1、内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书第 I 页，共 30 页多功能电子钟的设计与实现摘 要电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化，拥有时钟精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点，被广泛应用于生活和工作当中。另外，在生活和体育赛场中，也常常需要跑秒，这就需要电子时钟具有多功能性。本设计主要为实现一款可正常显示时钟，带有定时闹铃，跑秒的多功能电子时钟。本文对当前电子钟开发手段进行了比较和分析，最终确定了采用单片机技术实现多功能电子时钟。本设计应用 AT89C51 芯片作为核心，利用 74LS164 作为串入并出的寄存器，7 位 LED 数码管显示，并且设置按键来对分秒小时闹铃等进行校
2、对。这种实现方法的优点是电路简单，性能可靠，实时性好，时间精度高，操作简单，编程容易。该电子时钟可以应用于一般的生活和工作中，也可通过改装，提高性能，增加新功能，从而给人们的生活和工作带来更多的方便。关键词：电子时钟；AT89C51；74LS164；LED； 内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书第 II 页，共 30 页The Design with Investigation of the Multi-function Electron ClockAbstractElectronic clock is the use of electronic technology will be an
3、electronic clock, digital, with the clock precision, small size and friendly interface, scalable performance, and other characteristics, are widely used to live and work. In addition, in the field of sports and life, often need to run second, which requires electronic clock with versatility.The main
4、 design for the realization of this can be a normal clock display, from time to time with alarm, running the second multi-function electronic clock.This article on the current development of the electronic clock means were compared and analyzed to determine the ultimate use of a single chip multifun
5、ctional electronic clock technology. AT89C51 chip design of this application as the core, to use as a 74LS164 and a string into the register, 7 LED digital display and button set up to every minute of the hour for alarm, and other proof-reading. This method has the advantage of a simple circuit, rel
6、iable and real-time, high-accuracy time, simple, easy to program.The electronic clock can be applied to general life and work, can also be modified to improve performance, add new functions to the people living and working more convenient.Key words: Electronic clock; AT89C51; 74LS164; LED;内蒙古科技大学微机化
7、仪表课程设计说明书第 III 页，共 30 页目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 引 言 .51.1 多功能电子时钟研究的背景和意义 .51.2 电子时钟的功能 .6第二章 电子时钟设计方案分析 .7第三章 基于单片机的电子时钟硬件设计 .83.1 主要 IC 芯片选择 .83.1.1 微处理器的选择83.1.2 寄存器的选择.113.1.3 显示器件的选择.123.1.4 看门狗器件的选择.143.2 电子时钟硬件电路设计 .143.2.1 显示电路 .153.2.2 按键电路设计 .153.2.3 闹铃电路设计 .173.2.4 复位电路设计 .18第四章 电子时钟软件设计
8、.20内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书第 IV 页，共 30 页4.1 主程序设计 .204.2 子程序设计 .214.2.1 显示子程序设计 .214.2.2 键盘扫描子程序 .214.2.3 闹铃子程序设计 .234.2.4 跑秒子程序设计.23第五章 系统调试 .245.1 硬件调试 .245.1.1 单片机基础电路调试 .245.1.2 显示电路调试 .255.2 软件调试 .27结 论 .28参考文献 .29附录 A 程序 .附录 B 多功能电子时钟硬件电路图 .致 谢 .30内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书第 5 页，共 30 页第一章 引 言时间是人类生活必不可少的重
9、要元素，如果没有时间的概念，社会将不会有所发展和进步。从古代的水漏、十二天干地支，到后来的机械钟表以及当今的石英钟，都充分显现出了时间的重要，同时也代表着科技的进步。致力于计时器的研究和充分发挥时钟的作用，将有着重要的意义。1.1 多功能电子时钟研究的意义电子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，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：跑秒显示、定时自动报警、0
10、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，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。1.2 电子时钟的功能电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化，拥有时间精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点，被广泛应用于生活和工作当中。当今市场上的电子时钟品类繁多，外形小巧别致。也有体型较大的，诸如公共场所的大型电子报时器等。电子时钟首先是数字化了的时间显示或报时器，在此基础上，人们可以根据不同场合的要求，在时钟上加置其他功能，比如定时闹铃，万年历，环境温度、湿度检测，环境空气质量检测，USB 扩展
11、口功能等。本设计电子时钟主要功能为：1. 具有时间显示，24 小时制；2. 具有闹铃功能；3. 具有跑秒功能；4. 具有手动校对功能；内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书第 6 页，共 30 页第二章 电子时钟设计方案分析电子闹钟既可以通过纯硬件实现，也可以通过软硬件结合实现。根据电子时钟里的核心部件秒信号的产生原理，利用单片机来设计数字电子钟。单片机设计方案：单片机是微型机的一个主要分支，它在结构上的最大特点使把 CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。单片机具有如下特点：有优异的性能价格比；1 集成
12、度高、体积小、有很高的可靠性；2 控制功能强；3 低功耗、低电压，便于生产便携式产品；4 外部总线增加了 I2C、 SPI 等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构；5 单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。所以单片机的应用非常广泛，在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统以及人们的生活中均有用武之地。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路和设计方法。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。这种用软件代替硬件的控制技术，是对生产控制技术的一次革命。利用单片机的智能性，可方便地实现具
13、有智能的电子钟设计。单片机均具有时钟振荡系统，利用系统时钟借助微处理器的定时器/计数器可实现电子钟功能。然而系统时钟误差较大，电子钟的积累误差也可能较大，所以可以通过误差修正软件加以修正，或者在设计中加入高精度时钟日历芯片，以精确时间。另外很多功能不同的单片机是兼容的，这就更便于实现产品的多功能性。内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书第 7 页，共 30 页第三章 基于单片机的电子时钟硬件设计考虑单片机货源充足、价格低廉，可软硬件结合使用，能够较方便的实现系统的多功能性，故采用单片机作为本设计的软、硬件基础。3.1 主要 IC 芯片选择3.1.1 微处理器选择目前在单片机系统中，应用比较广泛
14、的微处理器芯片主要为 8XC5X 系列单片机。该系列单片机均采用标准 MCS-51 内核，硬件资源相互兼容，品类齐全，功能完善，性能稳定，体积小，价格低廉，货源充足，调试和编程方便，所以应用极为广泛，本设计采用具有 32 根 I/O 引脚的 AT89C51 单片机。AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含4Kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128bytes 的随机存储器（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-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Fla
15、sh 存储单元，功能强大 AT89C51 单片机可提供高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。一、AT89C51 的主要性能参数： 图 3.1.1 AT89C51 的功能引脚图1、与 MCS-51 产品指令系统完全兼容；2、4K 字节可重擦写 Flash 闪速存储器；3、1000 此擦写周期；4、全静态操作：0Hz-24Hz；5、三级加密程序存储器；6、128*8 字节内部 RAM；7、32 个可编程 I/O 口线；8、2 个 16 位定时/计数器；9、6 个中断源；10、可编程串行 UART 通道；11、低功耗空间和掉电模式；二、AT89C51 的功能引脚图：内蒙古科技大学微机化仪表课
16、程设计说明书第 8 页，共 30 页三、功能特性概述：AT89C51 提供以下标准功能：4K 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。本设计主要应用到AT89C51 的以下部分：P0
17、 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口.也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时。这组口线分时转换地址低 8 位和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2 口：P2 口是一个
18、带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4 个 TIL 逻辑门电路，对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或 l6 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVXDPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRI指令）时，P2 口线上的内容（也即特妹功能寄存器（SFR）区中 R2 寄存器的内容 ，在整个访问期间不改变。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个
19、机器周期以上高电平将使单片机复位。EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器地址为 0000H-FFFFH)，EA 端必须保持低电平(接地)。需要注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书第 9 页，共 30 页位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平接 Vcc 端 ，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。时钟振荡器：AT89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输
20、出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体或陶瓷谐振器)及电容 C1，C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容 C1、C2 虽然没有十分严格的要求。但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，电容使用 30pF，而如果使用陶瓷谐振器，则为 40pF。也可采用外部时钟，这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。X T A L 2X T A L 1G N D内部振荡电路N CX T A L 2X T A L 1G N D外部
21、振荡信号输入外部振荡电路图 3.1.1 振荡电路图3.1.2 寄存器的选择74164：8 位移位寄存器（串行输入，并行输出）。当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（Q0-Q7）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当 A、B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。当 A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状态。引出端符号CLOCK 时钟输入端 CLEAR 同步清除输入端（低电平有效）内蒙古科技大学微机化仪表课程设计说明书第 10 页，共 30 页A、B 串行数据输入端 Q0
22、-Q7 输出端逻辑及封装图：1 3 1 21 11 41 09 876543217 4 L S 1 6 4V C CQ 7 Q 6Q 5Q 4C L E A RC L O C KAB Q 0Q 1Q 2Q 3 G N D图 3.1.2 74LS164 逻辑引脚图3.1.3 显示器件的选择LED 数码管是单片机控制系统中最常用的显示器件之一，它在单片机应用系统中的地位类似于 CRT（阴极射线管）显示器在台式微机系统中的地位。在单片机系统中，常用到 LED 数码管显示 CPU 的处理结果、输入/输出信号的状态或大小。LED 数码管的 a、b、c、d、e、f、g 段用于显示数字或字符的笔画，dp 显示小数点，笔段及其对应引脚排列如图所示，其中 3、8 做为公共端使用，接地或接电源。g fab9 8761 0abcdefed p2 3 451edd pc图 3.1.3 LED 笔段引脚及其对应引脚图
