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电子类毕业设计
绪论
20世纪末，电子技术得到了极速的发展，毫无疑问，在其推动下，现代电子产品以及各种高科技产品几乎渗透到了社会的各个领域，这有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度以及综合科技水平的提高，但产品更新换代的频率也越来越快。
随着科技的发展社会的进步和全球化竞争的日益激烈，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。
多功能电子钟不管在性能还是在样式亦或是用途上都发生了重大的变化，许多电子钟都已具备电子闹钟、电子秒表、温度检测等功能。
同时单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的[1]。
多功能电子时钟除了具有时钟的功能外还可以包含对环境温度检测的功能。
温度是一种最基本的环境参数。
在各个行业生产及日常生活中，对温度的测量及控制始终占据着非常重要的地位。
目前，典型的温度检测控制系统由模拟式温度传感器、A/D转换电路和各种单片机组成。
由于模拟式温度传感器输出的模拟信号必须经过A/D转换环节转换为数字信号后才能与单片机等微处理器接口进行读写的操作，所以硬件电路会比较复杂，成本较高。
而以DS18B20为代表的新型单线总线数字式温度传感器集温度测量和A/D转换于一体，这类传感器可以直接输出数字量，同时与单片机接口电路结构非常简单，可以广泛用于距离远、节点分布多的场合，具有较强推广应用价值。
[2]
数字电子时钟是采用数字电路实现对时，分，秒数字显示的装置，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或缺的必需品，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，数字时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。
例如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动启闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电器的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。
因此，研究数字时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
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高速发展。
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子，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、通信和家用电器外，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。
本设计通过用对一个能实现可调的实时时钟显示功能的时间系统的设计学习，详细介绍了51单片机应用中的数据转换显示，数码管显示原理，静态扫描显示原理，单片机的定时中断原理等，从而达到学习、了解单片机相关指令在各方面的应用。
对于单片机学习者而言，这个程序基本上是一道门槛，掌握了电子时钟程序，基本上就可以说掌握了51单片机。
1数字钟的功能实现与设计方案
1.1数字钟的实现形式
数字钟既可以通过纯硬件实现，也可以通过软硬件结合实现，根据电子时钟的核心部件——秒信号的产生原理，通常有三钟形式：
（1）用NE555时基电路的形式
采用NE555时基电路或其他震荡电路产生秒脉冲信号，作为秒加法电路的时钟信号或微处理器的外部中断输入信号，可构成电子时钟。
由NE555构成的秒脉冲发生器电路如图1-1所示。
输出的脉冲信号V0的频率F=1.443/（RA+2RB）×C,可通过调节这3个参数,使输V0的频率为精确的1Hz。
图1-1基于555的秒脉冲发生器
（2）采用石英钟专用芯片的实现形式
采用石英钟专用计时芯片实现的电子钟，具有实现简单、计时精度高的特点。
石英计时芯片（简称“机芯”）比较多，常见的有STP5512F、SM5546A和D60400等。
现基于5512F的2秒输出信号作为秒加法电路的计时脉冲，可实现电子时钟。
5512F的引脚如图1-2所示。
图1-25512F引脚图
其中，引脚7、8为外接晶振及振荡电路，引脚1接电源正极，电源为1.5伏，引脚3、4原为指针用步进电机线圈的输出驱动端，这里可用3脚作为脉冲输出，频率决定于外接晶振的频率。
（3）采用基于单片机的实现形式
利用单片机的智能性，可方便的实现具有智能数字钟的设计。
而且，微处理系统具有时钟振荡系统，利用系统时钟并借助微处理器的定时/计数器功能可以实现数字钟的功能。
本设计采用AT89S51单片机设计。
1.2方案的确定
可以从以下几个方面来确定电子时钟的设计方案。
1.2.1微处理器
采用ATMEL的AT89S51微处理器，是基于以下几个因素：
（1）内含Flash存储器,这在系统的开发过程中,可随意进行程序修改,既便错误编程之后仍可以重新编程,故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期;同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息。
（2）采用静态时钟方式,节省电能,这对于降低便携式产品的功耗十分有利。
（3）由于它是以8031核构成的,所以它与MCS251系列单片机是兼容的
（4）AT89S51为51内核，仿真调试软硬件资源丰富；
（5）性价比高，货源充足；
（6）DIP-40封装，体积较大，但更方便编程及定义管脚；
（7）为E2PROM程序存储介质，1000次以上擦/写周期，便于变成调试；
（8）具有低功耗工作模式，便于进行低功耗设计；
（9）工作电压范围较宽，便于交直流供电。
1.2.2显示电路
就时钟而言，通常可采用液晶显示或数码管显示。
对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且液晶显示作为一种被动显示，可视性相对较差；对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块（字符或点阵），一般多采用并行机接口，对于微处理器的接口要求较高，占用资源多。
另外，89S51本身没有专门的液晶驱动接口，因此，本时钟设计采用了数码管显示方式。
数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、价格便宜等优点，而且市场上也有专门的时钟显示组合数码管。
1.2.3按键电路
考虑到对时钟以及在有限个数码管内实现两组显示数据的切换。
本时钟系统设五个按键：
（1）SET键，主要用于启动和关闭设定参数状态两个功能：
①在复位后的时钟（或日期）显示状态下，用于启动设定时间（或日期）参数；
②在设定正确状态后，用于结束设定参数状态。
（2）+1键，在SET状态下，用于对当前设定位（编辑位）进行加1操作，根据正在编辑的当前位的含义（时位、分位、秒位或星期、月份、日期）自动进行数据的上限和下限判断。
例如，对12小时制，当小时的两位显示为12时，再按此键，则自动变为显示为“01”。
（3）-1键，在SET状态下，用于对当前设定位（编辑位）进行减1操作，根据正在编辑的当前位的含义（时位、分位、秒位或星期、月份、日期）自动进行数据的上限和下限判断。
例如，对12小时制，当小时的两位显示为01时，再按此键，则自动变为显示为12.
（4）左移键/显示状态切换键，在SET状态下，用于对当前设定位（编辑位）进行左移位操作，每次移动一个变量（即两个数码管）；在待机状态下，用于显示（时、分、秒和星期、月、日）的转换。
（5）右移键，用于对当前设定位（编辑位）进行右移位操作，每次移动一个变量（即两个数码管）。
2数字钟的硬件系统设计
数字时钟硬件部分的设计应包括秒信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电路等几部分。
2.1数字时钟的硬件系统框架
电子时钟的系统框架入图2-1所示。
2.2数字时钟的主机电路设计
数字时钟的主电路指的是图1中框内部分，主要涉及到微处理器电路和按键、按钮电路。
主机的设计具体地说有：
1、系统控制芯片的选择2、系统时钟电路设计；3、系统复位电路设计；4、按键与按钮电路设计。
2.2.1系统控制芯片CPU（AT89S51）的选择
AT89C系列单片机是Atmel公司1993年开始研制生产的，优越的性能价格比使其成为颇受欢迎的8位单片机。
AT89C系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：
第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，功能更加强大，使其在应用中更广泛[6]。
（1）AT89S51主要性能：
AT89S51是Atmel公司生产的带4KB闪速可编程可擦除只读存储器的8位单片机，它具有如下主要特征：
AT89S51为51内核；
内部带4KB可编程闪速存储器（E2PROM），寿命为1000次擦/写循环，数据保留时间为10年；
DIP40封装，I/O口较多
工作电压范围为4.5～5.5V；
全静态工作频率为0Hz～33MHz；
三极程序存储器保密锁定；
128bytes内部RAM；
32个外部双向输入/输出可编程I/O线；、
2个16位定时器/计数器；
6个中断源；
两个全又工串行通信口；
看门狗（WDT电路）；
可编程串行通道；
片内振荡器和时钟电路；
低功耗的闲置和掉电模式；
（2）AT89S51内部结构及引脚描述
AT89S51单片机的内部与8051单片机的内部结构完全一致，区别只是将存储器改为Flash存储。
其引脚配置如图2-2所示。
图2-2AT89S51引脚配置
它是一个有40个引脚排列直插式的芯片，其引脚描述如下：
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口除了作为普通I/O口，还有第二功能：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。
除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。
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。
从上述引脚说明看出，AT89S51提供了外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号，因此利用AT89S51构成的单片及应用系统可以在AT89S51之外扩展存储器或I/O设备，但是其自身所具有的的各项功能及模块也说明，AT89S51本身也构成了最小的单片机系统。
（3）振荡器
振荡器特征：
XTAL1和XTAL2分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，如图2-3所示。
可采用石英晶体或陶瓷振荡器组成振荡器。
要从外部时钟源驱动AT89S51，则XTAL2应悬空，而XTAL1的驱动如图2-4所示。
由于输入到内部时钟电路经过一个二分频触发器，故不需要对外部时钟信号的工作周期提出特殊要求，但它必须遵守最小和最大电压高低电平的时间规范。
图2-3振荡的外部连接方法
图2-4外部时钟驱动结构
（4）特殊功能寄存器SFR
与8051单片机特殊功能寄存器相对应，AT89S51片内设置了19个特殊功能寄存器，统称为特殊功能寄存器块SFR，它们的地址散布在80H～0F0H区域内。
（5）低功耗工作模式
AT89S51优良中低功耗工作模式：
待机方式与掉电方式。
待机方式（休眠方式）
当利用软件使待机方式位ADL（PCON.0）=0时，单片机进入空闲方式。
此时，CPU处于休眠状态，而片内所有其它外围设备都保持工作状态，片内RAM和所有特殊功能寄存器内容保持不变。
在待机方式下，当晶振fosc=12MHz，电源电压VCC=6V时，电源电流ICC从20Ma降至5Ma；而VCC由5.5mA降至1mA。
中断或硬件复位可以终止待机方式。
当待机方式由硬件复为终止时，CPU要从休眠处恢复程序的执行，执行2的周期后，内部复位电路才起作用。
此时，硬件禁止访问内部RAM，但允许访问端口引脚。
为了防止休眠被复位终止时对端口以外写入的可能性，在生成待机方式的指令后不应紧跟对端口引脚的写指令。
如果不采用外部上拉，P1.0和P1.1应置“1”。
掉电方式
掉电方式由掉电方式位PD（PCON.1）=1设置。
此时振荡器停止工作，设置掉电方式的指令成为最后执行的一条指令，片内RAM和特殊功能寄存器内容保持不变。
在掉电模式下，VCcmin=2V。
当VCC=6V时，ICCmax=100μA；当VCC=3时，ICcmax=20μA。
退出掉电方式的唯一方式是硬件复位。
硬件复位将重新定义特殊功能寄存器，但不影响片内RAM。
复位的保持时间应足够长，以便振荡器能重新开始工作并稳定下来。
在VCC没有恢复得到正常工作电压之前，不应进行复位。
如果不采用外部上拉，P1.0和P1.1应置“0”，否则置“1”。
（6）闪速存储器的编程
AT89S51单片机内部有4KB的闪速存储器阵列，一片新的AT89S51，其存储阵列处于擦除状态（FFH），此时可对其编程，存储阵列一次编程1字节，若编程任何非空字节时，需对整个存储阵列进行片擦除[7]。
编程时，AT89S51利用内部存储器地址计数器提供寻址存储器的地址信号，RST上升沿将该地址计数器复位至000H，引脚XTAL1所施加的正向脉冲使地址计数器不断加1。
[8]RST上出现12V（编程电源VPP）高压时，预示着1字节的编程操作开始，这时P3口提供编程所需的控制与状态信号，P1口为数据通道。
（7）在线编程
AT89S51编程时需要利用RST、XTAL1、P1口、P2口、P3口提供控制信号与加载编程数据，而这一要求又常与用户系统对这些引脚的要求或操作冲突。
因此，在线编程不能直接在用户工作电路中进行，而要通过特殊电路处理才能实现。
例如图2-5所示为在线编程的示例，其采用2选1的方法实现连接线路的切换，达
到在线编程的目的。
利用微动开关SW来选择XTAL1的加载，产生选择控制信号Select，其它线路的切换用2选1器件74LS157与三态缓冲器74LS244实现。
当AT89S51正常工作时，选择控制信号（Selecg=0）控制所有的74LS157输入A端与输出Y接通，且74LS244-1输出有效，74LS244-2三态输出，使得AT89S51可以对用户电路进行控制操作；当AT89S51需要编程时，选择控制信号（Select=1）控制所有的74LS157输入B端与输出Y端接通，且74LS244-1三态输出，74LS244-2输出有效，使得AT89S51可以接受编程电路的控制，实现编程操作。
图2-5在线编程示图
2.2.2时钟芯片DS1302
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路。
提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：
①RES复位；②I/O数据线；③SCLK串行时钟.时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信.DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
DS1302是由DS1202改进而来,增加了以下的特性.双电源管脚用于主电源和备份电源供应Vcc1，为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器。
它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
（1）主要的性能指标:
实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、月、星期、年的能力，还有闰年调整的能力;
318位暂存数据存储RAM;
串行I/O口方式使得管脚数量最少;
宽范围工作电压2.0V---5.5V;
工作电流2.0V时,小于300nA;
读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式;
8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配;
简单3线接口;
与TTL兼容Vcc=5V;
可选工业级温度范围-40+85;
与DS1202兼容;
在DS1202基础上增加的特性;
对Vcc1有可选的涓流充电能力;
双电源管用于主电源和备份电源供应;
备份电源管脚可由电池或大容量电容输入;
（2）DS1302的基本组成和工作原理
DS1302的引脚功能排列及描述如图2-6所示.
图2-6DS1302引脚图
管脚描述：
X1X232.768KHz晶振管脚
GND地
RST复位脚
I/O数据输入/输出引脚
SCLK串行时钟
Vcc1,Vcc2电源供电管脚
DS1302串行时钟芯片8脚DIP
DS1302S串行时钟芯片8脚SOIC200mil
DS1302Z串行时钟芯片8脚SOIC150mil
（3）DS1302内部寄存器
CH:
时钟停止位 存器2的第7位12/24小时标志
CH=0振荡器工作允许 bit7=1,12小时模式
CH=1振荡器停止 bit7=0,24小时模式
WP:
写保护位 寄存器2的第5位:
AM/PM定义
WP=0寄存器数据能够写入 AP=1下午模式
WP=1寄存器数据不能写入 AP=0上午模式
TCS:
涓流充电选择 DS:
二极管选择位
TCS=1010使能涓流充电 DS=01选择一个二极管
TCS=其它禁止涓流充电 DS=10选择两个二极管
DS=00或11,即使TCS=1010,充电功能也被禁止
2.2.3系统时钟电路设计
系统利用晶体振荡器作为时钟电路，根据晶振的不同使用要求及特点，通常分为以下几类：
普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。
安装晶振时，应根据其引脚功能标识与应用电路应连接，避免电源引线与输出引脚相接输出。
在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量，交流电压应无瞬变过程[9]。
测试仪器应有足够的精度，连线合理布置，将测试及外围电路对晶振指标的影响降至最低。
（1）普通晶振（PXO）：
是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在10-5量级，一般用于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。
（2）温补晶振（TCXO）：
是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。
（3）恒温晶振（OCXO）：
采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上。
中精度产品频率稳定度为10-7~10-8，高精度产品频率稳定度在10-9量级以上。
主要用作频率源或标准信号。
（4）压控晶振（VCXO）：
是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路或频率微调。
压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合。
晶体振荡器选择参考标准：
（1）总频差：
在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大频差。
（2）温度稳定度：
在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
（3）频率稳定预热时间：
以晶体振荡器稳定输出频率为基准，从加电到输出频率小于规定频率允差所需要的时间。
（4）频率老化率：
在恒定的
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