多功能电子钟的设计与实现之欧阳治创编文档格式.docx
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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。
数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。
在这次设计中，我们采用LED数码管显示时、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。
在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整。
数字钟是其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱，因此得到了广泛的使用。
关键字：
数字电子钟;
单片机;
数码管显示器
ABSTRACT
Thelate20thcentury,electronictechnologyhasbeenrapiddevelopmentinitspromotion,penetrationofmodernelectronicproductswillalmostFields,astrongimpetustothedevelopmentofsocialproductiveforcesandsocialimprovementinthelevelofinformation,whilealsofurtherimprovetheperformanceofmodernelectronicproducts,replacementproductshavebecomeincreasinglyfastpace.Growingemphasisonmodernlifefromthetimetheconceptoftimeandmoneycanbesaidtodrawtheequalsign.Forthosewhoareverystrictandaccurategraspoftimeandthings,timewillnotexactlybringaverybigtrouble,soastocontrolthedisplayofdigitalclockthantheclockpointershowedabigadvantage.Digitaldisplayoftimereadingsimpleandfast,accuratedisplayoftimetoseconds.Themechanicaloscillatordependsonthecrystalmayleadtoerrors.
DigitalClockisadigitalcircuitimplementationofthe“when”，“sub”，“seconds”.Thefiguresshowthetimingdevice.Digitalclockprecision,stability,farmorethantheoldmechanicalclock.Inthisdesign,weuseLEDdigitaldisplayhours,minutes,seconds,to24-hourtimemode,accordingtodigitalcontroltheorytodynamicdisplaytodisplay,usethe12MHzcrystaloscillationpulse,thetimercount.Inthisdesign,thecircuithasadisplaytimeofthethisfunction,youcanalsorealizethetimeadjustment.Digitalclockisitscompact,lowcost,traveltimeandhighprecision,easytouse,featuresandmore,easyintegrationandlovedbythegeneralconsumer,sowidelyused.
KeyWords:
digitalelectronicclock;
SCM;
LED
1绪论1
1.1数字电子钟的背景1
1.2数字电子钟的意义1
1.3数字电子钟的应用1
2设计任务和方案2
2.1设计任务2
2.2功能要求说明2
2.3设计课题总体方案及工作原理说明2
3数字电子钟的硬件设计3
3.1硬件系统各模块功能设计3
3.2电路原理图及工作原理3
3.3元器件清单5
4数字电子钟的软件设计6
4.1使用的单片机资源情况6
4.2各模块功能简要介绍6
4.3系统软件设计流程图6
5.系统仿真10
5.1PROTUES软件介绍10
5.2电子钟系统PROTUES仿真10
6调试与功能说明11
6.1硬盘调试11
6.2系统性能测试与功能说明11
6.3系统时钟误差分析11
6.4软件调试问题及解决12
结束语13
致谢14
附录15
程序设计16
1绪论
1.1数字电子钟的背景
时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。
但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
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。
单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，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。
1.2数字电子钟的意义
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。
1.3数字电子钟的应用
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设计任务和方案
2.1设计任务
（一）设计题目：
（二）设计目的与任务：
通过制作实物与具体理论知识结合解决相应的实际问题，巩固与运用单片机技术，掌握单片机应用系统中的一般具体设计方法，为今后在电子电路设计中做出必要准备，研究开发电子产品打下坚实基础。
2.2功能要求说明
此多功能数字电子钟采用三个两位一体共阳极LED数码管显示时分秒。
电子钟一上电即可显示。
用三个按键调整时间和闹铃，分别为K1、K2、K3,其中K1键为功能选择键，按一下调节小时，两下是调节分钟，三下是调节闹钟小时，四下是调节闹钟分钟，按五下时钟开始工作。
K2为数值加一键，K3为数值减一键。
2.3设计课题总体方案及工作原理说明
此设计采用STC89C52芯片及LED显示器，独立式按键组成的多功能电子钟。
设计中是采用单片机的内部定时器定时，程序框图如图2.1所示：
图2.1程序框图
3数字电子钟的硬件设计
3.1硬件系统各模块功能设计
该多功能数字电子钟单片机由最小系统、键盘模块、LED显示电路模块、USB接口电路模块组成，各模块的功能如下：
（1）单片机最小系统
由STC89C52单片机、复位电路和时钟电路组成。
STC89C52是一种低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-52指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C52提供了高性价比的解决方案。
时钟电路由一个12MHZ石英晶体振荡器和两个33pF的电容组成振荡电路和分频电路，为单片机提供内部时钟。
复位电路采用上电复位和按键复位结合的方式对电路进行复位，主要是通过RST引脚送入单片机。
（2）键盘模块
采用独立式键盘接法，共有三个按键来对电路进行控制，分别接在单片机的P3.2、P3.3、P3.3口线上。
一个键控制时分秒闹钟之间的转换，一个键负责数字加一，一个键负责数字减一。
（3）LED显示电路
采用3个两位一体共阳极数码管显示器进行显示，加上一个PNP型8550三极管作为驱动和8个470欧姆的电阻起限流的作用。
（4）USB接口电路
接上一个电容组成的滤波电路和电源显示灯组成一个电源接口，为单片机工作供电。
3.2电路原理图及工作原理
采用Protel软件，Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，能够形象的画出我们所需要设计的产品。
数字电子钟的电路原理图如图3.1所示：
图3.1数字电子钟的电路原理图
工作原理：
数字电子钟是一个将“时”，“分”，“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。
它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外还有校时功能。
因此，一个基本的数字钟电路主要由显示器“时”，“分”，“秒”和单片机，还有校时电路组成。
8个数码管的段选接到单片机的P0口，位选接到单片机的P2口。
数码管按照数码管动态显示的工作原理工作，将标准秒信号送入“秒单元”，“秒单元”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分单元”的时钟脉冲。
“分单元”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时单元”。
“时单元”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。
显示电路将“时”、“分”、“秒”通过七段显示器显示出来。
3.3元器件清单
名称
型号
数量
洞洞板
9cm*7cm
1
电阻
4．7K
7
单片机
STC89C52
470
8
按键
轻触型
3
10K
单片机插槽
DIP40
晶振
12M
数码管
共阳两位
瓷片电容
30pF
2
3mm
4
电解电容
10uF
蜂鸣器
有源型
开关
自锁型
三极管
PNP8550
USB母口
usb
4数字电子钟的软件设计
4.1使用的单片机资源情况
单片机微型计算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。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过1、2、3、3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。
该多功能数字电子钟用的是单片机的定时器的功能，此外用到了单片机的中断功能，在数据显示时所采用的是查表的方法，因此需要将表格数据存到单片机的程序存储器中。
由于电子钟需要可以进行调节，因此，需要在单片机的PI口上加上按键，本设计把独立式键盘直接接在P1口上并且其结果存储在单片机的内部数据存储器里。
用到的LED显示器接到了单片机的P0口线上和P3口线上。
4.2各模块功能简要介绍
该数字电子钟所有软件模块组成是定时器模块、按键模块、LED显示模块。
（1）定时器模块
选择定时器0，设置定时方式为方式1，把定时时间设置为50mS.
（2）按键模式
采用三个独立式按键对电路进行控制和调整操作，分别为K1、K2、K3。
（3）LED显示模块
该电子钟一通电就能显示时间，结合键盘操作可以对时间进行。
4.3系统软件设计流程图
这次的数字电子钟设计用到很多子程序，它们的流程图如下所示。
主程序是先开始，然后启动定时器，定时器启动后在进行按键检测，检测完后，就可以显示时间。
如图4.1所示：
图4.1主程序流程图
按键处理是先检测秒按键是否按下，秒按键如果按下，秒就加1；
如果没有按下，就检测分按键是否按下，分按键如果按下，分就加1；
如果没有按下，就检测时按键是否按下，时按键如果按下，时就加1；
如果没有按下，就把时间显示出来。
如图4.2所示：
图4.2按键处理流程图
定时器中断时是先检测1秒是否到，1秒如果到，秒单元就加1；
如果没到，就检测1分钟是否到，1分钟如果到，分单元就加1；
如果没到，就检测1小时是否到，1小时如果到，时单元就加1，如果没到，就显示时间。
如图4.3所示：
图4.3定时器中断流程图
时间显示是先秒个位计算显示，然后是秒十位计算显示，再是分个位计算显示，再然后是分十位显示，再就是时个位计算显示，最后是时十位显示。
如图4.4所示：
图4.4时间显示流程图
5系统仿真
5.1PROTUES软件介绍
Proteus软件是LabcenterElectronics公司的一款电路设计与仿真软件，它包括ISIS、ARES等软件模块，ARES模块主要用来完成PCB的设计，而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。
Proteus的软件仿真基于VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及单片机外围电路，比如键盘、LED、LCD等等。
通过Proteus软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。
5.2电子钟系统PROTUES仿真
用PROTUES软件，根据数字电子钟的原理图，画出仿真图，得到的图5.1所示。
图5.1数字钟的PROTES仿真
6调试与功能说明
单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是他们并不能完全分开。
一般的方法是排除明显的硬件故障，再进行综合调试，排除可能的软/硬件故障。
6.1硬盘调试
拿到电路板后，首先要检查加工质量，并确保没有任何方面的错误，如短路和断路，尤其要避免电源短路；
元器件在安装前要逐一检查，用万用表测其数值，看是否与所用相同；
完成焊接后，应先空载上电（芯片座上不插芯片），并检查各引脚的电位是否正确。
若一切正常，方可在断电的情况下将芯片插入，再次检查各引脚的电位及其逻辑关系。
将万用表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下，看是否符合要求。
6.2系统性能测试与功能说明
（1）本设计采用STC89c52控制芯片.
（2）用三个2位一体共阳红色数码管作为显示，PNP型8550三极管驱动，限流电阻起限流作用。
（3）把4个3mm的红色发光二极管作为时间数字之间冒号。
（4）P3.2、P3.3、P3.4口作为按键S1～S3使用
S1：
功能选择键
S2：
数值加一按键（调节时间时相应光标闪烁）
S3：
数值减一按键（调节时间时相应光标闪烁）
初始钟表显示的时间是12:
00:
00
（5）闹铃电路由有源蜂鸣器和PNP型三极管组成，初化闹钟时间为06:
30:
00，铃时间到时蜂鸣器间隔1分钟，关闭铃声按任意键。
6.3系统时钟误差分析
时间是一个基本物理量，具有连续、自动流逝、不重复等特性。
我国时间基准来自国家授时中心，人们日常使用的时钟就是以一定的精度与该基准保持同步的。
结合时间概念和误差理论，可以定义电子钟的走时误差S=S1-S2,S1表示程序实际运行计算所得的秒；
S2表示客观时间的标准秒。
S>
0时表示电子钟秒单元数值刷新滞后，即走时误差为“慢”；
反之，S<
0表示秒单元数值的刷新超前，即走时误差为“快”。
本次设计的单片机电子钟系统中，其误差主要来源包括晶体频率误差，定时器溢出误差，延迟误差。
晶体频率产生震荡，容易产生走时误差；
定时器溢出的时间
误差，本应这一秒溢出，但却在下一秒溢出，造成走时误差；
延迟时间过长或过短，都会造成与基准时间产生偏差，造成走时误差。
6.4软件调试问题及解决
软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一环。
软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式。
前者不需要硬件仿真器，可借助于软件仿真器即可；
后者一般需要仿真系统的支持。
本次课题，Keil软件来调试程序，通过各个模块程序的单步或跟踪调试，使程序逐渐趋于正确，最后统调程序。
仿真部分采用protus6professional软件，此软件功能强大且操作较为简单，可以很容易的实现各种系统的仿真。
首先打开protus6professional软件，在元件库中找到要选用的所有元件，然后进行原理图的绘制；
绘制好后再选择wave6000已经编译好的*.hex文件，选择运行，观察显示结果，根据显示的结果和课题的要求再修改程序，再运行查，直到满足要求。
结束语
通过这次设计我发现，只有理论水平提高了；
才能够将课本知识与实践相结合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。
这个设计十分有意义，我获得很深刻的经验。
通过这次设计，我知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际相结合的重要性，，也从中获得了很多书本上无法得知的知识。
我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。
学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。
这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。
致谢
此设计是在我敬爱的徐忠根老师的精心指导下完成的。
徐老师严谨的教学作风和孜孜不倦的工作态度一直激励着我，使我在学习中遇到困难时能尽最大努力克服，不断进步，在理论和实践方面的能力都获得了很大的提高。
在此谨向我的导师徐忠根老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。
四年大学生活中，老师们给了我很多指导和支持。
他们严谨的治学，优良的作风和敬业的态度，为我树立了为人师表的典范。
在此，我对所有的信电学院的老师表示感谢，祝你们身体健康，工作顺利！
参考文献
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附录
程序设计
硬件连接：
数码管：
段码为:
P1
位码分别为：
P2.5~P2.0
蜂鸣器：
P2.7
功能键k1：
P3.4
加建k2：
P3.5
减键k3：
P3.6
***************************************/
#include<
reg51.h>
//51头文件
sbitsmg1=P2^5;
//位码1声明
sbitsmg2=P2^4;
//位码2声明
sbitsmg3=P2^3;
//位码3声明
sbitsmg4=P2^2;
//位码4声明
sbitsmg5=P2^1;
//位码5声明
sbitsmg6=P2^0;
//位码6声明
sbitk1=P3^4;
//按键k1的声明
sbitk2=P3^5;
//按键k2的声明
sbitk3=P3^6;
//按键k3的声明
sbitbeep=P2^7;
//蜂鸣器声明
/*定义一些变量*/
chard=0,e=0,a=0,b=0,n=0,shi=12,fen=0,miao=0,b_shi=6,b_fen=30,b_miao=0;
charcodetable[]={//共阳级数码管码表0-9
0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
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