單片機實現(xiàn)數(shù)字鐘

1、四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子工程系課程設(shè)計報告四川師范大學(xué)成都學(xué)院電子技術(shù)課程設(shè)計單片機實現(xiàn)數(shù)字鐘 學(xué)生姓名學(xué) 號所 在 系電子工程系專業(yè)名稱電子信息工程（電子產(chǎn)品）班 級指導(dǎo)教師成 績 四川師范大學(xué)成都學(xué)院二一三年六月摘要：20世紀(jì)末電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快?，F(xiàn)代生活的人們越來越重視起了時間觀念，可以說是時間和金錢劃上了等號。對于那些 對時間把握非常嚴格和準(zhǔn)確的人或事來說，時間的不準(zhǔn)確會帶來非常大的麻煩。所以以數(shù)碼管為顯示器的時鐘比

2、指針式的時鐘表現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢。數(shù)碼管顯示的時間簡單明了而且讀數(shù)快、時間準(zhǔn)確顯示到秒。而機械式的依賴于晶體震蕩器可能會導(dǎo)致誤差。數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)對“時”、“分”、“秒”數(shù)字顯示的計時裝置。數(shù)字鐘的精度、穩(wěn)定度遠遠超過老式機械鐘。在這次設(shè)計中，我們采用LED數(shù)碼管顯示時、分、秒以24 小時計時方式根據(jù)數(shù)碼管動態(tài)顯示原理來進行顯示。用12MHz的晶振產(chǎn)生振蕩脈沖定時器計數(shù)。在此次設(shè)計中，電路具有顯示時間的其本功能，還可以實現(xiàn)對時間的調(diào)整。數(shù)字鐘是其小巧、價格低廉、走時精度高、使用方便功能多、便于集成化而受廣大消費的喜愛因此得到了廣泛的使用。關(guān)鍵字：數(shù)字電子鐘，單片機Abstract: Th

3、e late 20th century, electronic technology has been rapid development in its promotion, penetration of modern electronic products will almost Fields, a strong impetus to the development of social productive forces and social improvement in the level of information, while also further improve the per

4、formance of modern electronic products, replacement products have become increasingly fast pace. Growing emphasis on modern life from the time the concept of time and money can be said to draw the equal sign. For those who are very strict and accurate grasp of time and things, time will not exactly

5、bring a very big trouble, so as to control the display of digital clock than the clock pointer showed a big advantage. Digital display of time reading simple and fast, accurate display of time to seconds. The mechanical oscillator depends on the crystal may lead to errors. Digital Clock is a digital

6、 circuit implementation of the "when", "sub", "seconds" The figures show the timing device. Digital clock precision, stability, far more than the old mechanical clock. In this design, we use LED digital display hours, minutes, seconds, to 24-hour time mode, according to

7、 digital control theory to dynamic display to display ,use the 12MHz crystal oscillation pulse, the timer count. In this design, the circuit has a display time of the this function, you can also realize the time adjustment. Digital clock is its compact, low cost, travel time and high precision, easy

8、 to use, features and more, easy integration and loved by the general consumer, so widely used. Key words: digital electronic clock，SCM目 錄前言11. 設(shè)計原理21.1 AT89C52單片機結(jié)構(gòu)和原理21.1.1 復(fù)位控制電路原理21.1.2 AT89C52單片機功能特性21.1.3 時鐘控制電路原理41.1.4 74HC138片選作用42. 總體設(shè)計方案53. 模塊電路設(shè)計53.1 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計53.1.1 電源引腳63.1.2 復(fù)位 RST 963.

9、1.3 外接晶體引腳63.1.4 輸入輸出引腳73.2 時鐘芯片83.2.1 數(shù)據(jù)手冊84. 系統(tǒng)軟件設(shè)計94.1 主程序流程圖95. 設(shè)計總結(jié)117. 參考文獻12附 錄13附錄1 系統(tǒng)程序設(shè)計13附錄2 系統(tǒng)設(shè)計原理圖18附錄3 系統(tǒng)設(shè)計PCB19附錄4 仿真全景圖19附錄5 實物全景圖20附錄6 實物運行圖20前言時鐘，自從它發(fā)明的那天起，就成為人類的朋友，但隨著時間的推移，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對時間計量的精度要求越來越高，應(yīng)用越來越廣。怎樣讓時鐘更好的為人民服務(wù)，怎樣讓我們的老朋友煥發(fā)青春呢？這就要求人們不斷設(shè)計出新型時鐘。 現(xiàn)今，高精度的計時工具大多數(shù)都使用了石英晶體振蕩器，由于

10、電子鐘，石英表，石英鐘都采用了石英技術(shù)，因此走時精度高，穩(wěn)定性好，使用方便，不需要經(jīng)常調(diào)校，數(shù)字式電子鐘用集成電路計時，譯碼代替機械式傳動，用LED顯示器代替指針顯示進而顯示時間，減小了計時誤差，這種表具有時，分，秒顯示時間的功能，還可以進行時和分的校對，片選的靈活性好。 時鐘電路在計算機系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是保證系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。在一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，時鐘有兩方面的含義：一是指為保障系統(tǒng)正常工作的基準(zhǔn)振蕩定時信號，主要由晶振和外圍電路組成，晶振頻率的大小決定了單片機系統(tǒng)工作的快慢；二是指系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)定時時鐘，即定時時間，它通常有兩種實現(xiàn)方法：一是用軟件實現(xiàn)，即用單片機內(nèi)部的可編程定時

11、/計數(shù)器來實現(xiàn)。二是用專門的時鐘芯片實現(xiàn)，典型的時鐘芯片有：DS1302，DS12887，X1203等； 本文主要介紹用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器來實現(xiàn)電子時鐘的方法，本設(shè)計由單片機AT89C52芯片和LED數(shù)碼管為核心，輔以必要的電路，構(gòu)成了一個單片機電子時鐘。1.設(shè)計原理1.1 AT89C52單片機結(jié)構(gòu)和原理1.1.1 復(fù)位控制電路原理復(fù)位是單片機的初始化操作，單片機在上電啟動運行時，都需要先復(fù)位。其作用是使單片機和其他部件都處于一個確定的初始化狀態(tài)，并從這個工作狀態(tài)開始工作。但是單片機自身不能自動進行復(fù)位，必須使用外部復(fù)位電路來實現(xiàn)單片機的復(fù)位。單片機的外部復(fù)位電路有上電自動復(fù)位電路和按鍵

12、手動復(fù)位電路兩種。我們采用的是按鍵手動復(fù)位，當(dāng)復(fù)位按鍵按下后，復(fù)位端與VCC電源接通，電容迅速放電，使REST引腳為高電平；當(dāng)復(fù)位鍵彈起后，VCC電源通過10K歐姆電阻對22uf電容重新充電，REST引腳端出現(xiàn)復(fù)位正脈沖。其持續(xù)時間取決于RC電路時間常數(shù)。復(fù)位控制電路圖如圖2所示：圖2 復(fù)位控制電路圖1.1.2 AT89C52單片機功能特性AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通

13、用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AT89C52引腳分布圖如圖1所示：圖1 AT89S52引腳分布圖AT89C52主要性能： 與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容 8K可反復(fù)寫（>1000次）Flash ROM 時鐘頻率0-24MHZ 2個外部中斷源 三級加密位 32個可編程I/O口線 三個16位定時器/計數(shù)器 六個中斷源 可編程UART串行通道 低功耗空閑和掉電模式 掉電后中斷可喚醒 2個外部中斷源 掉電標(biāo)識符1.1.3 時鐘控制電路原理單片機的工作是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下進行的，這個時鐘脈沖由單片機時鐘電路發(fā)出，單片機的時鐘產(chǎn)生有內(nèi)部時鐘和

14、外部時鐘兩種，我們采用的是內(nèi)部時鐘方式。此方式是利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTAL1和XTAL2兩端接晶體振蕩器，就構(gòu)成了自激的振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路。外接晶振時，C4和C5的值通常選擇為15PF33PF之間，電容對頻率有微調(diào)作用。時鐘控制電路圖如圖3所示：圖3 時鐘控制電路圖1.1.4 74HC138片選作用HC138原理于高性能的存貯譯碼或要求傳輸延遲時間短的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),在高性能存貯器系統(tǒng)中,用這種譯碼器可以提高譯碼系統(tǒng)的效率。將快速賦能電路用于高速存貯器時,譯碼器的延遲時間和存貯器的賦能時間通常小于存貯器的典型存取時間,這就是說由肖特基鉗位的系統(tǒng)譯碼器所引起的有效

15、系統(tǒng)延遲可以忽略不計，同時打開需要的片選。本文中利用Y6、Y7打開數(shù)碼管的位碼和段碼。圖4：HC138片選。圖4 HC138片選2.總體設(shè)計方案本設(shè)計主要由電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、按鍵等電路組成。電源電路為系統(tǒng)提供電源，復(fù)位電路用于單片機的初始化操作，時鐘電路用于是單片機工作在統(tǒng)一的時鐘脈沖。再利用編寫的程序燒入到芯片當(dāng)中，剛開始有個初始值，再利用3個按鍵分別控制時鐘的小時，分鐘的快慢以及時間年月日的控制，正好起到了校正的作用。如圖5所示：圖5 系統(tǒng)設(shè)計框圖3.模塊電路設(shè)計3.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計最小系統(tǒng)電路圖如圖6所示：圖6 最小系統(tǒng)設(shè)計圖單片機的最小系統(tǒng)是由電源、復(fù)位、晶振、/EA=

16、1組成下面介紹下每一個組成部分。3.1.1電源引腳        （1）VCC(40腳)：電源端，接+5V電源。  （2）VSS(20腳)：接地端。 3.1.2 復(fù)位 RST 9在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腿時，將使單片機復(fù)位，只要這個腳都持高電平，52片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0P3口均置1引腳表現(xiàn)為高電平，序計數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，片為ROM的00H處開始運行程序。復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳R

17、ST通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，期密特器用來抑制噪聲，輸出在每個機器周期的S5P2，復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復(fù)位電路。當(dāng)時鐘頻率選用6MHz時，取22F，s約為200，k約為1K。復(fù)位操作不會對內(nèi)部RAM有所影響。3.1.3外接晶體引腳 XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻。如晶振為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內(nèi)選擇。電容取30PF左右。系統(tǒng)的

18、時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器在一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容。電容值約為22F。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，

19、更好地保證震蕩器的穩(wěn)定和可靠地工作。3.1.4輸入輸出引腳（1）P0端口P0.0-P0.7P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1（端口寫1）作高阻抗輸入端，為輸出口時能驅(qū)動8個TTL。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，收指令字節(jié);校驗程序時輸出指令字節(jié)要求外接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時，0口是分時轉(zhuǎn)換的地址(低8位)/數(shù)據(jù)總線訪問期間內(nèi)部的上拉電阻起作用。(2) P1端口P1.0-1.7 P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時可驅(qū)動4個TTL。端口置1時，部上拉電阻將端口拉到高電平，輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，收低8位地址信息。(3) P

20、2端口P2.0-2.7 P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時可驅(qū)動4個TTL。端口置1時，部上拉電阻將端口拉到高電平，輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，收高8位地址和控制信息。在訪問外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲器時，2口送出高8位地址。而在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。4) P3端口P3.0-3.7 P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時可驅(qū)動4個TTL。端口置1時，部上拉電阻將端口拉到高電平，輸入用對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，控制信息。除此之外P3端口還用于一些專門功能。3.2 時鐘芯片DS1302 是美國DAL

21、LAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行細小電流充電的能力。如圖7所示：圖7 時鐘芯片3.2.1 數(shù)據(jù)手冊 在使用DS1302時，我們可以利用數(shù)據(jù)手冊來確定管腳的初值，就可以調(diào)節(jié)年、月、日以及小時、分鐘、秒等的調(diào)

22、節(jié)了，同時還可以自動計算是否閏年，更好的節(jié)省了機器的運行速度，利用硬件直接執(zhí)行。圖8 數(shù)據(jù)手冊4.系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計也是工具系統(tǒng)功能的設(shè)計。單片機軟件的設(shè)計主要包括執(zhí)行軟件完成各種實質(zhì)性功能的設(shè)計和監(jiān)控軟件的設(shè)計。單片機的軟件設(shè)計通常要考慮以下幾個方面的問題。1根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件劃分為若干個相對獨立的部分，設(shè)計出合理的總體結(jié)構(gòu)，使軟件開發(fā)清晰、簡潔和流程合理。 2培養(yǎng)良好的編程風(fēng)格，如考慮結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計、實行模塊化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植和修改。 3建立正確的數(shù)學(xué)模型，通過仿真提高系統(tǒng)的性能，并選取合適的參數(shù)。 4繪制程序流程圖。 5合理分配系統(tǒng)資源。 6為程

23、序加入注釋，提高可讀性，實施軟件工程。 7注意軟件的抗干擾設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠。4.1主程序流程圖這次的數(shù)字電子鐘設(shè)計用到很多子程序，它們的流程圖如下所示。 主程序是先開始，然后啟動定時器，定時器啟動后在進行按鍵檢測，檢測完后，就可以顯示時間。如圖9顯示：圖9 主程序流程圖按鍵處理是先檢測K1是否按下，若按下就暫停；否則就檢測K2是否按下，若按下一次，若按下1次修改分鐘；按下2次，修改小時；按下3次，修改日期，按下4次，修改月份；按下5次，修改年份；按鍵K3按下，進行K2鍵的時表示的日期進行自加；K4鍵按下，進行K2鍵的時表示的日期的自減；如果沒有按下，就把時間顯示出來。如圖10所示：圖10

24、按鍵處理流程圖 定時器中斷時是先檢測1秒是否到，1秒如果到，秒單元就加1；如果沒到，就檢測1分鐘是否到，1分鐘如果到，分單元就加1；如果沒到，就檢測1小時是否到，1 小時如果到，時單元就加1，如果沒到，就顯示時間。如圖11所示：圖11 按鍵時間的流程圖 時間顯示是先秒個位計算顯示，然后是秒十位計算顯示，再是分個位計算顯示再然后是分十位顯示，再就是時個位計算顯示，最后是時十位顯示。如圖12所示：圖12 按鍵累加的流程5.設(shè)計總結(jié)本設(shè)計以AT8C92單片機為核心部件，通過DS1302時鐘芯片、HC138片選和LED數(shù)碼管協(xié)同控制。通過這些軟件程序、硬件和按鍵的協(xié)同下，通過LED數(shù)碼管液晶顯示器顯示

25、時間、日期、。在設(shè)計中感謝我們的指導(dǎo)老師王川北老師的細心指導(dǎo)，也感謝和我一起做次此課程設(shè)計的同學(xué)，感謝你們對我的支持！在設(shè)計過程中我們也存在很多的問題主要有硬件的設(shè)計和軟件的調(diào)試。其中最難，最麻煩，也是學(xué)到和掌握的東西最多的地方就是軟件調(diào)試了，這其中包括程序的編寫檢驗，這就要求我們必須對程序的每部分都很熟悉，掌握每句程序在整體中的作用。這樣出現(xiàn)問題時我們才能根據(jù)問題改變程序內(nèi)容而達到目的。程序編寫上也出現(xiàn)了很多細節(jié)的錯誤，程序并不是一次性就編寫好的，這主要也是由于我們沒有把這方面的知識學(xué)扎實。所以我們要把一次課題設(shè)計好，不但要學(xué)習(xí)好課堂的知識，而且要注意各方面的細節(jié)。通過這次應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，在很

26、大程度上提高了我的獨立思考能力，更為詳細的學(xué)習(xí)了時鐘運行的基本原理以及單片機的相關(guān)知識，也學(xué)會了寫一篇應(yīng)用控制系統(tǒng)論文的步驟和格式，有過這樣的一次訓(xùn)練，我相信在接下來的畢業(yè)設(shè)計我們做得更好。7.參考文獻1 謝維成單片機原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計M. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.4.100-1122 朱月秀單片機原理與應(yīng)用M. 北京：北京科學(xué)出版社，2007.8.40-503 康光華電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京：高等教育出版社，2006.1.486-5004 戴仙金51單片機及其C語言程序開發(fā)實例M. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.2.189-193附 錄附錄1系統(tǒng)程序設(shè)計/*功能介紹：按鍵一暫停按

27、鍵二：按第一次修改分鐘按第二次修改小時按第三次修改日按第四次修改月按第五次修改年按第六次恢復(fù)顯示按鍵三：進行加按鍵四：進行減*/#include<reg51.h>#define uchar unsigned char /宏定義#define uint unsigned intsbit DS_CLK= P1 7;sbit DS_IO = P2 3; /DS1302的控制管腳sbit DS_RST= P1 3;sbit HC138_A = P2 5;sbit HC138_B = P2 6; /74HC138的控制管腳sbit HC138_C = P2 7;sbit key1 = P30

28、; /按鍵定義sbit key2 = P31; sbit key3 = P32;sbit key4 = P33;void write_1302(uchar command,uchar value);/寫指令與數(shù)據(jù)uchar read_1302(uchar command); /讀指令與數(shù)據(jù)void init_1302(uchar addr);void fuzhi();void disptime();uchar w1= 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;uchar w2= 0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04

29、,0x02,0x01;uchar a = 13,16,16,21,13,55;uchar b6 = 0;uchar nian,yue,ri,shi,fen,miao;bit flag = 0;uchar count = 0;uchar value = 0;uchar cnt = 0;void HC138(uchar c,uchar b,uchar a)HC138_C = c;HC138_B = b;HC138_A= a;void delay(uchar x)uchar i;while(x-)for(i = 0; i < 120; i +);void write_1302(uchar co

30、mmand,uchar value) /寫指令與數(shù)據(jù)uchar i = 0;DS_RST = 0;DS_CLK = 0;DS_RST = 1;for(i = 0; i < 8; i +)DS_IO = command & 0x01;/從開始的位置往里面送指令DS_CLK = 0;DS_CLK = 1;command >>= 1;for(i = 0; i < 8; i +)DS_IO = value & 0x01;DS_CLK = 0;DS_CLK = 1;value >>= 1; uchar read_1302(uchar command)/讀指令與數(shù)據(jù)uchar i = 0;uchar value = 0;DS_RST = 0;DS_CLK = 0; DS_RST = 1;for(i = 0;i < 8;i +)DS_IO = command & 0x01;/從開始的位置往里面送指令DS_CLK = 0;DS