可编程数字钟毕业设计.docx
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可编程数字钟毕业设计
毕业设计任务书
可编程数字钟
设计原理：
本次设计的数字钟体积小，长度92.5mm，宽45mm，元件高度不到30mm，上面有连接开关插座、电源连接插座、输出接口插座。
用户利用它不仅可以当做电子钟来使用，而且可根据需要巧妙的利用输出信号，方便的组合出自动响铃控制器、广播自动控制器、智能定时器等各种每天多次定时的时间程序控制装置。
图纸要求：
电路原理图A2图纸。
设计要求：
1、毕业设计的字数要求在1万字左右；
2、要求有目录，概述；
3、元器件选择，介绍；
4、电源电路，总电路的原理介绍；
5、总结
第一章概述……………………………………………………………3
1.1单片机的发展和未来………………………………………………3
1.2设计的目的与意义…………………………………………………3
第二章设计思路与框图…………………………………………4
2.1设计思路…………………………………………………………4
2.2设计框图…………………………………………………………4
第三章硬件电路设计与器件选择……………………………5
3.1单片机的选择………………………………………………………5
3.2时钟与复位电路设计与器件选择…………………………………5
3.3LED显示电路设计与器件选择……………………………………6
3.4按键电路设计与器件选择…………………………………………8
3.5蜂鸣器电路设计……………………………………………………8
3.6电子时钟电路硬件电路原理图……………………………………9
第四章电子时钟软件的设计方案……………………………10
4.1模块化程序设计的优点…………………………………………10
4.2设计框图…………………………………………………………10
4.3内存空间的分配…………………………………………………11
第五章电子时钟应用程序设计………………………………12
5.1主程序的设计……………………………………………………12
5.2LED动态显示程序模块的设计…………………………………14
5.3时钟计时程序的模块的设计……………………………………16
5.4键盘接收子程序的设计…………………………………………17
5.5参考程序…………………………………………………………17
第六章电源电路的设计…………………………………………28
第七章功能扩展……………………………………………………29
第八章元器件介绍…………………………………………………31
第九章总结与致谢…………………………………………………31
参考文献…………………………………………………………………33
第一章概述
第一节单片机的发展和未来
1．单片机的发展
单片机的发展可分为三个阶段：
第一阶段为单片机的初级阶段，它以INTEL公司的MCS-48系列为代表，采用专门的结构，在片内集成了8位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器、RAM、ROM等，但无串行口，中断处理也较简单。
第二阶段为单片机的发展阶段，它以INTEL公司的MCS-51系列为代表，在技术上完善了外部总线，并确立了单片机的控制功能。
第三阶段为单片机的更新阶段。
最具有代表性的是INTEL公司的MCS-96系列单片机，他是16位的CPU，RAM和ROM的容量也进一步增大，并且带有高速输入/输出部件，多通道A/D转换器，8级中断处理能力使之具有更强的实时处理功能。
2．单片机的未来
从单片机发展的趋势来说，主要向着大容量高性能、小容量低价格、外围电路内装化方向发展。
（1）大容量高性能
（2）小容量低价格
（3）外围电路内装化
第二节设计的目的与意义
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
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。
例如，许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。
尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏。
注射后，一般等待5分钟，一旦超时，所作的皮试试验就会无效。
手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。
所以，要制作一个定时系统。
随时提醒这些容易忘记时间的人。
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、定时启闭电路、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。
随着电子技术在不断进步，机械式时钟已经被淘汰，取而代之的是具有高度确性和直观性且无机械装置，具有更长的使用寿命等优点的数字时钟。
数字时钟更具人性化，更能提高人们的生活质量，更受人们欢迎。
基于单片机设计的数字钟精确度较高。
因为在程序的执行过程中。
任何指令都不影响定时器的正常计数。
从而，使数字钟的精度仅仅取决于单片机的产生机器周期电路和定时间T0硬件电路的精确度；另外程序较为简洁，具有可靠性和较好的可读性。
如果我们想将它应用于实时控制之中，只要对上述程序和硬件电路稍加修改．便可以得到实时控制的实用系统，从而应用到实际工作与生产中去。
第二章设计思路与框图
第一节设计思路
数字电子钟的设计方法有多种，例如，可用中小规模集成电路组成电子钟，也可以利用专用的电子钟芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子钟，还可以利用单片机来实现电子钟等等.这些方法都各有特点，其中，利用单片机实现的电子钟具有编程灵活，对于电子钟功能的扩充，即可用该电子钟发出各种控制信号，精确度高等特点。
1.计时单元由单片机内部的定时器计数器1来实现。
2.时间显示采用8段LED数码管，动态扫描方式。
动态扫描的定时时间，由单片机内部的定时器计数器0来实现。
3.LED数码管的段码输入，由并行端口P1低四位产生。
4.LED数码管的位码输入，由并并行端口P1高四位产生。
5.时间调整预定是时间的输入，通过接入键盘电路实现。
系统共设计4个按键，分别定义为：
SET键（时间调整设置键）：
其功能是当该键按下时，进入时间调整输入功能；ALM键（定时时间设置键）：
其功能是当该键按下时，进入定时时间输入功能;+1调整键：
其功能是当该键按下时，被调整位加一；RET键：
其功能是当该键按下时，指向下一个要调整的位。
6.按键的接入方式：
SET键：
通过P3口INT0引脚接入，中断工作方式；
ALM键：
通过P3口INT1引脚接入，中断工作方式；
+1调整键：
通过P3口P3.0引脚接入，查询工作方式；
RET键：
通过P3口P3.1引脚接入，查询工作方式。
7.报警声响用蜂鸣器产生，蜂鸣器接入P3口的P3.7引脚。
第二节设计框图
下图为设计方案的硬件电路框图。
硬件电由8部分组成，即按键输入电路、单片机、时钟电路、复位电路、LED显示器段码驱动电路、LED显示器位码驱动电路、4位显示器电路和蜂鸣器电路。
电源
设计框图
第三章硬件电路设计与器件选择
第一节单片机的选择
设计这样的应用系统，可以选择带有EPROM的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。
INTEL公司的8051和8751芯片均可以选用。
还有其他厂家生产与MCS-51系列相兼容的芯片，例如ATMEL公司生产的AT89CXX系列单片机。
AT89CXX系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：
第一，片内程序存储器采用闪速存储器，时程序的写入更加方便;第二，提供了更小的芯片（AT89C2051\1051）,使整个硬件电路的体积更小。
他一较小的体积、良好的性能价格比备受青睐，在家电产品、工业控制、计算机产品、医疗器械、汽车工业等应用方面成为用户降低成本的首选器件。
因此，我们可选用AT89C2051单片机。
该芯片的功能与MCS-51系列单片机完全兼容，并且还具有程序加密等功能，物美价廉，经济实惠。
第二节时钟与复位电路设计与器件选择
1、时钟电路的设计
单片机工作的设计基准是由时钟电路提供的。
在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。
2、复位电路的设计
单片机的RST引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。
复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。
复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态，单片机从ROM的0000H开始执行程序。
单片机的复位方式有上电复位和手工复位两种，本次设计采用上电复位和手工复位组合电路，只要VCC上升时间不超过1ms,它们都能很好的工作。
选用R1=200Ω,R2=1kΩ,C3=22µF.RET按键可以选用专门的复位按键，也可以选择轻触开关。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
常用的上电复位电路如图（a）中左图所示。
图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。
上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如图（a）中右图所示。
要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。
常用的上电或开关复位电路如图2-14（b）所示。
上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。
当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。
根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。
图（a）中：
Cl＝10-30uF，R1＝1kΩ
图（b）中：
C2＝1uF，Rl＝lkΩ，R2＝10kΩ
第三节LED显示电路设计与器件选择
单片机应用系统中，通常都要进行人-机对话。
这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及应用系统向人们显示运行状态与运行结果等。
显示器、键盘电路就是用来完成人-机对话活动的人-机通道。
LED显示器的驱动是一个非常重要的问题，由系统设计框图可知，显示电路由LED显示器、段驱动电路和为驱动电路组成。
由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能够正常工作时。
如果驱动电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负下运行容易损坏，因此，在实际使用中必须接入LED驱动电路。
LED显示器的显示控制方式分为动态显示和静态显示两种，因此在选择LED驱动器时，一定要先确定显示方式。
若选择静态显示方式，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的确定能力与显示器电流相匹配即可。
而且只需考虑段的驱动，因为共阳极接+5V，而共阴极接地，所以位的驱动不需考虑。
动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段选和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。
1、LED显示器的选择
在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此生产厂家就生产了位数、尺寸、型号不同的LED显示器供选择。
在本设计中，选择4位一体的时钟型LED显示器，简称“4-LED”。
用“：
”前的2位显示“小时”的十位和个位，用“：
”后的2位显示“分”的十位和个位。
4-LED显示器，是一个共阴极接法的4位时钟型LED显示器。
其中a、b、c、d、e、f、g为4位LED各段的公共引出端。
D1/D2/D3/D4分别使每一位的共阴极输出端，dp是小数点引出端。
它是由4个单独的LED和一个“：
”LED组成，每个LED的段输出引脚在内部并联后，引出到器件的外部。
对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部接在一起，所以必须使用动态扫描方式。
2、LED的段驱动芯片的选择
LED的段驱动电路有很多种，在本设计中选择BCD-7段锁存/译码驱动器做为段驱动电路。
这类芯片的型号有74LS47、74LS48、74LS27、74LS248等，该类芯片具有锁存、译码、驱动的功能。
即在输入端输入要显示字型的BCD码，在输出端就可以得到具有一定驱动能力的7段显示字型码。
3、LED的位驱动芯片的选择
LED位驱动较常用的芯片有ULN2003A和ULN2803.前者是具有7个达林顿电路的集成芯片，后者是具有8个达林顿电路的集成芯片。
此种芯片集成极可以收集最大达500mA的电流，耐压为30V，能驱动常规的LED显示器。
2803芯片的电路原理和2003完全相同，只是在结构上2803比2003多一路驱动器。
IN0-IN1引脚是输入端，OUT0-OUT7引脚是输出端。
第9脚接有续流二极管。
输出与9脚配合，可以驱动感性负载。
在本设计中，选用ULN2003作为位驱动电路，将该芯片的输入的引脚IN0、IN1、IN2、IN3与单片机的P1口或者P3口连接，该芯片的输出端引脚OUT0、OUT1、OUT2、OUT3与LED显示器的4个位码引脚D1-D4相连接.ULN2003的作用是接收来自单片机的位码输入信号，经过反向放大后输出，送到LED显示器的位码引脚，完成对位码信号的反向和驱动功能。
4、LED驱动电路与单片机的连接
可以采用单片机的P1口作为与LED的输出接口，即P1口的低四位作为LED的段码输出信号，P1口的高四位作为LED位码的输出控制信号。
第四节按键电路设计与器件选择
电子时钟应用系统工作时应具备两项基本功能，一是随时输入定时（闹钟）时间，二是随时对当前时间进行调整。
要实现这两项功能，接入键盘输入电路。
1、键盘结构的选择
在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用得最多的时非编码键盘。
键盘结构可以分为独立式键盘和行列式键盘两类。
在本设计中，只需要4个按键，因此选择独立式键盘。
电路由按键和4个电阻组成，按键分别命名为[SET]、[ALM]、[+1]和[RET]键，按键可以采用轻触开关，电阻可以采用5脚排电阻（4X1kΩ）
2、键盘与单片机的接口电路设计
将键盘直接与单片机的P3口连接，用P3.2、P3.3引脚通过两个按键[SET]、[ALM]接入两个外部中断的请求信号INT0、INT1;P3.0、P3.1引脚作为I/O口使用，通过两个按键[+1]、[RET]接入两个输入信号。
4个按键功能设计如下：
【SET】键功能：
设置当前时间，即当电子时钟的时间有误差时，需要随时对它进行调整，使用[SET]键与[+1]键、[RET]键配合来完成这一功能。
1）当[SET]键被按下时，在单片机的INT0引脚产生一个低电平触发中断请求信号，CPU响应中断请求时，就转移到INT0中断服务程序的人口地址，执行INT0的中断服务程序。
2）设计INT0的中断服务程序的功能是调整当前时间，程序的标号地址为INTA。
【ALM】键的功能：
设置时钟时间，即当需要电子时钟进行定时（闹钟）服务时，可以通过该键的功能来输入定时（闹钟）时间，使用[ALM]键与[+1]键、[RET]键配合来完成这一功能。
1）当[ALM]键被按下时，在单片机的INT1引脚产生一个低电平中断请求信号，CPU响应中断请求时，就转移到INT1中断服务程序人口地址，执行INT1的中断服务程序。
2）INT1的中断服务程序的功能是输入定时（闹钟）时间，程序的标号地址为INTB。
【+1】调整键的功能：
分别对时间值的小时十位、小时个位、分的十位、分的个位进行+1调整，即该键每按下一次，对应的时间调整位+1.
该引脚与P3.0引脚连接，工作在I/O接口方式，为了保证P3.0工作在输入方式，在初始化程序中对它进行编程：
SETBP3.0;P3.0引脚作为输入口使用
键盘的硬件电路设计只能保证4个按键信号的可靠进入，要想完成键盘的输入功能还要靠软件编程来具体实现。
中断服务程序见参考程序。
第五节蜂鸣器电路设计
定时时间到时有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣器来实现这一功能。
压电式蜂鸣器工作时约需10mA的驱动电流，并设计一个相应的驱动及控制电路。
电路设计，蜂鸣器作为三极管VT1的集电极负载，当VYI导通时蜂鸣器发出鸣叫声音，VT1截止时，蜂鸣器不发声。
R4作为限流电阻。
蜂鸣器电路与单片机的接口：
VT1的基极接到单片机P3口的P3.7引脚，P3.7引脚作为输出口使用。
当P3.7=0时，VT1导通，使蜂鸣器的两个引脚间获得5V的直流电压，蜂鸣器中有电流通过，而产生蜂鸣音。
当P3.7=1时，VT1截止，蜂鸣器的两个引脚间的直流电压接近于0V,蜂鸣器不发声。
蜂鸣器有长声和短声两种，可以根据需要进行选择。
本设计选择短声蜂鸣器，蜂鸣器报警时间的长短，通过软件编程控制。
由于74LS48是BCD码7段译码器，对小声点位没有驱动作用，因此，必须给4-LED显示器中的“：
”符号设计一个驱动电路。
dp（“：
”）的驱动电路由VT2、R4、R5器件组成，R4、R5分别为发射集、基集的限流电阻。
VT2的基极于LED的D2引脚连接，dp段发光二极管是VT2的集电极负载。
该电路的工作原理是：
当VT2的基极为低电平是，VT2导通，dp段被点亮。
即“：
”段与LED数码管的第二位一起被点亮；当VT2的基极位高电平是VT2截止，dp的、段熄灭。
器件选择：
R4=100Ω,R5=20Ω,VT2选择PNP型三极管9012.
第六节电子时钟电路硬件电路原理图
第四章电子时钟软件的设计方案
第一节模块化程序设计的优点
模块化程序设计的优点：
（一）每个模块的程序结构简单，任务明确，易于编写、调试和修改。
（二）程序可读性好，对程序的修改可局部进行，其他部分可以保持不变，便于功能扩充。
（三）对于使用频繁的子程序可以建立子程序库，便于多个模块调用。
（四）便于分工合作，多个程序员同时进行程序的编写和调试工作，加快软件研制进度。
第二节设计框图
设计框图
第三节内存空间的分配
地址分配
作用
60H~7FH
堆栈区
40H~43H
LED段码显示缓冲区，存储显示字符的BCD码，低四位有效
44H~47H
LED位码显示缓冲区，存储LED的位码信号，高四位有效
32H~33H
当前时间的二进制数存储单元，32H单元存储小时，33H存储分
34H~35H
闹钟时间的二进制数存储单元，34H单元存储小时，35H存储分
29H
输入键值存储单元
30H
当前调整位标志，（30H）=1
31H
LED显示器位数存储单元
02H~05H
计时用工作寄存器（0区R2~R5）
18H~1AH
动态扫描用工作寄存器（3区R0~R2）
第五章电子时钟应用程序设计
第一节主程序的设计
主程序的内容一般包括：
主程序的起始地址、中断服务程序的起始地址、有关内存单元及相关部件的初始化和子程序调用等。
1、程序的起始地址
MCS-51系列单片机复位后，（PC）=0000H,而0003H~002BH分别位各中断源的入口地址。
所以，编程时应在0000H处写一跳转指令。
当CPU接收到中断请求信号并予以响应后，CPU把当前的PC内容压入栈中进行保护，然后转入相应的中断服务程序人口处执行。
一般应在相应的中断服务程序人口处写一条跳转指令，并以跳转指令的目标地址作为中断服务程序的起始地址进行编程。
2、主程序的初始化内容
所谓初始化，是对将要用到的MCS-51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定。
MCS-51系列单片机复位后，特殊功能寄存器IE,IP的内容均为00H，所以应对IE,IP进行初始化编程，以开放CPU中断，允许某些中断源中断和设置中断优先级等。
在本设计中，使用了四个中断，即T0、T1、/INT0、/INT1。
其中：
1）T0中断：
采用T0定时中断工作方式，完成LED动态扫描。
2）T1中断：
采用T1定时中断工作方式，产生100ms的单位时间。
3）/INT0中断：
采用外部中断工作方式，完成时间调整功能。
4）/INT1中断：
采用外部中断工作方式，完成闹钟时间输入功能。
3、代码转换程序
人们日常习惯使用十进制数，而计算机的键盘、输出以及显示常采用二进制编码的十进制数（即BCD码）或ASCII码。
因此，在程序设计中经常进行代码转换。
各种代码之间的转换十分有用，除了硬件逻辑转换之外，程序设计中常采用算法处理和查表方式。
参看LOP标号地址到AA标号地址之间的内容。
这段程序的功能时完成将当前时间的二进制转换成BCD码，并送到显示缓冲区。
4主程序设计框图
主程序设计框图
第二节LED动态显示程序模块的设计
在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率。
当扫描频率在70HZ左右时，能够产生足够的图形和较好的显示效果。
一般可以采用间隔10ms对LED进行动态扫描一次，每一位LED的显示时间为1ms。
在单片机中，定时功能既可以由硬件（定时/计数器）实现，也可以通过软件定时程序实现。
软件延时程序占用CPU的时间，因此，它降低了CPU的利用率；硬件定时时利用单片机内定时器定时，启动以后定时器可与CPU并行工作，不占用CPU的时间，使CPU有较高的工作效率。
本设计中，采用硬件定时和软件定时并用的方式，即用定时器0溢出中断功能实现10ms定时，通过软件延时程序实现1ms的定时。
1．T0定时器中断服务程序的功能
1）从显示缓冲区分别取出4位LED显示器显示数据的位码和段码，送到P1口，依次显示每一位，每一位的显示时间为1ms，显示4位需要4ms的时间。
2）在设置当前时间或输入闹钟时间时，当前调整位应具有闪烁功能，用来提示当前调整位时哪一位。
因此，在每一位显示之前都要进行判断，该位是否闪烁，然后决定进行正常显示还是闪烁显。
3）LED显示器每一位的显示时间时1ms,延时1ms子程序是典型的软件定时程序。
2.定时器T0的计数初值
设置时钟频率为6MHZ,1个机器周期为2μs。
T0定时器产生10ms的定时，可以计算出计数值和计数初值：
计数值=定时时间/机器周期时间=10ms/2μs=5000
计数初值=65537—5000=15536-EC78H
初值寄存器的初值为：
TH0=0ECH;TL0=78H
3.T0定时器中断服务程序流程
T0定时器中断服务程序流程
第三节时钟计时程序的模块的设计
电子时钟系统主要的任务是：
采用单片机为核心器件产生24h时间，并用LED显示器将它显示出来。
我们要设计定时程序，通过定时程序产生24h时间。
当时钟频率为6MHZ时，定时器最长的定时时间是131.72ms，以此要产生24h的时间值，必须采用硬件定时和软件编程相结合的方法来实现。
1、24h时间的产生
选择定时器T1,工作方式1，定时100ms,T1定时100ms中断一次，利用R2寄存器加1，R2寄存器的值等于10时，时间正好是1s;再利用R3寄存器计数60s,依次类推，累计24h的时间值，
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