1、1绪 论单片机在多功能数字电子钟中的应用已是非常普遍，人们对电子时钟的功能及工作顺序都已非常熟悉了，但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为电子时钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号来实现计时功能，将时间数据由单片机输出，利用显示器将时间显示出来。通过键盘可以进行时间的设定。输出设备显示器可以用液晶显示技术或数码管来显示技术。本系统利用单片机实现具有计时、校时等功能的数字电子时钟，是以单片机AT89C51 为核心元件同时采用 LED 数码管显示器动态显示“时” ， “分” ， “秒”的现代计时装置。与传统机械表相比，它具有走时精确,显示直观等特点。另外具有校时功能，利用单片机实现的
2、数字时钟具有编程灵活，便于功能的扩充等优点。2第一章 概述1.1 课题研究的目的和意义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办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于电子集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使电子钟具有走时准确、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，因此进行电子钟的设计是必要的。尽管目前市场上已有现成的电子钟集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于单片机定时器的功能也可以完成电子钟电路的设计，因此进行电子钟的设计是可行的。在这里我们将已学过的比较零散的数字电路和单片机的知识有机的、系
3、统的联系、组织起来应用于实际，来培养我们的综合分析和设计电路，写程序，调试电路、程序的能力。单片机具有体积小、功能强、可靠性高、价格低廉等一系列优点，不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且已渗入到人们工作和和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前景广阔。1.2 国内外研究的现状及发展趋势从单片机电子时钟近年的发展趋势来看，正朝着多层次用户、多品种、多规格、高精度、小体积、低能耗等方面发展。在这种趋势下，时钟的数字化，智能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。带有时钟功能的电子产品和电子设备进年来广泛地出现在国内外市场中，例如奥运会倒计时显示屏、铁
4、路安全显示屏、生产线看板、体育比赛记时屏、大型室外高亮度时钟等，这类产品覆盖银行、医院、地铁车站、体育运动、电视台、监控系统、高大建筑物等行业。作为一种人机接口方式，语音比显示屏，鼠标键盘等设备更易于使用。而在设计里加上语音提示、音乐或者其他语音功能，还使得设计显得既人性化又有趣，不但能提高开发者的兴趣和积极性，同时也能让设计作品与众不同，从而得到了各界领域的广泛应用所以对语音的研究有很大的实际意义。31.3 课题设计目的与要求1.3.1 设计目的：按要求完成单片机实现电子时钟系统。通过课题的设计与实现培养系统分析、设计的能力，从而达到以下能力训练：(1)、调查研究、分析问题的能力(2)、使用
5、设计手册、技术规范的能力(3)、查阅中外文献的能力(4)、制定设计方案的能力(5)、计算机应用的能力(6)、设计、计算和绘图的能力(7)、技术经济指示的分析能力(8)、语言文字表达的能力1.3.2 设计要求：利用 DJ-598K 试验仪的硬件资源，设计一个电子钟，利用四个数码管，在其上显示分、秒；用 4 个小键盘分别进行分1、分1、秒1、秒1 改变时间值。基本要求：(1)、设计实验电路(要求利用试验仪的硬件资源)(2)、分析实验原理(3)、列出实验接线表(4)、采用汇编语言写实验程序(5)、通过实验验证功能的实现(6)、编写课程设计说明书4第二章 总体方案设计2.1 课题总体功能分析与设计2.
6、1.1 系统需求分析本课题要求设计一个电子钟，利用四个数码管进行时间显示，在其上显示分、秒；用4 个小键盘分别进行分1、分1、秒1、秒1 改变时间值。但考虑到电子钟的实用性，这里将对其进行扩充，是利用六个数码管进行时间显示，在其上显示时、分、秒；用 6 个小键盘分别进行时1、时1、分1、分1、秒1、秒1 来改变时间值。2.1.2 系统功能分析与设计有分析可得系统功能图 2-1 所示：时间调整输入单片机系统时间输出显示显示器图 2-1 系统功能分析设计图2.1.3 系统设定详细说明本课题设计需要六个数码管进行时间显示，刚打开电源时，系统初始状态显示的时间为 12:00:00，然后电路会自动开始计
7、时。当秒到 60 时，则分上加 1 同时秒位清零显示00，然后再从 00 自动开始计时；当分到 60 时，则小时上加 1 同时分位清零显示 00，然后再从 00 开始；当小时显示变为 23:59:59 时，接下来的显示则变为 00:00:00，电路自动开始计时，然后循环上述过程进行计时。电路中有对时、分、秒进行加/减 1 的各自单独的时间调整按钮，时间调整按钮每按一次，则相应调整的显示时间值加/减 1。按 S1 键，则秒1；按 S2 键，则秒1；按 S3 键，则分1；按 S4 键，则分1；按 S5 键，则小时1；按 S6 键，则小时1。52.2 实现时钟计时的基本方法利用 MCS-51 系列单
8、片机的可编程定时/计数器、中断系统来实现时钟计数。(1) 计数初值计算:把定时器设为工作方式 1，定时时间为 50ms，则计数溢出 20 次即得时钟计时最小单位1s。定时器方式 1 为 16 位定时/计数器工作方式，用于定时工作方式时，计数时间为：T=(216-T0 初值)振荡周期12假设使用 T/C0，方式 1，50ms 定时，晶振频率 fosc=12MHz。则初值 X 满足：（2 16-X）1/12MHz121s = 50000sX=15536D0011110010110000B3CB0H(2) 采用中断方式进行溢出次数累计,计满 20 次则为秒计时（1 秒）；(3) 从秒到分和从分到时的
9、计时是通过累加和数值比较实现。2.3 电子钟的时间显示电子钟的时钟时间要在六位数码管上进行显示，则要在内部 RAM 中设置缓存地址单元。显示寄存器单元位：32H 31H 30H时显示寄存器单元位 分显示寄存器单元位 秒显示寄存器单元位2.4 电子钟的时间调整时间调整：用 6 个按键 S1、S2、S3、S4、S5、S6，通过 P1.0 P1.5 口将调整信号输入单片机，再通过程序控制来完成时间调整的功能。62.5 总体方案介绍2.5.1 计时方案利用 AT89C51 单片机内部的定时/计数器进行中断时，配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本，且能使读者在定时/ 计数器的使用、中断及
10、程序设计方面得到锻炼与提高，对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而对学好单片机技术这门课程起到一定的提升作用。2.5.2 控制方案AT89C51 的 P0 口外接 6 位 LED 显示数码管的段选信号，P2 口外接 6 位 LED 显示数码管的位选信号，P1 口外接 6 个调整时、分、秒加减的按键。2.5.3 硬件介绍（1）AT89C51 是一种低功耗，高性能的 CMOS 8 位微型计算机。片内有 4KB FLASH（EPROM）可系统编程的只读存储器，该器件采用 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的 8031、8051 和 8751 的指令系统及引脚兼容，它集 F
11、lash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中， 片内 Flash 集成在一个芯片上，可用与解决复杂的问题，且成本较低。简易电子钟的功能不复杂，可灵活应用于各种领域。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IO 口线，看门狗（WDT ），两个数据指针，两个 16 位定时计数器，一个 5 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
12、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，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。7（2）六位 LED 显示数码管由于考虑到充分利用 DJ-598K 试验仪的硬件资源，所以使用 DJ-598K 试验仪的六位数码管作为显示器，其是带有驱动器的六位数码显示管，如图 2-2。图 2-2 显示数码管实形图图 2-3 显示数码管模块电路图数据插座：JS_LED 位选扫描线；JLED_LED 段选码。8第三章 系统硬件电路设计根据以上的电子时钟的设计要求可以分为以下的几个硬件电路模块：单片机模块、数码显示模块与按键模块，模块之间的关系图如下面得方框电路图 3-
13、1 所示。图 3-1 硬件电路方框图3.1 单片机模块设计3.1.1 芯片分析MCS-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，AT89C51 单片机引脚图 3-2 所示：图 3-2 AT89C519MCS-51 单片机是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，其各引脚功能如下：VCC：+5V 电源。VSS：接地。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用完成单片机的复位初始化操作。XTAL1 和 XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部
14、时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。P0 口：P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口，当作输出口使用时，必须接上拉电阻才能有高电平输出；当作输入口使用时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使 FET 截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，它不再需要多路转接电路MUX；因此它作为输出口使用时，无需再外接上拉电阻，当作为输入口使用时，同样也需先向其锁存器写“1”，使输出驱动电路的 FET 截止。P2 口：P2 口电路比 P1 口电路多了一个多路转接电路 MUX，这又正好与 P0 口一样。P2 口可以作为通用的 I/
15、O 口使用，这时多路转接电路开关倒向锁丰存器 Q 端。P3 口：P3 口特点在于，为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。当作为 I/O 口使用时，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。当输出第二功能信号时，该位应应置“1”，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出，具体第二功能如表所示。103.1.2 晶振电路图 3-2 所示为时钟电路原理图，在 AT89C51 芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。而在芯片内部，XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡
16、器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉。图 3-2 晶振电路3.1.3 复位电路单片机复位的条件是：必须使 RST/VPD 或 RST 引（9）加上持续两个机器周期（即24 个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为 12 MHz，每机器周期为 1s ，则只需2s 以上时间的高电平，在 RST 引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位如图所示。电路为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RESET 端的电位与 VCC 相同，随着充电电流的减少， RESET 的电位逐渐下降。只要保证RESET 为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。图 3-3 复位电路3.2 数码显示模块设计
