数字钟设计 说明书.docx
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数字钟设计说明书
编号：
单片机应用实训说明书
题目：
数字钟
院（系）：
机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
学生姓名：
学号：
指导教师：
2012年 12月 21日
摘要
近年来随着计算机在社会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，由于它具有功能强，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，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
数字钟，是我们的日常生活品，数字钟可以让我们了解当下时间，以安排日常事宜。
用单片机控制数字钟进行计时和调时准确可靠。
说明书主要数字钟设计的过程，其中包括系统软件的设计、电路原理图的设计、PCB电路板的设计制作、软硬件系统调试等。
关键词：
单片机；数字钟；PCB
Abstract
Inrecentyears,withcomputersintheinfiltrationandthedevelopmentoflarge-scaleintegratedcircuits.SCMapplicationissteadilydeepening,asithasstrongfunction,smallsize,lowpowerdissipation,lowprices,reliable,easytousefeatures,itisparticularlysuitedtoandcontrolofthesystem,increasinglywidelyusedinautomaticcontrol,intelligentinstruments,gauges,dataacquisition,militaryproductsandhouseholdappliances,andotherareas,isoftenmicrocontrollerasacorecomponenttouse,Inlightofspecifichardwarearchitecture,andapplication-specificsoftwarefeaturesobjectcombinetomakeperfect.Digitalclock,itisourdailyproduct-dalabosuspendedceiling,digitalclockcanletusknowaboutthetimetoarrangethedailyaffairs.Usingsingle-chipmicrocomputercontroldigitalZhongJinHangtimingandadjustableinaccurateandreliable.Specificationmainlydigitalclockdesignprocess,includingsystemsoftwaredesign,circuitprinciplediagramdesign,PCBdesign,softwareandhardwaresystemdebugging,etc.
Keywords:
SCM;Digitalclock;PCB
目录
摘要1
Abstract2
引言1
1单片机简介2
1.1单片机发展历史2
1.2单片机发展趋势2
1.3单片机组成3
1.4单片机特点3
1.5单片机分类4
1.6单片机应用4
1.6.1单片机在智能仪表中的应用4
1.6.2单片机在机电一体化中的应用5
1.6.3单片机在实时控制中的应用5
1.6.4单片机在分布式多机系统中的应用5
1.6.5单片机在人类生活中的应用5
2数字钟简介5
2.1数字钟构成5
2.1.1晶体振荡器电路6
2.1.2时间计数器电路6
2.1.3应用译码驱动电路6
2.1.4数码管6
2.2数字钟应用6
3设计要求6
4设计原理6
5软件设计7
5.1时程序设计7
5.2.1实时时钟实现的基本方法7
5.2.2实时时钟程序设计步骤8
6PCB制作8
结论10
谢辞11
参考文献12
附录13
引言
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。
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单片机简介
1.1单片机发展历史
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。
SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。
1.2单片机发展趋势
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。
CMOS化 近年，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。
CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。
因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
低功耗化 单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
低电压化 几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。
目前0.8V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
大容量化 以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。
但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。
目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。
高性能化 主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。
现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。
这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。
由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。
小容量、低价格化 与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。
这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。
外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。
随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。
除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。
串行扩展技术 在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。
随着低价位OTP（One Time Programble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。
特别是 I C、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。
1.3单片机组成
单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。
其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。
1.4单片机特点
由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。
单片机主要具备下特点：
（1）有优异的性能价格比。
（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
（3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
（5）外部总线增加了IC及SPI等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
1.5单片机分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。
根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
1. 通用型/专用型
这是按单片机适用范围来区分的。
例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
2. 总线型/非总线型
这是按单片机是否提供并行总线来区分的。
总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。
3. 控制型/家电型
这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。
一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。
显然，上述分类并不是惟一的和严格的。
例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。
1.6单片机应用
由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。
它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：
单片机在智能仪表中的应用、单片机在机电一体化中的应用、单片机在实时控制中的应用、单片机在分布式多机系统中的应用、单片机在人类生活中的应用。
1.6.1单片机在智能仪表中的应用
单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
1.6.2单片机在机电一体化中的应用
机电一体化是机械工业发展的方向。
机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。
单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。
1.6.3单片机在实时控制中的应用
单片机广泛地用于各种实时控制系统中。
例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。
单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。
1.6.4单片机在分布式多机系统中的应用
在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。
多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。
单片机在这种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。
单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。
1.6.5单片机在人类生活中的应用
自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。
单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。
综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。
另一方面，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。
2数字钟简介
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的钟表。
与机械钟相比具有更高的准确性和直观性，具有更长的使用寿命，已得到广泛的使用。
数字钟的设计方法有许多种，例如可用中小规模集成电路组成电子钟，也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟，还可以利用单片机来实现电子钟等等。
这些方法都各有其特点，其中利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，以便于功能的扩展。
2.1数字钟构成
数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。
由于计数的起始时间不可能与标准时间一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1MHZ时间信号必须做到准确稳定，通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
2.1.1晶体振荡器电路
晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的12MHz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。
不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。
2.1.2时间计数器电路
时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器电路构成,秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器.
2.1.3应用译码驱动电路
译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
2.1.4数码管
数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管，本设计提供的为LED数码管。
2.2数字钟应用
可用中小规模集成电路组成电子钟；也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟；还可以利用单片机来实现数字钟等等。
这些方法都各有其特点，其中利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，并便于功能的扩展，很精确等特点。
3设计要求
开机时，显示12：
00：
00的时间开始计时；P0.0/AD0控制“秒”的调整，每按一次加1秒；P0.1/AD1控制“分”的调整，每按一次加1分；P0.2/AD2控制“时”的调整，每按一次加1个小时；
4设计原理
单片机控制的数字钟的硬件结构与软件设计,给出了汇编语言源程序。
此数字钟是一个将时、分、秒显示于人的视觉器官的计时装置。
显示器件选用LED七段数码管。
在译码显示电路输出的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号。
针对数字钟会产生走时误差的现象，在电路中就设计有校准时间功能的电路。
使用动态数码显示的方法，运用独立式按键识别过程，按时、分、秒数据送出显示处理方法。
显示由数码管完成，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，当单片机输出第9-14位数据的时候，第一个164芯片中的8位数据就被传到第二个164芯片中，这8位数据就是段选信号，控制数码管将要显示的字符。
第9-14位数据输出后，控制244芯片的单片机的P1.7口置为高电平，244芯片选通。
这六位数据经过244芯片以后是片选信号，即控制动态显示的是哪一位数码管。
在片选信号和段选信号的控制下，数码管就正确的动态显示当前的时间。
5软件设计
本设计的软件程序包括主程序、中断子程序、、时钟显示子程序、刷新输出程序和延时子程序等等。
另外由于电路中有三个按键，还另外设计了防抖动程序来防止干扰。
5.1时程序设计
单片机的定时功能也是通过计数器的计数来实现的，此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每经过1个机器周期的时间，计数器加1。
如果MCS-51采用的12MHz晶体，则计数频率为1MHz，即每过1us的时间计数器加1。
这样可以根据计数值计算出定时时间，也可以根据定时时间的要求计算出计数器的初值。
MCS-51单片机的定时器/计数器具有4种工作方式，其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对特殊功能寄存器的编程，可以方便的选择定时器/计数器两种工作模式和4种工作方式。
定时器/计数器工作在方式0时，为13位的计数器，由TLX（X=0、1）的低5位和THX的高8位所构成。
TLX低5位溢出则向THX进位，THX计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TFX.
当定时器/计数器工作于方式1，为16位的计数器。
本设计是单片机数字钟设计，所以MCS-51内部的定时器/计数器被选定为定时器工作模式，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1。
5.2.1实时时钟实现的基本方法
时钟的最小计时单位是秒，但使用定时器的方式1，最大的定时时间也只能达到131ms。
我们可把定时器的定时时间定为5ms。
这样，计数溢出200次即可得到时钟的最小计时单位：
秒。
而计数200次可以用软件实现。
秒计时是采用中断方式进行溢出次数的累积，计满200次，即得到秒计时。
从秒到分，从分到时是通过软件累加并进行比较的方法来实现的。
要求每满1秒，则“秒”单元中的内容加1；“秒”单元满60，则“分”单元中的内容加1；“分”单元满60，则“时”单元中的内容加1；“时”单元满24，则将时、分、秒的内容全部清零。
5.2.2实时时钟程序设计步骤
（1）选择工作方式，计算初值；
（2）采用中断方式进行溢出次数累计；
（3）从秒——分——时的计时是通过累加和数值比较实现的；
（4）时钟显示缓冲区：
时钟时间在方位数码管上进行显示，为此在内部
RAM中要设置显示缓冲区，共6个地址单元。
显示缓冲区从左到右依次存放时、分、秒数值；
（5）主程序：
主要进行定时器/计数器的初始化编程，然后反复调用显示
子程序的方法等待中断的到来。
（6）中断服务程序：
进行计时操作。
（7）加1子程序：
用于完成对时、分、秒的加操作。
（8）延时程序：
用于延时输出，延时去抖动。
（9）刷新输出程序：
用于刷新输出时间数字。
6PCB制作
PCB板的制作过程大概可以分了以下几个步骤：
（1）打印PCB图纸。
将设计好的PCB图纸带到打印店使用PCB纸打印。
（2）印制电路板。
印制铜板前需用砂纸将铜板擦试干净，以便让油墨更好地印制到铜板上。
需要注意的是图纸摆放要平整，防止印制的元器件错位了，影响安装，甚至会导致电路错乱或者中断。
（3）腐蚀。
采用的腐蚀液为三氯化铁，其浓度要适中，浓度过高容易把不该腐蚀的部分也腐蚀掉了，浓度过低无法腐蚀完全，另外还需要一定的温度，有一定的温度可以促进腐蚀的加速，同时可以搅拌铜板加速腐蚀进度，但不能触碰到油墨黑线，可以缩短腐蚀的时间。
然后用清水清洗，用砂纸擦去油墨，检查是否腐蚀好。
最后用纸巾擦干净，涂上松香，防止铜板被氧化。
（4）钻孔。
根据PCB图的封装焊盘大小选择合适钻头，钻孔时需小心，不能把焊盘的铜线挂掉，否则会影响后面的焊接。
（5）焊接元器件。
使用时要区分元器件正负极，不能插反，否则会到时电路不过甚至元器件作废。
焊接时也需特别小心，焊点既不能过大也不能过小，防止短路。
由于腐蚀的时候，会不小心把一些铜线腐蚀掉，在焊接的时候使用一些不用的元器件管脚做载体焊接失去部分铜的导线，使电路导通。
（6）调试。
将编写好的程序烧入单片机，个位数码管不够清晰，变化过快，而且比较暗，无法显示，通过修改程序，以及增加一个排阻，数码管能够清晰显示出从00s—60s的变化过程。
结论
数字钟设计的要求并没有达到。
要求是从显示12:
00:
00的时间开始计时。
P0.0/ADD控制“秒”的调整，每按一次加1秒；P0.1/AD1控制“分”的调整，每按一次加1分；P0.2
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