基于單片機(jī)的數(shù)字電子鐘的設(shè)計

1、數(shù)字電子鐘的設(shè)計摘 要：數(shù)字電子時鐘電路設(shè)計系統(tǒng)，以AT89C51單片機(jī)為控制核心，由鍵盤顯示、定時鬧鈴、LED共陰極數(shù)碼管和LED燈顯示等功能模塊組成?；陬}目基本要求，本系統(tǒng)對時間顯示和定時報警進(jìn)行了重點設(shè)計。本系統(tǒng)大部分功能由軟件來實現(xiàn)，吸收了硬件軟件化的思想，大部分功能通過軟件來實現(xiàn)，使電路簡單明了，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。本系統(tǒng)不僅成功的實現(xiàn)了要求的基本功能，而且有一定的創(chuàng)新功能。關(guān)鍵字：單片機(jī)；AT89C51；數(shù)字鐘Abstract：This digital electronic clock circuit design system ,based on chip microcompu

2、ter AT89C51,is composed by the following functional modules : keyboard displaying , timing alarmg. common cathode LED digital tube, LED lights display,and so on. According to the basic requirements of the subject ,the system stresses on the realization of Time display and regularly report to the pol

3、ice.The design achieved all the required basic technical indexes. Furthermore , adopting the idea of hardware-to-software, most of those functions are realized by softwares, which makes the electrocircuit more concise and the system more stable.Key words：chip microcomputer；AT89C51：digital electronic

4、 clock目 錄1 前言12 總體方案設(shè)計23 系統(tǒng)硬件設(shè)計23.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)23.2 輸入部分43.2.1 電源模塊43.2.2 按鍵模塊43.3 輸出部分43.3.1 顯示模塊43.3.2 LED燈顯示模塊54 系統(tǒng)軟件設(shè)計54.1 主程序流程圖64.2 子程序流程圖85 系統(tǒng)調(diào)試與仿真85.1 系統(tǒng)硬件誤差分析96.3 軟件調(diào)試與仿真97 結(jié)束語9參考文獻(xiàn)10附錄A 系統(tǒng)原理圖11附錄B 系統(tǒng)仿真圖12附錄C 系統(tǒng)源程序131 前言現(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(yán)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

5、以數(shù)碼管為顯示器的時鐘比指針式的時鐘表現(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(jī)械式的依賴于晶體震蕩器，可能會導(dǎo)致誤差。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種

6、靈活性高且價廉的方案?；咎匦裕?、8031 CPU與MCS-51 兼容 · 全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz2、4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))3、三級程序存儲器保密鎖定 · 128*8位內(nèi)部RAM4、32條可編程I/O線 · 兩個16位定時器/計數(shù)器5、6個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路本文通過對一個能實現(xiàn)按鍵開關(guān)可調(diào)整時、分、秒，具有加密功能、定時報警的24小時制的時間系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)習(xí)，詳細(xì)介紹了51單片機(jī)應(yīng)用中的定時中斷原理、數(shù)碼管顯示原理、動態(tài)掃描顯示原理等，進(jìn)一步學(xué)習(xí)、應(yīng)用單片機(jī)C語言系統(tǒng)的實

7、現(xiàn)了各種功能。從而使自身明白使用單片機(jī)匯編語言和C語言之間的效率、整體性問題。系統(tǒng)由AT89C51、獨立式按鍵、二極管、LED數(shù)碼管、蜂鳴器等部分構(gòu)成，能實現(xiàn)24小時制時、分、秒的時鐘顯示，能實現(xiàn)時鐘簡單的加密功能。同時也可進(jìn)行時、分、秒的校準(zhǔn)、定時報警和LED二極管流水燈顯示。2 總體方案設(shè)計設(shè)計中采用AT89C51芯片及LED顯示器，一些獨立式按鍵構(gòu)成一個簡單的數(shù)字電子鐘。設(shè)計中是采用單片機(jī)的內(nèi)部定時器進(jìn)行定時，結(jié)構(gòu)框圖如下所示。單片機(jī)數(shù)字鐘硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計該數(shù)字電子鐘有單片機(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤系統(tǒng)、LED顯示電路模塊、USB電源模塊組成?？偟膩碚f，分為輸入部分與輸出部分

8、，以下做具體的設(shè)計和分析。3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由電源、復(fù)位、晶振、/EA=1組成，下面介紹一下每一個組成部分。1、電源引腳Vcc電源端，GND接地端，工作電壓為5V，另有AT89LV51工作電壓則是2.7-6V, 引腳功能一樣。 2、外接晶體引腳晶振連接的內(nèi)部、外部方式圖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)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)

9、部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89單片機(jī)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(yán)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(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可

10、靠地工作。3、復(fù)位RST在振蕩器運行時，有兩個機(jī)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(jī)復(fù)位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0P3口均置1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(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，芯片為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RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機(jī)器周期的S5P2，由復(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，此電路系統(tǒng)采用的是按鈕復(fù)位電路。4、輸入輸出引腳(1) P0端口P0.

11、0-P0.7 P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1（對端口寫1）時作高阻抗輸入端。作為輸出口時能驅(qū)動8個TTL。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(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，P0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P1.0P1.7 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，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。(3) P2端口P2.0P2.7 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，內(nèi)

12、部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收高8位地址和控制信息。(4) P3端口P3.0P3.7 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，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。3.2 輸入部分3.2.1 電源模塊采用普通的USB線連接微型計算機(jī)作為系統(tǒng)電源，雖然功率上可以滿足稍大于系統(tǒng)需要，但同樣不需要更換電源，并且比直流穩(wěn)壓電源更輕便，可隨時使用、調(diào)試系統(tǒng)。3.2.2 按鍵模塊采用獨立式鍵盤。獨立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口

13、線的狀態(tài)。但當(dāng)所需按鍵數(shù)量多，會占用過多的I/O口線。3.3 輸出部分3.3.1 顯示模塊采用LED共陰極數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。動態(tài)顯示驅(qū)動。通過單片機(jī)對數(shù)碼管位選通COM端電路的控制，只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。動態(tài)顯示可以大幅度地降低硬件成本和電源的功耗，因為某一時刻只有一個數(shù)碼管工作，也就是所謂的分時顯示，故顯示所需要的

14、硬件電路可分時復(fù)用。動態(tài)顯示方式，可以避免靜態(tài)顯示的問題。但設(shè)計上如果處理不當(dāng)，易造成亮度低，閃爍問題。因此合理的設(shè)計既應(yīng)保證驅(qū)動電路易實現(xiàn),又要保證顯示后的數(shù)據(jù)穩(wěn)定,無閃爍。動態(tài)顯示采用多路復(fù)用技術(shù)的動態(tài)掃描顯示方式，當(dāng)掃描刷新頻率(發(fā)光二極管的停閃頻率) 為50Hz，發(fā)光二極管導(dǎo)通時間1m s 時,顯示亮度較好,無閃爍感。3.3.2 LED燈顯示模塊1、LED數(shù)碼顯示器通常用的七段數(shù)碼顯示器的內(nèi)部有8個發(fā)光二極管，其中7個發(fā)光二極管組成了數(shù)字“8”，剩下一個發(fā)光二極管就是這位數(shù)字所帶的小數(shù)點。數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖如圖2所示 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)引腳圖各段碼位的對應(yīng)關(guān)系段碼位D7D6D5D4D3D2D1

15、D0顯示段dpgfedcba2、集成器件74LS13874LS138 為3 線8 線譯碼器，本設(shè)計中74LS138做為對數(shù)碼管位選通COM端電路的控制，將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開。74LS138引腳圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計該數(shù)字電子鐘用到了單片機(jī)的定時器的功能，此外用到了中斷功能，在數(shù)字的顯示是采用查表功能。由于電子鐘需要可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，需要在單片機(jī)的P口加上按鍵。軟件的可以分為定時器模塊，按鍵模塊，顯示模塊等，具體的流程圖和程序見附錄。4.1 主程序流程圖4.2 子程序流程圖定時器子程序流程圖5 系統(tǒng)調(diào)試與仿真單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件和軟件兩部分，但是他們并不能完全分開。一般的方法是

16、排除明顯的硬件故障，再進(jìn)行綜合調(diào)試，排除可能的軟/硬件故障。本系統(tǒng)已符合設(shè)計課程基本要求，按24小時制分別顯示“時時-分分-秒秒”，有2個“-”動態(tài)顯示，時間會按實際時間以秒為最少單位變化；可使用按鍵開關(guān)可實現(xiàn)時、分調(diào)整。除了滿足這些基本要求外，本系統(tǒng)還做了一些創(chuàng)新:（1） 通過1功能按鍵KEY1開關(guān)可使系統(tǒng)具有加密功能。加密前后可通過觀察LED二極管的顯示方式來判斷。當(dāng)LED做流水燈顯示方式時，為加密前的狀態(tài);當(dāng)只有LED燈中的LED2（由P0.1口控制亮滅）時，代表已對系統(tǒng)進(jìn)行加密。（2） 通過功能按鍵開關(guān)KEY1進(jìn)入可進(jìn)入時間校準(zhǔn)系統(tǒng)。KEY2控制秒的校準(zhǔn)，KEY3控制分的校準(zhǔn)，KEY4

17、控制時的校準(zhǔn)。每次一有校準(zhǔn)按鍵按下時，系統(tǒng)會發(fā)出不同的聲響，以提示用戶目前正在校準(zhǔn)的是時、分、秒的哪一種。校準(zhǔn)完成后仍然是通過功能按鍵KEY1返回時鐘顯示。（3） 通過更改主程序中定時器的定時初值，可實現(xiàn)不同樣式的數(shù)字鐘顯示方式。5.1 系統(tǒng)硬件誤差分析本次設(shè)計的單片機(jī)電子鐘系統(tǒng)中，其時間誤差主要來源包括晶體頻率誤差，定時器溢出誤差，延遲誤差。晶體頻率產(chǎn)生震蕩，容易產(chǎn)生走時誤差；定時器溢出的時間誤差，本應(yīng)這一秒溢出，但卻在下一秒溢出，造成走時誤差；延遲時間過長或過短，都會造成與基準(zhǔn)時間產(chǎn)生偏差，造成走時誤差。6.3 軟件調(diào)試與仿真軟件程序的調(diào)試一般可以將重點放在分模塊調(diào)試上，統(tǒng)調(diào)是最后一環(huán)。本

18、次課題，Keil軟件下載到單片機(jī)中來調(diào)試程序，通過各個模塊程序的單步或跟蹤調(diào)試，使程序逐漸趨于正確，最后統(tǒng)調(diào)程序。仿真部分采用protus 7.5 professional軟件，此軟件功能強(qiáng)大且操作較為簡單，可以很容易的實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真。結(jié)果見附錄。7 結(jié)束語通過此次課程設(shè)計，本次課程從基本方案的制定，再到硬件電路的設(shè)計，軟件程序的編輯和調(diào)試，最后取得的成功。在此過程中，進(jìn)一步學(xué)習(xí)、掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的有關(guān)知識，加深了解單片機(jī)的工作原理。初步掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、制作、調(diào)試的方法。提高動手實踐能力。通過這次對數(shù)字時鐘的設(shè)計，讓我系統(tǒng)的了解和學(xué)會應(yīng)用單片機(jī)C語言來對所需實現(xiàn)的功能進(jìn)行編程。在仿

19、真階段，溫習(xí)了了Keil C51集成環(huán)境和PROTEUS 7.5仿真軟件的使用。此過程中我還發(fā)現(xiàn)到修改完善程序的重要性。當(dāng)時編完一個程后感覺是正確的。就是這樣還要仔細(xì)檢查自己的程序?？紤]到各種可能發(fā)生的情況。經(jīng)過這次課程設(shè)計培養(yǎng)了我們的設(shè)計能力以及全面的考慮問題能力。學(xué)習(xí)的過程是痛苦的但是收獲成功的喜悅更是讓人激動的。相信通過這次課程設(shè)計它對我以后的學(xué)習(xí)及工作都會產(chǎn)生積極的影響。采用AT89C51設(shè)計的多功能數(shù)字電子鐘，不僅計時精度高，編程簡單，顯示效果穩(wěn)定可靠，同時硬件接口簡單，具有較大的實用價值。參考文獻(xiàn)1 張毅剛，彭喜元. 單片機(jī)原理及接口技術(shù). 北京：人民郵電出版社，2008.2 唐俊

20、瞿. Altium.Designer應(yīng)用實例教程. 冶金工業(yè)出版社，2004.3 李朝青. 單片機(jī)原理及接口技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社，2005.4 馬忠梅等. 單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計（第4版），2007.5 彭偉. 單片機(jī)C語言程序設(shè)計實訓(xùn)100例. 電子工業(yè)出版社，2009.6 崔鳳波.數(shù)字電子技術(shù)M. 大連：大連理工大學(xué)出版社，2007.7 戴仙金.51單片機(jī)及其C語言程序開發(fā)實例M. 北京：清華大學(xué)出版社，20088 譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計M. 北京：清華大學(xué)出版社.2007.9 趙建領(lǐng).51系列單片機(jī)開發(fā)寶典M. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.10 田立，馬鳴鶴.51系列單

21、片機(jī)開發(fā)實例M. 北京：中國電力出版社，2009.11 楊將新，李華軍等.單片機(jī)程序設(shè)計及應(yīng)用從基礎(chǔ)到實踐.北京：電子工業(yè)出版社，2006.12 尹勇，王洪成.單片機(jī)開發(fā)環(huán)境uVision2使用指南及USB固件編程與調(diào)試.北京：北京航空航天大學(xué)出半社，2004.附錄A 系統(tǒng)原理圖使用Altium.Designer軟件設(shè)計出的電路原理如下所示：附錄B 系統(tǒng)仿真圖1、使用PROTUES軟件，去掉設(shè)計中的附加功能，最簡單的數(shù)字計時的電路圖如下：2、用PROTUES軟件，根據(jù)上述數(shù)字電子鐘的原理圖，得到的仿真圖，如下所示：附錄C 系統(tǒng)源程序/*Copyright (c)* File name: Shu

22、ZiZhong.c* Last modified Date: 20101220* Created by: 趙紅星* Descriptions: 單片機(jī)數(shù)字鐘*/ #include<reg51.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define CYCLE 1000 /*定時1ms */ unsigned char i,j,k,ID; /*ID 為case 的次數(shù) K為LED燈控制。*/ unsigned char temp; unsigned char b,c; uchar hour=0,min=0,se

23、c=0; /*定義秒時分初始值*/ uchar a6; /*定數(shù)碼管顯示緩沖*/ uint t=0; uint flag=0; bit fla; unsigned char count; sbit KEY1=P30; sbit KEY2=P31; sbit KEY3=P32; sbit KEY4=P33; sbit LED2=P10; sbit BEEP=P07; void Modifytime(); /*時間調(diào)整模塊*/ void Adjust(); void scan(); /*掃描數(shù)碼模塊*/ void Time_BEEP(); void delay10ms(void)/*軟件10ms定

24、時*/ unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i-) for(j=248;j>0;j-); /*2us*248*20=9920軟件延時*/ void dely250(void) unsigned char i,j; for(i=2;i>0;i-) /* 248*2us*2=1ms 軟件延時*/ for(j=248;j>0;j-); /* Mian函數(shù)*/void main()TCON=0x01; /*TIMER0工作在方式*/ TMOD=0x01; TH0=(65536-CYCLE)/256; /*設(shè)定T0每隔1000us（1ms）中斷一次*/

25、 TL0=(65536-CYCLE)%256; TR0=1; IE=0x82; Modifytime(); while(1) if (flag=100) temp=0xfe; P1=temp; delay10ms() for(k=0;k<8;k+) b=temp<<k; c=temp>>(8-k); P1=b|c; delay10ms(); for(k=0;k<8;k+) b=temp>>k; c=temp<<(8-k); P1=b|c; delay10ms(); if(flag=1000) /*判斷秒鐘到否*/ sec+; /*秒加

26、一*/ Modifytime(); flag=0; while (min=0)&(sec=0) if (flag=100) BEEP=0; BEEP=1; if (flag=600) break; while(KEY1= 0) while(1)if(KEY1=0)delay10ms();if(KEY1=0) ID+; if(ID=2)ID=0;while(KEY1=0); switch(ID) case 0: Adjust(); break;case 1: LED2=0; if(flag=1000) /*判斷秒鐘到否*/ sec+; /*秒加一*/ Modifytime(); flag

27、=0; while (min=0)&(sec=0) if (flag=100) BEEP=0; BEEP=1; if (flag=600) break; break; /*時間調(diào)整模塊*/void Modifytime() uchar temp; temp=sec; /*uchar temp=sec;*/ sec%=60; min+=temp/60; /*求余*/ temp=min; min%=60; hour=(hour+temp/60)%24; a0=(sec%10); /*調(diào)整過的時間送到顯示緩沖中*/ a1=(sec/10); /*對于秒計數(shù)單元中的數(shù)據(jù)要把它十位數(shù)和個數(shù)分開，

28、方法仍采用對10整除和對10求余。 */ a2=(min%10); /*對于分計數(shù)單元中的數(shù)據(jù)要把它十位數(shù)和個數(shù)分開，方法仍采用對10整除和對10求余。 */ a3=(min/10); a4=(hour%10); /*對于時計數(shù)單元中的數(shù)據(jù)要把它十位數(shù)和個數(shù)分開，方法仍采用對10整除和對10求余。 */ a5=(hour/10); /*掃描數(shù)碼模塊*/void scan( ) /*掃描6個數(shù)碼管子程序*/ static uchar x; x+; if(x>5) x=0; /*6個數(shù)碼管都掃描過了則重新開始*/ P0=x|(ax<<3); /*選中需要掃描的數(shù)碼管并送數(shù)據(jù)*/ /*中斷模塊*/void Timer0Int() interrupt 1 using 2 t+; if(t=100) fl