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1、数字电子时钟设计与开发毕业论文数字电子时钟设计与开发毕业论文摘 要 I第1章 绪论 11.1 数字电子时钟背景 11.2 数字电子时钟的发展史 11.3 数字电子时钟的应用 11.4 数字电子时钟的应用 2第2章 数字电子时钟总体设计 32.1 设计方案 3 2.1.1 核心控制部分方案 3 2.1.2 显示部分方案 3 2.1.2 键盘部分方案 32.2 方案选择 3 2.2.1 时间显示 4 2.1.2 时间调整 4 2.1.3 闹钟设置 4第3章 数字电子时钟硬件电路设计 53.1 硬件电路采用器件 53.2 AT89C51单片机模块 5 3.2.1 AT89C51单片机的主要性能 6

2、3.2.2 AT89C51单片机的引脚说明 7 3.2.3 AT89C51单片机的储存器说明 8 3.2.4 AT89C51单片机的振荡器说明 9 3.2.5 AT89C51单片机的定时/计数器说明 9 3.2.6 AT89C51单片机的芯片擦除功能说明 10 3.2.7 AT89C51单片机的中断源 103.3 可编程I/O扩展8155芯片模块 10 3.3.1 8155芯片的部结构 10 3.3.2 8155芯片的引脚说明 10 3.3.3 8155芯片的地址编码及工作方式 12 3.3.4 8155芯片的命令/状态寄存器 12 3.3.5 8155芯片与51单片机接口 15 3.4 显示

3、模块 15 3.4.1 数码管简介 15 3.4.2 数码管结构及工作原理 16 3.4.3 数码管分类 17 3.4.4 数码管光源的优缺点 173.5 74LS07模块 18 3.5.1 74LS07简介 18 3.5.2 74LS07引脚图 18 3.5.3 74LS07真值表 18 3.5.4 74LS07逻辑图 193.6 矩阵键盘模块 19 3.6.1 矩阵键盘的工作原理 20第4章 数字电子时钟软件电路设计 214.1 系统软件设计流程图 21 4.1.1 主程序流程 21 4.1.2 按键处理流程 21 4.1.3 定时器中断流程 21 4.1.4 时间显示流程 214.2 源

4、程序清单 24第5章 数字电子时钟系统调试 315.1 软、硬件调试 31 5.1.1 测试AT89C51单片机、8155、74LS07芯片 31 5.1.2 主程序流程 31 5.1.3 软件调试 315.2 统一调试 31第6章 数字电子时钟实物电路展示 32结 论 33参考文献 34致 谢 35作者简介 36第1章 绪 论1.1 数字电子时钟的背景 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

5、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科技化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路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、

6、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 数字电子时钟的发展史电子钟有着很长的历史，从民国19年的电钟，研制始于60年代中期的国电晶体、半导体管钟，到研制始于70年代末的石英电子钟，再到今天我们所用的智能电子钟。以前的电子钟存在着很多缺点，其外观体积庞大，在功能上有死摆、走时时间不长、走时精确度不高等缺点。如今无论是外观，还是在功能上，电子钟都有了很大的改进。1.3 数字电子时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,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

7、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。1.4 数字电子时钟的应用 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

8、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。第2章 数字电子时钟总体设计2.1 设计方案2.1.1 核心控制部分方案方案一：采用单片机作为数字电子时钟的核心控制部分方案二：采用555定时器作为电子时钟的核心控制部分2.1.2 显示部分方案方案一：静态显示就是当CPU将要显示的字或字段码送到输出口，显示器就可以显示出所要显示的字符，如果CPU不去改写它，它将一直保持下去；静态显示硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢。方案二：动态显示则是一位一位地轮流点亮显示器地各个位（扫描）。对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次；动

9、态显示耗能较小，但编写程序较复杂。动态显示硬件连接简单，信息刷新速度快。2.1.3 键盘部分方案方案一：独立式键盘。独立式键盘的各个按键相互独立，每个按键独立地与一根数据输入线（单片机并行接口或其他芯片的并行接口）连接。独立式键盘配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根接口线，在按键数量不多时，接口线占用多。所以，独立式按键常用于按键数量不多的场合。方案二：矩阵式键盘。矩阵式键盘采用的是行列式结构,按键设置在行列的交点上.(当接口线数量为8时,可以将4根接口线定义为行线,另4根接口线定义为列线,形成43键盘,可以配置12个按键。)2.2 方案选择经过论证，决定采用AT89C51单片机作为

10、数字电子时钟的核心部分，采用8155以及6位数码管作为显示系统，采用43矩阵键盘作为数字电子时钟的控制系统的方案。如图2-1数字电子时钟硬件电路图2.2.1 时间显示由于本方案需要显示时、分、秒三方面容，所以计划采用6位数码管作为显示系统，上电后系统自动进入时钟显示，从00:00:00开始计时，此时可以设定当前时间。2.2.2 时间调整按下矩阵键盘上的C/R键（时间设定/起动计时键），系统停止计时，进入时间设定状态，系统保持原有显示，等待键入当前时间，根据需要按下09数字键可以顺序设置分和秒，并在相应的LED上显示设置值。6位设置完毕后，系统将从设定后的时间开始计时显示。2.2.3 闹钟设置按

11、下ALM键（闹钟设置/启闹/停闹键），系统继续计时，显示00:00:00，进入闹钟设置状态，等待键入启闹时间，根据需要按下09数字键可以顺序进行相应的时间设置，并在相应的LED上显示设置值。6位设置完毕后，系统启动定时启闹功能，并恢复时间显示。定时时间一到，蜂鸣器就会鸣叫，直至重新按下ALM键停闹，并取消闹钟设置。第3章 数字电子时钟硬件电路设计3.1 硬件电路采用器件数字电子时钟电路有80C51单片机、可编程I/O接口芯片8155、43键盘输入电路、6位LED显示输出电路及74LS07为主要部件的蜂鸣器启闹电路组成。如图3-1数字电子时钟硬件电路图3.2 AT89C51单片机模块AT89C5

12、1单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图3-2 AT89C51单片机3.2.1 AT89C51单片机的主要性能与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦

13、循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288位部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片振荡器和时钟电路3.2.2 AT89C51单片机的引脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向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/ 地址的低八位。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口是一个部提供上拉电阻的8

14、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，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写

15、时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。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。表3-1 AT89C51的特殊功能口P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3-1所示：口管脚 备选功能 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

16、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。 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

17、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。如图3-3 AT89C51单片机引脚图3.2.3 AT89C51单片机的储存器说明MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。 程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。 对于AT89C51，如果EA 接VCC，程序读写先从部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。 数据存储器：AT89S52 有256 字节片数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高1

18、28字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。 当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。 例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元MOV 0A0H , #data使用间接寻址方式访问高128 字节RAM。例如，下面的间接寻址方式中，R0 容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。 MOV R0 , #data堆栈操作也是简介寻址方式。因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。储存器的结构如图3-43.2.4 AT89C5

19、1单片机的振荡器说明XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2.5 AT89C51单片机的定时/计数器说明AT89C51有两个16位可编程定时器/计数器 T0/T1。T0由TH0，TL0构成，T1由TH1，TL1构成。T0/T1在定时控制寄存器TCON和方式选择寄存器TMOD控制下，可实现定时或计数。3.2.6 AT89C51单片机的芯片擦除功能说明整个PERO

20、M阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.2.7 AT89C51的中断源中断源说明外部中断INT0从P3.2引脚引入的外部中断申请定时器T0中断定时器T0溢出时引发中断申请外部中断INT

21、1从P3.3引脚引入的外部中断申请定时器T1中断定时器T1溢出时引发中断申请串行口中断一次串行发送或接收完成后，发出中断申请引起专断的原因称为中断源。AT89C51单片机有5个中断源，包括2个外部中断，2个片定时/计数器溢出中断，1个串行口中断。89C51单片机中断源如表3-2所示。表3-2 AT89C51单片机中断源3.3 可编程I/O扩展8155芯片模块8155是单片机常用的接口扩展芯片，其部包含256B的静态RAM，2个8位的并行I/O接口，1个6位的并行I/O接口和一个14位的定时/计数器。3.3.1 8155芯片的部结构8155芯片部共包括4个部分，分别是1、256B的静态RAM，存

22、取时间为400ns2、3个通用的输入/输出口PA、PB、PC。3、1个14位的可编程定时/计数器。4、1个8位命令寄存器（只能写入）/8位状态寄存器（只能读出）。8155芯片的具体结构如图3-5。3.3.2 8155芯片的引脚说明RST：复位信号输入端，高电平有效。复位后，3个I/O口均为输入方式。AD0AD7：三态的地址/数据总线。与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。：读选通信号，控制对8155的读操作，低电平有效。：写选通信号，控制对8155的写操作，低电平有效。：片选信号线，低电平有效。IO/：8155的

23、RAM存储器或I/O口选择线。当IO/0时，则选择8155的片RAM，AD0AD7上地址为8155中RAM单元的地址（00HFFH）；当IO/1时，选择 8155的I/O口，AD0AD7上的地址为8155 I/O口的地址。ALE：地址锁存信号。8155部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及，IO/的状态都锁存到8155部锁存器。因此，P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。PA0PA7：8位通用I/O口，其输入、输出的流向可由程序控制。PB0PB7：8位通用I/O口，功能同A口。PC0PC5：有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号

24、线，这些可通过程序控制。TIMER IN：定时/计数器脉冲输入端。TIMER OUT：定时/计数器输出端。VCC：5V电源。8155芯片的引脚如图3-6所示3.3.3 8155芯片的地址编码及工作方式在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位由片选线提供，0，选中该片。当0，IO/0时，选中8155片RAM，这时8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位编址为00HFFH；当0，IO/1时，选中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7AD0确定，如表6-6所示。这时，A、B、C口的口地址低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0）。81

25、55芯片的I/O口地址如表3-3所示表3-3 8155芯片的I/O口地址AD7AD0选择I/O口A7A6A5A4A3A2A1A0000命令/状态寄存器001A口010B口011C口100定时器低8位101定时器高6位及方式3.3.4 8155芯片的命令/状态寄存器8155芯片的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通I/O方式。C口可工作于基本I/O方式，也可作为A口、B口在选通工作方式时的状态控制信号线。当C口作为状态控制信号时，其每位线的作用如下：PC0：AINTR（A口中断请求线）PC1：ABF（A口缓冲器满信号）PC2：（A口选通信号）PC3：BINTR（B口中断请求线）PC4：BBF（

26、B口缓冲器满信号）PC5：（B口选通信号）8155芯片的I/O工作方式选择是通过对8155芯片部命令寄存器设定控制字实现的。命令寄存器只能写入，不能读出，命令寄存器的格式如图6-16所示。在ALT1ALT4的不同方式下，A口、B口及C口的各位工作方式如下：ALT1：A口，B口为基本输入/输出，C口为输入方式。ALT2：A口，B口为基本输入/输出，C口为输出方式。ALT3：A口为选通输入/输出，B口为基本输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3PC5为输出。ALT4：A口、B口为选通输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3为BINTR，PC4为BB

27、F，PC5为。8155芯片命令寄存器的格式如图3-7所示。8155芯片还有一个状态寄存器，用于锁存输入/输出口和定时/计数器的当前状态，供CPU查询用。状态寄存器的端口地址与命令寄存器相同，低8位也是00H，状态寄存器的容只能读出不能写入。所以可以认为8155芯片的I/O口地址00H是命令/状态寄存器，对其写入时作为命令寄存器；而对其读出时，则作为状态寄存器。8155芯片状态寄存器的格式如图3-8所示。3.3.5 8155芯片与51单片机接口8155芯片与51单片机接口如图3-9所示3.4 显示模块根据硬件电路要求，本次数字电子时钟设计决定采用6位数码管作为显示模块。3.4.1 数码管简介LE

28、D数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。如图3-10。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一

29、起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。3.4.2 数码管结构及工作原理LED数码管（LED Segment Displays）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。本次设计将采用如图3-11所示的6位数码管作为显示模块。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

30、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。例如图3-12是4位8段共阴极数码管的部电路，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。3.4.3 数码管分类3.4.3.1 从控制方式上分：分为控方式（部有单片机，通电自动变色）和外控方式（需要外接控制器才能变色）。 3.4.3.2 从变化方式上分：分为固定色彩的和七彩、全彩的；固定色彩的是用来勾轮廓的，全彩的可以勾轮廓，也可以组成管屏显示文字、视频等。3.4.3.3 从尺寸上分：有D50的、D30的，D50和D30表示直径。3.3.2.4 从部可控性上分：有1米6段的，有1米8段的和1米12段、1米16段、1米32段的。也就是1米的管子有几段可以独立受控；1米段数越多，做视频的效果越好。如果密度低，或者做些追逐效果，做1米6段也就可以了。3.4.3.5 从LED数量上分：有1米96颗灯的，有1米144颗灯的