数字电子时钟论文.doc

河南农业大学理学院本科毕业论文 i 目目 录录 1 绪论绪论1 1.1 数字时钟的背景 .1 1.2 数字时钟的意义 .1 1.3 数字时钟的应用 .1 2 整体设计方案整体设计方案2 2.1 单片机型号选取 .2 2.2 at89c51 单片机基本结构简介.3 3 数字时钟的硬件设计数字时钟的硬件设计4 3.1 单片机最小系统简介4 3.1.1 电源电路4 3.1.2 晶振电路5 3.1.3 复位电路6 3.1.3 引脚 ea 设置.6 3.2 led 显示电路设计6 3.3 外围控制电路设计 .8 3.3.1 按键电路8 3.3.2 闹钟电路9 3.3.3 秒表电路9 4 数字时钟的软件设计数字时钟的软件设计10 4.1 数字钟的原理图 .10 4.2 keil 环境下编程11 5 调试与功能说明调试与功能说明12 5.1 系统性能测试与功能说明 .12 5.2 系统时钟误差分析 .13 5.3 软件调试问题及解决 .13 结束语结束语14 参考文献参考文献15 附录附录16 河南农业大学理学院本科毕业论文 ii 致谢致谢27 河南农业大学理学院本科毕业论文 1 1 绪论绪论 1.1 数字时钟的背景数字时钟的背景 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。 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 数字时钟的意义数字时钟的意义 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 数字时钟的应用数字时钟的应用 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、 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。 河南农业大学理学院本科毕业论文 2 2 整体设计方案整体设计方案 2.1 单片机型号单片机型号选取选取 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。其发展趋势不外乎以下几个方面： 1、多功能 单片机中尽可能地把所需要的存储器和 i/o 口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多 的功能。比如 a/d、pwm、pca（可编程计数器阵列）、wdt（监视定时器-看家狗）、高速 i/o 口及计数器的捕获/比较逻辑等。 有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。例如， 有的芯片以 51 内核为核心，集成了 usb 控制器、smart card 接口、mp3 解码器、can 或者 i*i*c 总线控制器等，led、lcd 或 vfd 显示驱动器也开始集成在 8 位单片机中。 2、高效率和高性能 为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用 risc、流水线和 dsp 的设计技术，使单片机 的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了 很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内 rom（flash）和 ram 的容量都突 破了以往的数量和限制。 由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如 c 语言）来开发单片机的程序。 使用高级语言可以降低开发 难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩 充功能。 3、低电压和低功耗 单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。由于 cmos 等工艺的大量采用， 很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2v 或 0.9v），功耗已经降低到 ua 级。这些特性使得单片 机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。 4、低价格 河南农业大学理学院本科毕业论文 3 单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。目前世界各大公司为了提高 竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。 考虑到这几方面，本方案我们采用型号为 at89c51 的单片机。因为 at89c51 是一个低电压， 高性能的 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的 flash 只读程序存储器和 128 bytes 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。at89c51 为我 们提供了高性价比的解决方案。 2.2 at89c51 单片机基本结构单片机基本结构简介简介 at89c51 单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并 行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。 中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数 据或代码，cpu 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能 等操作。 at89c51 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的， 专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能 使用的 ram 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 at89c51 共有 4096 个 8 位掩膜 rom，用于存放用户程序，原始数据或表格。 at89c51 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 at89c51 共有 4 组 8 位 i/o 口(p0、 p1、p2 或 p3)，用于对外部数据的传输。 at89c51 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以 用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 at89c51 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可 满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 at89c51 内置最高频率达 12mhz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但 at89c51 单片机需外置振荡电容。 单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(harvard)结构， 另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿 (princeton)结构。intel 的 mcs-51 系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的 mcs-96 系列单片机则采用普林斯顿结构。 河南农业大学理学院本科毕业论文 4 3 数字时钟的硬件设计数字时钟的硬件设计 硬件设计总体方案如图 3.1，下面分别介绍下各模块的作用。 图图 3.1 硬件设计总体方案图硬件设计总体方案图 3.1 单片机最小系统单片机最小系统简介简介 单片机的最小系统是由电源、晶振、复位、ea=1 组成，下面介绍一下每一个组成部分。 3.1.1 电源电源电路电路 vcc 电源端，gnd 接地端，工作电压为 5v。 电子表中使用 5v 左右的纽扣电池，如果时钟用于工控领域，则需要变压，让 220v 通过变压 器输出 5v 左右电压。硬件如图 3.2 所示。 图 3-7 电源电路部分 图图 3.2 电源电路电源电路 河南农业大学理学院本科毕业论文 5 如图 3.2 所示，220v 交流电通过双 12v 变压器变为 12v 的交流电，12v 交流电通过四个二极 管的全桥整流后变为 12v 直流电，然后经过电解电容（470f）进行一级滤波，以去除直流电里面 的杂波，防止干扰。12v 直流电出来后再经过三端稳压器 7805 稳压成为稳定的 5v 电源，其中 7805 的 vin 脚是输入脚，接 12v 直流电源正极，gnd 是接地脚，接 12v 直流电源负极，vout 为 输出脚，它和接地脚的电压就是+5v 了。5v 电源出来再经过电解电容的二级滤波，使 5v 电源更 加稳定可靠。同时在 5v 稳压电源加上一个 470 的电阻和一个绿色发光二极管，当上电后，绿色 发光二极管点亮，表示电源工作正常。此时一个稳定输出 5v 的电源已经设计好，对于本设计它完 全能够满足单片机及集成块所需电源的要求。 3.1.2 晶振晶振电路电路 图图 3.3 晶振连接的内部、外部方式图晶振连接的内部、外部方式图 如图 3.3 所示，xtal1 是片内振荡器的反相放大器输入端，xtal2 则是输出端，使用外部振 荡器时，外部振荡信号应直接加到 xtal1，而 xtal2 悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲 二分频，如晶振为 12mhz，时钟频率就为 6mhz。晶振的频率可以在 1mhz-24mhz 内选择。电容 取 30pf 左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。at89 单片 机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚 xtal1 和 xtal2 分别是此放大器的输 入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体 谐振器以及电容 c1 和 c2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没 有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的 稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 12mhz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值 约为 22f。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄 生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。 河南农业大学理学院本科毕业论文 6 3.1.3 复位复位电路电路 在振荡器运行时，有两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单 片机复位，只要这个脚保持高电平，51 芯片便循环复位。复位后 p0p3 口均置 1 引脚表现为高电 平，程序计数器和特殊功能寄存器 sfr 全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 rom 的 00h 处开始运行程序。复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚 rst 通过 一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的 s5p2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采 用的是按钮复位电路。 3.1.3 引脚引脚 ea 设置设置 ea 是外部寄存器选择位，低电平有效，ea=1，程序从内部 rom 启动，ea=0，程序则从外 挂的 rom 芯片启动。 3.2 led 显示电路显示电路设计设计 显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料及产品工艺，单片机 应用系统中常用的显示器有： 发光二极管 led 显示器、液晶 lcd 显示器、crt 显示器等。led 显示器是现在最常用的显示器之一，如图 3.4 所示。 图图 3.4 led 显示器的符号图显示器的符号图 河南农业大学理学院本科毕业论文 7 发光二极管（led）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组 装成分段式或点阵式 led 显示器件（半导体显示器）。分段式显示器（led 数码管）由 7 条线段 围成 8 字型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规 律控制各发光段亮、灭，就可以显示各种字形或符号。led 数码管有共阳、共阴之分。图 3.5 是共 阳式、共阴式 led 数码管的原理图和符号。 图图 3.5 共阳式、共阴式共阳式、共阴式 led 数码管的原理图和数码管的符号图数码管的原理图和数码管的符号图 显示电路显示模块需要实时显示当前的时间,即时、分、秒，因此需要 6 个数码管，另需两个 数码管来显示横。led 显示器的显示控制方式按驱动方式可分成静态显示方式和动态显示方式两种。 对于多位 led 显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示。本方案采用动态显示方式显示时 间，时的十位和个位分别显示在第一个和第二个数码管，分的十位和个位分别显示在第四个和第五 河南农业大学理学院本科毕业论文 8 个数码管，秒的十位和个位分别显示在第七个和第八个数码管，其余数码管显示横线。 数码管使用注意事项说明： （1）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角； （2）焊接温度：260 度；焊接时间：5s； （3）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。 同时采用 74ls245 锁存器芯片驱动数码管，74ls245 锁存器芯片有放大电流的作用，为数码管 提供足够大的驱动电流。 3.3 外围控制电路外围控制电路设计设计 外围控制电路包括校时，闹钟，秒表电路，如图 3.6 所示，下面分别说明下。 图图 3.6 控制电路的硬件连接图控制电路的硬件连接图 3.3.1 按键电路按键电路 按键电路需要消抖，原理如下：当用手按下一个键时，如图 3.7 所示，往往按键在闭合位置和 断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况；在释放一个键时，也回会出现类似的情况。这就是 抖动。抖动的持续时间随键盘材料和操作员而异，不过通常总是不大于 10ms。很容易想到，抖动 问题不解决就会引起对闭合键的识别。用软件方法可以很容易地解决抖动问题，这就是通过延迟 10ms 来等待抖动消失，这之后，再读入键盘码。 键按下 前沿抖动后沿抖动 闭合 稳定 河南农业大学理学院本科毕业论文 9 图图 3.7 按键抖动信号波形按键抖动信号波形 其次，按键电路的三个按键分别链接到 p1 的 3 个端口上，本方案采用查询的方法检测是否有 按键按下。 校对时间用三个按键来实现。按调时来调节小时的时间，按调分来调节分针的时间，按清零来 复位时钟。 3.3.2 闹钟电路闹钟电路 闹钟电路采用外部中断 1 的触发方式，一端接 p3.3,另一端接地。同时喇叭需要接到 p1 端口的 某一位（本方案采用 p1.7 端口） 。当接到中断响应时，执行中断服务函数，p1.7 端口输出高电压， 触发闹钟。 3.3.3 秒表电路秒表电路 同闹钟电路原理，一端接到 p3.2 端口，另一端接地，采用外部中断 0 触发方式。当接到中断 响应时，执行中断服务函数，秒表开始工作。 河南农业大学理学院本科毕业论文 10 4 数字时钟的软件设计数字时钟的软件设计 系统的软件设计也是工具系统功能的设计。单片机软件的设计主要包括执行软件（完成各种实 质性功能）的设计和监控软件的设计。单片机的软件设计通常要考虑以下几个方面的问题： （1）根据软件功能要求，将系统软件划分为若干个相对独立的部分，设计出合理的总体结构， 使软件开发清晰、简洁和流程合理； （2）培养良好的编程风格，如考虑结构化程序设计、实行模块化、子程序化。既便于调试、 链接，又便于移植和修改； （3）建立正确的数学模型，通过仿真提高系统的性能，并选取合适的参数； （4）绘制程序流程图； （5）合理分配系统资源； （6）为程序加入注释，提高可读性，实施软件工程； （7）注意软件的抗干扰设计，提高系统的可靠性。 4.1 数字钟的原理图数字钟的原理图 用 protues 软件，根据要求画出数字电子钟的原理图如图 4.1 所示。 河南农业大学理学院本科毕业论文 11 图图 4.1 数字钟的原理图数字钟的原理图 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。校时电路用三个按键来实现。按调时来 调节小时的时间，按调分来调节分针的时间，按清零来复位时钟。闹钟采用一个按键，中断 1 中设 立 s 状态标志变量，未按下时 s=0，闹钟取消。第一次按下触发中断 1 使 s=1，进入设定闹钟状态， 第二次按下触发中断 1 使 s=2，闹钟工作，时间与设定时刻一致时，闹钟响(一分钟后自动关闭，可 手动关闭)。s 状态切换（0-1-2-0）通过外部中断 1 实现。同理秒表也采用按键加外部中断 0 的方式，设立秒表状态标志变量 k,（0-1-2-0）通过外部中断 0 实现。0 秒表关；1 秒表从零 计时；2 秒表停，显示计时时间。 4.2 keil 环境下编程环境下编程 在 keil 开发环境下采用 c 语言编程，如图 4.2 所示，源程序见附录。 河南农业大学理学院本科毕业论文 12 图图 4.2 keil 编程图编程图 5 调试与功能说明调试与功能说明 5.1 系统性能测试与功能说明系统性能测试与功能说明 proteus 软件仿真，调时，秒表仿真结果如图 5.1 所示： 河南农业大学理学院本科毕业论文 13 图图 5.1 仿真结果图仿真结果图 5.2 系统时钟误差分析系统时钟误差分析 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。 s0 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 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit qingling=p10;/清零 sbit tiaofen=p11;/调分 sbit tiaoshi=p12;/调时 sbit sounder=p17;/闹钟 uint a,b; uchar hour,minu,sec, /时钟 hour0,minu0,sec0,/秒表 hour1,minu1,sec1; h1,h2,m1,m2,s1,s2,/显示位 k,s;/状态转换标志 uchar code select=0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe; uchar code table= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /*函数声明*/ void keyscan(); void init(); void delay(uchar z); void display(uchar,uchar,uchar); void sounde(); /*主函数*/ 河南农业大学理学院本科毕业论文 17 void main() init(); while(1) while(tr1) keyscan(); /扫描函数 while(s=1) /s 是状态标志，当 s=0 时，闹钟取消。s=1 时，设定 /闹钟时间（也是通过调时，调分函数） ； /s=2 时，闹钟工作，时间与设定时刻一致时，闹钟响( /1 分钟后自动关闭，可手动关闭)。再次切换，s=0. keyscan(); /s 状态切换（0-1-2-0）通过外部中断 1 实现。 display(hour1,minu1,sec1); /闹钟时刻显示 display(hour0,minu0,sec0); /时钟表显示 while(k) /k 是秒表状态（0-1-2-0）通过外部中断 0 实现。0 秒表关；1 秒 /表从零计时；2 秒表停，显示计时时间 display(hour,minu,sec); /秒表显示 /*初始化函数*/ void init() a=0; b=0; 河南农业大学理学院本科毕业论文 18 k=0; s=0; hour0=0; minu0=0; sec0=0; hour=0; minu=0; sec=0; hour1=0; minu1=0; sec1=0; tmod=0x11; /定时器 0,1 工作于方式 1；赋初值 th0=(65536-5000)/256; tl0=(65536-5000)%256; th1=(65536-50000)/256; tl1=(65536-50000)%256; ea=1; ex0=1; /秒表中断 ex1=1; /闹钟设定中断 et0=1; et1=1; it0=1; /边沿触发方式 it1=1; px0=1; px1=1; tr0=0; /初始，秒表不工作 河南农业大学理学院本科毕业论文 19 tr1=1; /时钟一开始工作 /*定时器 0 中断*/ void timer0_int() interrupt 1 /秒表 th0=(65536-5000)/256; tl0=(65536-5000)%256; a+; if(a=2) a=0; sec+; if(sec=100) sec=0;/毫秒级 minu+; if(minu=60) minu=0;/秒 hour+; if(hour=60) /分 hour=0; 河南农业大学理学院本科毕业论文 20 /*外部中断 0 中断函数*/ void ex0_int() interrupt 0 k+; if(k=3) k=0; if(k=1) tr0=tr0; if(tr0=1) hour=0; minu=0; sec=0; if(k=2) tr0=tr0; /*外部中断 1 中断函数*/ void ex1_int() interrupt 2 s+; if(s=3) s=0; 河南农业大学理学院本科毕业论文 21 /*定时器 1 中断*/ void timer1_int() interrupt 3 /控制时钟工作 th1=(65536-50000)/256; tl1=(65536-50000)%256; if(s=2) if(hour1=hour0 b+; if(b=20) b=0; sec0+; if(sec0=60) sec0=0; minu0+; if(minu0=60) minu0=0; hour0+; if(hour0=24) hour0=0; 河南农业大学理学院本科毕业论文 22 /*键盘扫描*/ void keyscan() if(s=1) if(qingling=0) delay(10); if(qingling=0) sec1=0; minu1=0; hour1=0; if(tiaofen=0) delay(10); if(tiaofen=0) minu1+; if(minu1=60) minu1=0; while(!tiaofen); 河南农业大学理学院本科毕业论文 23 if(tiaoshi=0) hour1+; if(hour1=24) hour1=0; w