,有利.在8051/8751弹片击中,不仅在片内集成了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器,而且还具有极强的外存储器的扩展能力,寻址能力分别可达64KB,寻址和操作简单方便.MCS-51的存储器空间可划分为如下几类:

1.程序存储器

单片机系统之所以能够按照一定的次序进行工作,主要是程序存储器中存放了经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。

程序实际上是一串二进制码,程序存储器可以分为片内和片外两部分。

8031由于无内部存储器,所以只能外扩程序存储器来存放程序。

MCS-51单片机复位后,程序存储器PC的内容为0000H,故系统必须从0000H单元开始取指令,执行程序.程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址.一般在该单元存放一条绝对跳转指令,跳向用户设计的主程序的起始地址。

2.内部数据存储器

MCS-51单片机内部有128个字节的随机存取存储器RAM,作为用户的数据寄存器,它能满足大多数控制型应用场合的需要,用作处理问题的数据缓冲器。

MCS-51单片机的片内存储器的字节地址为00H-7FH.MCS-51单片机对其内部RAM的存储器有很丰富的操作指令,从而使得用户在设计程序时非常方便。

地址为00H-1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区,每个区含8个8位寄存器,编号为R7-R0。

用户可以通过指令改变PSW中的RS1,RS0这二位来切换当前的工作寄存器区,这种功能给软件设计带来极大的方便,特别是在中断嵌套时,为实现工作寄存器现场内容保护提供了极大的方便。

3.特殊功能寄存器（SFR-SpecialFunctionRegister）

特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的状态,实际上是MCS-51单片机各功能部件的状态及控制寄存器.SFR综合的,实际的反应了整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式.SFR实质上是一些具有特殊功能的片内RAM单元,字节地址范围为80H-FFH.特殊功能寄存器的总数为21个,离散的分布在该区域中,其中]有些SFR还可以进行位寻址.128个字节的SFR块中仅有21个字节是由定义的.对于尚未定义的字节地址单元,用户不能作寄存器使用,若访问没有定义的单元,则将得到一个不确定的随机数.

2.1.3并行I/O口

MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口（Port），分别记作P0-P3，共有32根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。

实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。

这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位寻址。

由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有一些差异。

P0口是双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。

P1口是8位准双向I/O口，可驱动4个LS型负载。

P2口是8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。

P3口是8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。

P1口、P2口、P3口各I/O口线片内均有固定的上拉电阻，当这3个准双向I/O口做输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。

2.1.4时钟电路与时序

时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。

MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。

在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。

CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，这列信号很多。

另一类用于片外存储器或I/O端口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。

这也是单片机应用系统设计者普遍关心的问题。

2.1.5单片机的应用领域

单片机应用领域可以归纳为以下几个方面。

1．智能仪表

用单片机系统取代老式的测量、控制仪表，实现从模拟仪表向数字化、智能化仪表的转化，如各种温度仪表、压力仪表、流量仪表、电能计量仪表等。

2.测控系统

用单片机取代原有的复杂的模拟数字电路，完成各种工业控制、数据采集系统等工作。

3．电能变换

应用单片机设计变频调速控制电路。

4．通信

用单片机开发通信模块、通信器材等。

5．机电产品

应用单片机检测、控制传统的机械产品，使传统的机械产品结构简化，控制智能化，提高了机电产品的可靠性，增强了产品的功能。

6．智能接口

在数据传输中，用单片机实现外部设备与微机通信。

2.2led数码管

led数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。

位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。

图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。

颜色有红，绿，蓝，黄等几种。

led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。

选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。

下面将介绍常用LED数码管内部引脚图片图1这是一个7段两位带小数点10引脚的LED数码管图2引脚定义每一笔划都是对应一个字母表示DP是小数点

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89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：

），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。

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。

2.3MAX232

MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。

MAX220–MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供±12V电源的应用。

2.4本章小结

本章介绍了单片机的一些基本硬件结构。

单片机是微计算机的一个分支，在原理和结构上，单片机与微型机之间没有根本性的差别，而且微计算机的许多技术都被单片机继承下来。

单片机的基本结构依然是CPU加上外围芯片的传统结构模式，但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

第3章硬件设计

3.1硬件设计原理

电子计时器主要由AT89C51、显示模块、控制模块和计时运算模块四大部分组成。

其中控制模块和计时运算模块主要对时、分、秒的数值显示和调整进行操作，并且秒计算到60时，自动清零并向分进1；分计算到60时，自动清零并向时进1；时计算到24时，自动清零。

这样，就形成了循环计时，显示模块主要用来显示当前计数值。

AT89C51是整个设计的核心，主要用来产生定时中断，传输数据和控制各个部件工作数字电子钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。

它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外还有校时功能。

因此，一个基本的数字钟电路主要由显示器“时”，“分”，“秒”和单片机，还有校时电路组成。

8个数码管的段选接到单片机的P0口，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。

显示电路将“时”、“分”、“秒”通过七段显示器显示出来。

校时电路时用来对“时”、“分”、“秒”显示数字进行校对调整，按一下ksec,秒单元就加1，按一下kmin,分就加1，按一下khour，时就加1

3.2电路设计图

3.3主要模块设计

3.3.1单片机系统的晶振电路

单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。

MCS-51系列单片机内部都有一个时钟振荡电路，只需外接晶振源，就能产生一定频率的时钟信号送到单片机的内部的各个单元，决定单片机的工作速度。

图4-3就是内部时钟工作方式的电路图，这是一种常用的方式。

这种方式是外界振荡源，本设计就采用这种外接晶振的方法。

电路中的两个电容的作用有两个：

一是帮助振荡器起振（C1C2的值大，起振的速度慢；反之，速度快。

）；二是对振荡器的频率起到微调的作用（C1C2的值大，频率略有减少，反之，频率略有提高）。

C1C2的值采用30pF。

如图3.1

图3.1.单片机系统的晶振电路

3.3.2单片机的复位电路

MCS-51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。

复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

上电复位：

上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。

上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。

为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。

电路图如下：

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。

3.3.3按键控制电路

按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。

按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。

闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。

抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。

为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。

本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。

电路图如下：

P1.0口表示功能移位键，按键选择要调整的时十位、时个位、分十位或分个位。

P1.1口表示数字“+“键，按一下则对应的数字加1。

P1.2口表示数字“-”键，按一下则对应的数字减1。

P1.3口表示时间表的切换，程序默认为日常时间表，当按下该开关，使输入为低电平时，表示当前执行的是考试时间表，并有绿发光二极管显示。

再按键，使键抬起，输入维高电平时，表示当前执行的是日常作息时间表，用红发光二级管显示。

3.3.4串口模块电路

51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。

进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。

我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：

第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。

这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如图3.1.5所示，MAX232的第12脚和单片机的10脚连接，第11脚和单片机的11脚连接，第14脚和串口第2脚连接，第13脚和串口第3脚连接。

3.3.5数码管显示电路

数码管显示器成本低，配置灵活，与单片机接口简单，在单片机应用系统中广泛应用。

1.数码管的工作原理

数码管是由8个发光二极管构成的显示器件。

在数码管中，若将二极管的阳极连在一起，称为共阳极数码管；若将二极管的阴极连在一起，称为共阴极数码管。

本文用到的6个数码管均是共阴极的。

当发光二极管导通时，它就会发光。

每个二极管就是一个笔划，若干个二极管发光时，就构成了一个显示字符。

将单片机的I/O口控制相应的芯片与数码管的a-g相连，高电平的位对应的发光二极管亮，这样，由I/O口输出不同的代码，就可以控制数码管显示不同的字符。

本文的6个数码管均采用动态显示方式，显示当前的时间。

整个显示电路应用了2个164芯片，1个244芯片。

第一个164芯片把从单片机传出的串行数据转换成并行数据。

164只能存储8位数据，因此，当单片机输