基于单片机的实时时钟.docx
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基于单片机的实时时钟
2013届本科毕业设计
（一号黑体居中）
基于单片机的实时时钟
（二号黑体居中）
院（系）名称
物理与电子信息学院（小三号黑体）
专业名称
电子信息科学与技术（小三号黑体）
学生姓名
张三丰（小三号黑体）
学号
090524111（小三号TimesNewRoman）
指导教师
何大壮教授（小三号黑体）
完成时间
2013年5月8日（小三号黑体）
绪论
随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用也越来越广。
怎样让时钟更好的为人民服务呢？
这就要求人们不断设计出新型时钟。
如今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。
国内外研究现状：
目前单片机应用于各个领域，其应用于仪器仪表中显得更为优越。
以单片机制成的电子时钟具有计时准确，功耗低的优点。
从而得到了各界领域的广泛应用。
单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速，强运算能力，寻址范围大以及小型廉价方面发展。
单片机的发展推动了应用系统的发展，应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求，从而促进单片机的发展。
单片机正向着功能更强，速度更快，功耗更低，辐射更小的方向发展。
随着集成度的不断提高，把众多的外围功能器件集成在片内已经具备了充分的条件。
这也是单片机以后发展的重要趋势。
除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，随着单片机档次的提高，以适应检测、控制功能更高的要求，片内集成的器件通常还有电源监控与复位电路、WDT、A/D转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。
随着科技的快速发展，时间的流逝,至从观太阳、摆钟到现在电子钟，人类不断研究，不断创新纪录。
本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法以及借助键盘直接控制整时的调整，本设计由单片机AT89C51芯片，LED数码管和键盘为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。
显示采用LED数码管模块显示，功耗小，价格便宜，使用方便。
科学的进步要求我们在不断的实践中熟练各种制板的技术，并不断地总结经验。
这次毕业设计对我来说非常重要，这是对我的一次考验和挑战，好的开头是成功的第一步，我更应该加倍努力去完成，尽力做到更好，为将来的学习奠定良好的基础。
第1章设计要求及目的
1.1设计要求
基于单片机AT89C51的电子时钟，利用单片机软件编程、LED数码管显示模块显示时间该数码管显示万年历能够实现的功能：
（1）、实时显示秒、分、时、年等（可自动或手动设置显示）
（2）、具有定时功能
（3）、能调整时间、日期
（4）、能调整定时时间
（5）、时钟走时误差一天少于1分钟
1.2设计目的
（1）熟悉Ptoteus及Keil软件的调试和仿真。
（2）通过实验提高对单片机的认识。
（3）通过实验提高焊接、布局、电路检查能力。
（4）通过实验提高软件调试能力。
（5）进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理。
（6）通过课程设计，掌握以单片机为核心的电路设计的基本方法和技术，了解电路参数的计算方法。
（7）通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。
（8）通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，了解开发一单片
机应用系统的全过程，为今后从事相应打下基础。
第2章方案论证
根据本题要做一个时钟的要求有以下两个方案。
方案一：
利用数字电子电路的知识制作时钟，利用74LS160计数的简易数字控制电路，由NE555产生频率为1HZ的输入信号，经过74LS48译码由数码管显示。
当数字大于100时有指示灯显示，大于300时返回。
方案二：
基于AT89C51单片机来制作电子时钟，其最大的好处就是可最大的调整时钟使其准确度更高。
所以根据课题要求为了得到更好的最确度所以决定选择方案二作为本设计的方案。
其可归结如下：
（1）使用12MHz的晶振作为单片机的外部时钟输入，一个机器周期为1us
（2）使用定时器0作为时钟计数器，当计数满8ms时定时器0产生中断，当中断满125次时，调用时间模块进行加1操作。
先对秒进行加1，若加1后等于60秒，则清除秒单元，同时向分进1，同理，对分、时进行同样操作。
（3）P3.0选择键 P3.1为加控制键 P3.2减控制键 P3.4为日期时间切换显示按键。
利用发光二极管作为显示定时用，当定时时间到，从P3.3输出一低电平点亮发红光二极管。
P3.3为发光二极管闪烁
（4）年、月、日的判断。
取年单元的数据除以4，若余数为零，则该年为闰年，再判断月单元是否为2月，若为2月则当月天数加1；若年单元数据除以4后余数不为零，则正常取表格的数据。
第3章关键器件的介绍
3.1AT89C51单片机结构：
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C51是一种高效微控制器，AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51单片机的引脚如图3.1所示。
图3.1AT89C51引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表3.1所示：
位线
引脚
第二功能
P3.0
10
RXD（串行输入口）
P3.1
11
TXD（串行输出口）
P3.2
12
INT0（外部中断0）
P3.3
13
INT1（外部中断1）
P3.4
14
T0（定时器0外部输入）
P3.5
15
T1（定时器1外部输入）
P3.6
16
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
17
RD（外部数据存储器读选通）
表3.1P3口的特殊功能
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.2AT89C51单片机主要特性：
（1）与MCS-51兼容
（2）4K字节可编程闪烁存储器
（3）寿命：
1000写/擦循环
（4）数据保留时间：
10年
（5）全静态工作：
0Hz-24MHz
（6）三级程序存储器锁定
（7）128×8位内部RAM
（8）32可编程I/O线
（9）两个16位定时器/计数器
（10）5个中断源
（11）可编程串行通道
（12）低功耗的闲置和掉电模式
3.3原理图分析：
该系统原理图可分为四个部分。
分别是单片机最小系统外接模块、调时按键和指示模块、显示电路模块、电源供电电路模块。
模块如图3.2所示：
图3.2原理框图
.
（1）单片机最小系统外接模块
单片机最小系统外接模块包括复位电路、时钟电路。
该系统复位电路采用按键手动复位电路和系统时钟电路。
所谓按键手动复位，是通过复位端经电阻与电源Vcc接通而实现的，它兼备上电复位功能。
该系统时钟电路的时钟信号采用内部振荡方式产生。
内部振荡方式是在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个电容构成的自激振荡电路。
两个电容均取30pF,对振荡频率有微调作用。
晶振采用11.0592MHz。
该系统复位电路和时钟电路如图3.3所示：
图3.3复位电路和时钟电路图
（2）调时按键电路模块
设计中有五个按键，其中K1为选择调整位置，K2为加控制键K3为减控制键，K4为日期和时间的切换显示，K5为闹钟存储按键，按下该键时会存储好当前时间值，当到设计值时，蜂鸣器报警。
调时按键电路如图3.4所示：
图3.4按键电路图
（3）电源电路模块
该系统的电源电路采用7805稳压块提供电源供电和外部+5V供电两种方式。
系统所有电路工作均用这两种方式提供。
电源电路图如图3.5所示：
图3.5电源电路图
第4章电路板的设计
4.1电子元件的筛选检测
在选用电子元器件时,应先对元件外观质量进行检测。
一般检验标准如下：
（1）外观尺寸,电极引线的位置及直径应符合产品标准外形图的规定。
（2）外向型应无损,表面无凹陷,华痕,裂口,污垢或锈斑,外部涂层不能有气泡。
无脱落或擦伤现象,除光学器件以外,玻璃或塑料封装的,一般应不透光。
（3）电极引出线上映无压折或扭曲,没有影响焊接的氯化涂层。
（4）各种型号、规格、标志、应该清晰。
特别是有参数和极性标志的器件,其标志符号不能模糊不清或脱落。
（5）通常对要求不严格的产品,一般采用随机抽样的方法检测筛选元器件。
对那些要求严格的产品,必须采用更加具体严格的方法来检验元器件。
（6）决不能因为元器件是从商店里购买的,而忽略测试。
（7）正确使用测量仪器仪表的方法。
4.1.1元件的检测及布线设计
（1）电阻:
按电阻上的色标读出电阻的阻值。
用万用表测量电阻的阻值,并与读数加以比较，检测其是否符合要求。
（2）电容:
用数字万用表测量电容电阻。
其中,磁片电容的电阻必须为无穷大。
电解电容的电阻要求在兆欧以上。
电解电容管脚较短的一端是负极。
（3）三级管:
用万用表Hfe档测量电压放大系数。
管脚顺时针方向依次为:
EBC/BCE。
（4）LED发光二极管:
用万用表测量到地电压（1.6V）,而且二极管亮灯。
（5）集成电路IC:
用专门的仪器进行测量。
该系统电路板的设计采用单面板。
故布线设计要求如下：
（1）过孔与焊盘:
过孔不要用焊盘代替，反之亦然。
（2）文字要求:
字符标注等应尽量避免上焊盘，尤其是在Bottom层上的焊盘，更不应印有字符和标注。
如果实在空间太小放不了字符而需放在焊盘上的，又无特殊声明是否保留字符，我们在做板时将切除Bottom层上任何焊盘的字符部分（不是整个字符切除）和切除TOP层上表贴元件焊盘上的字符部分，以保证焊接的可靠性。
（3）阻焊绿油要求
凡是按规范设计，元件的焊接点用焊盘来表示，这些焊盘（包括过孔）均会自动不上阻焊。
电路板上除焊盘外，如果需要某些区域不上阻焊油墨（即特殊阻焊），应该在相应的图层上用实心图形来表达不要上阻焊油墨的区域。
（4）铺铜区要求:
大面积铺铜无论是做成网格或是铺实铜，要求距离板边大于0.5mm.对网格的无铜格点尺寸要求大于15mil×15mil，即网格参数设定窗口中Width值≥10,如果网格无铜格点小于15mil×15mil在生产中容易造成线路板其它部位开路Plane Settings中的（Grid Size值）-（Track Width值）≥15mil，Track，此时应铺实铜，设定:
（Grid Size值）-（Track Width值）≤-1mil。
（5）焊盘上开长孔的表达方式:
应该将焊盘钻孔孔径设为长孔的宽度，并在Mech1层上画出长孔的轮廓，注意两头是圆弧，考虑好安装尺寸。
（6）元件脚是正方形时设置孔尺寸:
一般正方形插脚的边长小于3mm时，可以用圆孔装配，孔径应设为稍大于正方形的对角线值。
对较大的方形脚应在Mech1绘出方孔的轮廓线。
（7）钻孔孔径的设置与焊盘最小值的关系:
一般布线的前期放置元件时就应考虑元件脚径、焊盘直径、过孔孔径及过孔盘径，以免布完线再修改带来的不便。
如果将元件的焊盘成品孔直径设定为Xmil，则焊盘直径应设定为≥X+18mil。
4.2PCB的绘制步骤
在设计中，LED数码管显示万年历电路板的绘制基本过程分为三大步骤。
其步骤为：
（1）电路原理图的设计:
电路原理图的设计主要是Protel99se的原理图设计系统来绘制电路原理图。
在这一过程中，要充分的利用Protel99se所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现设计目的。
（2）产生网络表:
网络表是电路原理图设计（SCH）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁，它是电路半自动的灵魂。
网络表可以从电路原理图中获得，也可以印制电路板中提取出来。
（3）印制电路板的设计:
印制电路板的设计主要是针对Protel99se的另一个重要的部分PCB而言的，在这个过程中，我们借助Protel99se提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的工作。
4.2.1自定义元件的制作
以AT89S51为例，由于AT89S51在元件库中找不到，所以采用自定义的方法（其他元器件的绘制方法相同）。
步骤如下：
（1）新建一个设计数据库文件，在工作窗口右击Documents图标，选择Del，删除文件夹。
（2）选择File>New菜单，打开NewDocument对话框。
在文档类型列表区单击SchematicLibraryDocument，创建一个名为zhang.Lib的原理图库文件。
（3）双击新建的原理图符号库文件，启动原理图符号编辑器，打开BrowseSchLib画板。
（4）在BrowseSchLib画板的Group设置区单击Del按钮，删除Component-1元件，单击Add按钮，创建一个名为AT89S51的文件
（5）单击工具栏中的画矩形工具，绘制宽度为8格，高度为22格的矩形。
（6）单击SchLibDrawingTools工具栏中的绘制引脚工具，按Tab键，打开引脚属性设置对话框。
设置引脚名称、引脚号、引脚方向、引脚的电气特性。
单击OK，放置引脚即可。
（7）依据类似方法，在元件中放置其它引脚。
4.2.2整体原理图的绘制
（1）启动Protel99SE，选择File>New菜单，新建一个名为MyDesign1.ddb的设计数据库文件，设置存放位置。
（2）在工作窗口双击Documents文件夹，再次选择File>New菜单，打开NewDocument对话框。
双击其中的SchematicDocument图标，新建一个名为MySheet1.sch的原理图文件。
（3）双击创建的原理图文件，启动原理图编辑器。
选择Design>Options菜单，打开DocumentOptions对话框。
在StandardStyle设置区打开下拉列表，选择“A4”规格的图纸，然后单击OK即可。
（4）单击工具栏中的连线工具栏。
打开元件管理面板，在元件列表区单击PNP，然后单击Place按钮。
按Tab键，打开元件属性对话框，设置元件编号Designator为8550，设置元件封装为TO-126。
（5）单击OK按钮，关闭元件属性对话框，在图纸的合适位置单击放置元件8550，然后单击鼠标右键结束操作。
选择View>Area菜单，拖出一个缩放框，放大元件所在的区域。
（6）在BrowseSch面板中的元件列表区单击Res2，单击Place按钮。
按Tab键，打开元件属性对话框，设置元件编号，封装模型，元件类型。
单击OK按钮，按空格键旋转元件，合理放置元件即可。
（7）再次按Tab键，设置其它电阻元件的类型。
（8）其它元件的放置均采用类似的方法，所不同的是在元件编号，封装模型，元件类型上有区别。
在此不再叙述其它元件的放置。
（9）元件放置完毕后，单击WritingTools工具栏中的电源端口工具，按Tab键，设置元件类型为PowerGround（电源地），单击OK按钮，在图纸的下方单击放置电源地。
再次Tab按键，设置元件类型为Bar，设置网络名为Vcc，单击OK按钮，在图纸的右下角放置Vcc。
（10）单击主工具栏中的绘图工具DrawingTools,单击绘图工具栏中的放置注释按钮，按Tab键，在Annotation对话框中的第一栏中输入说明性文字。
单击OK按钮，移动光标到标题栏中的区，单击鼠标左键放置注释，单击右键结束操作。
（11）选择Tools>ERC菜单，打开SetupElectricalRuleCheck对话框。
所有设置采用默认值，单击OK按钮，得到ERC报表。
（12）在文件管理面板中双击MySheet1.sch原理图，重新启动原理图编辑器。
选择Reports>BillofMaterial菜单，打开向导。
全部设置采用默认值，依次单击Next和Finish按钮。
4.3电路板的制作
一般而言，印板有单面、双面和多层板之分。
单面印板的工艺过程较简单，通常是下料→丝网漏印→腐蚀→去除印料→孔加工→印标记→涂助焊剂→成品。
（1）层“Layer”的概念与字处理或其它许多软件中为实现图、文、色彩等的嵌套与合成而引入的“层”的概念不同，Protel中的“层”不是虚拟的，而是印刷板材料本身实实在在的各铜箔层。
现今，由于电子线路的元件密集安装、防干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印刷板不仅有上下两面供走线，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔。
这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简单的电源布线层（如软件中的GroundLayer和PowerLayer），并常用大面积填充的办法来布线，上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用软件中提到的所谓“过孔（Via）”来沟通。
（2）过孔（Via）为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。
工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。
一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则：
①尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙。
如果是自动布线可在，过孔数量最小化“ViaMinimization”子菜单里选择“on”项来自动解决。
②需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。
（3）丝印层（Overlay）为方便电路的安装和维修等，在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外廓、形状等等。
（4）SMD的特殊性Proel封装库内有大量SMD封装，即表面焊装器件。
这类器件除体积小巧之外的最大特点是单面分布无引脚孔。
因此，选用这类器件要定义好器件所在面，以免“丢失引脚MissingPins”。
（5）网格状填充区（ExternalPlane）和填充区（Fill）正如两者的名字那样网络状填充区是把大面积的铜箔处理成网状的。
填充区仅是完整保留铜箔，实质上，只要你把图面放正是由于平常不容易看出二者的区别，所以使用时更不大注意了。
正是由于不容易看出二者的区分，要强调的是，前者在电路特性上有较强的抑制高频干扰的作用，适用于需做大面积填充的地方，特别是把某些区域当做屏蔽区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。
后者多用于一般的线端部或转折区等需要小面积填充的地方。
（6）焊盘（Pad）是（PCB）设计中最常接触也是最重要的概念，选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。
Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘。
但有时这还不够用，需要自己编辑。
例如：
对发热且受力较大，电流较大的焊盘，可自行设计成“泪滴状”在大家熟悉的彩电PCB的行输出变压器引脚焊盘的设计中，不少人正是采用的这种形式。
一般而言，自行编辑焊盘时除了以上所讲的以外，还要考虑以下原则：
①形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大。
②需要在元件引角之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍。
③各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则是孔的尺寸比引脚直径大0.2--0.4毫米。
（7）各类膜（Mask）这些膜不仅是PCB制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条件，按“膜”所处的位置及其作用“膜”可分为元件面或焊接面，助焊膜（ToporBottomSolderMask）和元件面（或焊接面）阻焊膜（ToporBottomPasteMask）两类。
顾名思义，助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大的各浅色圆斑。
阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的板子适应电烙铁、波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡。
因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位
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