基于51單片機(jī)的電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、摘要自20世紀(jì)70年代單片機(jī)問世以來，由于其高性能價(jià)格比引起了人們的關(guān)注和重視，并得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。單片機(jī)具有體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境要求低、價(jià)格低、可靠性高、靈活性好、易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。由于上述優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)在我國已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等方面，其中51單片機(jī)是最典型、最有代表性的一種。通過學(xué)習(xí)和應(yīng)用，本畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一個(gè)以AT89S51芯片為核心的簡易電子鐘及必要的電路。它由4.5V DC電源供電，通過數(shù)碼管可以精確顯示時(shí)間和調(diào)整時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)和開發(fā)軟硬件的能力。電子鐘是利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)“時(shí)”、“分”

2、、“秒”數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置。電子鐘的精確度和穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過舊機(jī)械鐘。本設(shè)計(jì)采用發(fā)光二極管數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒，根據(jù)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示原理，采用24小時(shí)計(jì)時(shí)方式顯示，用12兆赫茲晶振產(chǎn)生振蕩脈沖，定時(shí)器計(jì)數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，電路有自己的顯示時(shí)間功能，也可以調(diào)節(jié)時(shí)間。電子鐘因其體積小、價(jià)格低、走時(shí)精度高、使用方便、功能多樣、易于集成而得到廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；AT89S51摘要自20世紀(jì)70年代芯片問世以來，憑借其高性價(jià)比而受到人們的關(guān)注和重視，它得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，成本低，可靠性高，靈活性好，開發(fā)更容易。由于上述特點(diǎn)，在我國，單片機(jī)被廣泛

3、應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電設(shè)備等方面，而51單片機(jī)是最典型、最具代表性的芯片之一。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過對其的研究，應(yīng)用以AT89S51芯片為核心，配以必要的電路，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的電子鐘，它由4.5 V直流電源供電，通過電子管可以顯示時(shí)間，調(diào)整時(shí)間，從而達(dá)到學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、開發(fā)軟硬件的能力。電子鐘是一種電子電路實(shí)現(xiàn)的“時(shí)”，“分”，“秒”的數(shù)字顯示計(jì)時(shí)裝置。電子鐘精度高，穩(wěn)定性好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老式機(jī)械鐘。在本設(shè)計(jì)中，我們采用發(fā)光二極管電子顯示小時(shí)、分鐘、秒鐘，以24小時(shí)計(jì)時(shí)模式，根據(jù)電子控制理論以動(dòng)態(tài)顯示來顯示，采用12MHz晶體振蕩脈沖，計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，

4、電路具有顯示時(shí)間的這一功能，還可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間調(diào)整。電子鐘以其體積小、成本低、走時(shí)精度高、使用方便、功能多、易于集成等特點(diǎn)，深受廣大消費(fèi)者的喜愛，所以應(yīng)用廣泛。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；AT89S51目錄1導(dǎo)言11.1電子鐘1的背景1.2電子鐘的意義21.3電子鐘的應(yīng)用22總體設(shè)計(jì)方案32.1單片機(jī)3的選擇2.1.1多功能32.1.2高效率和高性能42.1.3低電壓和低功耗42.1.4低價(jià)52.2單片機(jī)電子鐘功能的確定52.3發(fā)光二極管顯示模塊72.4關(guān)鍵模塊73印刷電路板原理圖和仿真圖93.1印刷電路板原理圖93.2模擬圖104編程115結(jié)論286參考文獻(xiàn)307致謝311導(dǎo)言1.1電子鐘的背景20世紀(jì)末，

5、電子技術(shù)取得了飛速發(fā)展。在它的推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透到了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化水平的提高。與此同時(shí)，現(xiàn)代電子產(chǎn)品的性能得到了進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐越來越快。時(shí)間對人們來說總是如此珍貴，工作的繁忙和復(fù)雜很容易讓人忘記現(xiàn)在的時(shí)間。忘記該做什么，當(dāng)事情不是很重要的時(shí)候，這種忘記是無害的。然而，一旦事情變得重要，暫時(shí)的拖延可能會(huì)導(dǎo)致巨大的災(zāi)難。目前，單片機(jī)正朝著高性能和多樣化方向發(fā)展，并將進(jìn)一步向CMOS、低功耗、小尺寸、大容量、高性能、低價(jià)格和內(nèi)置外圍電路方向發(fā)展。以下是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢。單片機(jī)應(yīng)用的意義在于它從根本上改變了控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和

6、設(shè)計(jì)方法。過去必須通過模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能現(xiàn)在可以通過單片機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。這種以軟件代替硬件的控制技術(shù)也被稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。電子鐘是單片機(jī)模塊中最常見的一種。電子鐘是一種利用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置。與機(jī)械鐘相比，它具有更高的精度和直觀性，沒有機(jī)械裝置，使用壽命更長，因此得到了廣泛的應(yīng)用。1.2電子鐘的意義電子鐘是利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)小時(shí)、分、秒數(shù)字顯示的計(jì)時(shí)裝置。它廣泛應(yīng)用于私人住宅、車站、碼頭、辦公室等公共場所，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡谋匦杵?。由于?shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用，電子鐘的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了舊鐘。鐘表的數(shù)字化給人們

7、的生產(chǎn)和生活帶來了極大的便利，極大地拓展了鐘表原有的報(bào)時(shí)功能。如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、定時(shí)自動(dòng)振鈴、定時(shí)節(jié)目自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、路燈自動(dòng)開關(guān)、烤箱定時(shí)開關(guān)、電源設(shè)備的開關(guān)，甚至各種定時(shí)電器的自動(dòng)啟動(dòng)，都是基于鐘表的數(shù)字化。因此，研究電子鐘并拓展其應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.3電子鐘的應(yīng)用電子鐘已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵?。它廣泛應(yīng)用于個(gè)人家庭、車站、碼頭、劇院、辦公室等公共場所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作和娛樂帶來了極大的方便。由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和先進(jìn)應(yīng)時(shí)技術(shù)的采用，電子鐘具有走時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。它也用于各種領(lǐng)域，如定時(shí)，自動(dòng)報(bào)時(shí)和自動(dòng)控制。2總體設(shè)計(jì)方案2.1單片機(jī)的

8、選擇單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一個(gè)極具生命力的模型。單片機(jī)被稱為單片機(jī)，它特別適用于控制領(lǐng)域，所以又被稱為微控制器。一般來說，單片機(jī)是由單個(gè)集成電路芯片組成的，它包含計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和輸入輸出接口電路。因此，單片機(jī)只有與合適的軟件和外部設(shè)備相結(jié)合，才能成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。經(jīng)過第一代、第二代、第三代和第三代的發(fā)展，單片機(jī)正朝著多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量、強(qiáng)輸入輸出功能和更好的結(jié)構(gòu)兼容性方向發(fā)展。它的發(fā)展趨勢無非是以下幾個(gè)方面：2.1.1多功能盡可能將所需的內(nèi)存和輸入輸出端口集成在一個(gè)芯片上，使單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能。如模數(shù)、脈寬調(diào)

9、制、主成分分析(可編程計(jì)數(shù)器陣列)、WDT(看門狗)、高速輸入輸出端口和計(jì)數(shù)器的捕獲/比較邏輯。一些單片機(jī)集成了某一應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)控制設(shè)備，以減少應(yīng)用系統(tǒng)中的芯片數(shù)量。例如，一些芯片以51核為核心，集成了通用串行總線控制器、智能卡接口、MP3解碼器、現(xiàn)場可編程門陣列或工控總線控制器等。以及發(fā)光二極管、液晶顯示器或變頻顯示器驅(qū)動(dòng)器也集成到8位微控制器中。2.1.2高效率和高性能為了提高執(zhí)行速度和效率，單片機(jī)開始采用RISC、流水線和數(shù)字信號處理器設(shè)計(jì)技術(shù)，使單片機(jī)的性能有了明顯的提高，具體表現(xiàn)在：(1)提高了單片機(jī)的時(shí)鐘頻率；同頻單片機(jī)的工作效率也有了很大提高；隨著集成度的提高，單片機(jī)的尋址能力

10、以及片上只讀存儲(chǔ)器和隨機(jī)存儲(chǔ)器的容量突破了以往的數(shù)量和限制。由于系統(tǒng)資源和復(fù)雜度的增加，采用高級語言(如C語言)開發(fā)單片機(jī)程序。使用高級語言可以降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，增強(qiáng)軟件的可讀性和可移植性，便于功能的改進(jìn)和擴(kuò)展。2.1.3低電壓和低功耗單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用決定了低電壓、低功耗的特性非常重要。由于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，許多單片機(jī)可以在較低的電壓(1.2V或0.9V)下工作，功耗已經(jīng)降低到uA級。這些特點(diǎn)使得單片機(jī)系統(tǒng)在較小的電源支持下工作時(shí)間更長。2.1.4低價(jià)單片機(jī)有著廣泛的應(yīng)用和大量的應(yīng)用，這給降低成本帶來了直接的好處。目前，為了提高競爭力，世界各大公司都非常重視在提高

11、單片機(jī)性能的同時(shí)降低產(chǎn)品價(jià)格。2.2單片機(jī)電子鐘功能的確定單片機(jī)電子鐘計(jì)時(shí)功能計(jì)時(shí)和調(diào)整定時(shí)顯示計(jì)時(shí)和調(diào)整定時(shí)報(bào)警計(jì)時(shí)和顯示圖2.1時(shí)鐘的總體布局所需組件如表2.1所示。表2.1電子元件清單序列號姓名量序列號姓名量1AT89S511片92.7K電阻7只動(dòng)物212M晶體振蕩器110104陶瓷電容器4.3公共陽極數(shù)碼管4.1130P陶瓷電容器2只動(dòng)物4PN管85507只動(dòng)物12200 電阻1只動(dòng)物574LS2441片13560 電阻八只動(dòng)物6門鈴11410K抵抗運(yùn)動(dòng)12只動(dòng)物7微型鑰匙5.15100 電阻4.810UF電容器1只動(dòng)物單片機(jī)電子鐘利用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)、時(shí)間顯示、時(shí)間調(diào)整、定時(shí)調(diào)整、

12、報(bào)警等功能。項(xiàng)目完成過程中采用了外部中斷技術(shù)、定時(shí)器中斷技術(shù)、鍵盤查詢和動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)。2.3發(fā)光二極管顯示模塊圖2.2七段共陽極數(shù)碼管七段共陽極數(shù)碼管及其功能如圖1所示。如圖1所示，數(shù)碼管是一個(gè)公共陽極數(shù)碼管，其管腳3和8連接到正電源，而公共陰極數(shù)碼管的管腳3和8連接到負(fù)電源。其端口上標(biāo)記的數(shù)據(jù)對應(yīng)于數(shù)碼管顯示條上的標(biāo)記。當(dāng)端口連接到高電平時(shí)，相應(yīng)的公共陽極數(shù)碼管的顯示條將點(diǎn)亮。2.4關(guān)鍵模塊矩陣鍵盤(也稱行列式鍵盤)適用于按鍵數(shù)量較多的場合，它由行線和列線組成。鍵位于行和列的交叉點(diǎn)。一個(gè)3*3的行列結(jié)構(gòu)可以形成一個(gè)9鍵的鍵盤。類似地，一個(gè)4*4的行和列結(jié)構(gòu)可以形成一個(gè)16鍵鍵盤。獨(dú)立按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵連接到一條輸入線，一條輸入線上的機(jī)箱工作狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)，很容易判斷哪個(gè)鍵被按下。獨(dú)立按鍵電路配置靈活，軟件簡單。然而，每個(gè)鍵需要占用一個(gè)輸入行。當(dāng)有許多鍵時(shí)，需要更多的輸入線，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，該鍵盤適用于按鍵少或操作速度快的場合。有“開始1”鍵和“開始2”鍵、子選擇鍵、第二選擇鍵、時(shí)間設(shè)置加