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数字电子钟设计论文

数字电子钟设计

摘要

本文数字电子钟设计采用ATMEL公司的AT89S52为基本芯片，外配以12MHZ的晶振作为时钟电路，按键与电阻电容组成的复位电路，通过程序下载软件与数字钟硬件连接，实现24小时的时，分，秒计时系统。

该电子钟设置4个按键，分别实现对时，分，秒加一以及开启电子钟的作用。

在具体数码显示中能够实现自动计时，手动调时，满24小时自动清0的作用。

关键词：

数字电子钟；AT89S52；硬件设计；软件设计

DigitalElectronicClockDesign

ABSTRACT

Thecurriculumdesign,digitalelectronicclockwithATMELCorporationAT89S52asthebasicchips,accompaniedby12MHzcrystalasanexternalclockcircuit,composedofkeywiththeresistanceandcapacitanceoftheresetcircuit,throughtheprogramtodownloadsoftwareanddigitalclockhardwareconnection,toachievea24-hours,minutesandseconds,timekeepingsystem.Theelectronicclockissetfourbuttons,respectively,torealizehours,minutesandseconds,plusoneandopeningtheelectronicclockrole.Inspecificdigitaldisplaycanbeautomatictimer,manualtransfer,thefull24-hourautomaticcleaning0role.

Keywords：

Digitalelectronicclock；AT89S52；HardwareDesign；SoftwareDesign

目录

1引言……………………………………………………………………………3

1.1数字电子钟的背景………………………………………………………3

1.2数字电子钟的意义………………………………………………………3

1.3数字电子钟的应用………………………………………………………3

2数字电子钟设计任务、功能要求说明及方案介绍……………………………4

2.1设计任务…………………………………………………………………4

2.2功能要求说明……………………………………………………………4

2.3设计总体方案介绍及工作原理说明……………………………………4

3数字电子钟硬件系统的设计……………………………………………………5

3.1AT89S52芯片介绍………………………………………………………5

3.2数字电子钟硬件系统各模块功能简要介绍……………………………7

3.3数字电子钟电路原理图、PCB图………………………………………10

3.4数字电子钟元器件清单………………………………………………10

4数字电子钟软件系统的设计…………………………………………………11

4.1数字电子钟使用单片机资源的情况……………………………………11

4.2数字电子钟软件系统各模块功能简要介绍……………………………11

4.3数字电子钟软件系统程序流程框图……………………………………11

4.4数字电子钟软件系统程序清单…………………………………………15

5设计结论、误差分析…………………………………………………………15

5.1数字电子钟的设计结论及使用说明……………………………………15

5.2数字电子钟的误差分析…………………………………………………15

5.3设计体会…………………………………………………………………16

参考文献…………………………………………………………………………16

附录A电路原理图………………………………………………………………17

附录BPCB图……………………………………………………………………18

附录C程序………………………………………………………………………19

致谢………………………………………………………………………24

1引言

1.1数字电子钟的背景

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。

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，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

1.2数字电子钟的意义

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。

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数字电子钟的应用

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。

2数字电子钟任务、功能要求说明及方案介绍

2.1设计任务

设计一个数码显示的电子钟，具有以下功能：

通电显示扫描字符P，按键实现自动计时，手动调时及数码显示的功能。

2.2功能要求说明

对实验板通电后开始进入自动扫描系统，数码显示为P，按开始键自动进入24小时计时系统，在有键干扰下，进入手动调时系统：

按调时键对时进行加一，按调分键对分进行加一，按调秒键对秒进行加一，退出手动调时系统后，计时系统在调整后的状态下运行。

当计时达到24小时后，系统自动清0，重新进入计时系统。

2.3设计总体方案介绍及工作原理说明

本数字电子钟主要由时钟电路,复位电路,下载电路,4位独立式键盘，AT89S52，限流电阻，74LS245驱动以及数码管组成。

具体设计方案如图1所示：

图1总体设计方案图

该数字电子钟由“秒脉冲发生器”，“分脉冲发生器”，“时脉冲发生器”，“时调时器”，“分调时器”，“秒调时器”，“译码显示器”“键扫描器”组成。

1秒定时信号是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器来实现。

将标准秒信号送入“秒计数”缓冲单元，“秒计数”缓冲采用60进制计数，每累计60秒产生一个“分脉冲”信号，该信号送入“分计数”缓冲单元。

“分计数”缓冲单元也采用60进制计数，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”缓冲单元。

“时计数器”采用24进制计时，可实现对一天24小时的累计。

通过对时，分，秒缓冲单元数据进行译码，分时输出送至七段LED数码管。

整点报时电路为根据“时计数”缓冲单元的变化产生一个“报时脉冲”，开启蜂鸣器报时。

在电子钟正常走时过程中，主要使用了单片机内部RAM的四组工作寄存器区，堆栈缓冲区，自定义的数据暂存区，数据显示缓冲区等。

3数字电子钟硬件系统的设计

3.1AT89S52芯片介绍

兼容标准MCS-51指令系统的AT89S52单片机是一个低功耗、高性能CHMOS的单片机，片内含4KB在线可编程Flash存储器的单片机。

它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。

AT89S52单片机片内的Flash可允许在线重新编程，也可用通用非易失性存储编程器编程；片内数据存储器内含128字节的RAM;有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口;具有两个16位可编程定时器；中断系统是具有6个中断源、5个中断矢量、2级中断优先级的中断结构；震荡器频率0到33MHZ,因此我们在此选用12MHZ的晶振是比较合理的；具有片内看门狗定时器；具有断电标志POF等等。

AT89S52具有PDIP,TQFP和PLCC三种封装形式。

下面介绍各引脚的功能：

P0口：

8位、开漏级、双向I/O口。

P0口可作为通用I/O口，但须外接上拉电阻；作为输出口，每各引脚可吸收8个TTL的灌电流。

作为输入时，首先应将引脚置1。

P0也可用做访问外部程序存储器和数据存储器时的低8位地址/数据总线的复用线。

在该模式下，P0口含有内部上拉电阻。

在FLASH编程时，P0口接收代码字节数据；在编程效验时，P0口输出代码字节数据（需要外接上拉电阻）。

P1口：

8位、双向I/0口，内部含有上拉电阻。

P1口可作普通I/O口。

输出缓冲器可驱动四个TTL负载；用作输入时，先将引脚置1，由片内上拉电阻将其抬到高电平。

P1口的引脚可由外部负载拉到低电平，通过上拉电阻提供电流。

在FLASH并行编程和校验时，P1口可输入低字节地址。

在串行编程和效验时，P1.5/MO-SI,P1.6/MISO和P1.7/SCK分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。

P2口：

具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P2口用做输出口时，可驱动4个TTL负载；用做输入口时，先将引脚置1，由内部上拉电阻将其提高到高电平。

若负载为低电平，则通过内部上拉电阻向外部输出电流。

CPU访问外部16位地址的存储器时，P2口提供高8位地址。

当CPU用8位地址寻址外部存储时，P2口为P2特殊功能寄存器的内容。

在FLASH并行编程和校验时，P2口可输入高字节地址和某些控制信号。

P3口：

具有内部上拉电阻的8位双向口。

P3口用做输出口时，输出缓冲器可吸收4个TTL的灌电流；用做输入口时，首先将引脚置1，由内部上拉电阻抬位高电平。

若外部的负载是低电平，则通过内部上拉电阻向外输出电流。

在与FLASH并行编程和校验时，P3口可输入某些控制信号。

P3口除了通用I/O口功能外，还有替代功能，如表1所示

表1P3口的替代功能

引脚

符号

说明

P3.0

RXD

串行口输入

P3.1

TXD

串行口输出

P3.2

/INT0

外部中断0

P3.3

/INT1

外部中断1

P3.4

T0

T0定时器的外部的计数输入

P3.5

T1

T1定时器的外部的计数输入

P3.6

/WR

外部数据存储器的写选通

P3.7

/RD

外部数据存储器的读选通

RST：

复位端。

当振荡器工作时，此引脚上出现两个机器周期的高电平将系统复位。

ALE/

：

当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）是一个用于锁存地址的低8位字节的书粗脉冲。

在Flash编程期间，此引脚也可用于输入编程脉冲（

）。

在正常操作情况下，ALE以振荡器频率的1/6的固定速率发出脉冲，它是用作对外输出的时钟，需要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如果希望禁止ALE操作，可通过将特殊功能寄存器中位地址为8EH那位置的“0”来实现。

该位置的“1”后。

ALE仅在MOVE或MOVC指令期间激活，否则ALE引脚将被略微拉高。

若微控制器在外部执行方式，ALE禁止位无效。

：

外部程序存储器读选取通信号。

当AT89S51在读取外部程序时，每个机器周期将PSEN激活两次。

在此期间内，每当访问外部数据存储器时，将跳过两个

信号。

/Vpp：

访问外部程序存储器允许端。

为了能够从外部程序存储器的0000H至FFFFH单元中取指令，

必须接地，然而要注意的是，若对加密位1进行编程，则在复位时，

的状态在内部被锁存。

执行内部程序

应接VCC。

不当选择12V编程电源时，在Flash编程期间，这个引脚可接12V编程电压。

XTAL1：

振荡器反向放大器输入端和内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器输出端。

3.2数字电子钟硬件系统各模块功能简要介绍

数字电子钟的硬件系统模块设计主要分为：

时钟电路，复位电路，键盘电路，显示电路，电源电路。

（1）时钟电路：

系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。

AT89S52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。

引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30pF在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。

如图2：

图2时钟电路

（2）复位电路：

复位是由外部的复位电路来实现的。

片内复位电路是复位引脚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，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。

当时钟频率选用6MHz时，C取22μF，Rs约为200Ω，Rk约为1K。

如图3所示：

图3复位电路

（3）键盘电路：

当非编码键盘的按键较少时，采用独立式键盘比较方便，可以随意拿硬件作为预处理，各键盘之间不影响，编程相对矩阵式键盘简单，但占用的I/O口线较多。

如图4：

图4键盘电路

（4）显示电路：

显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料及生产工艺，单片机应用系统中常用的显示器有：

发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。

LED显示器是现在最常用的显示器之一。

LED显示器的显示控制方式按驱动方式可分成静态显示方式和动态显示方式两种。

对于多位LED显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示，其硬件连接方式如系统原理图。

在动态方式中，逐个地循环地点亮各位显示器。

这样虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。

如图5：

图5显示电路

（5）电源电路：

现在市面上销售的编程器有很多都是由PC机的USB口直接供电，为了降低本设计的成本及节省设计时间，没有另外设计编程器，而直接购买了市场上的USB供电及下载器。

3.3数字电子钟电路原理图、PCB图

数字电子钟电路原理图，见附录A；

数字电子钟电路的PCB图，见附录B。

3.4数字电子钟元器件清单

数字电子钟元器件清单如表2所示：

表2元器件清单

名称

数量

参数

电阻

5个

1K

共阳数码管

2个

4位一体

电阻

4个

4.7k

ISP下载口插座

1个

普通插座

1个

40PIN

电阻

8个

470

电阻

5个

200

按键

5个

插针

1排

40PIN

锁紧插座

1个

40PIN

驱动

一套

74ls245

USB供电接口及供电线

一套

晶振及其插座

一套

12MHz

电容

2个

30pF

极性电容

1个

22μF

排阻

1个

10K

芯片

1块

AT89S52

发光二极管

1个

六角开关

1个

电容

各1个

470μf、104P

铜柱（带螺母）

4个

4数字电子钟软件系统的设计

4.1数字电子钟使用单片机资源的情况

单片机资源使用的情况如下：

P0口作为段码输出口，输出数码管显示的段码信号;P3口作为位码输出口，输出数码管的位显示;输出数码管位选信号；晶振11.0592M；调整状态键IN_SET：

P1.0；通过调整状态键来确定时间是否进入调整时间状态；小时调整键HH_SET：

P1.1；按一次使选中位加1；分钟调整键MM_SET：

P1.2；按一次使选中位加1；秒钟调整键SS_SET:

P1.3；按一次使选中位加1；当自动运行到整点，蜂鸣器发声报时；30H-3FH；16个寄存器单元作为数据显示单元；

30H用于秒个位数据存储；31H用于秒十位数据存储；

32H用于分个位数据存储；33H用于分十位数据存储；

34H用于时个位数据存储；35H用于时十位数据存储；

3FH用于秒个位显示存储；3EH用于秒十位显示存储；

3DH用于分个位显示存储；3CH用于分十位显示存储；

3BH用于时个位显示存储；3AH用于时十位显示存储；

46H用于1秒计时溢出；60H用于堆栈栈底。

4.2设计课题软件系统个模块功能简要介绍

本设计的软件系统模块大致分为：

主程序模块，中断服务程序，键盘扫描程序，数码驱动显示程序。

主程序：

用于对程序进行全局控制，包括信号的输入输出，调用各个功能的子模块，调配按键的使用。

中断服务程序：

用于产生1S的脉冲信号。

键盘扫描模块：

用于及时校正计时状态。

数码驱动模块：

用于驱动数码管的正确显示计时。

4.3数字电子钟软件系统程序流程框图

系统软件采用汇编语言按模块化方式进行设计,然后通过Keil软件开发平台将程序转变成十六进制程序语言，读出显示数据。

主程序流程框图如图6所示：

加1子程序框图如图7所示；

显示子程序框图如图8所示；中断服务程序框图如图9所示；

键盘扫描子程序框图如图10所示；

图6主程序流程框图

图7加1子程序流程框图

图8显示子程序框图

图9中断服务子程序框图

图10键盘扫描子程序

4.4数字电子钟软件系统程序清单

数字电子钟软件系统程序清单，详见附录C。

5设计结论、误差分析

5.1数字电子钟的设计结论及使用说明

本次数字电子钟的设计实现了24小时的计时，在P1口接四个独立式键盘对时间进行控制。

设计使用了2个四位一体的共阳数码管做为显示器，用于显示24小时的时间值；设计了4个按键对时间进行控制：

按键S1有三个作用：

第一用于开启自动计时，第二用于退出自动计时并进入调整时间状态，第三用于退出调整时间状态，开启自动计时状态；按键S2用于对小时进行调整；按键S3用于对分钟进行调整；按键S4用于对秒钟进行调整。

当整点时间到，蜂鸣器报警。

5.2数字电子钟的误差分析

实际程序下载到实验板中的电子钟显示存在一定的误差，误差来源可能为三个方面：

第一，在程序运行过程中，时钟周期的不精确导致机器周期与理论值存在一定的差别；第二，在中断一秒显示过程中，一些指令需要消耗一定的机器周期，使得一秒延时比实际要长；第三，在键抖动的反应程度在运行中比较慢。

5.3设计体会

本次数字电子钟的论文设计，学习将理论与实践相结合，对数字器件及集成电路有较深入的认识，初步掌握综合运用所学知识分析和设计一般数字系统的基本方法，增强动手解决实际问题的能力。

认识到了自身的许多缺点和不足，初步接触到了如何将硬件与软件相连接来实现一定的自动化。

在实验板的焊接过程中，更深地意识到焊接技术的重要性。

使我们明白现实生活中电子钟的工作原理，锻炼了查资料的能力。

参考文献

[1]陈刚.张天鹏，数字电子钟的分析与设计.办公自动化杂志.2009，第152期.

[2]曹巧媛.单片机原理及应用[M]，北京：

电子工业出版社，1997.7.

[3]李广弟.朱月秀，单片机基础，北京：

航空航天大学出版社，2007.6.

[4]清华大学教研组编，阎石主编：

《数字电子技术基础》（第四版），北京，高等教育出版社，2004年。

[5]孙涵芳．MCS-51系列单片机原理及应用[M]．北京航空航天大学出版社．1996-4

[6]黄正谨．综合电子设计与实践[M]．东南大学出版社．2002-3

[7]杨欣等．电子设计从零开始[M]．清华大学出版社．2005-10

[8]谢嘉奎．电子线路[M]．高等教育出版社．2003-2

[9]夏路易，石宗义．电路原理图与电路设计教程Protel99SE[M]．北京希望电子出版社．2002

附录

附录A

电路原理图

附录B

PCB图

附录C

;本电子钟6位数码管显示时分秒，可整点报时

;显示格式:

00-00-00

;通过4只按键来调整时间

;P0口输出数码管段选信号，P3口输出数码管位选信号；晶振11.0592M

;P2.1为蜂鸣器发声报时

;;;;;;;;;;;变量定义段;;;;;;;;;;;;;;;;;

SECGEEQU30H;秒个位存储单元

SECSHEQU31H;秒十位存储单元

MINGEEQU32H;分个位存储单元

MINSHEQU33H;分十位存储单元

HOUGEEQU34H;时个位存储单元

HOUSHEQU35H;时十位存储单元

INTCISHUEQU46H;要求的计数溢出次数，即1秒计时的循

环次数

IN_SETEQUP1.0

HH_SETEQUP1.1

MM_SETEQUP1.2

SS_SETEQUP1.3

;;;;;;;;;;;;;程序起始;;;;;;;;;;;;;;;;;

ORG0000H;程序执行开始地址

LJMPDISPP

ORG000BH;定时器T0中断程序入口

LJMPINTT0;跳至INTTO执行

ORG0030H

DISPP:

MOVA,#20H;位选

TT:

MOVP3,A

MOVP0,#0CH;段码"P."

LYT2:

JBIN_SET,TT;键是否按下，没按下则转移

LCALLDL

JNBIN_SET,LYT2;键是否松开，松开往下走

MAIN:

MOVR0,#30H;RAM区首地址

MOVR7,#16;RAM区单元个数

TT1:

MOV@R0,#00H

INCR0

DJNZR7,TT1

MOVSP,#60H;确立堆栈区

MOVIP,#02H

SETB