基于單片機(jī)的多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 II基于單片機(jī)的多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄第1章 緒 論11.1 前言11.2 設(shè)計(jì)的目的及意義1第2章 數(shù)字鐘的功能實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)方案22.1 數(shù)字鐘的功能及設(shè)計(jì)要求22.2 數(shù)字鐘的實(shí)現(xiàn)形式22.3 方案的確定32.3.1 微處理器32.3.2 顯示電路32.3.3 按鍵電路4第3章 數(shù)字鐘的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)53.1 數(shù)字時(shí)鐘的硬件系統(tǒng)框架53.2 數(shù)字時(shí)鐘的主機(jī)電路設(shè)計(jì)53.2.1 系統(tǒng)控制芯片CPU（AT89C2051）的選擇53.2.2 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)103.2.3 系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)123.2.4 按鍵與按鈕電路設(shè)計(jì)133.2.5 鬧鈴聲光指示電路設(shè)計(jì)133.2.6 數(shù)字鐘的顯示電路設(shè)計(jì)133.3 校時(shí)電路設(shè)計(jì)173.3.1 校時(shí)原理173.3.2 國(guó)家授時(shí)中心183.3.3 窗口比較器183.3.4 校時(shí)電路電路圖193.4 電源設(shè)計(jì)20第4章 程序設(shè)計(jì)244.1 主控模塊設(shè)計(jì)244.2 基本現(xiàn)實(shí)模塊設(shè)計(jì)254.3 當(dāng)前編輯位閃爍功能的實(shí)現(xiàn)264.4 時(shí)間設(shè)定模塊設(shè)計(jì)264.5 脈沖發(fā)生器原理與走時(shí)處理274.6 鬧鈴功能的實(shí)現(xiàn)28第5章 系統(tǒng)的調(diào)試及結(jié)果305.1 系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境305.2 軟件調(diào)試305.3 硬件調(diào)試305.4 調(diào)試結(jié)果30結(jié) 論31致 謝32參考文獻(xiàn)33附錄1：完整的匯編語(yǔ)言源程序34附錄2：系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖57附錄3：系統(tǒng)設(shè)計(jì)PCB圖58附錄4：實(shí)物照片59西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文第1章 緒 論1.1前言計(jì)算機(jī)尤其是以微細(xì)加工技術(shù)支持的微型計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，其應(yīng)用滲透到了各行各業(yè)。以單片機(jī)、嵌入式處理器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以其軟硬件可裁剪、高度的實(shí)時(shí)性、高度的可靠性、功能齊全、低功耗、適應(yīng)面廣等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到極為廣泛的應(yīng)用。目前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)向巨型化、微型化和單片機(jī)化三個(gè)方向告訴發(fā)展1。自1975年美國(guó)德州儀器公司（Texas Instruments）第一塊微型計(jì)算機(jī)芯片TMS-1000問(wèn)世以來(lái)，在短短的20年間，單片機(jī)技術(shù)已發(fā)展成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一個(gè)非常有前途的分之，它有自己的技術(shù)特征、規(guī)范和應(yīng)用領(lǐng)域。單片機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部件，主要用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器中。它具有體積小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指標(biāo)大大優(yōu)于通用微機(jī)中央處理器）、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，除了工業(yè)控制、智能化儀表、通信、家用電器外，在智能化高檔電子玩具產(chǎn)品中也大量采用單片機(jī)芯片作為核心控制部件，已經(jīng)滲入到人們工作和生活的各個(gè)角落，有力地推動(dòng)了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，前景廣闊。數(shù)字鐘具備單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本組成，對(duì)于我們了解單片機(jī)有很大的幫助2。 1.2 設(shè)計(jì)的目的及意義本設(shè)計(jì)通過(guò)用對(duì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)定時(shí)，時(shí)鐘顯示功能的時(shí)間系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，詳細(xì)介紹了51單片機(jī)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換顯示，數(shù)碼管顯示原理，靜態(tài)掃描顯示原理，單片機(jī)的定時(shí)中斷原理等，從而達(dá)到學(xué)習(xí)、了解單片機(jī)相關(guān)指令在各方面的應(yīng)用。對(duì)于單片機(jī)學(xué)習(xí)者而言，這個(gè)程序基本上是一道門檻，掌握了電子鐘程序，基本上就可以說(shuō)把51單片機(jī)掌握了80%。第2章 數(shù)字鐘的功能實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)方案2.1 數(shù)字鐘的功能及設(shè)計(jì)要求（1） 可以實(shí)現(xiàn)時(shí)/分/秒/百分秒的顯示，可以調(diào)整時(shí)/分（2） 使用LED顯示（3） 有表示時(shí)鐘正常工作的裝置（4） 能穩(wěn)定工作，可控制時(shí)鐘的啟動(dòng)復(fù)位（5） 有實(shí)現(xiàn)鬧鈴功能2.2 數(shù)字鐘的實(shí)現(xiàn)形式數(shù)字鐘既可以通過(guò)純硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)軟硬結(jié)合實(shí)現(xiàn)，根據(jù)電子時(shí)鐘的核心部件秒信號(hào)的產(chǎn)生原理，通常有三鐘形式：（1） 用NE555時(shí)基電路的形式采用NE555時(shí)基電路或其他震蕩電路產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)，作為秒加法電路的時(shí)鐘信號(hào)或微處理器的外部中斷輸入信號(hào)，可構(gòu)成電子時(shí)鐘。由555構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器電路如圖1-1所示。輸出的脈沖信號(hào)V0的頻率F=1.443/（RA+2RB）C,可通過(guò)調(diào)節(jié)這3個(gè)參數(shù),使輸V0的頻率為精確的1Hz3。圖2-1 基于555的秒脈沖發(fā)生器（2） 采用石英鐘專用芯片的實(shí)現(xiàn)形式采用石英鐘專用計(jì)時(shí)芯片實(shí)現(xiàn)的電子鐘，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)時(shí)精度高的特點(diǎn)。石英計(jì)時(shí)芯片（簡(jiǎn)稱“機(jī)芯”）比較多，常見(jiàn)的有STP5512F、SM5546A和D60400等4?，F(xiàn)基于5512F的2秒輸出信號(hào)作為秒加法電路的計(jì)時(shí)脈沖，可實(shí)現(xiàn)電子時(shí)鐘。5512F的引腳如圖1-2所示。 12348765圖2-2 5512F引腳圖V+ SCAK SC1M0 BPM1 GND其中，引腳7、8為外接晶振及振蕩電路，引腳1接電源正極，電源為1.5伏，引腳3、4原為指針用步進(jìn)電機(jī)線圈的輸出驅(qū)動(dòng)端，這里可用3腳作為脈沖輸出，頻率決定于外接晶振的頻率。（3） 采用基于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)形式利用單片機(jī)的智能性，可方便的實(shí)現(xiàn)具有智能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)。而且，微處理系統(tǒng)具有時(shí)鐘振蕩系統(tǒng)，利用系統(tǒng)時(shí)鐘并借助微處理器的定時(shí)/計(jì)數(shù)器功能可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的功能。本設(shè)計(jì)采用AT89C2051單片機(jī)設(shè)計(jì)。2.3 方案的確定可以從以下幾個(gè)方面來(lái)確定電子鬧鐘的設(shè)計(jì)方案。2.3.1 微處理器采用ATMEL的AT89C2051微處理器，是基于以下幾個(gè)因素：內(nèi)含F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器,這在系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中,可隨意進(jìn)行程序修改,既便錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程,故不存在廢品且大大縮短了程序的開發(fā)周期;同時(shí)在系統(tǒng)工作過(guò)程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息。采用靜態(tài)時(shí)鐘方式,節(jié)省電能,這對(duì)于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有利。由于它是以8031 核構(gòu)成的,所以它與MCS251 系列單片機(jī)是兼容的AT89C2051為51內(nèi)核，仿真調(diào)試軟硬件資源豐富；性價(jià)比高，貨源充足；DIP20封裝，體積小，便于產(chǎn)品小型化；為E2PROM程序存儲(chǔ)介質(zhì)，1000次以上擦/寫周期，便于變成調(diào)試；具有IDLE和POWER-DOWN兩種工作模式，便于進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)；工作電壓范圍寬：2.76V，便于交直流供電5。2.3.2 顯示電路就時(shí)鐘而言，通?？刹捎靡壕э@示或數(shù)碼管顯示。對(duì)于一般的段式液晶屏，需要專門的驅(qū)動(dòng)電路，而且也經(jīng)顯示作為一種被動(dòng)顯示，可視性相對(duì)較差；對(duì)于具有驅(qū)動(dòng)電路和微處理器接口的液晶顯示模塊（字符或點(diǎn)陣），一般多采用并行機(jī)接口，對(duì)于微處理器的接口要求較高，占用資源多。另外，89C2051本身沒(méi)有專門的液晶驅(qū)動(dòng)接口，因此，本時(shí)鐘設(shè)計(jì)采用了數(shù)碼管顯示方式。數(shù)碼管作為一種主動(dòng)顯示器件，具有亮度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，而且市場(chǎng)上也有專門的時(shí)鐘顯示組合數(shù)碼管。2.3.3 按鍵電路考慮到對(duì)時(shí)和設(shè)定鬧鈴時(shí)間這兩種操作的使用頻率不是很高，為了精簡(jiǎn)系統(tǒng)和節(jié)省成本，本時(shí)鐘系統(tǒng)只設(shè)兩個(gè)按鍵：（1） SET鍵，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，具有三個(gè)功能： 在復(fù)位后的待機(jī)狀態(tài)下，用于啟動(dòng)設(shè)定時(shí)間參數(shù)（對(duì)時(shí)和定鬧）； 在設(shè)定時(shí)間參數(shù)狀態(tài)而且不是設(shè)定最低位（即分個(gè)位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束當(dāng)前位的設(shè)定，當(dāng)前設(shè)定為下移； 在設(shè)定最低位（分個(gè)位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束本次時(shí)間設(shè)定。（2）+1鍵，用于對(duì)當(dāng)前設(shè)定位（編輯位）進(jìn)行加1操作，根據(jù)12/24小時(shí)工作模式和正在編輯的當(dāng)前位的含義（時(shí)十位、時(shí)各位、分十位、分個(gè)位）自動(dòng)進(jìn)行 數(shù)據(jù)的上限和下限判斷。例如，對(duì)12小時(shí)制，小時(shí)的十位只能是0、1，如果當(dāng)前值為0，則按+1鍵后為1，再按+1鍵后為0。第3章 數(shù)字鐘的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電子時(shí)鐘硬件部分的設(shè)計(jì)應(yīng)包括秒信號(hào)發(fā)生器、時(shí)間顯示電路、按鍵電路、供電電路，以及鬧鈴指示電路等幾部分。3.1 數(shù)字時(shí)鐘的硬件系統(tǒng)框架電子時(shí)鐘的系統(tǒng)框架入圖3-1所示。CPU按鍵電路復(fù)位等輔助電路電源系統(tǒng)數(shù)碼管顯示電路鬧鈴聲光指示電路 圖3-1 數(shù)字鐘的系統(tǒng)框架3.2 數(shù)字時(shí)鐘的主機(jī)電路設(shè)計(jì)數(shù)字時(shí)鐘的主電路指的是圖1中框內(nèi)部分，主要涉及到微處理器電路和按鍵縣按鈕電路。主機(jī)的設(shè)計(jì)具體地說(shuō)有：（1）系統(tǒng)控制芯片的選擇（2）系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)；（3）系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)；（4）按鍵與按鈕電路設(shè)計(jì)；（5）鬧鈴聲光指示電路設(shè)計(jì)。3.2.1 系統(tǒng)控制芯片CPU（AT89C2051）的選擇AT89C系列單片機(jī)是Atmel公司1993年開始研制生產(chǎn)的，優(yōu)越的性能價(jià)格比使其成為頗受歡迎的8位單片機(jī)。AT89C系列與MCS-51系列單片機(jī)相比有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序的寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片（AT89C2051/1051），使整個(gè)電路的體積更小6。（1）AT89C2051主要性能：AT89C2051是Atmel公司生產(chǎn)的戴2KB閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（PEROM）的8位單片機(jī)，它具有如下主要特征： AT89C2051為51內(nèi)核； 內(nèi)部帶2KB可編程閃速存儲(chǔ)器（E2PROM），壽命為1000次擦/寫循環(huán)，據(jù)保留時(shí)間為10年； DIP20封裝，體積小 工作電壓范圍為2.76V； 全靜態(tài)工作頻率為0Hz24Hz； 兩極程序存儲(chǔ)器鎖定； 位內(nèi)部RAM； 15條可編程I/O線；、 2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 5個(gè)兩級(jí)終端源； 可編程全雙工串行UART通道； 直接對(duì)LED驅(qū)動(dòng)輸出 片內(nèi)精確的模擬比較器； 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路； 低功耗的休眠和掉電模式；（2）AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳描述 AT89C2051單片機(jī)的內(nèi)部與8051單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，區(qū)別只是增加了一個(gè)模擬比較器7，減少了兩個(gè)對(duì)外的端口（P0、P2口），輸出端口P1、P3有獨(dú)特的功能。AT89C2051減少了兩個(gè)外部端口，因而芯片的外部引腳可以大大減少，芯片尺寸可以很小，其引腳配置如圖3-2所示。圖3-2 AT89c2051引腳配置它是一個(gè)有20個(gè)引腳排列直插式的芯片，其引腳描述如下：VCC：電源電壓；GND：接地；RST：復(fù)位輸入。當(dāng)RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?個(gè)機(jī)器周期時(shí)，所有I/O引腳復(fù)位至高阻狀態(tài)。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩放大器的輸出。P1口：8位雙向I/O口，引腳P1.1和P1.2需要外部上拉，可用作片內(nèi)精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1）8。P1口輸出緩沖器能接收20mA電流，并能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器；P1口引腳寫入“1”后，可用作輸入。在閃速編程和編程校驗(yàn)期間，P1口也可接收編碼數(shù)據(jù)。P3口：引腳P3.0P3.5與P3.7為7個(gè)帶內(nèi)部上拉的雙向I/O引腳。P3.6在內(nèi)部已與片內(nèi)比較器輸出相連，不能作為通用I/O引腳訪問(wèn)。P3口的輸出緩沖器能接收20Ma電流；P3寫入“1”后，內(nèi)部上啦，可用作輸入。P3口也可用作特殊功能口，其功能見(jiàn)表3-1。P3口同時(shí)也可為閃速存儲(chǔ)器編程和編程校驗(yàn)接收控制信號(hào)9。表3-1 P3口引腳的特殊功能P3口引腳特殊功能 P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）INT0（外部中斷0）INT1（外部中斷1）T0（定時(shí)器0外部輸入）T1（定時(shí)器1外部輸入）從上述引腳說(shuō)明看出，AT89C2051沒(méi)有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)，因此利用AT89C2051構(gòu)成的單片及應(yīng)用系統(tǒng)不能在AT89C2051之外擴(kuò)展存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備，也即AT89C2051本身即構(gòu)成了最小的單片機(jī)系統(tǒng)。（3）振蕩器振蕩器特征：XTAL1和XTAL2分別構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，如圖3-3所示?？刹捎檬⒕w或陶瓷振蕩器組成振蕩器。要從外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)AT89C2051，則XTAL2應(yīng)懸空，而XTAL1的驅(qū)動(dòng)如圖3-4所示。由于輸入到內(nèi)部時(shí)鐘電路經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，故不需要對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的工作周期提出特殊要求，但它必須遵守最小和最大電壓高低電平的時(shí)間規(guī)范。圖3-3 振蕩的外部連接方法圖3-4 外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)（4） 特殊功能寄存器SFR與8051單片機(jī)特殊功能寄存器相對(duì)應(yīng)，AT89C2051片內(nèi)設(shè)置了19個(gè)特殊功能寄存器，統(tǒng)稱為特殊功能寄存器塊SFR，它們的地址散布在80H0F0H區(qū)域內(nèi)。（5）低功耗工作模式AT89C2051優(yōu)良中低功耗工作模式：待機(jī)方式與掉電方式。 待機(jī)方式（休眠方式）當(dāng)利用軟件使待機(jī)方式位ADL（PCON.0）=0時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入空閑方式。此時(shí)，CPU處于休眠狀態(tài)，而片內(nèi)所有其它外圍設(shè)備都保持工作狀態(tài)，片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。在待機(jī)方式下，當(dāng)晶振fosc=12MHz，電源電壓VCC=6V時(shí)，電源電流ICC從20Ma降至5Ma；而VCC由5.5mA降至1mA。中斷或硬件復(fù)位可以終止待機(jī)方式。當(dāng)待機(jī)方式由硬件復(fù)為終止時(shí)，CPU要從休眠處恢復(fù)程序的執(zhí)行，執(zhí)行2的周期后，內(nèi)部復(fù)位電路才起作用。此時(shí)，硬件禁止訪問(wèn)內(nèi)部RAM，但允許訪問(wèn)端口引腳。為了防止休眠被復(fù)位終止時(shí)對(duì)端口以外寫入的可能性，在生成待機(jī)方式的指令后不應(yīng)緊跟對(duì)端口引腳的寫指令。如果不采用外部上拉，P1.0和P1.1應(yīng)置“1”。 掉電方式掉電方式由掉電方式位PD(PCON.1)=1攝制。此時(shí)振蕩器停止工作，設(shè)置掉電方式的指令成為最后執(zhí)行的一條指令，片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。在掉電模式下，VCcmin=2V。當(dāng)VCC=6V時(shí)，ICCmax=100A；當(dāng)VCC=3時(shí)，ICcmax=20A。退出掉電方式的唯一方式是硬件復(fù)位。硬件復(fù)位將重新定義特殊功能寄存器，但不影響片內(nèi)RAM。復(fù)位的保持時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，以便振蕩器能重新開始工作并穩(wěn)定下來(lái)。在VCC沒(méi)有恢復(fù)得到正常工作電壓之前，不應(yīng)進(jìn)行復(fù)位。如果不采用外部上拉，P1.0和P1.1應(yīng)置“0”，否則置“1”。（6） 閃速存儲(chǔ)器的編程AT89C2051單片機(jī)內(nèi)部有2KB的閃速存儲(chǔ)器陣列，一片新的AT89C2051，其存儲(chǔ)陣列處于擦除狀態(tài)（FFH），此時(shí)可對(duì)其編程，存儲(chǔ)陣列一次編程1字節(jié)，若編程任何非空字節(jié)時(shí)，需對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)陣列進(jìn)行片擦除10。 編程時(shí)，AT89C2051利用內(nèi)部存儲(chǔ)器地址計(jì)數(shù)器提供尋址存儲(chǔ)器的地址信號(hào)，RST上升沿將該地址計(jì)數(shù)器復(fù)位至000H，引腳XTAL1所施加的正向脈沖使地址計(jì)數(shù)器不斷加1。11RST上出現(xiàn)12V（編程電源VPP）高壓時(shí)，預(yù)示著1字節(jié)的編程操作開始，這時(shí)P3口提供編程所需的控制與狀態(tài)信號(hào)，P1口為數(shù)據(jù)通道。 （7） 在線編程AT89C2051編程時(shí)需要利用RST、XTAL1、P1口、P3口提供控制信號(hào)與加載編程數(shù)據(jù)，而這一要求又常與用戶系統(tǒng)對(duì)這些引腳的要求或操作沖突。因此，在線編程不能直接在用戶工作電路中進(jìn)行，而要通過(guò)特殊電路處理才能實(shí)現(xiàn)。例如圖3-5所示為在線編程的示例，其采用2選1的方法實(shí)現(xiàn)連接線路的切換，達(dá)到在線編程的目的。利用微動(dòng)開關(guān)SW來(lái)選擇XTAL1的加載，產(chǎn)生選擇控制信號(hào)Select，其它線路的切換用2選1器件74LS157與三態(tài)緩沖器74LS244實(shí)現(xiàn)。當(dāng)AT89C2051正常工作時(shí)，選擇控制信號(hào)（Selecg=0）控制所有的74LS157輸入A端與輸出Y接通，且74LS244-1輸出有效，74LS244-2三態(tài)輸出，使得AT89C2051可以對(duì)用戶電路進(jìn)行控制操作；當(dāng)AT89C2051需要編程時(shí)，選擇控制信號(hào)(Select=1)控制所有的74ALS157輸入B端與輸出Y端接通，且74LS244-1三態(tài)輸出，74LS244-2輸出有效，使得AT89C2051可以接受編程電路的控制，實(shí)現(xiàn)編程操作。RSTXTAL2XTAL1復(fù)位電路輸入接口輸入設(shè)備輸出接口輸出設(shè)備AT89C2051圖3-5 在線編程示例3.2.2 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用晶體振蕩器作為時(shí)鐘電路，根據(jù)晶振的不同使用要求及特點(diǎn)，通常分為以下幾類：普通晶振、溫補(bǔ)晶振、壓控晶振、溫控晶振等。安裝晶振時(shí)，應(yīng)根據(jù)其引腳功能標(biāo)識(shí)與應(yīng)用電路應(yīng)連接，避免電源引線與輸出引腳相接輸出。 在測(cè)試和使用時(shí)所供直流電源應(yīng)沒(méi)有足以影響其準(zhǔn)確度的紋波含量，交流電壓應(yīng)無(wú)瞬變過(guò)程12。測(cè)試儀器應(yīng)有足夠的精度，連線合理布置，將測(cè)試及外圍電路對(duì)晶振指標(biāo)的影響降至最低。（1） 普通晶振（PXO）：是一種沒(méi)有采取溫度補(bǔ)償措施的晶體振蕩器，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，晶振的頻率穩(wěn)定度取決于其內(nèi)部所用晶體的性能，頻率穩(wěn)定度在10-5量級(jí)，一般用于普通場(chǎng)所作為本振源或中間信號(hào)，是晶振中最廉價(jià)的產(chǎn)品。（2） 溫補(bǔ)晶振（TCXO）：是在晶振內(nèi)部采取了對(duì)晶體頻率溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到在寬溫溫度范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定度要求的晶體振蕩器。（3） 恒溫晶振（OCXO）：采用精密控溫，使電路元件及晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點(diǎn)的溫度上。中精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度為10-710-8，高精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度在10-9量級(jí)以上。主要用作頻率源或標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。（4） 壓控晶振（VCXO）：是一種可通過(guò)調(diào)整外加電壓使晶振輸出頻率隨之改變的晶體振蕩器，主要用于鎖相環(huán)路或頻率微調(diào)。壓控晶振的頻率控制范圍及線性度主要取決于電路所用變?nèi)荻O管及晶體參數(shù)兩者的組合。晶體振蕩器選擇參考標(biāo)準(zhǔn)：（1） 總頻差：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱頻率的最大頻差。（2） 溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱電源和負(fù)載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)溫度的最大允許頻偏。（3） 頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間：以晶體振蕩器穩(wěn)定輸出頻率為基準(zhǔn)，從加電到輸出頻率小于規(guī)定頻率允差所需要的時(shí)間。（4） 頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測(cè)量振蕩器頻率時(shí)，振蕩器頻率和時(shí)間之間的關(guān)系。這種長(zhǎng)期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，可用規(guī)定時(shí)限后的最大變化率（如10ppb/天，加電72小時(shí)后），或規(guī)定的時(shí)限內(nèi)最大的總頻率變化（如：1ppm/（第一年）和5ppm/（十年）來(lái)表示。（5） 頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。（6） 頻率壓控線性：與理想（直線）函數(shù)相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分?jǐn)?shù)表示整個(gè)范圍頻偏的可容許非線性度7。本系統(tǒng)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)如圖3-6。對(duì)于實(shí)踐要求不是很高的系統(tǒng)，圖中電路設(shè)計(jì)就能使系統(tǒng)可靠起振并穩(wěn)定運(yùn)行。但由于途中的C1、C2電容起著系統(tǒng)時(shí)鐘頻率微調(diào)和穩(wěn)定的作用，它對(duì)時(shí)鐘的正負(fù)走時(shí)誤差有很大影響。因此，在本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中特別注意了電容參數(shù)的選擇（），并盡量保證電路的對(duì)稱性（盡可能匹配），選用正派廠家生產(chǎn)的瓷片或云母電容，條件允許的話溫度系數(shù)要盡可能低。圖3-6 振蕩電路3.2.3 系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)一般應(yīng)有手動(dòng)或上電復(fù)位電路。復(fù)位電路的實(shí)現(xiàn)通常有兩種形式：即專用p監(jiān)控電路和RC復(fù)位電路。前者電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低，但復(fù)位可靠性相對(duì)較低；后者成本較高，但復(fù)位可靠性高，尤其是高可靠重復(fù)復(fù)位。對(duì)于復(fù)位要求高，并對(duì)電源電壓進(jìn)行監(jiān)視的場(chǎng)合，大多采用這種方式。（1） 專用P監(jiān)控電路專用P監(jiān)控電路有稱為電源監(jiān)視電路，具有上電時(shí)可靠產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)和電源電壓跌落到“門檻值”時(shí)可靠產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)等功能17。按時(shí)效電平分，有高電平輸出、低電平輸出兩種；按功能分，有簡(jiǎn)單的電源監(jiān)視復(fù)位電路、帶看門狗定時(shí)器（WATCH DOG Timer，WDT）的監(jiān)控電路和WDT+E2PROM的監(jiān)控電路等多種類型。（2） RC復(fù)位電路本系統(tǒng)采用的是RC復(fù)位方式。RC復(fù)位電路的實(shí)質(zhì)是一階充放電電路，如圖3-7: 圖3-7 RC復(fù)位電路系統(tǒng)上電時(shí)該電路提供有效的復(fù)位信號(hào)RST（高電平）直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號(hào)（低電平）。從理論上說(shuō)，51系列單片機(jī)復(fù)位引腳只要外兩個(gè)機(jī)器周期的有效信號(hào)即可復(fù)位，即只要保證t=RC2M（機(jī)器周期）便可。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常C1取值為10F以上，R1通常取值10左右。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，R1如果取值太小，例如1,則會(huì)導(dǎo)致RST信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力變差而無(wú)法使系統(tǒng)可靠復(fù)位。另外，從圖3-8所示的復(fù)位信號(hào)波形圖可以明顯看出，續(xù)流二極管對(duì)于改善復(fù)位性能，起到了重要作用。它的作用是在電源電壓瞬間下降時(shí)使電容迅速放電，因此一定寬度的電源毛刺（如波形中A點(diǎn)）也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位。圖3-8 加二極管前后的復(fù)位信號(hào)特性對(duì)比3.2.4 按鍵與按鈕電路設(shè)計(jì)按鍵與按鈕電路的設(shè)計(jì)參見(jiàn)系統(tǒng)原理圖中的S1、S2和S3對(duì)應(yīng)部分。按鍵與按鈕電路設(shè)計(jì)中關(guān)鍵要考慮的就是按鍵去抖動(dòng)問(wèn)題（簡(jiǎn)稱“去抖”），一般由硬件去抖和軟件去抖兩種方式。硬件去抖可以采用分立元件或觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上也有硬件去抖專用接口芯片，例如：MAXIM公司MAX68166818，均為單電源供電，電壓為2.75.5V，分別為單輸入、雙輸入和八輸入，輸出端具有欠壓鎖定功能19?？紤]到系統(tǒng)的硬件簡(jiǎn)化和控制成本問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)采用軟件去抖方式。3.2.5 鬧鈴聲光指示電路設(shè)計(jì)鬧鈴指示可以由聲或光亮中形式，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用聲音指示。關(guān)鍵元件是蜂鳴器。蜂鳴器有無(wú)源和有源兩種，前者屬要輸入聲音頻率信號(hào)才能正常發(fā)聲，后者則只需外加適當(dāng)直流電源電壓即可；元件內(nèi)部已經(jīng)封裝了音頻振蕩電路，在得電狀態(tài)下即起振發(fā)聲。市場(chǎng)上的有源蜂鳴器分為3V、5V、6V等系列，以適應(yīng)不同的應(yīng)用要求。其電路設(shè)計(jì)見(jiàn)電路原理圖。其中PNV小功率三極管Q2采用9012，其最大集電極電流為800mA,完全滿足蜂鳴器驅(qū)動(dòng)的需要。適當(dāng)調(diào)節(jié)基極電阻可改變蜂鳴器的發(fā)聲功率（即響度）。如圖3-9圖3-9 鬧鈴聲光指示電路3.2.6 數(shù)字鐘的顯示電路設(shè)計(jì)（1） LED的選擇單片機(jī)I/O的應(yīng)用最典型的是通過(guò)I/O口與7段LED數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路，7段LED數(shù)碼管，在一定形狀的絕緣材料上，利用單只LED組合排列成“8”字型的數(shù)碼管，分別引出它們的電極，點(diǎn)亮相應(yīng)的點(diǎn)劃來(lái)顯示出0-9的數(shù)字。LED數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽(yáng)兩類，了解LED的這些特性，對(duì)編程是很重要的，因?yàn)椴煌愋偷臄?shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外 ，編程方法也是不同的。下圖3-10陰和共陽(yáng)極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。圖3-10 數(shù)碼管電路將多只LED的陰極連在一起即為共陰式，而將多只LED的陽(yáng)極連在一起即為共陽(yáng)式。以共陰式為例，如把陰極接地，在相應(yīng)段的陽(yáng)極接上正電源，該段即會(huì)發(fā)光。當(dāng)然，LED的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻。假如我們將b和c段接上正電源，其它端接地或懸空，那么b和c段發(fā)光，此時(shí)，數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“1”。而將a、b、d、e和g段都接上正電源，其它引腳懸空，此時(shí)數(shù)碼管將顯示“2”。其它字符的顯示原理類同。用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)（掃描）顯示，按譯碼方式可分硬件譯碼和軟件譯碼之分。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時(shí)再傳送一次新數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間；動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多。這兩種顯示方式各有利弊：動(dòng)態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時(shí)間較多，但是用的硬件少，能節(jié)省線路板的空間。動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)種應(yīng)用最廣泛的一種顯示方式。其接口電路是把所有的LED顯示器的8個(gè)筆畫段AG、DP的同名端連在一起，而每一個(gè)數(shù)碼管的公共端COM是各自獨(dú)立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)顯示器亮，則取決于COM端，而這一端由I/O控制的，可以自行決定何時(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的，約1ms左右，但是由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光余暉效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的硬件較多，但是編程相對(duì)于動(dòng)態(tài)顯示比較簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)采用的是靜態(tài)顯示方案。（2） LED的驅(qū)動(dòng)和顯示單片機(jī)對(duì)LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方法可以分為串行和并行兩種，分別適用于不同的使用場(chǎng)合，兩者的硬件電路和程序區(qū)別也很大。并行驅(qū)動(dòng)：在一般情況下，單片機(jī)使用并行驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行LED的顯示。并行驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，并且非常適用于說(shuō)明地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用的情況。LED并行驅(qū)動(dòng)的電路原理圖如圖3-11所示。圖3-11 LED并行驅(qū)動(dòng)的電路原理圖中顯示的是使用8155與LED顯示器的接口，8155的PB0PB7作為段選碼口，經(jīng)過(guò)7407驅(qū)動(dòng)與LED的段相連；8155的PA0PA5作為位選碼口，經(jīng)過(guò)7406驅(qū)動(dòng)與LED的位相連。圖中的P2.7反相后作為8155的片選信號(hào)，P2.6接8155的IO端。這樣確定8155片內(nèi)的4個(gè)端口地址。（7407：驅(qū)動(dòng)門電路，提供數(shù)碼管顯示的驅(qū)動(dòng)電流）本設(shè)計(jì)采用的是串行驅(qū)動(dòng)方式，具體方法如下：在某些情況下，可供使用的單片機(jī)并行I/O口不足8根，數(shù)據(jù)的并行輸出已不可能此時(shí)可以考慮串行輸出方法,圖3-12本設(shè)計(jì)采用的串行口擴(kuò)展的四位LED顯示電路。圖3-12本設(shè)計(jì)采用的串行口擴(kuò)展的四位LED顯示電路該顯示電路只使用單片機(jī)的三個(gè)端口P1.7、P3.0、P3.1，并配以四片串入并出移位寄存器74LS164（LED驅(qū)動(dòng)）。如果再配1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317，則可調(diào)LED亮度。其中74LS164的引腳Q0Q7為8位并行輸出端；引腳A、B為串行輸入端；引腳CLK為時(shí)鐘脈沖輸入端，在CLK脈沖的上升沿作用下實(shí)現(xiàn)移位，在CLK=0、清除端MR=1時(shí)，74LS164保持原來(lái)數(shù)據(jù)狀態(tài)；MR=0時(shí)，74LS164輸出清零。其工作過(guò)程如下：l 2051的串行口設(shè)定在方式0移位寄存器狀態(tài)下，串行數(shù)據(jù)由P3.0發(fā)送，移位時(shí)鐘由P3.1送出l 在移位時(shí)鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74LS164中。l 4片74LS164串級(jí)擴(kuò)展為4個(gè)8位并行輸出口，分別連接到4個(gè)LED顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。需要指出的是，由于74LS164無(wú)并行輸出控制端，因而在串行輸出過(guò)程中，其輸出端的狀態(tài)會(huì)不斷變化，造成不應(yīng)顯示的字段有較暗的亮度，影響了顯示的效果?？梢圆捎玫淖龇ㄊ窃?4LS164的輸出端加接4片鎖存器或三態(tài)門，使移位寄存器串行輸入數(shù)據(jù)時(shí)其輸出端的變化不反映到LED上，待串行輸出結(jié)束后再打開鎖存器或三態(tài)門；也可以采用1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317即解決此問(wèn)題。LM317的3、2腳分別是電壓輸入、輸出端，LM317的1腳是電壓的調(diào)整端，在一腳與接地電阻之間并入一個(gè)NPN三極管，它的基極受P1.7口線控制。串行輸出時(shí)P1.7口線為高電平，三極管截至，LM317的腳1約為0.3V，腳2輸出電壓便下降到1.5V不足以使共陽(yáng)極LED發(fā)光，故此時(shí)串行輸入的影響不會(huì)反映到LED上。串行輸入結(jié)束后P1.7口線為低電平，三極管截止，腳2輸出電壓便上升到20V使LED正常發(fā)光，因此不會(huì)引起顯示閃爍。增加了可調(diào)穩(wěn)壓器LM317的電路，其另一個(gè)特點(diǎn)是通過(guò)可調(diào)電位器P1在線調(diào)整腳2的輸出電壓，可使LED的顯示亮度均勻可調(diào)，而且省掉了大量的限流電阻。 顯示采用共陽(yáng)數(shù)碼管，其目的是為了簡(jiǎn)化限流電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)亮度可調(diào)的要求。從圖中可以看出，該顯示電路采用了與一般的段電流電阻限流方式不同的顯示方式，由此減少了個(gè)限流電阻，簡(jiǎn)化了硬件系統(tǒng)。每筆畫段二極管正常發(fā)光時(shí)的電流一般為10mA左右（電流大小還取決于數(shù)碼管是普亮、高亮還是超高亮類型的不同），其兩端壓降約為2.0V，也就是說(shuō)，只要數(shù)碼管的公共端（COM）加+2.0以上電壓，即可滿足每筆畫段發(fā)光二極管的發(fā)光要求，而且適當(dāng)調(diào)節(jié)此電壓值即可改變發(fā)光二極管的電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)亮度的目的。此電壓采用三端可調(diào)穩(wěn)壓電路W1(LM317)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其輸入為+5V，按照?qǐng)D中參數(shù)其輸出電壓由式3-1決定：1.25(1+R4/(R5+R6) （3-1）在式3-1中，R5為200，R6可調(diào)，R4為220，因此輸出電壓為2.172.63V。但由于輸入輸出壓差至少為2.5V，因此極限電壓為2.5V。圖-15中只畫出了一個(gè)數(shù)碼管的連接。接口P3.2的作用是通過(guò)LM317控制數(shù)碼管的開啟與關(guān)閉，當(dāng)P3.2為低電平，Q1關(guān)斷，LM317的輸出電壓低于1.5V，不足以發(fā)光，避免了顯示數(shù)據(jù)刷新時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象。詳細(xì)電路圖見(jiàn)附錄2。上述分析表明，移位寄存器74LS164僅有串入左右沒(méi)有譯碼作用，因此，在編寫顯示驅(qū)動(dòng)程序之前，首先需要計(jì)算列寫出與本程序電路相應(yīng)的LED段選碼3 ，然后由2051的P3.0口送入74LS164的串行輸入端，再并行輸出到LED的段選端。需要指出的是，本電路采用TOS28106BHK型號(hào)的共陽(yáng)極LED數(shù)碼管。這種穩(wěn)定的靜態(tài)顯示方式也省去了CPU的動(dòng)態(tài)掃描過(guò)程，此為本電路的又一特點(diǎn)。3.3 校時(shí)電路設(shè)計(jì)目前，世界上應(yīng)用的校時(shí)系統(tǒng)有很多種。有利用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校時(shí)，還有利用電視信號(hào)的校時(shí)系統(tǒng)、衛(wèi)星校時(shí)系統(tǒng)、低頻（長(zhǎng)波）導(dǎo)航、授時(shí)信號(hào)系統(tǒng)、高頻（短波）時(shí)號(hào)廣播系統(tǒng)、利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)校時(shí)系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)采用的校準(zhǔn)信號(hào)是由國(guó)家授時(shí)中心提供的短波授時(shí)信號(hào)。該校時(shí)信號(hào)經(jīng)處理通過(guò)外中斷送予單片機(jī)。如果采用長(zhǎng)波(BPL)校時(shí)，準(zhǔn)確度將會(huì)非常高。但更高的精確度將使得設(shè)備很復(fù)雜。例如接收機(jī)必須使用長(zhǎng)波接收機(jī)，一般市面上售的都是中、短波收音機(jī)，長(zhǎng)波收音機(jī)不但南購(gòu)買到，而且費(fèi)用也非常高。不符合本設(shè)計(jì)的初衷。本設(shè)計(jì)的初衷是用簡(jiǎn)單的設(shè)備，較低的費(fèi)用得到較高的時(shí)鐘精確度。因此采用短波（BPM）是一種既簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)又能達(dá)到目的的方法。3.3.1 校時(shí)原理授時(shí)臺(tái)發(fā)播的授時(shí)信號(hào)為音頻信號(hào)，經(jīng)窗口比較器后得到穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)做為外部中斷校時(shí)信號(hào)送與單片機(jī)進(jìn)行時(shí)間較準(zhǔn)，然后送LED顯示時(shí)間。利用短波信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻傳遞與校準(zhǔn)是一種廉價(jià)而方便的方法，對(duì)于要求同步偏差在1ms量級(jí)的用戶特別有利。同時(shí)對(duì)于某些高準(zhǔn)確度同步要求的用戶，作為粗（初）同步方法也是必不可少的。短波授時(shí)的基本方法是由無(wú)線電臺(tái)發(fā)播時(shí)間信號(hào)（簡(jiǎn)稱時(shí)號(hào)），用戶用無(wú)線電接收機(jī)接收時(shí)號(hào)，然后進(jìn)行本地對(duì)時(shí)。我國(guó)目前有國(guó)家授時(shí)中心的BPM，上海天文臺(tái)的XSG（每天世界時(shí)3h，9h前后發(fā)播幾分鐘，主要為附近航海者服務(wù)）以及臺(tái)北的BSF（每天世界時(shí)1h至9h發(fā)播）。3.3.2 國(guó)家授時(shí)中心國(guó)家授時(shí)中心（陜西天文臺(tái)）本部地處我國(guó)中部腹地陜西臨潼，這里承擔(dān)著我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的產(chǎn)生、保持任務(wù)，并采用多種手段與國(guó)際時(shí)間保持同步，同時(shí)這里擁有一支時(shí)頻領(lǐng)域的科研隊(duì)伍。授時(shí)臺(tái)位于陜西蒲城，主要有短波和長(zhǎng)波專用無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)播臺(tái)（代號(hào)分別為BPM和BPL）。國(guó)家授時(shí)中心負(fù)責(zé)確定和保持的我國(guó)原子時(shí)系統(tǒng)TA(NTSC)和協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(NTSC)處于國(guó)際先進(jìn)水平，并代表我國(guó)參加國(guó)際原子時(shí)合作。它是由一組高精度銫原子鐘通過(guò)精密比對(duì)和計(jì)算實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)GPS共視比對(duì)、衛(wèi)星雙向法（TWSTFT）比對(duì)等手段與國(guó)際原子時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)相聯(lián)系，對(duì)國(guó)際原子時(shí)的保持做出貢獻(xiàn)，目前的穩(wěn)定度為10-14，準(zhǔn)確度為10-13。短波授時(shí)臺(tái)（BPM）每天24小時(shí)連續(xù)不斷地以四種頻率（2.5M,5M,10M,15M,同時(shí)保證3頻率）交替發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，發(fā)播時(shí)間（北京時(shí)間）為每天8點(diǎn)22點(diǎn)發(fā)播15MHz；每天22點(diǎn)次日8點(diǎn)發(fā)播5.0MHz，10MHz。覆蓋半徑超過(guò)3000公里，授時(shí)精度為毫秒（千分之一秒）量級(jí)；長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)（BPL）每天定時(shí)發(fā)播載頻為100KHz的高精度長(zhǎng)波時(shí)頻信號(hào)，地波作用距離1000-2000公里，天地波結(jié)合，覆蓋全國(guó)陸地和近海海域，授時(shí)精度為微秒（百萬(wàn)分之一秒）量級(jí)。BPL長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)的建立，將我國(guó)授時(shí)精度由毫秒量級(jí)提高至微秒量級(jí)，使我國(guó)授時(shí)技術(shù)邁入世界先進(jìn)行列，該項(xiàng)目1988年榮獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。3.3.3 日常生活中利用短波校時(shí)的方法在我們使用機(jī)械表進(jìn)行校時(shí)時(shí)，可以把表調(diào)到某整點(diǎn)的1處，如要對(duì)20點(diǎn)整，就撥到20：00：01，當(dāng)聽(tīng)到女聲停了，整點(diǎn)聲音出現(xiàn)，你再停半秒按下（相當(dāng)于你張開嘴，再把上下兩排牙齒咬在一起的時(shí)間。）。這樣就對(duì)準(zhǔn)了。當(dāng)然你也可以把秒針停在0秒上，但必須聽(tīng)到整點(diǎn)前半秒的提示音后就立刻按下去，但因?yàn)檫@個(gè)提示音太輕了，不容易掌握。 當(dāng)使用電子表進(jìn)行校時(shí)的時(shí)候，把表調(diào)到20：01：00，等待整點(diǎn)后的第一分鐘的最后一秒的到來(lái)，即20：00：59后停半秒，在提示音響的同時(shí)按下去。 如果你使用秒表，從00：00：00起，想做得完美有點(diǎn)難，這樣就要在20：59：00起的摩爾斯電碼時(shí)用另一只鐘或表，數(shù)著59下，再用上述方法停半秒按下。這些傳統(tǒng)的校時(shí)方法是利用眼睛觀察中央電視臺(tái)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，或用耳朵聽(tīng)中央人民廣播電臺(tái)的報(bào)時(shí)聲音，然后利用手動(dòng)按鍵來(lái)調(diào)整時(shí)鐘。這種方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且準(zhǔn)確度也不高，不能滿足要求。另一種方法是采用純硬件的方法，但所需設(shè)備較多，花費(fèi)較大，也不可取。如果用軟硬件相結(jié)合的辦法，不僅可以節(jié)約成本，實(shí)行難度減小，而且精度和自動(dòng)化也得到提高。3.3.4 窗口比較器電壓比較器可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二值信號(hào)，即輸出只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號(hào)。因?yàn)檩斎氲腂PM信號(hào)是正弦信號(hào)有正負(fù)間的變化，單限比較器和滯回比較器在輸入電壓?jiǎn)我环较蜃兓瘯r(shí)，輸出電壓只變化一次，因此，在此次設(shè)計(jì)中我們選擇由LM339組成的雙限比較器（窗口比較器）。當(dāng)UiUrh,且UiUrl時(shí)Uo=+Uom;當(dāng)UrlUiUrh時(shí) Uo=-Uom。如圖3-13。圖3-13 窗口比較器圖3-14為BPM信號(hào)經(jīng)過(guò)窗口比較器后的波形。BPM發(fā)出的秒信號(hào)為正弦波1KHz調(diào)圖3-14 比較器輸入輸出波形制的10個(gè)周期，即秒信號(hào)長(zhǎng)10ms,整分信號(hào)長(zhǎng)300ms.當(dāng)單片機(jī)接收到校時(shí)中斷脈沖后，通過(guò)修改10ms單元的數(shù)值來(lái)達(dá)到校時(shí)的目的，同時(shí)計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果計(jì)數(shù)值到20后經(jīng)判斷無(wú)脈沖，則可知此信號(hào)為秒信號(hào)，然后在對(duì)秒單元值進(jìn)行校正。3.3.5 校時(shí)電路電路圖圖3-15 校時(shí)電路電路圖3.4 電源設(shè)計(jì)電源電路用來(lái)為控制電路和各外圍電路提供穩(wěn)定可靠的工作電源。穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類：一類是特性指標(biāo)，如輸出電壓、輸入電流及電壓調(diào)節(jié)范圍；另一類指標(biāo)是質(zhì)量指標(biāo)，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內(nèi)阻、紋波電壓及溫度系數(shù)等。對(duì)于穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個(gè)要求： 穩(wěn)定性好當(dāng)輸入電壓Usr(整流、濾波的輸出電壓)在規(guī)定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸入電壓Usc的變化應(yīng)該很小，滿足一般要求：(3-2)當(dāng)輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標(biāo)，常用穩(wěn)定系數(shù)S表示： (3-3)注：S的大小，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下，S越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高。通常S約為0.010.0001 輸出電阻小 負(fù)載變化時(shí)(從空載到滿載)，輸出電壓Usr，應(yīng)基本保持不變。穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征。(3-4)輸出電阻(又叫等效內(nèi)阻)用rn表示，它等于輸出電壓變化量和負(fù)載電流變化量之比：rn反應(yīng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，輸出電壓維持恒定的能力，m越小，則Ifz變化時(shí)輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源，輸出電阻可小到1歐，甚至0.01歐。電壓溫度系數(shù)小當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，會(huì)引起輸出電壓的漂移。良好的穩(wěn)壓電源，應(yīng)在環(huán)境溫度變化時(shí)，有效的抑制輸出電壓的漂移，保持輸出電壓的穩(wěn)定。輸出電壓文波小所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50Hz或者100Hz的交流分量，通常用有效值或者峰值表示。經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓左右，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，降低的倍數(shù)反比于穩(wěn)壓系數(shù)S。穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成。變壓器把市交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姟Ｕ髌靼呀涣麟娮優(yōu)橹绷麟?。?jīng)過(guò)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。典型的穩(wěn)壓電路主要有：帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化量Usc 是很微弱的，它對(duì)調(diào)整管的控制作用也很弱，因此穩(wěn)壓效果不夠好，帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源，就是在電路中增加一個(gè)直流放大器，把微弱的輸出電壓變化量先加以放大,再去控制調(diào)整管，從而提高對(duì)調(diào)整管的控制作用，使穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性能得到改善。圖3-16帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源電路。圖3-16 帶有放大環(huán)節(jié)的穩(wěn)壓電源電路輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源從上面電路可以看到，輸出電壓與基準(zhǔn)電壓之間的關(guān)系，是由分壓電路來(lái)“調(diào)配”的。在基準(zhǔn)電壓一定的情況下，改變分壓比，就可以在一定范圍里改變輸出電壓。在R1與R2之間加接一個(gè)電位器，便可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。用復(fù)合管做調(diào)整管的穩(wěn)壓電源在穩(wěn)壓電源中，負(fù)載電流Ifz要流過(guò)調(diào)整管，輸出大電流的電源必須使用大功率的調(diào)整管，這就要求有足夠大的電流供給調(diào)整管的基極，而比較放大電路供不出所需要的大電流，另一方面，調(diào)整管需要有較高的電流放大倍數(shù)，才能有效地提高穩(wěn)壓性能，但是大功率管一般電流放大倍數(shù)都不高。解決這些矛盾的辦法，是給原有的調(diào)整管再配上一個(gè)或幾個(gè)“助手”，組成復(fù)合管。用復(fù)合管做調(diào)整管的穩(wěn)壓電源電路如圖3-17示。圖3-17 復(fù)合管做調(diào)整管穩(wěn)壓電源電路帶有保護(hù)電路的穩(wěn)壓電源在穩(wěn)壓電路中，要采取短路保護(hù)措施，才能保證安全可靠地工作。普通保險(xiǎn)絲熔斷較慢，用加保險(xiǎn)絲的辦法達(dá)不到保護(hù)作用，而必須加裝保護(hù)電路。保護(hù)電路的作用是保護(hù)碉整管在電路短路、電流增大時(shí)不被燒毀。其基本方法是，當(dāng)輸出電流超過(guò)某一致值時(shí)，使調(diào)整管處于反向偏置狀態(tài)，從而截止，自動(dòng)切斷電路電流。保護(hù)電路的形式很多。圖3-18二管保護(hù)電路圖3-18二管保護(hù)電路在本設(shè)計(jì)中，由于AT89C2051通常有-12和-24兩種型號(hào)，對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘頻率分別為12MHz和24MHz，前者的工作電壓是26V，后者的工作電壓是46V?？紤]到本設(shè)計(jì)目標(biāo)電源交直流兩用的要求和三端穩(wěn)壓電路選用的方便（通常的系列為5V，6V%），選擇工作電壓為5V。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3-19示。圖3-19 系統(tǒng)電源原理圖應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，盡管有很多型號(hào)的7805三端穩(wěn)壓集成芯片，但標(biāo)稱最大輸出電流均為1.5A，但在實(shí)際應(yīng)用中，該最大輸出電流值往往取決于兩個(gè)方面：（1）足夠的散熱面積；（2）不同的生產(chǎn)廠家。其中，比較好的有ST公司的7805三端穩(wěn)壓塊，它能接近標(biāo)稱值。在設(shè)計(jì)中，必須保證7805的輸入電壓Vi和輸出電壓Vo的壓差大于2.5V，即Vi-Vo2.5V，否則失去穩(wěn)壓能力。同時(shí)考慮到功耗問(wèn)題，此壓差又不易太大，太大則增加7805本身的功率消耗，增加芯片的溫升，不利于安全。因此，選用9V。當(dāng)交流電源失電或時(shí)效時(shí)，電壓為6V的直流電源（電池組或蓄電池）通過(guò)二極管投入工作，硅二極管的導(dǎo)通電壓降約為0.2V，因此滿足系統(tǒng)的電源要求。第4章 程序設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于秒信號(hào)的產(chǎn)生，顯示的實(shí)現(xiàn)及按鍵的處理等方面。基于軟件的秒脈沖信號(hào)通常有延時(shí)法和定時(shí)中斷法。延時(shí)法一般采用查詢方式，在延時(shí)子程序前后必然需要查詢和處理的程序，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，因此其秒脈沖的產(chǎn)生，因此秒脈沖的精度不高。中斷法的原理是利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器溢出中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，設(shè)定某定時(shí)器每100ms中斷1次，這10次的周期為1s，這種實(shí)現(xiàn)法的特點(diǎn)是精度高，秒脈沖的發(fā)生和其他處理可以并行進(jìn)行。10本系統(tǒng)即采用這種方式，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是定時(shí)器的工作方式的選擇和定時(shí)參數(shù)的計(jì)算確定。具體內(nèi)容將在原程序中給于說(shuō)明。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的晶振頻率為12MHz。4.1主控模塊設(shè)計(jì)NYCPU 系統(tǒng)初始化定時(shí)器0初始化開始定時(shí)器0初始化串口初始化顯示待機(jī)指示符設(shè)定鬧鈴時(shí)間顯示刷新設(shè)定鬧鈴？主模塊是系統(tǒng)軟件的主框架。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)一般有“自上而下”和“自下而上”兩種方式，“自上而下”法的核心就是主框架的構(gòu)建。它的合理與否關(guān)系到程序最終功能的多少和性能的好壞。本系統(tǒng)主模塊的程序框圖如圖4-1。 YNYNYN有關(guān)變量初始化刷新顯示秒指示鬧鈴延時(shí)判斷時(shí)和分變化？判1秒到否？是否到鬧鈴時(shí)間？啟動(dòng)走時(shí)圖4-1 主模塊的程序框圖4.2 基本現(xiàn)實(shí)模塊設(shè)計(jì)基本現(xiàn)實(shí)模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是有顯示代碼取得相應(yīng)的段碼，顯示段碼數(shù)據(jù)的串行發(fā)送,其程序流程如圖4-2所示。其中，時(shí)個(gè)位、分個(gè)位、秒個(gè)位的段碼必須加上小數(shù)點(diǎn)，即帶小數(shù)點(diǎn)顯示時(shí)各位、分個(gè)位、秒個(gè)位，目的是以小數(shù)點(diǎn)符號(hào)代替時(shí)間分割符“:”，（一般的數(shù)碼管無(wú)法顯示字符“:”）。關(guān)顯示，以免顯示抖動(dòng)通過(guò)串口將時(shí)十位段碼送入對(duì)應(yīng)的