1、数字电子时钟设计讲解河南工业职业技术学院毕 业 设 计课题名称 数字电子时钟设计 姓 名 赵 磊 学 号 0202100348 班 级 机电1003班 专 业 机电一体化 所 在 系 机电工程系 指导教师 朱文琦 完成日期 2012/10/15 数字电子时钟设计 摘 要 单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注， 应用很广、发展很快。单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，而
2、51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习、应用，以AT89S51芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由4.5V直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间，调整时间，从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。 电子时钟主要是利用现代电子技术将时钟电子化、数字化，拥有时钟精确、体小、界面友好、可扩展能力强等优点，被广泛应用于生活和工作当中。另外，在生活和工农业生产中也常常需要定时报警，这就需要电子时钟具有多功能性。本设计主要为实现一款可正常显示时钟/日历、定时闹铃、LCD背光调节，一键恢复的多功能电子时钟。本人对当前电子时钟 开发手段进行了比较和
3、分析，最终决定了采用单片机技术实现多功能电子时钟。设计采用AT89C51芯片作为核心，1602 LCD液晶显示器，使用DS1302实时时钟日历芯片完成时钟/日历的基本功能。这种实现方法的优点是电路简单，新能可靠，实时性好，时间精度高，操作简单编程容易。 该电子时钟可应用于一般的生活和工作中，也可通过改装提高性能，增加新功能，从而给人们的生活和工作带来更多的方便。关键词 电子时钟，AT89C51 单片机，DS1302 时钟日历芯片，1602 LCD液晶显示器 目 录 绪论-4第一章 方案论证与比较-5 1.1 数字时钟方案-5 1.2 数码管显示方案-5 第二章 数字电子时钟设计方案研究-6 2
4、.1 相关术语解释-6 2.2 基于单片机的电子时钟硬件选择-6 2.3 主要IC芯片选择既微处理器选择- 6 第三章 电子时钟硬件设计-9 3.1时钟电路设计-9 3.2显示电路设计-9 3.3按键电路设计-10 3.4闹铃、背光电路设计-10 3.5电路原理汇总-11 第四章 软件程序设计-12 4.1主程序设计-12 4.2子程序设计-12 4.2.1实时时钟日历子程序设计-12 4.2.2显示子程序设计-12 4.2.3键盘扫描子程序设计-12 4.2.4闹铃子程序设计-12 4.3 系统程序设计.-.12第五章 原理图与PCB图-19第六章 软件设计示意图-196.1程序流程图-19
5、6.2物品清单与元件特性-19第七章 设计总结-26致谢-27 参考文献-28绪 论 时间是人类生活必不可少的重要元素，入过没有时间的概念，社会将不会有所法杖和进步。从古代的水漏、十二天干地支，到后来的机械钟表以及当今的石英钟，都充分显现出了时间的重要性，同时也代表着科技的进步。致力于计时器的研究和充分发挥时钟的作用，竟有着重要的意义。 电子时钟研究的背景和意义20实际末，电子技术获得了飞速的发展。再起推动下现代电子产品几乎渗透到了社会的哥哥领域，有力的推动和提高的社会生产力的发展与信息化程度，同时也是现代电子产品性能进一步提升，产品的更新换代节奏谱也越来越快。时间对人们来说是那么的宝贵，工作
6、的忙碌性和繁杂容易使人们忘记当前的时间。然而遇到重大事情的时候，一旦忘记时间，就会给自己或者是他人造成很大的麻烦。平时我们要求上班准时，约会或者召开会议必然要提及时间、火车要准点到达，航班要准时起飞，工业生产中，很多环节都需要时间来确定工序替换时刻。所以说能随时准确的指导时间并利用时间，是我们生活中必不可少的。想知道时间，手表当然是很好的选择，但是在忙碌当中，我们还需要一个“助理”时不时的给我们体形式将，所以，计时器最好能够用有一个定时系统，随时提醒容易忘记时间的人。最早能够定时、宝石的时钟属于机械式钟表，但这种时钟受到机械结构、动力合体技的限制，在功能性能以及在造价上都没有办法与电子时钟相比
7、。电子时钟是采用电子电路实现对时、分、秒进行数字显示的即使装置，广泛应用月个人家庭、车站、码头办公室等公共场所，成为人们日常生活活动中不可少的必须品。由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛使用，是的数字时钟的精度远远查过老师钟表，钟表的数字化跟人们生产生活带来了极大的方便，而且大大的扩展了钟表原先的时钟功能。诸如整点提示、定时报警、定时广播、自动启闭路灯，定时开关烘箱、同多动力设备、甚至各种定时电气的自动启动等，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。系统实用功能分析 电子时钟主要是利用电子技术讲时钟电子化、数字化，拥有时间精确、体积小、界面友
8、好、可扩展性强等优点，被广泛应用于生活和工作当中。当今市场上的电子时钟品类繁多，外形小巧别致。也有体型较大的，诸如公共场所的大型电子宝石器等。电子时钟首相是数字化了的时间显示或报时，在此基础上，人们可根据不同场合的要求，在诗中上加置其他功能，比如定时闹铃，万年历等功能。 本设计电子时钟主要功能为：1. 具有显示和手动校对功能，24小时制，年、月、日显示和手动校正功能；2. 具有闹铃功能；3. 具有背光调节功能和一键恢复功能； 电子时钟设计原理本设计主要为实现一款可正常显示时钟/日历、定时闹铃、LCD背光调节，一键恢复的多功能电子时钟。采用AT89C51芯片作为核心，1602 LCD液晶显示器，
9、使用DS1302实时时钟日历芯片完成时钟/日历的基本功能。第一章 方案论证与比较1.1数字时钟方案数字时钟是本设计的最主要的部分。根据需要，可利用两种方案实现。方案一：本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS12887A。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。方
10、案二：本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将十字节清零。该方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。基于硬件电路的考虑，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。1.2数码管显示方案方案一：静态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一
11、字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，造成了资源的浪费。方案二：动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。第二章 数字电子时钟设计方案研究 2.1 相关术语解释单片机是微型机的一个主要分支，他在结构上的最大特点是吧CPU
12、、存储器、定时器和多种输入、输出接口电路集成在一块超大规模集成电路上芯片上。就其组成的功能而言，一块单片机就是一台计算机。 单片机具有如下优点：1. 集成度高、体积小、有很高的可靠性；2. 控制功能强；3. 低功耗、低电压、便于生产便携式产品；4. 外部总线增加了I2C、SPI等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构；5. 单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。所以单片机的应用非常广泛，在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统以及人们的生活中均有用武之地。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路和设计方法。从前必须有模拟电路或
13、数字电路实现的大部分功能，现在已经能用单片机通过软件方法来实现了。这种用软件代替硬件的控制技术，是对生产控制技术的一次革命。利用单片机的智能性，可方便的实现具有智能的电子时钟设计。单片机具有时钟振荡系统，李永系统时钟借助微处理器的定时器/技术器可实现电子时钟功能。然而系统时钟误差较大，电子钟的累积误差也可能较大，所以可以通过误差修正软件加以修正，或者在设计中加入高精度时钟日历芯片，一景区时间。另外很多功能不同的单片机是兼容的，这就更便于实现产品的多功能性。2.2 基于单片机的电子时钟硬件选择考虑到单片机货源充足、价格低廉，可软硬件组合使用，能够较方便的实现系统的多功能性，故采用单片机作为设计的
14、硬件基础。2.3 主要IC芯片选择既微处理器选择 目前在单片机系统中，应用比较广泛的微处理器芯片主要为8XC5X系列单片机。该系列单片机均采用标准 MCS-51内核，硬件资源互换兼容，品类齐全，功能完善，性能稳定，体积小，价格低廉，货源充足，调试和编程方便，所以应用极为广泛。 例如比较常用的AT89C2051单片机，带有2KB Flash可编程、可擦除只读存储器（E2PROM）的低压、高性能8位CMOS微型计算机。拥有15条可编程I/O引脚，2个16位定时/计数器，6个中断源，可编程串行UART，并能直接驱动LED输出。AT89C51单片机是一款低功耗，低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含
15、4KB（可经过1000次擦写周期）的Flash可编程可反复擦写的只读存储器（EPROM）,器件采用CMOS工艺和ATMEI公司的高密度、非易失性存储器（NURAM）技术制造，其输出应缴和指令系统都与MCS-51兼容。片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序活用常规的非易失性存储器来编程。英雌，AT89C51是一种功能强大，灵活性高且价格合理的单片机，可放比偶按在应用在各个控制领域。AT89C51具有以下主要性能：1. 4KB可编程序FLASH存储器；2. 全静态工作：0-24Hz；3. 128X8字节内部RAM；4. 32个外部双向输入/输出（I/O）口；5. 6个中断优先级；2个16为可
16、编程定时计数器；6. 可编程床行通信；7. 片内时钟振荡器。此外，AT89C51是采用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（Power Down Mode）。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于始终被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下次硬件复位为止。 AT89C51位适应不同的产品需求，采用PDIP、TQFP、PLCC三种封装，本系统采用双列直插式PDIP封装式，如上图，时钟日历芯片选择DS1302，D
17、S1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟日历和3l字节静态RAM。由于具备体积小、功耗低、接口容易、占用CPU IO口线少、遇闰年自动修正且不存在“千年虫”问题等优点，该芯片被广泛应用于智能化仪器仪表中。DS1302与单片机之问能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三条口线：lIES，1O数据线和SCLK串行时钟。DS1302的特征如下：31字节带后备电池的RAM用于数据存储 串行IO口，管脚数量少 宽范围工作电压：2055v 工作电压20V时，电流小于300hA 读写时钟或RAM数据时有两种传送方式：单字节传送和突发模式传送 8脚DIP封装或其他可选封装方式
18、 简单的3线接口 与rrI1 兼容(Vee=5v) 可选工业级温度范围：一40 +85第三章 电子时钟硬件设计电子时钟至少要包括秒信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电路、闹铃指示电路等几部分。硬件电路参考以下框图：键盘是为了完成时钟/日历校正的显示功能。由此电子时钟要求具有闹铃功能，所以设计有闹铃电路，进行声音闹铃。3.1 时钟电路设计系统时钟应用了实时时钟日历芯片DS1302，其连接如图，该硬件电路设计简单，抗干扰能力强。如图下图AT89C51单片机P1.7直接DS1302的RST端，上电后，AT89C51的P1.7脚自动输出高电平，P1.6作为串行时钟接口，P1.5作为始终数据的I/
19、O。3.2 显示电路设计就时钟而言，通常了采用LCD 显示或者LED显示。对于一般的短时LCD，需要专门的驱动电路，但是电路设计简单，连接方便，数字感应信号强，软件编程简单，节省I/O接口，如下图:3.3 按键电路设计根据功能需要，本时钟需要设置一下功能键：校对选择键（主键），加1操作键（+1），减1操作键（-1）。按照键盘与CPU的连接方式可分为独立式键盘和矩阵式键盘，独立式键盘是各个按键相互独立，每个按键占用一个I/O口线，每根I/O口线上的按键不会影响其他I/O口上的按键工作状态。独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口，在按键数量较多时，I/O口浪费较大，且
20、电路结构复杂。矩阵式键盘社和按键较多的时候使用。由于本设计的电子时钟最多需要3分按键，若采用矩阵式键盘会有按键浪费，故采用多历史键盘。键盘电路如下图：对于内置上拉电阻的I/O引脚来说，外界上拉电阻式没有意义的。校对选择键（主键）按下后进入校对状态，+1键对时间日期进行加1和右移功能，-1键对时间日期进行减1和左移功能。3.4 闹铃、背光电路设计闹铃可直接采用蜂鸣器闹铃，如当前时刻与闹铃时间相同，单片机向蜂鸣器送出信号，蜂鸣器哦发生。采用蜂鸣器结构简单，控制方便，只是铃声单一。背光电路采用绿色的LED背光，即使在暗处不开灯也可以看清时间。电路参考下图3.5 电路原理汇总经以上分析，电路汇总如下，
21、既电路原理图，第四章 软件程序设计 4.1主程序设计第一次上电，系统向进行初始化，1602 LCD液晶显示为当前时间、年、月、日和星期。单片机开始调用键盘扫描程序、DS1302程序、1062程序、闹铃程序和背光程序并循环。 4.2子程序设计 4.2.1实时时钟日历子程序设计该程序主要实现对DS1302写保护，对年、月、日、时、分、秒等的寄器的读写操作。在在读写程序中都执行了关中断指令，因为在串行通信时对时序的要求比较高，而且在此是用1602液晶显示器，所以在通信过程中最好保证传输的连续性，不要允许中断。 4.2.2显示子程序设计单片机直接驱动1602液晶芯片，编程也简单。单片机的串行输入数据，
22、由读入读出信号控制。 4.2.3键盘扫描子程序本设计要求简单，按键采用独立式按键接入。程序对键盘的扫描方式有：随机扫描、定时扫描和终端扫描。在随机扫描方式中，CPU完成某种特定任务后，即执行键盘扫描程序，以确定键盘有无按键接入，然后根据按键功能转去之星相应的操作。在之星键盘按键规定的功能中不理睬键盘的输入。定时扫描方式与随机扫描方式基本相同，只是利用CPU内的定时中断，每个一定时间扫描有无按键信号输入，键盘反应速度较快，在处理键盘功能过程中，可以通过键盘命令进行干预，如取消、暂停等操作。由于本设计中AT89C51单片机在系统的主要任务是接受DS1302和1602的数据并送出显示，完成时钟/日历
23、校对和日期/星期的控制。该单片机完全有能力完成以上工作，所以采用随机扫描键盘方式，系统也能正常运行。单片机扫描完键盘，得到键值，并根据键值转入执行相应任务，以实现按键功能。入过没有按键按下，择程序将键盘值清零，返回主程序。 4.2.4闹铃子程序设计闹铃子程序任务是不断的用时钟分和时通设定的闹铃分与闹铃时比较，只要满足时钟分和时等于闹铃分与时，响铃就会启动一分钟。 4.3系统程序设计 数字电子时钟51单片机系统设计程序 表5-1 P1口对应段码及数值：显示数字P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.016进制代码dpgfedcba0001111113FH1000001100
24、6H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011016DH6011111017DH70000011107H8011111117FH9011011116FH; ; 中断入口程序; ;ORG 0000H ;程序执行开始地址LJMP START ;跳到标号START执行ORG 0003H ;外中断0中断程序入口RETI ;外中断0中断返回ORG 000BH ;定时器T0中断程序入口LJMP INTT0 ;跳至INTTO执行ORG 0013H ;外中断1中断程序入口RETI ;外中断1中断返回ORG 001BH ;定时器T1中断程序入口LJMP INTT1 ;跳至INTT1执行ORG 0023H ;串行中断程序入口地址RETI ;串行中断程序返回; 主 程 序 ; START: MOV R0,#70H ;清70H-7AH共11个内存单元 MOV R7,#0BH ;clr P3.7 ; CLEARDISP: MOV R0,#00H ;
