毕业设计论文数字钟设计Word文档下载推荐.docx

1、数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，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。一.单片机发展历史1.1三大阶段单片机诞生于20 世纪70 年代末，经历

2、了SCM、MCU、SoC 三大阶段。1.SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 公司功不可没。2.MCU 即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Int

3、el 逐渐淡出MCU 的发展也有其客观因素。在发展MCU 方面，最著名的厂家当数Philips 公司。Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips 的历史功绩。3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC 化趋势。随着微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展，基于SoC 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸

4、到单片应用系统。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。如果将8 位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段:（1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel 公司的MCS 48为代表。MCS 48 的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog 等，都取得了满意的效果。这就是SCM 的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel 公司在MCS 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS 5

5、1。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。完善的外部总线。MCS-51 设置了经典的8 位单片机的总线结构，包括8 位数据总线、16 位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。CPU 外围功能单元的集中管理模式。体现工控特性的位地址空间及位操作方式。指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 （3）第三阶段（1982-1990）： 8 位单片机的巩固发展及16 位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的MCS 96 系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制

6、器特征。随着MCS 51 系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51 为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。1.2 单片机的发展趋势下面是单片机的主要发展趋势。CMOS 化近年，由于CHMOS 技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS 化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51 取代8051 为标准MCU 芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS 电路的特点是低功耗、高密度

7、、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS 工艺。CHMOS 和HMOS 工艺的结合。目前生产的CHMOS 电路已达到LSTTL 的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL 电路。因而，在单片机领域CMOS 正在逐渐取代TTL 电路。低功耗化单片机的功耗已从Ma 级，甚至1uA 以下；使用电压在36V 之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP 等省电运

8、行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在36V 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达12V。目前0.8V 供电的单片机已经问世。低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。大容量化以往单片机内的ROM 为1KB4KB，RAM 为64128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM 最大可达64KB，RAM 最大为2KB。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更

9、高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中，80C51 系列是其中的佼佼者，加之Intel 公司将其MCS 51 系列中的80C51 内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多5著名IC 制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51 单片机兼容的基础上改善了80C51 的许多特性。这样，80C51 就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51 系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。二.单片机的组成及特点单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块

10、超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。2.1 单片机的组成单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU 通过它们将地址输出到存储器或I/O 接口；/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O 接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU 的应答信号线等。2.2 单片机的特点由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要发如下特点：（1）有优异的性

11、能价格比。（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。（3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。（5）外部总线增加了I C（Inter-Integrated Circuit）及S P I（Serial Peripheral Interface）

12、等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。2.3 单片机的分类单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。1. 通用型/专用型这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51 是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC 接口等功能的温度测量控制电路。2. 总线型/非总线型这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总

13、线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。3. 控制型/家电型这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51 类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。三.设计方案3.1系统主要功能电子钟的主要功能有：四只LE

14、D数码管显示当前时间；两个按钮，一个用作“分”的设定另一个做“秒”的设定。长按按钮可进行快进调节。3.2硬件设计电脑钟的原理框图如图1所示。它由以下几个部件组成：单片机89C2051、电源、时间显示部件以及显示驱动部分。时分显示采用静态扫描，用74LS164驱动数码管显示时分，显示驱动的数据输出和时钟信号输出都通过AT89C2051的P1.0和P1.1口控制。电源部分：电源部分有二部分组成。一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作。 3.2.1AT89C2051单片机及其引脚说明AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。

15、内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图2所示。与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。AT89C2051芯片的20个引脚功能为：图

16、2 AT89C2051引脚配置 VCC 电源电压。GND 接地。RST 复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 来自反向振荡放大器的输出。P1口 8位双向I/O口。引脚P1.2P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验

17、期间，P1口也可接收编码数据。P3口 引脚P3.0P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。表1 P3口特殊功能P3口引脚特殊功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）3.2.2驱动部件本设计的驱动电路采用74LS164，

18、74LS164是最常见的移位寄存器，移位寄存器是暂时记忆数据的“寄存器”，其特征是具有将数据向左或向右移动的功能。移位寄存器有各种形式。按存数据的位数有4位、8位等，按“输入/输出数据”形式有“串入/串出”、“串入/并出”、“并入/串出”、“并入/并入”等。图3（a）是串行输入/并行（串行）输出移位寄存器74LS164的管脚排列图。其功能表见表2所示。74LS164有两个串行数据DA、DB输入端，使用时一般把它们连在一起；为清零输入端，低电平有效，当该端加入低电平时，寄存器输出Q0Q7全为低电平。在正常情况下，清零输入端接高电平，当CP信号上升沿到来时，数据右移一位；Q0Q7为并行数据输出端，

19、同时Q7端也是串行数据输出端，对于串行输入的数据，最先输入的从Q7输出，最后进入的从Q0输出。CP为移位脉冲。图3 常用移位寄存器管脚排列图 表2 74LS164的真值表输 入输 出 CP DA DBQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q70 X X X0 0 0 0 0 0 0 01 0 X X1 1 11 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q61 0 X0 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q61 X 03.2.3 时间显示部件由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。LED有共阴极和共阳极两种。如图4所示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而

20、共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）ag，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。图4 LED数码管结构原理图众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的转换。从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED

21、显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。各段码位与显示段的对应关系如表3。段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba表3 各段码位的对应关系需说明的是当用数据口连接LED数码管adp引脚时，不同的连接方法，各段码位与显示段有不同的对应关系。通常数据口的D0位与a段连接，D1位与b段连接，D7位与dp段连接,如表3所示，表4为用于LED码管显示的十六进制数和空白字符与P的显示段码。表4 LED显示段码字型共阳极段码共阴极段码C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5B

22、HB83H7CH3BOH4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H注：（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。 （2）“空白”字符即没有任何显示。3.2.4总原理图设计 根据AT89C2051单片机灌电流能力强，拉电流能力弱的特点，我们选用共阴数码管。将AT89C2051的P1.0P1.1分别与74LS164的数据输入口和时钟信号输入口相连，74LS164是8位串入并出移位寄存器，负责将P1.0输出的串行数据转换成并行信号。显然，这种方式显示同样的位数使用单片机的

23、口线大大减少，即可以让LED当前时间数值，数码管显示器有二种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。为节省端口，本系统采用静态扫描显示方式。系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成，前两只用于时的显示，后两只用于分的显示。每个LED数码管由相对应的74LS164驱动，数码管的a,b,c,d,e,f,g,h,分别分别74LS164的QA，QB，QC，QD，QE，QF，QH相连。具体设计原理图及实物PCB图见下图所示： 数字钟原理图53.3软件设计本系统的软件系统主要可分为主程序和定时器中断程序以及查询P1.2，P1.3端口并判断是否调用子程序三大模块。下面对部分模块作介绍。3.3.1

24、系统主程序设计主程序的功能是完成系统的初始化，程序流程如图4所示。图7时间设置设计在时间设置功能设计中，主要用判断语句JB P1.2，REL或JB P1.3，REL，进行对P1.2，P1.3端口的电平高低进行实时查询判断，初始值为低电平，当P1.2检查到高电平时，关闭TO，T1定时器中断，并使T0停止计时，进入分设置模式，设置完毕后返回，同时打开TO，T1定时器中断，并使T0开始计时；当P1.2检查到高电平时，同样的关闭TO，T1定时器中断，并使T0停止计时，进入时设置模式，设置完毕后返回，同时打开TO，T1定时器中断，并使T0开始计时。分设置具体流程图设计见图（10）分设置流程图与秒设置基本

25、相似，把P1.2端口换成P1.3即可，在进位过程中的设计可以参看图，使之能在60时进位置00时。流程图设计 （60min、60s既复位清零） “秒”设置流程图 图（10） 3.4错误检测在此设计过程中，就对时分之间的点闪烁体现是用查表输出形式实现的，由于本系统设计是采用74LS164驱动数码管，只有一个数据信号输入口，所以不能对数码管进行“位”控，只能对数码管的整体显示进行控制。所以每秒内至少需两次数据输出并显示，第一次输出显示的数的小数点都不亮，第二次输出显示的数（数的值不变）中第三个数码管的数的小数点亮，两者交替输出显示，即可实现点时分之间的点闪烁。在具体实现过程中是用查表方式实现，即在第

26、二次输出显示时，把R3的值加10，既R3查表所得的值是TAB表格中第二排数值（参看程序清单），而第二排数值所对应显示的数都是小数点亮的，在此次输出显示完成后，再把R3减10，返回原来的值并继续进行计时。另外在设计按钮时，一开始遇到的难题是：按一下按钮，时或分所加的数值并不为1，加的数为不确定值，最后经过研究，使设计程序在查询P1.2，P1.3端口时，若检测到高电平时需延迟20ms左右后，再进行二次检测，以消除按钮的抖动干扰，使之按一下能正确调节时分进行加1调整（参看程序清单）。最后值得总结的是，在程序设计过程中还存在很多细节上的问题，如因为没有对进位标志位CY清零，在其他程序都正确的情况下却始

27、终调不出正确满意的结果，最后费了很多时间精力去查找寻错，才得以解决。3.5总结 上述电子钟，在外观上实行最简洁设计。在元器件配置上选择最实惠器件进行设计，且功能完整，计时正确，精确度可达0.1S，已完全符合设计要求。另外值得一提的是，本电子钟设计过程中，附加了比较实用功能，长按按钮，按住不放，可进行快进，即快速调节时间，按一下则进行加1调节，此功能并不需要任何的硬件，只需对程序进行稍微设计即可，所以此电子钟已完全符合市场上的所售电子时钟的一般功能的要求。若需要，可进行批量生产，进行销售。四结束语通过这次的设计使我认识到我对单片机方面的知识知道的太少了，对于书本上的很多知识还不能灵活运用，有很多我们需要掌握的知识在等着我去学习，我会在以后的学习生活中弥补我所缺少的知识。本次的设计使我从中学到了一些