新颖60秒旋转电子钟设计.docx
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新颖60秒旋转电子钟设计
1单片机原理及接口技术
单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术
单片机原理及接口技术TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-282任
任任
任务
务务
务书
书书
书设计一款基于
设计一款基于设计一款基于
设计一款基于AT89C2051单片机的电子钟
单片机的电子钟单片机的电子钟
单片机的电子钟。
。
。
。
设计基本要求
设计基本要求设计基本要求
设计基本要求
⑴用4只LED数码管输出显示时和分。
⑵可通过按键设置闹钟功能，且停闹无须手工操作。
⑶可通过按键设置分校时。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28⑷月计时误差小于
45秒。
⑸写出详细的设计报告。
⑹给出全部电路和源程序。
3发挥部分要求
发挥部分要求发挥部分要求
发挥部分要求
⑴用60只LED发光管旋转显示，模拟“秒针”的行走。
⑵模拟“秒针”行走的“嘀哒”声。
⑶增加室温检测和显示功能（可与时间交替显示）。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28⑷增加停（掉）电保护功能。
⑸提高计时精度，使年计时误差小于30秒。
⑹可通过按键设置一天两闹（比如早晨、中午各一次）。
4选题背景目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照
明的情况下都是不可见的。
要知道当前的时间，必须先开灯，
故较为不便。
现在市场上也出现了一些电子钟，它以六只
LED数码管来显示时分秒，违背了人们指针式的传统习惯与
理念，而且这类电子钟一般是采用大型显示器件，适用于银
行、车站等公共场所，且外观设计欠美观，很少进入百姓家TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28行
、车站等公共场所，且外观设计欠美观，很少进入百姓家
庭。
此外，无论是机械钟、石英钟还是电子钟，都存在着共
同的问题：
时间误差。
针对以上存在的问题，我们设计了一
款采用LED显示器件显示的电子时钟，解决了时钟存在的误
差问题，并能在夜间不必其它照明就能看到时间，且以60只
发光管实现秒显示，接近于传统的秒针来显示秒的形式，用
户容易接受，而且美观大方。
另加七只装饰用的LED灯，使
整个时钟显的相当美观新颖，故还可作为室内装饰用。
51系统主要功能
系统主要功能系统主要功能
系统主要功能电子钟的外观如图1所示。
周边60只发光管顺时旋转来显示秒，中间
四只LED数码管用于显示时间，中下方的七只LED灯顺时旋转，供装饰用。
其主要功能有：
①整点报时；
②四只LED数码管显示当前时分；
③每隔一秒钟周边的60只LED发光管旋转一格；TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28③
每隔一秒钟周边的60只LED发光管旋转一格；
④当发生停电事件时，由后备电池供电，系统进入低功耗状态，所
有显示部件停止显示，这样即延长了电池的寿命，同时又保证了
CPU继续计数，不至于因停电而时钟停止运行。
⑤当恢复供电后，系统自动恢复工作状态，不影响计时。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-2872系统的硬件构成及功能
系统的硬件构成及功能系统的硬件构成及功能
系统的硬件构成及功能
电子钟的原理框图如图2所示。
它由以下几个部件组成：
单片机89C2051、电源、时分显示部件、60秒旋转译码驱动电
路。
时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，
同时也降低系统的功耗。
时分显示模块、60秒旋转译码驱动电TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28同时也降低系统的功耗
。
时分显示模块、60秒旋转译码驱动电
路以及显示驱动都通过89C2051的I/O口控制。
电源：
电源部分有二部分组成。
一部分是由220V的市电
通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作；
另一部分是由3V的电池供电，以保证停电时正常计时。
正常情
况下电池是不提供电能的，以保证电池的寿命。
具体电路参见
“新颖的60秒旋转电子钟参考电路原理图”。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28图2电子钟系统原理框图92．
．．
．1AT89C2051单片机及其引脚说明
单片机及其引脚说明单片机及其引脚说明
单片机及其引脚说明
AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是
8051单片机的简化版。
内部自带2K字节可编程FLASH存储
器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与IntelMCS-51
系列单片机的指令和输出管脚相兼容。
由于将多功能八位
CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051
构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28构成的单片机系统是具有结构最简单
、造价最低廉、效率最
高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，
减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图
3所示。
与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即
P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯
片尺寸有所减小。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为：
10VCC电源电压；
GND接地；
RST复位输入。
当
RST变为高电平并保持2
个机器周期时，所有I/O
引脚复位至“1”；TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28图
3AT89C2051引脚配置引脚复位至“1”；
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
放大器的输出。
11P1口8位双向I/O口。
引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当
作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这
是因内部上拉的缘故。
P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作
片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（
AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA的灌电流，并能直
接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。
在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28在闪速编程与编程校验期间
，P1口也可接收编码数据。
P3口引脚P3.0～P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引
脚。
P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用
I/O引脚访问。
P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；
P3口写入“1”后，内部上拉，可用作输入。
P3口也可用作
特殊功能口，其功能见表1。
P3口同时也可为闪速存储器
编程和编程校验接收控制信号。
12P3口引脚特殊功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）表
1P3口特殊功能TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28P3.2（外部中断0）
P3.3（外部中断1）
P3.4T0（定时器0外部输入）
P3.5T1（定时器1外部输入）132.260秒旋转译码驱动原理
秒旋转译码驱动原理秒旋转译码驱动原理
秒旋转译码驱动原理
按常规传统设计，需60进制译码驱动电路才能实现
60秒旋转译码驱动，若用六片十进制计数译码器构成六
十进制计数译码电路，则电路连线多（需要120根连线TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28），硬件电路庞大，开销大。
为此，我们巧妙地采用了
两片CD4017进行六十进制计数译码，实现60秒旋转译
码驱动。
既减少了电路的复杂程度又可降低了成本。
图
4为CD4017功能引脚图，图5为其时序图。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28图5CD4017时序图
图4CD4017引脚图15CD4017集成电路是十进制计数/时序译码器，共有10
个译码输出Q0～Q9；每个译码输出通常处于低电平，且在
时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平；每个高电平输出
维持1个时钟周期；每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉
冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。
在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时，只有输出端QTianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28为高电平，其余各输出端均为低电平“
0”。
为实现对发光二极管的驱动，将每一个译码输出端
口接一只发光二极管，并将二极管串联限流电阻后接地。
当译码端口Q0～Q9中任一端口为高电平，则对应的发光
二极管点亮，如图6所示。
16仔细考查CD4017的功能，可发现其10个输出的高电平
是相互排斥的，即任一时刻只有一只发光二极管点亮，因此
可将图6电路进一步简化为如图7所示，从而简化电路设计。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28图
6CD4017控制LED原理图图7优化后控制LED原理图17在本电子钟设计中，每秒点亮一个发光二极管，循环
点亮一周共需60个发光二极管，若用上述的6片CD4017
实现驱动，显然电路复杂。
为此我们选用两片CD4017
和一片6反相器，采用“纵横双译码”技术，巧妙地实TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28和一片
6反相器，采用“纵横双译码”技术，巧妙地实
现60秒旋转译码驱动，其中一片接成10进制，一片接成
6进制，实现6×10=60的功能，具体连接方法如图8所
示。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28图8发光二极管“纵横双译码”循环点亮LED原理图19将周期为1秒的输入脉冲作为其中一片CD4017的时钟
脉冲，而此片的级联进位输出端（QC）作为另一片的时钟
输入，并将Q6与复位端相连。
在两片译码输出端交叉点上
接入发光二极管，构成6×10矩阵。
根据CD4017时序特点，
在初始状态，作为高位（纵）的CD4017译码器输出端口Q0
处于高平，经反相器反相后为低电平。
当作为低位（横）的TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28CD4017
译码器输出端口Q0～Q9依次输出高电平后，则对
应的二极管LD1～LD10依次点亮；此后由于QC端的进位，
高位CD4017译码输出端口Q1输出高电平，反相后输出低电
平，当低位的CD4017译码输出端口Q0～Q9依次输出高电
平后，二极管LD11～LD20依次点亮。
如此往复，直至高位
Q6向复位端输入高电平，CD4017复位，60秒循环点亮重
新开始。
202.3时分显示部件
时分显示部件时分显示部件
时分显示部件
由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以
选用数码管既方便又经济。
LED有共阴极和共阳极两种。
如图8所示。
二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，
而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起
，接入+5V的
电压。
一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二
极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点
为dp发光二极管。
当在某段发光二极管施加一定的正向电
压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。
为了保护各段LED
不被损坏，需外加限流电阻。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28图9LED数码管结构原理图22众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，
完成从数字到显示码的译码驱动。
本系统采用软件译码，以减小
体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码
有更大的灵活性。
所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到
显示码的转换。
从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要
为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，
再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28码为
1个字节。
各段码位与显示段的对应关系如表2。
段码位D7D6D5D4D3D2D1D0
显示段dpgfedcba
表2各段码位的对应关系23字型共阳段码共阴段码字型共阳段码共阴段码
0C0H3FH990H6FH
1F9H06HA88H77H
2A4H5BHB83H7CH
3BOH4FHCC6H39H
表3LED显示段码TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-283
BOH4FHCC6H39H
499H66HDA1H5EH
592H6DHE86H79H
682H7DHF84H71H
7F8H07H空白FFH00H
880H7FHP8CH73H
本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。
24根据AT89C2051单片机灌电流能力强，拉电流能力
弱的特点，我们选用共阳数码管。
将AT89C2051的P1.0～
P1.7分别与共阳数码管的a～g及dp相连，高电平的位对应
的LED数码管的段暗，低电平的位对应的LED数码管的段亮
，这样，当P0口输出不同的段码，就可以控制数码管显示
不同的字符。
例如：
当P0口输出的段码为11000000，数码
管显示的字符为0。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28管显示的字符为
0。
数码管显示器有二种工作方式，即静态显示方式和
动态扫描显示方式。
为节省端口及降低功耗，本系统采用动
态扫描显示方式。
动态扫描显示方式需解决多位LED数码管
的“段控”和“位控”问题，本电路的“段控”（即要显示
的段码的控制）通过P0口实现；而每一位的公共端，即
LED数码管的“位控”，则由P3口控制。
25这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想
显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬
间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的
字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示
字符的字段码。
在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位
则暗。
在本系统中,字位线的选通与否是通过PNP三极管的
导通与截止来控制,即三极管处于“开关”状态。
系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成，TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28系统的时分显示部件由
4只7段共阳LED数码管构成，
前两只用于时的显示，后两只用于分的显示。
值得一提的是
，在设计中需要实现时与分之间的两个闪烁点，为此，将第
三只LED数码管倒置摆放，这样就很巧妙地形成了两个很自
然的闪烁点。
与此同时，为了能使两点显示能够形象的表示
时钟“秒”的变化，设计时，将两个点由P1.7单独控制，每
隔一秒使P1.7发送一个正脉冲，从而实现了两个点的闪烁显
示，闪烁周期为一秒。
263系统的软件构成及功能
系统的软件构成及功能系统的软件构成及功能
系统的软件构成及功能
本系统的软件系统主要可分为主程序和定时器中断程序两大
模块。
在程序过程中，加入了抗干扰措施。
下面对部分模块作介绍
。
3．
．．
．1系统主程序设计
系统主程序设计系统主程序设计
系统主程序设计
主程序的功能是完成系统的初始化，在显示时间之前，对系
统是否停电状态进行检测；若停电，将系统进入低功耗状态，用电
池电压维持单片机计时工作，但此时不显示时间，用节省用电；若
不停电，则将时分发送显示。
程序流程如图9所示。
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28不停电
，则将时分发送显示。
程序流程如图9所示。
3．
．．
．2中断程序设计
中断程序设计中断程序设计
中断程序设计
中断程序（如图10所示）完成时间计数，时间调整，误差消除等
功能。
中断采用AT89C2051内部T0中断实现，定时时间为125ms，
当时间到达125ms×8,即1分钟时，分计数缓冲器MINBUFFER增加1
，到达1小时，则时计数缓冲器HOURBUFFER增加1，并将分、时
的个位、十位放入显示缓冲器。
当分计数缓冲器和时计数缓冲器分
别到达60min、24h时，则对它们清零，以便从新计数。
在中断设计
中，还通过软件实现了累计误差消除功能，使整个系统时间的精确
度得到保证。
27图10系统主程序流程图TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-2828图11定时中断程序TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28图11定时中断程序294结束语
结束语结束语
结束语
上述电子钟，无论在外观上还是功能上都实现了较为
完善的设计。
特别值得一提的是本系统在精度上的设计，突
破传统的方法，对可能产生的积累误差采用“抵消法”，从
而有效地降低了时间误差。
由于计数时产生的积累误差所导致的时间误差，是所TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28由于计数时产生的积累误差所导致的时间误差
，是所
有的电子计时系统共同存在的问题。
但在目前市场上的电子
时钟产品，如计算机中的时钟，手机中的时钟等并没有有效
的采取消除误差的措施。
本系统设计的消除积累误差来减少
时间误差的软件方法，并不需要任何的硬件，因此在不增加
成本的情况下，可以普遍用于所有的电子时钟产品。
30名称型号数量
单片机
AT89C20511
数字集成芯片
CD40172
数字集成芯片
CD40691
超高亮数码管共阳尺寸0.5inch
4
超高亮发光二极管直径3红、透明
13新颖
新颖新颖
新颖60秒旋转电子钟器件
秒旋转电子钟器件秒旋转电子钟器件
秒旋转电子钟器件清单
清单清单
清单TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28超高亮发光二极管直径3红、透明
13
超高亮发光二极管直径3
绿、透明
50
普通二极管
IN40014
普通二极管
IN41482
稳压二极管
C4V3（4.3V）1
三极管
90125
三极管
9013131新颖
新颖新颖
新颖60秒旋转电子钟器件清单
秒旋转电子钟器件清单秒旋转电子钟器件清单
秒旋转电子钟器件清单名称型号数量
轻触按键小（尺寸6×6mm×5.5）
3
蜂鸣器
5V1
晶振6M（小体积）
1
底座14脚
1
底座16脚
TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28底座
20脚
1
底座40脚
1
电阻220欧姆，1/8瓦
8
电阻4.7K，1/8瓦
532名称型号数量
电阻100欧姆，1/8瓦
1
电阻270欧姆，1/8瓦
2
电容100微法/25伏
2
电容220微法/25伏
1
电容30P瓷片
3
电容104（0.1微法）
3新颖
新颖新颖
新颖60秒旋转电子钟器件清单
秒旋转电子钟器件清单秒旋转电子钟器件清单
秒旋转电子钟器件清单TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-28电容104（0.1微法）
3
变压器
5V/100MA1
电源线
150cm1
固定脚铜3套
PCB线路板直径11．5
1
热缩管直径20.2米TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-2834电子钟电源
电子钟电源电子钟电源
电子钟电源TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-2835新颖
新颖新颖
新颖60秒旋转
秒旋转秒旋转
秒旋转
电子钟实物
电子钟实物电子钟实物
电子钟实物TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-2836新颖
新颖新颖
新颖60秒旋转
秒旋转秒旋转
秒旋转
电子钟实物
电子钟实物电子钟实物
电子钟实物TianjinUniversityofTechnology天津理工大学机电研究所2011-12-283760秒旋转电子钟部分参考程序清单
秒旋转电子钟部分参考程序清单秒旋转电子钟部分参考程序清单
秒旋转电子钟部分参考程序清单
ALARMHBUFF2EQU77H;闹铃时间的时十位计时绶冲
ALARMHBUFF1EQU76H;闹铃时间的时个位计时绶冲
ALARMMBUFF2EQU75H;闹铃时间的分十位计时绶冲
ALARMMBUFF1EQU74H;闹铃时间的分个位计时绶冲
HBUFF2EQU73H;时十位计时绶冲Tia
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