数字电子时钟的设计与制作毕业设计 精品.docx
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数字电子时钟的设计与制作毕业设计精品
摘要
本次设计以AT89C52芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个简易的数字电子时钟，它由5V直流电源供电。
在硬件方面，除了CPU外，使用两个四位一体的七段LED数码管和一个单独的共阳极数码管显示时、分、秒。
四个简单的独立按键实现对时间的调整以及时钟/秒表功能的转换。
软件方面采用C语言编程，使用keil软件进行编程与调试，使整个电子时钟能够完成时间的显示，调时，秒表，报时等功能。
数字时钟是采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。
数字时钟的精度、稳定度远远超过老式的机械时钟。
在这次设计中，我们采用LED数码管分别显示时、分、秒，以24小时计时方式，根据数码管动态显示原理来进行显示，用12MHz的晶振产生振荡脉冲，定时器计数。
数字时钟体积小巧，价格低廉，时间精度高，使用方便，功能全，便于集成化而受广大消费的喜爱，因此得到了广泛的应用。
关键词：
单片机；数字电子时钟；LED；数码管
ABSTRACT
ThisdesignwithAT89C52chipasthecore,supplementedbythenecessaryperipheralcircuit,designasimpledigitalelectronicclock,itconsistsof5vdcpowersupply.Intermsofhardware,inadditiontotheCPU,usingtwofouroneofthesevensegmentLEDdigitaltubeandasingleanodedigitaltubedisplaywhen,minutesandseconds.Foursimpleimplementationindependentbuttonsadjustyourtimeaswellastheconversionclock/stopwatchfunction.SoftwareusingClanguageprogramming,programminganddebugging,usingkeilsoftwaretocompletethewholeelectronicclocktime,accordingtotheadjustment,timingalarmclock,reset,etc.
DigitalClockisadigitalcircuitimplementationofthe“when”,“minutes”,“seconds”thefiguresshowthetimingdevice.Digitalclockprecision,stability,farmorethantheoldmechanicalclock.Inthisdesign,weuseLEDdigitaldisplayhours,minutes,seconds,to24-hourtimemode,accordingtodigitalcontroltheorytodynamicdisplaytodisplay,usethe12MHzcrystaloscillationpulse,thetimercount.Digitalclockisitscompact,lowcost,traveltimeandhighprecision,easytouse,featuresandmore,easyintegrationandlovedbythegeneralconsumer,sowidelyused.
Keywords:
singlechip;digitalelectronicclock;LED;digitaltube
摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT………………………………………………………………………………Ⅱ
1绪论……………………………………………………………………………………1
1.1研究的背景……………………………………………………………………1
1.2数字时钟的意义与应用………………………………………………………1
2整体设计方案…………………………………………………………………………3
2.1设计要求………………………………………………………………………3
2.2整体方案的设计………………………………………………………………3
2.2.1整体方案的确定………………………………………………………3
2.2.2电路设计框图…………………………………………………………4
2.3单片机的介绍…………………………………………………………………4
3数字时钟硬件电路设计………………………………………………………………7
3.1最小系统的设计………………………………………………………………7
3.2数码管显示电路的设计……………………………………………………10
3.2.1单个数码管简介……………………………………………………10
3.2.2四位一体数码管简介………………………………………………10
3.3蜂鸣器控制电路的设计……………………………………………………12
3.4按键控制电路的设计………………………………………………………13
4数字时钟的软件设计………………………………………………………………16
4.1主程序设计…………………………………………………………………17
4.2数码管显示子程序设计……………………………………………………18
4.3按键检测子程序设计………………………………………………………19
4.4蜂鸣器报时子程序设计……………………………………………………20
5数字时钟的仿真及制作……………………………………………………………21
5.1调试与仿真…………………………………………………………………21
5.2仿真图缺陷分析……………………………………………………………24
5.3数字时钟的制作……………………………………………………………25
总结……………………………………………………………………………………28
参考文献………………………………………………………………………………29
致谢……………………………………………………………………………………30
附录程序清单…………………………………………………………………………31
1绪论
1.1研究的背景
电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。
在其推动下，现代电子产品正在以前所未有的革新速度，向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向迅速发展，电子技术的发展有力的推动社会生产力的发展。
单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。
由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。
单片机模块中最常见的是数字钟，数字时钟路技术实现时、分、秒与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。
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想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
1.2数字时钟的意义与应用
基于单片机的数字电子时钟是采用电子电路实现对时、分、秒进行数字显示的计时装置，广泛应用于个人家庭，室外广场，汽车站和火车站等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。
机械式钟表虽然也可以告知人们时间，也可以定时，显示日历。
但是由于受到机械结构、动力和体积的限制，在功能、性能以及造价上都没办法与电子时钟相比。
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、0按时自动打铃、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，更为先进的电子钟的研究有着良好的发展前景和市场潜力。
数字钟已成为人们日常生活中：
必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。
2整体设计方案
2.1设计要求
（1）用六位LED数码管显示时、分、秒。
（2）以24h（小时）计时方式。
（3）白天整点报时，晚上22点后不报时。
（4）可实现时分调整、秒表功能转换。
（5）可实现时分调整、时钟功能转换。
2.2整体方案的设计
2.2.1方案的选择
本次设计的方案有许多种，下面列出了三种方案：
方案一：
基于数字电路的数字钟。
传统的数字钟以最为基本的数字电路来实现的。
其设计复杂，体积大，运行稳定性不好。
所以不考虑。
方案二：
通过单片机AT89C52芯片为主控电路，由电源电路、单片机主控电路、按键控制电路和蜂鸣器等组成。
本次设计就是通过单片机为主控电路，通过电路仿真而实现。
使用Proteus软件进行绘制仿真电路图，用Medwin软件进行编程与调试，即用汇编语言编写程序。
方案三：
通过单片机AT89C52芯片为主控电路，由电源电路、单片机主控电路、按键控制电路和蜂鸣器等组成。
本次设计就是通过单片机为主控电路，通过电路仿真而实现。
使用Proteus软件进行绘制仿真电路图，用keil软件进行编程与调试，最终生成hex文件，传入单片机内部，从而实现仿真效果。
即用C语言来编写程序，以实现最终的目标。
通过比较各种方案的优缺点以及自己学习过的专业知识，最终确定按照第三种方案实施。
第三种方案相比第一、第二种方案而言，不需要对单片机的各种指令以及不同存储器的寻址、寄存器分配等有所掌握，而只需用基本的C语言知识就可以实现设计的要求。
所以此次设计采用第三种方案。
2.2.2电路设计框图
根据本次设计的要求，在尽量要求准确精简的条件下设计了以下电路框图。
本次设计包含有四个主要的部分：
单片机的最小系统，即由单片机，时钟电路，复位电路组成；蜂鸣器控制电路；数码管显示电路和按键控制电路。
其整体设计框图如下图2-2所示：
按键控制电路
数码管显示电路
蜂鸣器控制电路
时钟电路
复位电路
AT89C52
单片机
图2-1整体设计框图
2.3单片机的介绍
单片机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
单片机经过几代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性方向发展。
其发展趋势不外乎以下几个方面：
1.多功能
单片机中尽可能地把所需要的存储器和I/O口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。
比如A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器---看家狗）、高速I/O口及计数器的捕获/比较逻辑等。
有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。
例如，有的芯片以51内核为核心，集成了USB控制器、SMARTCARD接口、MP3解码器、CAN或者I*I*C总线控制器等，LED、LCD或VFD显示驱动器也开始集成在8位单片机中。
2.高效率和高性能
为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用RISC、流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：
单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内ROM（FLASH）和RAM的容量都突破了以往的数量和限制。
由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如C语言）来开发单片机的程序。
使用高级语言可以降低开发难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩充功能。
3.低电压和低功耗
单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性。
由于CMOS等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2V或0.9V），功耗已经降低到微安级。
这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。
4.低价格
单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。
目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。
综合考虑各种类型的单片机，本设计采用AT公司的AT89C52类型的单片机，改单片机具有8K可擦除Flash存储器，具有高性能和低功耗特性的8位CMOS微控制器；单片机内部Flash允许程序存储器具有可编程的功能，因此也可以也可以应用于常规编程器；在单芯片未处理器中，具有灵巧的的系统可编程Flash和8bitCPU，使AT89C52成为很多控制系统和嵌入式控制应用系统主流的控制芯片。
52系列单片机具有以下标准功能：
可擦除Flash存储空间为8kb，可用内部RAM存储空间具有256kb，同时具有32位I/O口线，片内具有数据指针2个，具有定时器三个计数器三个。
除此之外，AT89C52具有可降至0Hz静态逻辑操作，同时可使两种软件选择节电模式；在掉电保护工作方式下，振荡器将停止工作，并保存RAM中的内容，单片机停止一切工作，除非等到下一个硬件或中断复位后才停止；在空闲工作模式下，CPU工作停止，同时允许中断、串口、定时器/计数器和RAM继续工作。
该单片机的引脚图如图2-1所示：
图2-2AT89C52的引脚图
它一共有40个引脚，引脚又分为四类。
包括主电源引脚Vcc和Vss；时钟电路引脚XTAL1和XTAL2；控制信号引脚RST/VPD,ALE,PSEN,EA以及并行I/O口引脚P0，P1，P2和P3。
P3口除可以作为通用的I/O口使用外，其主要的功能是它的第二功能。
P3.0-P3.7对应的第二功能分别为：
串行口输入，串行口输出，外部中断0输入，外部中断1输入，定时器0的外部输入，定时器1的外部输入，外部数据存储器“写”信号输出和外部数据存储器“读”信号输出。
3数字时钟硬件电路设计
本次设计利用AT89C52的P0口来控制8位共阴极的数码管，由于P0口内部没有上拉电阻，为高阻状态，所以不能正常的输出高/低电平，因此P0口在使用时必须接上上拉电阻。
利用两个型号为74HC573的锁存器来控制数码管的段选和位选，用P2.6和P2.7两个口来控制两个锁存器开/关状态。
单片机的最小系统包含有晶振电路和上电复位电路，两者必不可少。
根据设计的要求，采用两个四位一体的共阴极数码管和一个单独的共阳极数码管显示时钟和秒表功能。
本设计可以只采用4个按键即可全部实现所要求的功能，因此采用独立按键的形式。
本设计还有整点报时的功能，故通过控制蜂鸣器来实现。
3.1最小系统设计
单片机要正常运行，必须具备一定的硬件条件，其中最主要的就是三个基本条件：
（1）电源正常
（2）时钟正常（3）复位正常。
1.时钟电路
单片机时钟内部有一个高增益反向放大器，用于构成时钟震荡电路，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为放大器的输出端，但要形成时钟还需附加其他的电路。
（1）内部时钟方式
利用单片机内部的高增益反相放大器，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡。
定时元件一般采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体可在1.2~12MHz之间任选，电容可在5~30pF之间选择，电容C1和C2的大小可起频率微调的作用，电容大小要和晶体的容性负载阻抗相匹配，否则不易起振。
（2）外部时钟方式
外部时钟方式常用于多机系统，以便各个单片机能够同步工作。
对外部振荡信号无特殊要求，但需保证脉冲宽度不小于20ns，且频率应低于单片机所支持的最高频率。
本次设计采用内部时钟方式，单片机的内外部时钟电路如图3-1所示：
图3-1内部和外部时钟电路图
2.复位电路
计算机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
MCS-51单片机有一个复位引脚RST，采用施密特触发输入，对于CHMOS单片机，RST引脚的内部有一个低拉电路。
当振荡器起振后，只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平时即可确保使器件复位。
复位完成后，如果RST端继续保持高电平，单片机就一直处于复位状态，只有RST端恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。
RST端的外部复位电路有两种复位操作形式：
上电自动复位和按键手动复位。
（1）上电自动复位电路
对于HMOS型单片机，只要在RST复位端接一个电容至VCC和一个电阻至VSS（地）,就能实现上电自动复位。
在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定宽度的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使单片机有效复位。
RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间。
VCC上升时间约为10ms,振荡器起振时间和频率有关。
10MHz时约为1ms.1MHz时约为10ms，所以一般为了可靠的复位，RST在上电时应保持20ms以上的高电平。
当振荡频率为12MHz时，典型值为C=10Uf,R=8.2K。
（2）按键手动复位
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC接通而实现的；按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生正脉冲来实现的。
本次设计采用的是上电自动复位电路，其电路图如图3-2所示：
图3-2单片机上电自动复位电路图
由时钟电路和复位电路组成的单片机的最小系统如图3-3所示：
图3-3单片机最小系统的结构图
3.2数码管显示电路的设计
3.2.1单个数码管简介
LED数码显示器是由发光二极管组成的，其内部结构如图3-2（c）所示。
LED数码管有两种连接方式：
（1）共阴极接法：
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。
每个发光二极管的阳极与输入端相连。
如图3-2（a）所示：
（2）共阳极接法：
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。
如图3-2（b）所示：
图3-4共阴、阳极数码管原理图
本次设计使用的是共阳极数码管，共阳极数码管的所有阳极全部接在一起，电路连接时，公共端接高电平，因此我们要点亮的那个发光二极管就需要给阴极送低电平，此时显示数字的编码是相反关系，数码管内部发光二极管点亮时，也需要5mA以上的电流，而且电流不可过大，否则会烧毁发光二极管。
由于单片机的I/O口送不出如此大的电流，所以数码管与单片机连接时需要加驱动电路，可以用上拉电阻的方法或使用专门的数码管驱动芯片。
3.2.2四位一体数码管简介
本次设计还用到了四位一体的数码管，用来显示时间。
四位一体的数码管与单个的数码管有所不同。
四位一体的数码管共有十二个引脚，每个引脚对应着相应的段选和位选，如下图3-5所示。
a~f对应的是数码管的段位，四个数码管所有的段位都连接在一起，即所有的a段连接在一起，所有的b段连接在一起，依次类推。
另外标号为1,2,3,4的引脚对应的是相应的位选，即通过程序来控制哪一个或者那几个数码管亮。
图3-5四位一体数码管引脚图
本次设计使用了两个四位一体的共阴极数码管和一个单独的共阳极数码管，显示电路显示模块需要实时显示当前的时间,即时、分、秒，因此需要6个数码管，另外设计两个数码管用来显示横，这样显示起来比较美观。
LED显示器的显示控制方式按驱动方式可分成静态显示方式和动态显示方式两种。
对于多位LED显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示，时的十位和个位分别显示在第一个和第二个数码管，分的十位和个位分别显示在第四个和第五个数码管，秒的十位和个位分别显示在第七个和第八个数码管，其余两个数码管显示横线。
由于本设计还要求时钟/秒表之间的相互转换，因此右边单独的数码管是用于时钟/秒表功能转换的，其硬件连接方式如图3-3所示：
图3-6数码管显示电路图
3.3蜂鸣器控制电路的设计
本设计要求整点报时功能，故采用蜂鸣器来实现到了几点就响几下，本设计在早上六点到晚上二十二点之间报时，其余时间不报时。
蜂鸣器有两种结构，有源型和无源型。
这里的源不是指电源而是指振荡源。
有源蜂鸣器内部带振荡源，所以只要一通电就会叫，而无源蜂鸣器内部不带振荡源，所以如果用直流信号驱动他时，无法令其鸣叫，必须用2kHZ~5kHZ的方波信号去驱动他。
而单片机I/O口输出的电流比较小，故要使用NPN型三极管来放大电流，以驱动蜂鸣器工作。
其控制电路图如图3-7所示：
图3-7蜂鸣器控制电路
3.4按键控制电路的设计
键盘就是一组按键的集合，它是最常用的输入设备。
操作员通过键盘可以输入数据或命令，实现简单的人机通信。
计算机所用的键盘按其结构形式可分为编码键盘和非编码键盘。
非编码键盘有两种形式：
简单键盘和矩阵式键盘。
1．简单键盘
简单键盘一般直接用I/O口线外接按键构成。
每个按键单独占用一根口线，I/O口线间的工作状态互不影响。
当某一按键闭合时，对应口线输入为低电平，释放时为高电平。
2．矩阵式键盘
简单键盘电路的每个按键开关占一根I/O口线，当按键数目较多时，就要占用较多的I/O口资源，此时应该用矩阵式键盘电路。
矩阵键盘有3X39个键，4X416个键等的矩阵键盘。
其检测原理为：
检测时，先送一列为低电平，其余几列全为高电平，然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平，则我们便可确认当前被按下的键是哪一行那一列的。
用同样的方法轮流送各列一次低电平，再轮流检测一次各行是否变为低电平，这样即可检测完所有的按键。
当有键被按下时，便可判断出按下的键是哪一个键。
本设计由于只需要用到四个按键就可以实现全部的功能，故采用四个独立的按键来控制时钟的调节和时钟/秒表的转换。
设计的按键控制电路如下图所示：
图3-8数字时钟的按键控制电路
按键实际就是一种常用的按钮开关，平时键的两个触电处于断开状态，按键被按下时两个触电闭合。
由于键盘上的按键都是利用机械触点来实现健的闭合与释放。
由于弹性作用的影响，机械触点在闭合及断开的瞬间均有抖动过程，从而也使按键输入电压信号也出现抖动，抖动时间的长短与按键的机械特性相关，一般为5~10ms。
为了保证系统对键的一次闭合仅做一次键输入处理，因此不需进行消抖处理。
一般可用硬件或软件的方法来消抖，具体方法有：
双稳态消抖电路；滤波消抖电路以及软件消抖。
本设计使用的是软件消抖。
所谓软件消抖，就是在第一次检测
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