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多功能数字时钟设计报告参赛单位： 电气与电子工程系指导老师： 赵红梅作 者： 孔范升、党俊博、于宝明摘要：电子时钟与我们生活息息相关，本文介绍 STC89C52 单片机控制的具有时钟、闹钟、倒计时、秒表、计数器功能的电子时钟，数码管采用动态显示，工作稳定，时间较精确。关键字：STC89C52、数码管、C 语言。Abstract: The electronic clock with our lives this paper STC89C52Microcontroller with clock alarm clock countdown stopwatch counter functionof the electronic clock digital dynamic display stable more accurate time.Keywords: STC89C52 digital tube C language.方案概述1.1 设计背景 时钟，自从它被发明的那天起，就成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是在现在这个讲究效率的年代，时钟更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。然而随着时间的推移，人们不仅对于时钟精度的要求越来越高，而且对于时钟功能的要求也越来越多，时钟已不仅仅是一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。诸如闹钟功能、日历显示功能、温度测量功能、湿度测量功能、电压测量功能、频率测量功能、过欠压报警功能等。钟表的数字化给人们的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。可以说，设计多功能数字时钟的意义已不只在于数字时钟本身，更大的意义在于多功能数字时钟在许多实时控制系统中的应用。在很多实际应用中，只要对数字时钟的程序和硬件电路加以一定的修改，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。因此，研究数字时钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。怎样让时钟更好的为我们服务？怎样让时钟更符合实际应用的需求？这就要求人们不断设计出新型时钟，不断设计出适合实际应用的多功能时钟。本设计方案正是根据以上所述并结合日常生活中对时钟功能需求的分析，运用单片机技术，设计出一个适合日常生活需要的多功能数字时钟。此多功能数字时钟除了传统的显示时间功能之外还具秒表功能以及定时器闹钟功能。1.2 应用领域 自单片机出现至今，单片机技术已走过了 30 多年的发展路程。纵观 30 年来单片机发展里程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。单片机应用最多的领域主要有以下：因它具有“小、轻、廉、省”的特点，所以特别适用于“电脑型产品”，在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备、家庭安防设备等许多产品上得到应用。适用于仪器、仪表，不仅能完成测量，还具有处理、监控等功能，易于实现数字化和智能化，有利于“机电一体化”技术的发展，多用于数控机械、医疗设备、汽车等。1.3 模块设计1.3.1 时钟模块方案的比较与确定方案一：采用 TTL、CMOS 集成电路实现的，其系统方框图如图 1 所示。数字钟主要由以下几个部分组成：信号源、分频器、十进制计数器、六进制计数器、二进制计数器、BCD七段显示译码/驱动器、LEDLight-emitting-diode七段显示数码管、时间校准电路和闹时电路。这是一种纯硬件电路系统，用时序逻辑电路实现时钟功能，用 555 定时器实现闹钟报时的设定。该电路具有抗干扰强、计算精确，使用元器件种类少等优点，但是这种实现方法可靠性差、控制精度低，灵活性小、线路复杂、安装调试不方便，且不具备对测温信号进行数据处理的功能。要实现测温功能必须再添加处理芯片，系统集成度低。方案二：利用可编程逻辑器件 PLD（Programmable Logic Devices）实现。可编程 逻 辑 器 件 PLD 具 有 集 成 度 高 、 速 度 快 、 功 耗 小 、 可 靠 性 高 等 优 点 。 且EDAElectronic Design Automation软件的功能和时序仿真功能使得电路的调试变得十分方便。这种方案与前一种相比，可靠性增加，同时可以很好的完成时钟的功能。但是对于温度测量，其不具备对测温数据的处理功能，无法很好的完成扩展功能的要求。同时这种方案只能选用数码管显示，显示的效果不够理想。因此，系统的灵活性不够。方案三：利用单片机内部具有的计数器实现时钟功能。以 12MHz 晶振为例，通过计算可知，使定时器每 50ms 产生一次中断，当产生 20 次中断后秒单元将加一，以此类推，从而实现时、分、秒的走时，并加以显示。虽然这种方法存在由于系统晶振误差、温漂、中断响应时间的不确定性及定时器重新装载时间常数所带来的误差等不足。而且用这种方法实现的时钟在断电的情况下将停止走时，通电后必须再初始化，需要重新调表。但是利用这种方法实现的系统具有一定的可扩展性。由于时钟的实现大部分是由软件的编程来实现的，因此没有前几种方案中来自硬件的束缚。只要对数字时钟的程序和硬件电路加以一定的修改，就可应用到一些实时控制的系统中去。系统的实用意义更大。通过以上三种方案的比较，决定采用方案三。1.3.2 显示模块方案的比较与确定采用 LED 数码管进行显示，这种方法具有亮度高、体积小、重量轻且经济耐用等优点，但其显示不够直观、提供信息量少、不易理解且需要外加译码电路，电路连接比较复杂。利用数码管显示通常有以下两种方案：方案一：静态显示，所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个 8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的 I/O 口太多，造成了资源的浪费。方案二：动态显示，所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了 I/O 口，降低了能耗。但必须考虑 LED 扫描速度以及 LED 点亮时间与间隔时间之间比例关系的安排。最终采用动态显示方式。1.4 功能描述1、显示原理：显示部分主要器件为2位共阴红色数码管，各端口配有限流电阻，驱动方式为动态扫描，占用P0.0P0.6端口、P3.03.5，P3.7。2、键盘原理：按键S1S3采用复用的方式与显示部分的P3.5、P3.4、P3.2口复用。其工作方式为，在相应端口输出高电平时读取按键的状态并由单片机支除抖动并赋予相应的键值。3、迅响电路及输入、输出电路原理：迅响电路由有源蜂鸣器和PNP型三极管组成。其工作原理是当PNP型三极管导通后有源蜂鸣器立即发出定频声响。驱动方式为独立端口驱动，占用P3.7端口。输出电路是与迅响电路复合作用的，其电路结构为有源蜂鸣器，5.1K定值电阻R6，排针J3并联。当有源蜂鸣器无迅响时J3输出低电平，当有源蜂鸣器发出声响时J3输出高电平，J3可接入数字电路等各种需要。驱动方式为迅响复合输出，不占端口。输入电路是与迅响电路复合作用的，其电路结构是在迅响电路的 PNP 型三极管的基极电路中接入排针 J2。引脚排针可改变单片机 I/O 口的电平状态，从而达到输入的目的。驱动方式为复合端口驱动，占用 P3.7 端口。1.5 技术指标及特点1）设计数字电子钟实现准确计时，由六位数码管分别显示时、“分”、“秒”。2）计时误差不超过 0.05 秒。3）手动设置修改时间功能控制功能。 单片机设计的产品结构上的设计主要是满足控制的需要，因此，它在硬件结构、指令系统及 I/O 能力等方面均有其独特之处，其显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能，故也可以把单片机成为微控制器。 与普通的微型计算机相比，单片机主要具有以下特点：（1）体积小、结构简单、可靠性高 单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于恶劣环境下工作。（2）控制功能强 单片机虽然结构简单，但是它 ， “五脏俱全” 已经具备了足够的控制功能。单片机具有较多的 I/O 口，CPU 可以直接对 I/O 口进行 I/O 操作、算术操作、逻辑操作和位操作，指令简单而丰富。所以单片机也是“面向控制”的计算机。（3）低电压、低功耗 单片机已可在 2.2V 的电压下运行，有的已能在 1.2V 或 0.9V 电压下工作；工耗降至A 级，一颗纽扣电池就可以长期使用。（4）优异的性能价格比 由于单片机构成的控制系统硬件结构简单、开发周期短、控制功能强、可靠性高，因此，在达到同样功能的条件下，用单片机开发的控制系统比用其他类型的微型计算机开发的控制系统价格更便宜。.系统工作原理2.1 功能框图 MCU 按键 STC89C52 复位电路 数码管显示 蜂鸣器 稳压电源2.2 详细描述 该电子时钟由 89C52，BUTTON七段数码管等构成，采用晶体振荡电路作为驱动电路，由延时程序和循环程序产生的一秒定时，达到时分秒的计时，六十秒为一分钟，六十分为一小时，满二十四小时为一天。而电路中唯一的一个控制键却拥有多种不同功能，按下又松开，可以实现屏蔽数码管显示的功能，达到省电的目的；直接按下不松开，则可以通过按键实现分钟的累加，每按一次分钟加一，而连续按下按键 S1 完成功能切换，则可实现小时的调节，时钟的调节，定时器的调节，同样每按 S2、S3 一次小时加一，分钟加一。 当闹铃时间到时，蜂鸣器持续响三秒。.硬件及程序设计设计3.1 硬件设计（电路图，详细描述，及仿真图） 图 1 STC89C52 单片机其中 P0 口给 led 输送段码，P3 口为数码管输送位码，同时 P3口复用做 S1-S3 按键控制。图二为稳压电路及电源指示灯 图三为复位电路 图四仿真整体图 图五为 proteus 时钟仿真图六为 proteus 秒表仿真3.2 软件设计（算法描述，流程图） 主函数 时钟显示 按键检测 短按 s1 一 次 四 二 三 次 次 五 次 次 校时功能 闹钟功能 倒计时功能 秒表功能 计数器功能 长 长 长 长 长 按 按 按 按 按 s1 s1 s1 s1 s1 Y Y Y Y Y N N N N N 结束. 系统测试及结果（测试方法、仪器、数据等）4.1 焊接及测试按照先低后高，先小后大，先卧式后立式的顺序，正确插入元件，其高低、极性要符合规定。1 先从最低元件安装，应先安装、焊接跳线机及电阻、插针、用铜线做跳线， 电阻引脚不分正负，焊接时间最好控制在 2-3 秒。2 安装、焊接瓷片电容，瓷片电容不分正负极。3 安装、焊接轻触开关4 安装、焊接三极管。三极管的外形基本一样，注意分清，且方向要和电路板 上的方向一致。5 安装、焊接 12MHZ 晶振，晶振没有正负极。6 安装、焊接电解电容，瓷片电容，装的时候要躺着安装，立着会影响发光二 极管的显示不整齐。7 安装、焊接 40 脚 IC 插座，从用一小缺口或小圆点标记的地方以逆时针数依 次为 1-40 脚，安装时要注意缺口和电路上的缺口相一致。40 只引脚都插到 位后，先用手指按住，固定对角两只引脚，防止插入的引脚掉出来，再把板 放到桌面上把剩下的引脚焊好。焊好后不要急于插入单片机芯片，因为还有 其他元件焊接，防止电烙铁带静电击坏单片机芯片。8 安装、焊接蜂鸣器。9 安装、焊接 LED。LED 和普通二极管一样，有正负极之分，不能装错。10 安装、焊接数码管认识数码管内部结构。4.2 调试1.正常走时：默认为走时状态，按 24 小时制分别显示“时时：分分：秒秒”，时间会按实际时间以秒为最少单位变化。2.走时调整：按 S1（或 S2、S3），时位、分位、秒位会有其一快速闪动，按 S1 按菜单循环， S2 和 S3 可以对闪动的数字进行加，从而达到快速设定时间的目的。误差修正状态：大家知道，即便是世界上最优良正统的石英晶振，频率也会有偏差，需要电容微调校正频率，不同的电容和负载会影响到频率偏移。这种情况可能会使日误差达到几十秒。当然，配备优质正品元件会使走时误差小到几秒，如果设计微调电容的话，就可以使每天的走时误差小到 1 秒以内。4.3功能及操作说明： 操作时，连续短时间小于1秒按动S1，即可在以上的6个功能中连续循环。中途如果长按大于2秒S1，则立即回到时钟功能的状态。1、时钟功能：上电后即显示00：00：00。2、校时功能：短按一次S1，即当前时间和冒号为闪烁状态，按动S2则小时位加1，按动S3则分钟位加1，秒时不可调。3、闹钟功能：短按二次S1，显示状态为22：10：00，冒号为长亮。按动S2刚小时位加1，按动S3则分钟位加1，秒时不可调。当按动小时位超过23时则会显示-：-：-，这个表示关闭闹钟功能。闹铃声为蜂鸣器长鸣3秒钟。4、倒计时功能：短按三次S1，显示状态为 0，冒号为长灭。按动S2则从低位依此显示高位，按动S3则相应位加1，当S2按到第6次时会在所设定的时间状态下开始倒计时，再次按动S2将再次进入调整功能，并且停止倒计时。5、秒表功能：短按四次S1，显示状态为00：00：00，冒号为长亮。按动S2则开始秒表计时，再次按动S2则停止计时，当停止计时的时候按动S3则秒表清零。6、计数器功能：短按五次 S1，显示状态为 00：00：00，冒号为长灭，按动 S2则计数器加 1，按动 S3 则计数器清零。4.4 元件清单 Comment Designator Footprint QuantityVolt Reg VR1 D2PAK 1LED1 D1 LED3.0 1电阻 R3 R4 AXIAL-0.4 2电容 C1 C4 C5 RB7.6-15 3PNP S8550 SOT-23B 1Buzzer LS1 BUZZER 1Header 4 USB1 USB 1XTAL Y1 R38 1Cap C2 C3 RAD-0.3 2数码管 DS1 DS2 DS3 DS4 DS5 DS6 H 6开关 S1 S2 S3 S4 DPST-4 489C52 DIP40 1RES10 R1.R2 SIP9 2.结束语 经过大量查找资料和老师的指点，我们将所设计的六位数码管电子钟焊接成功，在这个过程中，我们了解了各个元器件的识别与测量，也了解了 STC89C52单片机及其引脚功能。同时明白了六位数码管电子钟的工作原理并实现了其功能。 本程序设计时，只用了一个定时器 T0，其他的中断全部关断。简短的定时中断程序负责时间的计数和进位功能，这是保证走时精确。有三个轻触式按键：功能切换为 S1，调整键 S2， S3。此数字钟采用了一只 PNP 型的三极管 S8550及蜂鸣器为闹时讯响电路。 通过这次电子钟设计，我深刻明白了理论知识与社会实践相结合的道理，从总得到了以前书本知识所不曾得到的知识。更加明白了如今信息时代电子技能知识的重要性。增强了我对实际工艺技术、电子技术和设备技术等方面的认识，掌握了分析处理方法，调试、计算等基本技能的训练。.参考文献1 何立民主编. 单片机应用文集. 北京:北京航空航天大学出版社，19942 王福瑞主编. 单片微机测控系统设计大全. 北京：北京航空航天大学出版社，19993 夏继强 沈德金主编. 单片机实验与实践教程. 北京：北京航空航天大学出版社，20024 李鸿.单片机原理及应用M.湖南：湖南大学出版社，2004.5 马忠梅主编. 单片机的 c 语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社，2003.附录：附录为主程序 C 语言代码全部代码见附件void main /主程序P10xffP30xfftime0_initwhile1switchprogramcase 0: whileprogram0 /时钟菜单 switchshow_key case 0: break case 1: program0 break case 2: program1 break break /校时菜单case 1: whileprogram1 switchshow_key case 0: break case 1: program0 break case 2: program2 break