简易数字时钟.docx

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简易数字时钟

简易数字时钟

一、课程设计要求

1.掌握使用proteus软件的方法。

2.理解单片机的时钟显示方法。

3.明确设计指标，写出设计方案，设计出硬件原理图。

4.基于硬件的软件设计与调试。

5.自制一个单片机最小系统，包括串口下载、复位电路，采用内部定时器计时，设计一个具有秒、分、时的数字时钟，采用四位一体数码管显示相关信息。

设计报告需要包括以下内容：

设计题目、设计要求、硬件设计（包括原理图和核心芯片的重要特点）、软件设计流程图、重点程序的解释、总结（包括碰到的问题，以及解决方法）。

6.将结果向指导教师演示，由教师提问验收通过；打印程序清单，撰写程序说明，完成课程设计报告书，进行分组讨论设计心得。

二、课程设计简介

1、数字时钟方案

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。

2、数码管显示方案

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。

动态显示节省了I/O口，降低了能耗。

3、数码管显示工作原理

数码管是一种把多个LED显示段集成在一起的显示设备。

有两种类型，一种是共阳型，一种是共阴型。

共阳型就是把多个LED显示段的阳极接在一起，又称为公共端。

共阴型就是把多个LED显示段的阴极接在一起，即为公共商。

阳极即为二极管的正极，又称为正极，阴极即为二极管的负极，又称为负极。

通常的数码管又分为8段，即8个LED显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP是小数点位段。

而多位数码管，除某一位的公共端会连接在一起，不同位的数码管的相同端也会连接在一起。

即，所有的A段都会连在一起，其它的段也是如此，这是实际最常用的用法。

数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。

静态显示就是数码管的8段输入及其公共端电平一直有效。

动态显示的原理是，各个数码管的相同段连接在一起，共同占用8位段引管线；每位数码管的阳极连在一起组成公共端。

利用人眼的视觉暂留性，依次给出各个数码管公共端加有效信号，在此同时给出该数码管加有效的数据信号，当全段扫描速度大于视觉暂留速度时，显示就会清晰显示出来。

本实验采用8个一体的数码管如图所示

共阴极数码管引脚图

4、AT89C51芯片的介绍

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51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。

外形及引脚排列如图所示管脚说明：

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P0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/地址的低八位。

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外部必须接上拉电阻。

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口作为低八位地址接收。

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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（计时器0外部输入）

P3.5T1（计时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

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低位字节。

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。

AT89C51芯片引脚图

5、晶振原理

振荡器主要用来产生时间标准信号。

因为数字钟的精度，主要取决于时间标准信号的频率及其稳定度。

所以要产生稳定的时标信号，一般是采用石英晶体振荡器。

石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数很高，有极好的选频特性。

一般情况下，晶振频率越高，准确度越高，但所用的分频级数越多，耗电量就越大，成本就越高，分频器也会增多。

所以在确定频率时应考虑两方面的因素，然后在选定石英晶体型号。

本实验采用内部时钟方式。

6、实验元器件

晶振一个,30PF电容两个，10UF电容一个，按钮开关4个，10K电阻十五个，发光二极管两个，AT89C51芯片，8个一体数码管，若干导线。

三、软件部分

1Keil软件介绍。

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。

运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件

2、Keil软件的优点。

1.KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

2.与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

仿真调试工具也会令你事半功倍。

3、设计流程

仿真：

使用PROTEUS软件预先进行硬件电路原理图的设计，并仿真

软件编程：

在KeilC里编写、编译软件，并与Proteus连接仿真调试

硬件焊接：

根据仿真成功的电路，焊接电路板

下载程序调试：

将之前在Proteus中仿真调试成功的目标代码通过ISP方式下载到焊接好的电路板。

4、实验程序

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

 uchar time=0;

 uchar i=1,j=0,k=0;

uchar smg[6]={0x3f,0xbf,0x3f,0xbf,0x3f,0x3f};  //数码管是共阴型的 

uchar code table[] = 

{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,

0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //0~9

uchar code  pbit[]={0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}; //数码管位数

void delay（uchar y） //延迟函数

{

  uchar t;

  while（y--）

  {

     for（t=40;t>0;t--）

{

  _nop_（）;

  _nop_（）;

  _nop_（）;

  _nop_（）;

}

  }

}

void disp（）

{    

  while（++time>=30）

   {

     smg[5]=table[i%10];

 smg[4]=table[i/10];

 time=0;

 i++;

 while（i>=60）

 {

   i=0;

   time=0;

   j++;

   smg[5]=table[i%10];

   smg[4]=table[i/10];

   smg[3]=table[j%10]|0x80;

   smg[2]=table[j/10];

   while（j>=60）

   {  

     j=0,i=0;

 time=0;

     k++;

 smg[1]=table[k%10]|0x80;

 smg[0]=table[k/10];

 if（k==24）

 {

   i=0,j=0,k=0;

   time=0;

 }

   }

 }

   }

 }

void main（）

{ 

 //初始化数码管

 P1=0x00;//数码管位选 

 P2=0xff;//数码管段选 

 TMOD=0x02;

 TH0=0x00;

 TL0=0x00;

 EA=1;

 ET0=1;

 TR0=1;

 while

（1）;

}

void counter（）interrupt 1

{

 uchar x;

     disp（）;  

 for（ x=0; x<6; x++） 

   {

  P1 =pbit[x];     

  P2 =smg[x];  

  delay（10）;

    }   

}

四、硬件部分

1、Proteus软件介绍

（1）proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

（2）PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。

　　PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。

前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。

　　它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。

这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：

元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。

　　课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。

由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台

　　随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。

它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。

可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。

相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。

使用Proteus软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用Proteus开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。

实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。

因此，Proteus有较高的推广利用价值。

2、单片机最小系统的概念

一个单片机自己是不能独立工作的，必须给它供电、加上时钟信号、提供复位信号，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统，然后单片机才可能工作。

这些提供单片机运行所必须的条件的电路与单片机共同构成了这个单片机的最小系统。

图单片机最小系统框图

3、使用Protues软件

系统框图

整个系统用单片机作为中央控制器，由单片机执行采集芯片内部时钟信号，时钟信号通过单片机I/O口传给单片机，单片机模块控制驱动模块驱动显示模块，通过显示模块来实现信号的输出、LED的显示及相关的控制功能。

系统设有按键模块用于对时间进行调整及扩展多个小键盘，系统整体框图如图上图所示

根据系统框图及实训要求，使用Proteus软件进行添加元件，连线如图

4、焊接出来的电路板

五、实验总结

在这次课程设计中，我收获颇多。

首先，在测试电路板之前应用万用表检查电路是否出现短路的情况，确定之后再接外接电源，注意不要虚焊，正负极不要接错，芯片得通电，40脚接高电平，20脚接低电平，然后还有数码管的引脚不能接错，第一次我接错引脚，致使数码管的时分秒错位显示，检查改好后便恢复正常。

最后体会：

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现实际问题、提出实际问题、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际学习能力、动手能力的具体训练和考察过程。

更进一步地熟悉了C语言程序，单片机芯片的结构及掌握了其工作原理和具体的使用方法与相关元器件的参数计算方法、使用方法，了解了电路的开发和制作及课程设计报告的编写。

加深了对相关理论知识及专业知识的掌握度，增强自身的动手能力，锻炼及提高了理解问题、分析问题、解决问题的能力，更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，进一步掌握画图软件的使用和提高相应的画图操作水平及技巧。