多功能数字电子钟毕业设计论.docx

北京理工大学2014届本科生毕业设计毕业论文诚信承诺书本人郑重承诺：我所呈交的毕业论文多功能数字电子钟的设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。 承诺人签名： 日期： 年 月 日多功能数字电子钟的设计摘要多功能数字电子钟凭借自身优势在生活中得到了广泛的运用， 一个数字时钟的控制核心是单片机。 通过单片机的时钟信号达到实现计时的功能，时间数据可以经由单片机输出，利用显示器显示出结果。校时，定时，闹钟，倒计时等功能利用键盘实现。本毕业设计通过51系列单片机AT89C2051来设计多功能数字电子时钟，编程用C语言，能够实现秒，分，小时和日，月，年的准确显示、定时闹钟等功能。本次毕业设计的电子时钟系统由时钟电路，LED显示电路，定时报警电路，按键调整电路组成。数字时钟芯片具有可编程的优点，功能扩展容易，如在电路板上留有一个温度传感器，电源输出插座等，易于功能扩展。关键词：单片机；AT89C2051；C语言北京理工大学2014届本科生毕业设计The design of the multi-function digital electronic clockABSTRACTMulti-function digital electronic clock with their own advantages have been widely used in life, the control center is a single-chip digital clock. Achieve timing functions through the microcontroller clock signal is reached, the time data can be output via the MCU using the display shows the results. When the school, timing, alarm clock, countdown and other functions using the keyboard implementation. The graduation AT89C2051 through 51 series multifunction digital electronic clock design, Using C programming language, can be achieved in seconds, minutes, hours and days, months, years to accurately display, timing alarm clock and other functions. The graduate design electronic clock system by the clock circuit, LED display circuit, timer alarm circuit, key adjustment circuit. Programmable digital clock chip has the advantage of easy extensions, for leave a temperature sensor, a power outlet on the board and others,it is very easy for extensions.Keyword: MCU; AT89C2051;C programming language目录1绪论11.1 数字钟发展史11.2 研究背景21.3 研究状况31.4 未来发展趋势41.5 数字钟设计研究内容41.6本章小结52单片机62.1单片机（Single Chip Microsoftcomputer,简称MCU）简介62.2单片机的发展历程62.2.1探索阶段62.2.2结构体系的完善阶段72.2.3发展阶段72.2.4MCU的成熟阶段82.351单片机的概况92.4单片机的应用及前景102.5本章小结103各个模块的特性及结构113.1 AT89C2051单片机模块113.2 LED显示模块153.2.1LED数码管的原理153.2.2LED数码管驱动方式173.3 多功能数字电子钟技术路线183.3.1多功能数字电子钟结构、流程图183.3.2功能实现路线193.4 本章小结194硬件电路设计204.1 复位电路204.2 按键电路204.3 时钟电路214.4 显示控制电路224.5 数码管显示电路224.6 电源电路设计234.7 综合电路的实现234.8 本章小结245系统软件的设计255.1 调时功能255.2 显示功能265.3 程序设计265.4 本章小结266电路仿真276.1 Proteus软件简介276.2 Proteus的功能模块276.3 Proteus的贡献296.4 电路仿真设计296.5 本章小结307多功能数字电子钟展示317.1 电子钟展示317.2 本章小结358工作的总结与未来工作的展望368.1 工作总结368.2 未来展望37参考文献38致谢40附录41附录1：程序41附录2：元件清单53附录3：外文文献541绪论1.1 数字钟发展史中国是人类文明中最先发明计时仪器的国度。据史料的记载，纪元前汉武帝太初年间，落下闳这位才子创造了浑天仪，这是表示天体运动最早的仪器。公元130年的东汉时期张衡制作出了水云浑天仪，水云浑天仪的动力来着落水，是观测天象的最早机械计时器，为机械天文钟的鼻祖。到了唐代，公元725年间梁令瓒和张遂（又称一行），创造了一个水运浑天铜仪，水运浑天铜仪不仅能演示天球和日、月的运动轨迹，而且上面做了两个木人，这两个木人能够按时打钟，按时击鼓。首次做到将机械钟的“心脏”擒纵器运用于计时器，这是中国古代科学家为人类的计时科学做出的伟大贡献，让人类计时事业向前迈了一大步，这项发明比十四世纪欧洲制造的机械钟整整快了六个世纪。首只石英钟于二十世纪的二十年代被制造出来，接着三十年代起石英钟获得了推广，到了六十年代，得益于应用半导体技术的出现与发展，制造石英钟难题得到了成功的解决，石英电子技术广泛的应用于计时领域，并逐渐取代机械钟成为更加准确的时间标准。早在1880年，法国科学家皮埃尔居里和保罗雅克居里已经在石英晶体上发现了压电特性，石英晶体压电的特性让人们解决了制造时钟表“心脏”的难题。经研究，科学家用电子钟和以石英晶体制成的振荡计时器成功制成了石英钟。经过多次反复的测试，一只精密的石英钟表，计时365天的时间误差仅为3-5秒，十分精准。鉴于石英钟如此精确的计时，英国格林尼治天文台于1942年也开始选用了石英钟作为御用计时工具。在大多场合，石英钟往往做为频率的基本标准，用于日常生活各个领域的检测与测量。石英钟迅速发展，到1970年前后，石英钟变得越来越精致小巧，它已经既是实用品，也是一件高雅的装饰品。它不仅为人们提供方便的生活，更为人们的生活增添丰富的色彩。现今的设计理念主要是简单实用、走时准确。经实验证明，振荡部分如果使用石英晶体作为时间基准信号源，那么钟表计时变得更精确、调整起来更加方便。钟表作为一种计时器具，它的出现创造了时间计量新的里程碑。谈起时钟大家无不知晓，它让我们知道每天的各个时间，记录我们的每时每分每秒，我们的生活、工作、休闲等等都离不开它。中国的钟表业在二十世纪八十年代发生了一场天翻地覆的转折。主要表现在以下三个方面：（1）由之前的生产机械表转变为生产石英电子表；（2）曾经一直独霸中国消费市场四十几年的大型国有企业的地位受到新兴的“组装业”的挑战，制造钟表的中心也慢慢转向中国沿海一带的南方；（3）钟表业的发展由之前的注重机芯转变成注重手表外观件。这翻天覆地的转变以闪电般的速度冲击上了传统的国内钟表制造业。为了适应这种变化，为了在瞬息万变的环境中生产与发展，中国钟表制造业开始从技术相对简单单调、零件数量偏少只需手工的认真劳动就能完成的制造石英钟的机芯入手。靠着从日本、德国进口石英钟机芯坚强的发展本国的钟表业。靠着认真努力勇往直前的干劲，到了1989年终于开始完全自己生产，其中包括模具的制造加工。到了最近的十余年，通过自主研发，对新技术的投资与发展机芯质量的稳定性、实用性等各方面都有了提高，对手机表机芯研制与开发成了新的主流方向。现在石英钟机芯生产主要活跃于福建、番禺、广东东莞；机械钟表机芯生产主要分布在上海、山东等地。当今中国的电子业发展十分快速，达到了日新月异的程度，电子业的快速发展同时也促进了钟表业的发展。国产钟表机芯研制失败的年代已经随着中国的迅速发展成为过去，“组装业”作为新兴钟表工业走出困境的起步阶段也已随着时间成为过去。一支新的充满智慧、勇敢、活力的钟表精英在中国这块土地上茁壮的成长。我们应该相信，在科学技术飞速发展的今天，运用当今电子工业技术、材料工业技术和其他领域的最新科技技术，中国钟表业一定会在不久的将来生产出代表中国科技水平的产品，为人类钟表业立下新的里程碑。我们也希望在不断的提高制造技术水平中，能够不断的创新和发展，做出具有独立的知识产权的好产品。这正是中国制表业发展和未来的方向。1.2 研究背景本次毕业设计的多功能数字电子钟的核心是采用目前应用最为普遍的51系列单片机1 2，加上配置了外围设备，从而组成了一个可编程的定时和计时的系统，这个系统的突出特点是可靠性高，体积小，功能多等。不仅可以满足各种所需的要求，而且还有扩展其他各种功能，有着不可估量的应用领域。20世纪末，电子科技技术的迅猛发展毋庸置疑的推动了当今电子产品和其他各种高科技产品的蓬勃发展，如今社会的各个领域几乎都能见到，这些变化大力地推动了社会生产力的发展，社会的信息化水平和综合技术水平有了空前的提高。随着科学技术技的迅速发展，社会的进步和全球化日渐激烈的竞争，消费者对数字钟功能的追求也每天每天的增高，传统的时钟的单一计时功能已不再能满足人们的需求。各种产品更新换代的频率变得愈来愈快，电子钟不论在性能上，还是在外观上亦或是用途上都为满足市场需要发生了巨大的变化，市面上大多电子钟都已具备电子闹钟功能、温度检测、电子秒表等多种功能。多功能数字电子钟中单片机的的应用已经是很平常的事3。数字钟现在已经普遍的运用于个人家庭及教室、车站、工作办公室、码头等公众场合，作为人们生活中不可缺少的生活必需品。随着集成数字电路的不断发展和石英晶体振荡器普遍的应用，数字电子钟的运用已经超过老式机械钟表。钟表的数字化在为我们的生产生活带来了极大的便利的同时，已经不仅局限于原先的报时功能，它的功能越来越多，越来越人性化，为人类的生活贡献出自己的力量，例如定时自动提醒、定时自动开启开关、定时自动关闭开关、时间程序按时自动控制、自动按时通断动力设备、以及其他各类定时电路及电气的自动启用等，以上所述都是以钟表数字化为基础的。由此我们可以得出结论，研究数字钟及扩大其应用，完善以及发展数字电子钟有着非常现实的意义。1.3 研究状况数字电子时钟从诞生起，凭借自己的强大魅力就成为人类的好伙伴，给人们的生活、工作、学习、娱乐提供各种各样的便利。随着时间不断的往后推进，科学技术每天迅速的发展，生活节奏也变得越来越快，日益激烈的竞争，人们对生活的品质要求愈来愈高，对时间计量的精度也逐渐增高，功能希望越来越多。精确无误的时间已经成为各个行业安全运行的基本准则，电子化的时代时间稍微一点的误差，都将会造成一系列不可估量的严重后果和巨大的经济损失 。 电子钟有多种设计方法，第一种可以使用专门的电子钟芯片加上必要的外围电路和显示电路，第二种可以借助中小规模集成电路来构成电子钟，第三种实现方法是对单片机编程4。其中，使用单片机编程来实现功能的电子时钟具有编程灵活、硬件的结构相对简单、方便功能扩展等突出优点。单片机这个”心脏”，做电子钟的核心控制器用时，电子钟计时功能就可以通过时钟信号实现，单片机就能输出时间数据，显示器就能显示出来相应的结果，定时、校时功能由配置的键盘控制。在这里可以选用数码管显示技术或者液晶显示技术其中一种作为输出设备显示器。不论是日常起居生活还是各类自动控制系统中，经常遇到需要实时监控时间和提醒时间等多种功能的要求。因此具备多种功能的电子钟拥有广大的市场，对多功能电子钟的市场开发具有现实的意义。早期使用模拟电路设计制造的控制时间的单元，比较简陋，其定时做到的重复精度和准确性还不尽让人满意。现今的新生代产品几乎都是运用数字技术，伴随着单片机迅速发展，性价比在愈来愈高，应用新一代的产品变得越来越普遍。在复杂方面可以构成复杂的工业控制系统，完成各种复杂的控制功能；简单的能够运用于日常的家电控制，乃至运用于幼童的电子玩具。它质量轻、功能多、体积小巧、灵活而实用，只需搭配适当的接口芯片，就能够组成各式各样、不同功能，形状各异的微电子产品。随着当今电子技术的迅猛发展，不论是办公电子设备还是家用电器都迅速增多，我们知道不同的设备都需要独自的控制器4，给人们的使用带来很多不方便，多个控制器也很占用地方，带来不整洁的感觉。随着单片机的普遍运用，各种功能的电子产品的出现不仅解决了各种问题，减轻了人的劳动，大大拓展了数字化的范围，促进了数字化在家庭中的发展进程。依据现今社会的实际需求情况，设计一个以单片机为核心的多功能时钟系统5，既有基本的时间功能，定时功能使其充当闹铃，甚至扩展为对家电等电气产品的定时自动控制，丰富利用空间，方便生活。为了避免混淆不同的控制器，只需一个控制器就能够做到对各种电器进行操作；也可以增添温度传感器，实时掌握温度，扩展到利用温度的不同实现对某些特定的电气产品进行数字自动的操控；也可增加湿度传感器，通过对实时湿度测量，对湿度进行控制，实现数字化的方便人性化的健康生活。1.4 未来发展趋势总之，随着市场需求的变化，未来的的发展趋势将是：智能化仪表仪器仪表中将普遍应用单片机5。未来的仪表仪器应该是数字化、智能化、柔性化和多功能化的，而运用单片机这些功能都能够得到实现。对比传统的仪器仪表，智能化仪表可以做到多种形式的输出，可以与现代的各种电子设备相互匹配，例如与打印记录仪、电子存储器等相匹配，其灵活多变的优点是传统仪器仪表望尘莫及的。例如测量温度的温度测控仪、分析用的逻辑分析仪、常见的智能毫伏表及实验室的智能万用表。智能化仪器仪表的突出优点可以体现在：智能化仪器仪表能够做到灵活多变的输出信息；智能化仪器仪表有自行检测故障的功能；智能化仪器仪表能够对复杂的被测信号进行相应的计算和正确处理的功能，增强仪器仪表的实用性；智能化仪器仪表通过切换自动量程，可以提高分辨率与精度；智能化仪器仪表有自行修复误差功能；智能化仪器仪表具有实现多参数/多回路的精准监测功能；智能化仪器仪表具有对特定信号实行定点、定时测量强大功能。1.5 数字钟设计研究内容多功能数字电子钟设计是利用电子技术设计出一个数字时钟，数字钟可以将“时”、”分”、“秒”显示给人的计算时间的装置6。电子时钟系统有时钟电路，LED显示电路，定时报警电路，按键调整电路。通过本次多功能数字钟的设计，可以提高人的知识综合应用的能力、整体设计的能力，对以后从事电子产品的前线研制、实际生产、后期维修、市场经营等奠定扎实的基础。本次设计通过AT89C2051单片机来设计电子钟，用C语言编程实现，实现了小时，分，秒和年，月，日的显示、实现了倒计时等功能。1.6本章小结钟表的发展经历了各个时期，现如今电子的快速发展，电子钟的为人们的便利数字化健康生活做出越来越大的贡献，电子钟的设计与研究有着实际意义。本次的毕业设计主要是通过单片机AT89C20512的研究学习，熟悉掌握数字钟的系统，完成毕业设计。从中既可提高个人的综合知识应用能力、设计能力，也可以为以后从事电子产品的研制、生产、维修、经营等打下基础。2单片机2.1单片机（Single Chip Microsoftcomputer,简称MCU）简介单片机又可称为微控制器，把中央处理器（简称CPU），只读存储器（简称ROM），随机存储器（简称RAM），计时器（Timer/Counter），中断系统（Interrupt System），输出接口（简称I/O Interface）集中在一块半导体芯片上，由此构成一台完整的数字计算机。单片机是把中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、定时器、计数器、多种I/O口和中断系统等运用超大规模的集成电路的技术集成在一块硅片上，构成了一个小而功能完善的小计算机系统的集成电路芯片8 9 10。当今社会，单片机在人们生活的各个领域都扮演着不可小觑的角色，不论是达到自导弹上面的导航装置，能够实时控制和进行相应的数据处理的工业自动化过程，对飞机上复杂的仪表的控制，计算机的数据传输和网络通讯，到日常生活使用的各类智能IC卡，电子钟、录像机、风扇、全自动洗衣机等的控制，还是民用豪华轿车的安全保障系统，程控玩具、幼童的电子宠物，自动控制领域的机器人和智能仪表等各种智能机械等等都离不开单片机，单片机的身影无处不在11。Intel8031指令系统是目前比较广泛运用的系统，所有兼容这个指令系统的单片机统称为51单片机，该系列单片机的鼻祖为Intel的8031单片机，后来Flansh rom技术不断的发展，8031单片机成为了当前应用最广泛的8位单片机之一12。2.2单片机的发展历程2.2.1探索阶段20纪70年代，美国的一家知名公司Fairchild推出了首款单片机F8，紧随其后英特尔公司推出了应用更广泛、更具影响力的MCS48系列单片机，凭借体积小、重量轻、价格低廉和控制功能齐全的特点，得到了各方的青睐，这为单片机走得更好更远打了了坚若磐石的基础。在工业控制领域，MCS48系列单片机的推出与运用标志着计算机的智能化已经进入到应用嵌入式芯片的形态探索的新阶段13。这一时期具有的特点有： 1）单片机只保证了基本的控制功能； 2）主流研究嵌入式计算机系统的芯片的集成设计。2.2.2结构体系的完善阶段单片机发展的势头一发不可收拾，MCS-48探索的成功促使很快就推出了更加完善、更加典型的MCS-5l单片机系列。单片机MCS-51系列的一经推出，标志了Single Chip Microcomputer体系结构已经趋于完善。它主要在如下几个方面奠定了如今通用总线型单片机典型的结构体系：完善的总线结构：串行总线：通信总线，扩展总线；并行总线：8位数据总线、16位地址总线以及相应的控制总线，两个独立的地址空间。完善的指令系统：具有强大的逻辑控制功能和位处理的功能，达到满足工业控制和其他各方面的需要；功能单元的特殊功能寄存器SFR为集中管理11。MCS-51的完善，使其成为SCMC的典型体系结构。2.2.3发展阶段英特尔（Intel公司）向市场推出的MCS96单片机，开始把一些运用在测控系统的模数转换器(ADC)、调制脉宽的脉宽调制器(PWM)、监视程序运行的监视器(WDT)、高速I/O口加入到片中，使单片机典型的微控制器特征得到展现。MCS-51系列单片机已开始蔓延到各大电气商，许多电气公司争相使用80C51作为核心，把大多测控系统中需要使用到的接口技术、电子电路技术、可靠性技术运用在单片机上；伴随单片机的内外围的功能电路不断强大，智能控制器典型特征得到了明显的强化。微控制器(Microcontrollers)已经作为更能贴切表达单片机的名词8 12。其特点表现为：1）、达到了嵌入式应用外围扩展的要求，如模数转换器(ADC)、调制脉宽的脉宽调制器(PWM)、监视程序运行的监视器(WDT)、高速I/O口等。2）、众多计算机外围功能做到了集成，如：a) 配置现场总线接口：CAN BUS总线；b) 提供串行扩展总线：BUS总线、SPI总线、Microwire总线、I2C总线；c)CMOS化，提供了功耗管理的强大功能。d)提供OTP的供应状态，可以运用现代技术大规模批量生产。2.2.4MCU的成熟阶段单片机发展到这一新阶段，标志着单片机在工业控制领域中扮演智能化控制工具的主角的地位-不论是小到娱乐玩具、家电生产行业，还是大到车载、舰船智能机械的电子系统等领域，它的身影遍布计量测试、控制工业过程、机械电子技术、金融电子行业、办公自动化控制、商用电子行业、工业机器人、国家军事和国家航空航天事业等领域。为了达到满足不同的要求，涌现出了高速、运算功能强大、寻址快范围广和可以多机通信的8、16、32位三种的升级版通用型单片机，还有外围系统集成、袖珍廉价型的专用型单片机，形形色色各具特色的现代单片机陆续出现在大家的面前。单片机的发展已经到了万花争春的时代，用户有广阔的选择空间。这一时期的特点表现为：(1) 电气商、 半导体商加入战争MCS-48单片机的巨大成功，迅速刺激了各个半导体公司，他们争相研制和努力发展各自的单片机系列。到目前为止，约莫有50个系列300多个种类的单片机产品已陆续由世界各地厂商经过努力研制出来，其中最具代表性的分别有摩托罗拉Motorola公司的6801、6802，由Microchip公司研制的PIC系列，Zilog公司研制的Z-8系列等11。另外在开本的日立公司、NEC公司也都相继研制出各具特色的性能好的单片机品种。(2)大力发展专用单片机专用型与通用型的区别是经过某一型号单片机具体能够适用的范围区分的。比如，80C51属于通用型单片机，因为它并非为了某一种专门用途而专门设计的单片机；而专用型单片机是针对一个特定产品或某一类产品特定的需要而设计、最后生产出来的单片机。例如，生活中的全自动洗衣机中需要用到的微控制器或者来电显示电话和手机中那些配备有液晶驱动器接口的专用单片机，这些就是专用单片机；特别是智能玩具、日常小家电领域需要的单片机，大多数是小封装、外设接口相对集成度高、价格便宜的外围器件，它们多半是专用单片机20 21。(3)综合品质高在体系结构(精简指令微处理器)、支持ISP、IAP等高级语言的开发环境、电磁兼容性能、功耗管理等诸方面都得到了明显的提高。根据选用的技术与控制单元设计的方法不同，目前市场上的大多单片机可区分为两大类型：精简指令集结构(RISC)和繁杂指令集结构(CISC)。精简指令集结构的特点是成本相对较低，指令和寻址方式少，结构简单，能够较快的执行程序，已经成为单片机中一颗闪亮的新星，如PIC、Z86HCXXX和EM78XX；而繁杂指令集结构(CISC)具有寻址方式多，指令数量丰富，适合初学者的系统的学习的特点，如英特尔的80C51或MC68K、80C196。IAP和ISP方式是现今两种比较先进的实时在线的开发方法。不用借助传统的开发装置，凭借单片机和计算机高性能特点，就可以实现需要的在线仿真。(4)C语言的广泛支持a) 普遍的单片机都做到支持C语言编程，为以后学习和应用单片机奠定了基础14；b) 高级语言大大降低了选型的障碍，易于优化、升级和交流程序。2.351单片机的概况 1980年由美国的INTE公司推出的MCS-51系列单片机，对比于MCS-48单片机，功能更加强大，拥有先进的结构，在本来的基础上也增添了更多的电路单元和系统指令,指令数达到了111条。从各个方面说，MCS-51都是相当成功的产品，时至今天，MCS-51系列及其所有兼容的单片机依然是单片机应用的主流产品20 21。8031、8051和8751等通用产品是MCS-51系列单片机的主要组成，其主要的功能具体有：8位CPU、数据存储器(RAM) 、程序存储器(ROM)111条指令（大部分为单字节指令）、32条I/O口线可编程定时/计数器、专用寄存器全双工串行通信口逻辑操作的位寻址功能、外部程序的存储器寻址、外部数据的存储器寻址单一+5V电源供电由于51MCU拥有性能比较优越的专用寄存器、统一管理和典型的网络结构，对于拥有控制方式多样的指令系统以及众多逻辑位控制功能，被称作一代“名机”，巨大的效益等等都为以后的其它单片机的发展奠定了不可磨灭的坚实基础。其杰出的性能和完善的构造甚至导致后来的很多厂商多参考或沿袭了其体系结构，很多世界性大电气商在以后的时间里丰富、完善和发展了MCS-51单片机。最近几年C51更是迅猛的发展，C51的发源公司是INTEL公司，PHILIPS公司从未抛却改善单片机的性能，在原来的基础上已发展出了A/D转换器，高速I/O口，脉宽调制PWM、WDT等增强的功能，并且在功耗微小、低电压、网络控制总线CAN和扩展串行总线I2C等功能都做了相应完善。而ATMEL公司推出的兼容C51的AT89Cxx系列单片机，可以完美地将非易失闪存技术Flash EEPROM与80C51内核结合起来，而且你会发现其仍然是采用C51单片机典型的总体结构和典型的指令系统，Flash存储器可反擦写程序，这样不仅可以有效地减少开发成本，而且能使单片机可以作多次重复使用20。51系列单片机的精益求精，使其有了更加广泛的发展与运用；也恰恰因为其广泛的发展和广泛的应用，推动了51系列单片机的功能的不断完善，相辅相成，向着更加光明的方向发展着。2.4单片机的应用及前景由于单片机具备质量轻，体积小，价格便宜的优点；强大的控制功能，丰富的指令；抗干扰能力强；IO引脚相对较少；片内存储器容量比较小等诸多特点，因此其在日常家电，游戏机，幼童玩具，仪表仪器，计算机的外围设备，机电一体化的产品，分布式的监控，工业控制等诸多领域有着广泛的应用。可以预见在不久的将来，随着各种电子产品的发展，性能强大、功能多、低电压、高速度、存储器容量大、功耗低的单片机将会出现在我们面前。一个更为广泛的应用前景等着单片机。2.5本章小结 通过了解单片机的发展与发展方向，主要运用做到为课程设计选择合适的单片机，为课程设计中排解问题奠定基础。3各个模块的特性及结构本次毕业设计的目标：借助51单片机让电子钟实现基本的时分秒的显示功能。这次将由两大模块组成：由AT89C2051单片机控制的模块和由LED实现显示的模块。3.1 AT89C2051单片机模块【引脚电器性能】AT89C2051单片机端口特性： P1口：P1口是一个具备8位双向的I/O端口，其中引脚P1.0和P1.1需要要求外部上拉电阻，P1.2P1.7引脚都带有内部上拉电阻。P1.0和P1.1还各自具有能作为片内精密模拟比较器的反相输入(AIN1)和同相输入(AIN0)的作用15。P1口做输出缓冲器功能用时，能吸收达20mA的电流，而且可以直接驱动LED进行显示。当对端口写1时，经由内部的上拉电阻就已经把端口拉到了高电位，此时可作为输入口12。P2口：当把P2口作为输入口时，由于内部据有上拉电阻，这时被外部信号拉低的那些引脚就会输出一个电流（Iil）。图3.1 AT98C2051外部引脚图P3口：8位双向的I/O端口中P3.0P3.5和P3.7，这7个I/O端口都带有内部上拉电阻。P3.6不仅可以作为只读的通用引脚，而且可以对输入片内比较器对应的输出信号起到固定的作用。P3口做输出缓冲器功能用时，能吸收达20mA的电流。当对端口写1时，经过内部的上拉电阻实现了端口拉=至高电位，这时具有作输入口的功用。另外P3口作输入口时，由于内部具有上拉电阻，这时被外部信号拉低的那些引脚会输出一个电流（Iil）。内部单元：运算器：1、算术逻辑部ALU：能够进行+、-、*、/ 的算术运算和对布尔代数进行逻辑运算，程序状态寄存器的一些位能受运算结果的控制，这就能为转移、判断、十进制是否出错和进行修正等提供了依据16 17。2、累加器A：算术逻辑运算中能够存放需要的结果或者操作数，A能够完成跟外部存储器和I/O接口的数据传送18。3、寄存器B：在 *、/ 运算中需要寄存器B 。做乘法运算时，乘数和运算结果中积的高字节存都放在B上；做除法运算时，除数和余数也都需要存放在B上。不需要乘除运算时，B则可以当作通用寄存器18 19。4、程序状态标志寄存器PSW：存储了当前指令运行后操作结果的特有特征，为下一条执行指令提供了依据。【PSW】 (D0H) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Cy AC F0 RS1 RS0 OV PCy：进位是标志。有借位或进位两种，则Cy0,否则Cy1；在做布尔运算时，Cy充当布尔处理器22。AC：辅助进位标志位。F0：用户标志位，用户要决定程序的流向，可用软件对F0置位“1”或清“0”实现。OV：溢出标志位，如果运算结果溢出，OV为“1”，其他为“0”。D.1：未定义。P：奇偶校验位，如果累加器A中“1”的总个数为单数时，P置“1”，其他P置“0”。RS1、RS0：为工作寄存区选择位11 12。【片内工作寄存器组】RS1、RS0与片内工作寄存器组的对应关系【21个特殊功能寄存器SFR】控制器：1、指令寄存器IR和指令译码器。2、程序计数器：其中存放了CPU执行下一条指令的地址。一个能够寻址64KB 的16位寄存器 。3、堆栈指针SP：拥有子程序的调用和中断处理功能。【机器复位后，SP#07H ，所以可以知道压栈的第一个数据在08H单元中】。4、数据指针寄存器：具有16位的寄存器，同时可以当作两个8位的寄存器DPH和DPL 。DPTR能够对外部RAM做间接寻址，主要作为外部的数据指针8。MCS-51是由包含PC在内的一共有22个特殊功能的寄存器，每个除了有特定的名称外，还拥有各自确定的地址，离散的分布于片内RAM中，具体是在80HFFH，共128个存储单元中。特殊提醒的是在这128个储存单元构成的SFR块中，那些未被占用的单元不能使用！【SER块中具有位寻址功能寄存器的位地址】【存储器】1、数据存储器（即RAM）MCS-51系列可分3部分，有128B内部数据存储器：3.2 LED显示模块3.2.1LED数码管的原理研究表面有部分的半导体材料，注入到PN结构中的少数载流子和多数载流子会产生复合，并以发光的形式释放出能量，这样就把电能直接转换为光能。当PN结加了反向电压时，只有少数的载流子，数量太小难以注入，所以不会发光。发光二极管指运用注入式电从而导致发光的原理制作出来的二极管，通常又称为LED，英文为Light Emitting Diodo3 5.LED数码管实际上是由七个发光管一起构成8字形，这样加上小数点一起8个，如图3-2所示，这些段我们标了字母a,b,c,d,e,f,g,dp，其中DP表示小数点。当数码管特定的段上加了电压后，加压段就会发出光亮，从而显示了不同的字样。如果发光二极管的阴极全部连接在一起，再全部连接低电平的称做共阴极数码管，如图3-3所示，发光二极管的阳极全部连接在一起，再全部连接到电源正极的称做共阳极数码管，如图3-4所示。 图3.2 数码管 图3.3 共阴极数码管 图3.4 共阳极数码管各段码位的对应关系，如表3-1所示：表3.1 码位对应关系段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段DpgfedcbaLED显示断码如表3.2所示：表3.2 LED显示段码字型共阳极段码共阴极段码字型共阳极断码共阴极段码0C0 H3F H990 H6F H1F9 H06 HA88 H77 H2A4 H5B HB83 H7C H3B0 H4F HCC6 H39 H499 H66 HDA1 H5E H592H6D HE86 H79 H682 H7D HF84 H71 H7F8 H07 H空白FF H00 H880 H7F HP8C H73 H根据我们所采用的AT89C2051单片机的特点，我们选用了共阳极数码管。将2051的P0.0P0.7与共阳极数码管的ap相连，高电平的位相应的LED数码管发亮，低电平的位相应的LED数码管的段不亮，由此实现当P0口输出不一样的段码，就能够控制数码管显示出我们需要的不同字符。3.2.2LED数码管驱动方式LED数码管能够正常显示需要用到驱动电路，驱动电路可以驱动数码管的段码，达到显示的效果，驱动LED数码管方式有两类分别为静态式及动态式。1)静态显示驱动静态驱动又称直流驱动。数码管的段码每一个都经由一个单片机的I/O端口来做驱动，或者利用如BCD码通过二-十进制译码器来译码达到驱动的为静态驱动。静态驱动有显示的亮度高、编程方便简单的优点，缺点则是占用I/O端口较多，实际应用时还需要添加译码驱动器实现驱动，麻烦使得硬件电路更加复杂。2）动态显示驱动LED数码管比较多运用的显示方式是动态显示，动态驱动是指把全部数码管，一共8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连接在一起，这样只要控制公共极COM的位选通就可以控制电路中的每个数码管，就是能够选定想点亮的特定的数码管，I/O线控制各自独立的位选通。此时如果单片机输出了字形码，那么其他的数码管都接收到一样的字形码，打开需要显示的数码管的选通控制，该位就会显示出字形，而没有选通的数码管就不会显示。分时按顺序的控制每个数码管的COM端，那么数码管就会按控制结果按顺序的显示，这就是动态驱动。发光二极管具有余辉效应而人的视觉会暂留，利用这些知识在各位数码管并非同时点亮的情况下，满足扫描的速度足够快，一般需要扫描频率比人眼能分辨出的最大频率50Hz大时，那么给人的感觉等同于一组稳定的显示数据在显示，不用担心看到的是闪烁的数据，这时动态显示效果和静态显示的效果是相同的，采用动态显示的优点是可以节省下大量的I/O端口，并且功耗更加低3。3.3 多功能数字电子钟技术路线3.3.1多功能数字电子钟结构、流程图多功能数字电子钟钟 闹铃按键模块定时时间显示校时 图3.5 结构功能图NYYN系统初始化开外部中断有无按键按下?读定时器获取时间信息LED数码管显示当前时间T=T?继续按键处理子程序开始闹铃处理子程序图3.6 数字时钟流程图3.3.2功能实现路线1、时钟的功能：上电后会显示出10：10：00 ，寄意十全十美。2、校时的功能：点按一下S1，那么当前时间和冒号转变成闪烁状态，点按下S2则小时位会累加1，点按S3则分钟位会累加1，其中秒时不能调。3、闹钟的功能：点击二下S1，显示状态转变成22：10：00，冒号显示长亮状态。点按S2则小时位累加1，点按S3则分钟位累加1，秒时不可调。如果按击小时位次数超过23次则会显示为-：-：-，此时已经关闭了闹钟功能。闹铃声为蜂鸣器长鸣3秒钟。4、倒计时的功能：点按三下S1，显示状态转变成0，冒号变成了长灭状态。此时按击S2会从低位陆续显示到高位，点击S3则相应位累加1，当S2点击了6次时就会在刚才所设定的时间开始倒计时，再次点击S2就再次进入到了调整功能，并且停止倒计时。5、秒表的功能：点击四次S1，显示状态转变成00：00：00，冒号变成长亮。点击S2会开始进行秒表计时，再次点击S2就会停止计时，此时点击S3则秒表清零。6、计数器的功能：当点击五次S1，显示状态转变成00：00：00，冒号显示长灭状态，点击S2则计数器累加1，点击S3则计数器进行清零。3.4 本章小结本章主要是关于AT89C2051单片机的模块介绍，包括引脚电器性能、内部单元、片内工作寄存器组、存储器等；LED显示模块是关于LED数码管的原理和LED数码管驱动方式 ；多功能数字电子钟技术路线等。4硬件电路设计经过对多功能电子钟的系统原理图的详细分析，和模块功能的具体实现，对每一个模块的电路进行以下具体的搭建5。4.1 复位电路51单片机的复位需要通过外部的复位电路来实现1。经过一个斯密特触发器可以把复位电路和复位引脚RST相连，其中这个斯密特触发器能够抑制噪声。上电复位：比较简单的复位电路。只需接一个电容把RST复位引脚连接到VCC，再接一个电阻连接到地就搞定了。上电复位是指给系统上电的时候，复位电路通过电容会给RST复位引脚一个短暂的高电平信号，电容充电时间影响RST引脚复位的高电平能够维持的时间，复位信号伴随VCC对电容的充电过程而变化。只有RST引脚的高电平信号维持足够长的时间，才能保证系统安全可靠的复位5。电路图如下：图4.1复位电路上电自动复位可以通过外部复位电路中的电容充电实现。其中Vcc的上升时间不会超过1ms，那么就能够实现需要的自动上电复位。4.2 按键电路按键的开关可以通过电路高、低电平的变化来控制。按键如果闭合那么在相应的I/O端口就会形成一个对应的负脉冲。由于机械抖动，闭合和释放过程，需要一定的方法来达到一个稳定的状态，这里我们把介于高、低电平之间的不稳定状态，我们称作抖动。抖动持续时间多久由开关特有的机械特性决定，一般常见的为5-10ms。所以一般需要采取延时或者其他措施消除抖动，杜绝CPU屡次处理按键的同一次闭合。本次毕业设计选用了独立式按键，用I/O口线直接构成了单个按键电路，每一个按键分别占用了一条I/O口线，每一个按键的工作情况互不影响。电路图如图4-2所示：图4.2按键电路P1.0是高电平，则表示有键按下，进行相应操作 ；当变为低电平时，则停止P1.1是高电平，则表示有键按下，进行相应操作；当变为低电平时，则停止P1.2是高电平，则表示有键按下，进行相应操作；当变为低电平时，则停止4.3 时钟电路如果单片机跟人一样有心脏的话，那就是时钟，因为单片机中的各个功能部件的运行都需要以时钟频率作为基准，随着时钟频率井然有序的工作。时钟频率的大小直接影响着单片机的速度，而时钟电路的质量则决定了单片机系统的稳定性。比较常用的时钟电路有两种，分别为内部时钟和外部时钟两种方式。本次毕业设计采用的是内部时钟方式。电路图如图4-3所示：图4-3时钟电路51单片机在内部有一个高增益反相放大器的装置，它可以构成振荡器，这个高增益反相放大器有输入和输出两个端口，其中输入端为芯片引脚XTAL1，输出端则是引脚XTAL2。这两个引脚如果把微调石英晶体振荡器和电容跨接，就组成了一个自激振荡器5。4.4 显示控制电路我们采用的是LED共阳极显示屏，当我们给相应的数码管高电平时，相应的数码管就会发亮。通过总线连接数码管的数字输入端，借助单片机进行相应的数位控制，还有循环扫描控制，根据人眼的视觉暂留原理，达到给人视觉数位数码管是同时显示的效果。其原理示意图如图4.4所示：图4.4 显示控制电路4.5 数码管显示电路数码管显示器具有能够灵活配置，成本低，能方便简单的与单片机接口相连，所以广泛运用在单片机应用系统中5。数码管的工作原理：数码管是由八个发光二极管组成的显示器件。本文采用的八个数码管均为共阳极的。当发光二极管被导通时，就发出光亮。每一个二极管相当于一个笔划，若干个二极管同时发出光亮时，就组成了一个想要显示的字符。把数码管的a-g与单片机的I/O口控制的相应芯片连接，此时加高电平的位相应的发光二极管开始发光，这样I/O口就实现输出了不同的代码，达到控制了数码管显示不一样的字符。本毕业设计的八个数码管都采用了动态显示方式来显示时间。4.6 电源电路设计电源电路包括桥式整流器、变压器、稳压器和电容。通过变压器变压可以使220V电压变为我们需要的5 V，在利用桥式整流3，稳压器的稳压作用，电容的滤波作用，达到输出稳定的5V电压。在本毕业设计中，用电池代替。图4.5 电源电路4.7 综合电路的实现鉴于对每个模块电路的设计和分析，结合了我们最终想要完成的电子钟需要实现的显示功能和满足基本的调时功能、倒计时功能7。我们设计出如下的综合电路，如图4.6所示：图4.6 电子钟电路原理图4.8 本章小结本章介绍的是本次毕业设计的硬件结构，单片机的相关I/O口输入输出，以及如何实现相应的控制功能，还介绍了单片机的时钟电路和复位电路等。505系统软件的设计基于以单片机AT89C2051作为核心的控制下，实现显示秒、分、时、闹钟、倒计时功能，本设计系统主要有两大模块，它们分别是主程序和中断程序。我们通过2051单片机的基本的C语言进行其逻辑编程，使其达到我们需要的功能。5.1 调时功能本设计有三个按键，当2051单片机的P1.0端口的键检测被按下时，即P1.0端口检测到的是高电平时，系统就进入调整的状态；当P1.1端口上的键检测被按下时，系统则进入相应的操作；当P1.2端口上的键检测被按下时，系统则进入相应操作。当检