毕业设计(论文)-基于AT89C2051单片机的智能数字钟的设计

1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 基于单片机的智能数字钟的设计学生姓名 专业班级 学 号院 （系）电气信息工程学院指导教师 完成时间2012 年12月10日基于单片机的智能数字钟的设计摘要本设计论文介绍了用 AT89C2051单片机控制的数字钟的硬件结构与软件设计,给出 了汇编语言源程序。此数字钟是一个将“时” 、“分”、“秒”显示于人的视觉器官的计时 装置。它的计时周期为 12小时，显示满刻度为 12时 59分 59秒99毫秒，另外应有校 时功能。 电路由时钟脉冲发生器、时钟计数器、 译码驱动电路和数字显示电路以及时间 调整电路组成。用晶体振荡器产生时间标准信号，这里采用石英晶体振荡

2、器。根据 60 秒为 1分、60 分为 1小时、24小时为 1天的计数周期，分别组成两个 60进制（秒、分）、 一个 12 进制（时）的计数器。构成秒、分、时的计数，实现计时的功能。显示器件选 用LED七段数码管。在译码显示电路输出的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号。针 对数字钟会产生走时误差的现象，在电路中就设计有有校准时间功能的电路。关键词：单片机；AT89C2051数字钟；计时Based on SCM multi-purpose digital clock designAbstractThe paper mainly presents the hardware and software

3、 design of the digital clock using AT89C2051. The source program using assemble Language is given. This digital clock is a time-device, which can display hour, minute, second. Its time period is 12 hours and the full scale of the display is 12 hours, 59 minutes, 59 seconds and 99 milliseconds and it

4、 has the function of time adjustment. The circuit consists of the clock pulse generator, the clock counter, decoding drive circuit, digital display circuit and the time adjustment circuit. It generatestime standard signal using crystal oscillator, here is the quartz crystal oscillator. Because 60 se

5、conds is 1 minute, 60 minutes is 1 hour and 24 hours is 1 day, we uses two counters of 60 parts and a counter of 12 part separately to constitute the count of percentage of second, second, minute, and hour. So it can realize time function. Display component selects seven-segment numerical tube LED.

6、Driven by decoding output circuit, it can display showing clear and intuitive figures. Due to walking error of digital clock, we design time calibration circuit in the system.Key words：Single-chip microcomputer; AT89C2051; Digital clock; Time目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document

7、第1章绪论1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.1前言 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.2设计的目的及意义1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第2章数字钟的功能实现与设计方案 2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2.1数字钟的功能及设计要求 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.2数字钟的实现形式2 HYPERLINK l boo

8、kmark16 o Current Document 2.3方案的确定32.3.1微处理器 32.3.2显示电路 32.3.3按键电路 4第3章数字钟的硬件系统设计 5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 3.1数字时钟的硬件系统框架 5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 3.2数字时钟的主机电路设计 5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.2.1系统控制芯片 CPU (AT89C2051)的选择 53.2.2系统时钟电路设计 103.2.3系统

9、复位电路设计 123.2.4按键与按钮电路设计 133.2.5闹铃声光指示电路设计 133.2.6数字钟的显示电路设计 13 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.3校时电路设计173.3.1校时原理 183.3.2国家授时中心 183.3.3窗口比较器 193.3.4校时电路电路图 20 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3.4电源设计20 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 第4章程序设计24 HYPERLINK l bookmark44 o

10、Current Document 4.1主控模块设计 24 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 4.2基本现实模块设计25 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 4.3当前编辑位闪烁功能的实现 26 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 4.4时间设定模块设计26 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 4.5脉冲发生器原理与走时处理 27 HYPERLINK l bookmark56 o Current Doc

11、ument 4.6闹铃功能的实现28 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 第5章系统的调试及结果30 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 5.1系统调试环境30 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 5.2软件调试30 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 5.3硬件调试30 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 5.4调试结果30 HYPERLINK l boo

12、kmark68 o Current Document 结 论31 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 致 谢32 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 参考文献 33 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 附录1:完整的汇编语言源程序 34 HYPERLINK l bookmark282 o Current Document 附录2:系统设计原理图 57 HYPERLINK l bookmark284 o Current Document 附录3:系统设计

13、PCB图 58 HYPERLINK l bookmark286 o Current Document 附录4:实物照片 59电气工程及其自动化 09-1黄伟540901020114第 页第1章绪论1.1前言计算机尤其是以微细加工技术支持的微型计算机技术飞速发展，其应用渗透到了各行各业。以单片机、嵌入式处理器、数字信号处理器（DSP）为核心的计算机系统，以其软硬件可裁剪、高度的实时性、高度的可靠性、功能齐全、低功耗、适应面广等诸 多优点而得到极为广泛的应用。目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片机化三个 方向告诉发展。自1975年美国德州仪器公司（Texas InstrumentS第一块微型计

14、算机 芯片TMS-1000问世以来，在短短的20年间，单片机技术已发展成为计算机领域一个 非常有前途的分之，它有自己的技术特征、规范和应用领域。单片机是自动控制系统的 核心部件，主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小、性能突 出可靠性高（某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器）、价格低廉等一系列优点，应用领域不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通信、家用电器外，在智能化 高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件，已经渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，前景广阔。数字钟具备单片机最小系统的基本组成，对于我们了解单片

15、机有很大的帮助2。1.2设计的目的及意义本设计通过用对一个能实现定时，时钟显示功能的时间系统的设计学习， 详细介绍 了 51单片机应用中的数据转换显示，数码管显示原理，静态扫描显示原理，单片机的 定时中断原理等，从而达到学习、了解单片机相关指令在各方面的应用。对于单片机学 习者而言，这个程序基本上是一道门槛，掌握了电子钟程序，基本上就可以说把51单片机掌握了 80%。第2章数字钟的功能实现与设计方案2.1数字钟的功能及设计要求（1）可以实现时/分/秒/百分秒的显示，可以调整时/分（2）使用LED显示（3）有表示时钟正常工作的装置（4）能稳定工作，可控制时钟的启动复位（5）有实现闹铃功能2.2数

16、字钟的实现形式数字钟既可以通过纯硬件实现，也可以通过软硬结合实现，根据电子时钟的核心 部件一一秒信号的产生原理，通常有三钟形式：（1）用NE555时基电路的形式 采用NE555时基电路或其他震荡电路产生秒脉冲信号，作为秒加法电路的时钟信号或 微处理器的外部中断输入信号，可构成电子时钟。由555构成的秒脉冲发生器电路如图1-1所示。输出的脉冲信号 V0的频率F=1.443/ （ Ra+2Rb）X C,可通过调节这3个参数,使输V0的频率为精确的1Hz3* *n ri 0卜211THRCVolt“ CTRIGQVo图2-1 基于555的秒脉冲发生器（2）采用石英钟专用芯片的实现形式采用石英钟专用计

17、时芯片实现的电子钟， 具有实现简单、计时精度高的特点。石英计时 芯片（简称“机芯”）比较多，常见的有STP5512F、SM5546A和D60400等4。现基于5512F的2秒输出信号作为秒加法电路的计时脉冲，可实现电子时钟。5512F的引脚如图1-2所示。1 - -V+SC2AKSC13M0BP4M1GND图2-25512F引脚图8765其中，引脚7、8为外接晶振及振荡电路，引脚1接电源正极，电源为1.5伏，弓I脚3、 4原为指针用步进电机线圈的输出驱动端，这里可用3脚作为脉冲输出，频率决定于外接晶振的频率。采用基于单片机的实现形式利用单片机的智能性，可方便的实现具有智能数字钟的设计。而且，微

18、处理系统具有时 钟振荡系统，利用系统时钟并借助微处理器的定时/计数器功能可以实现数字钟的功能。 本设计采用AT89C2051单片机设计。2.3方案的确定可以从以下几个方面来确定电子闹钟的设计方案。2.3.1微处理器采用ATMEL勺AT89C2051微处理器，是基于以下几个因素：内含Flash存储器,这在系统的开发过程中，可随意进行程序修改，既便错误编程之后 仍可以重新编程，故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期；同时在系统工作过程中 能有效地保存数据信息。采用静态时钟方式，节省电能，这对于降低便携式产品的功耗 十分有利。由于它是以8031核构成的,所以它与MCS251系列单片机是兼容的 AT8

19、9C2051为51内核，仿真调试软硬件资源丰富；性价比高，货源充足；DIP20封装，体积小，便于产品小型化；为E2PROM程序存储介质，1000次以上擦/写周期，便 于变成调试；具有IDLE和POWER-DOWN两种工作模式，便于进行低功耗设计；工 作电压范围宽：2.76V，便于交直流供电5。2.3.2显示电路就时钟而言，通常可采用液晶显示或数码管显示。对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且也经显示作为一种被动显示，可视性相对较差；对于具有驱动电路 和微处理器接口的液晶显示模块（字符或点阵），一般多采用并行机接口，对于微处理 器的接口要求较高，占用资源多。另外，89C2051本身没有专

20、门的液晶驱动接口，因此, 本时钟设计采用了数码管显示方式。 数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、价格 便宜等优点，而且市场上也有专门的时钟显示组合数码管。2.3.3按键电路考虑到对时和设定闹铃时间这两种操作的使用频率不是很高，为了精简系统和节省成本，本时钟系统只设两个按键：（1）SET键，对应系统的不同工作状态，具有三个功能：在复位后的待机状态下，用于启动设定时间参数（对时和定闹）；在设定时间参数状态而且不是设定最低位（即分个位）的状态下，用于结束当前位的设定，当前设定为下移；在设定最低位（分个位）的状态下，用于结束本次时间设定。（2）+1键，用于对当前设定位（编辑位）进行加 1操作，根据

21、12/24小时工作模式和 正在编辑的当前位的含义（时十位、时各位、分十位、分个位）自动进行 数据的上限 和下限判断。例如，对12小时制，小时的十位只能是0、1,如果当前值为0,则按+1 键后为1,再按+1键后为0。第3章数字钟的硬件系统设计电子时钟硬件部分的设计应包括秒信号发生器、时间显示电路、按键电路、供电电 路，以及闹铃指示电路等几部分。3.1数字时钟的硬件系统框架电子时钟的系统框架入图3-1所示。图3-1数字钟的系统框架3.2数字时钟的主机电路设计数字时钟的主电路指的是图1中框内部分，主要涉及到微处理器电路和按键县按钮 电路。主机的设计具体地说有：（1）系统控制芯片的选择（2）系统时钟电

22、路设计；（3） 系统复位电路设计；（4）按键与按钮电路设计；（5）闹铃声光指示电路设计。3.2.1系统控制芯片 CPU（ AT89C2051）的选择AT89C系列单片机是Atmel公司1993年开始研制生产的，优越的性能价格比使其 成为颇受欢迎的8位单片机。AT89C系列与MCS-51系列单片机相比有两大优势：第一，片内程序存储器采用 闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片（AT89C2051/1051）， 使整个电路的体积更小。（1） AT89C2051 主要性能：AT89C2051是Atmel公司生产的戴2KB闪速可编程可擦除只读存储器（PEROM） 的8位单片机，它

23、具有如下主要特征：CD AT89C2051 为 51 内核； 内部带2KB可编程闪速存储器（E2PROM）,寿命为1000次擦/写循环，据保留时间 为10年；C DIP20封装，体积小C 工作电压范围为2.76V;C 全静态工作频率为0Hz24Hz;C两极程序存储器锁定；128 8位内部RAM ;C 15条可编程I/O线；、2个16位定时器/计数器；5个两级终端源； 可编程全双工串行UART通道； 直接对LED驱动输出片内精确的模拟比较器； 片内振荡器和时钟电路；低功耗的休眠和掉电模式；（2） AT89C2051内部结构及引脚描述AT89C2051单片机的内部与8051单片机的内部结构基本一致

24、，区别只是增加了一 个模拟比较器，减少了两个对外的端口（ P0、P2 口），输出端口 P1、P3有独特的功 能。AT89C2051减少了两个外部端口，因而芯片的外部引脚可以大大减少，芯片尺寸 可以很小，其引脚配置如图3-2所示。HST/V尸尸匚120fFtXD P3.O 匚219(TXDJ P3.1 匸31&XTALN 匚417XTAL1 匚&ISINTQ) pa.z 匸6(INTI) P3.3 匚714(TO) P3 4 匚a13(Tl) P3.S 匚pQNP匚1O111VCCP1.76E 4P1 3b p 左 二| P1.1 2M （机器周期）便可。但在实际设计中，通常C1取值为10尸以上

25、，R1通常取值10KQ左右。实践发现，R1如果取值太小，例如1K紀则会导 致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。另外，从图3-8所示的复位信号波形图可以明显看出，续流二极管对于改善复位性能，起到了重要作用。它的作用是在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，因此一定宽度的电源毛刺（如波形中A点）也可令系统可靠复位。图3-8加二极管前后的复位信号特性对比3.2.4按键与按钮电路设计按键与按钮电路的设计参见系统原理图中的S1、S2和S3对应部分。按键与按钮电路设计中关键要考虑的就是按键去抖动问题（简称“去抖”），一般由硬件去抖和软件去抖两种方式。硬件去抖可以采用分立元件或触发器实现，目前市场上也

26、有硬件去抖专用接口芯片，例如：MAXIM 公司MAX68166818,均为单电源供电，电压为2.75.5V, 分别为单输入、双输入和八输入，输出端具有欠压锁定功能19o考虑到系统的硬件简化 和控制成本问题，本次设计采用软件去抖方式。3.2.5闹铃声光指示电路设计闹铃指示可以由声或光亮中形式，本系统设计中采用声音指示。关键元件是蜂鸣器。 蜂鸣器有无源和有源两种，前者属要输入声音频率信号才能正常发声，后者则只需 外加适当直流电源电压即可；元件内部已经封装了音频振荡电路， 在得电状态下即起振 发声。市场上的有源蜂鸣器分为 3V、5V、6V等系列，以适应不同的应用要求。其电 路设计见电路原理图。其中

27、PNV小功率三极管Q2采用9012,其最大集电极电流为 800mA,完全满足蜂鸣器驱动的需要。适当调节基极电阻可改变蜂鸣器的发声功率（即 响度）。如图3-9图3-9闹铃声光指示电路3.2.6数字钟的显示电路设计（1） LED的选择单片机I/O的应用最典型的是通过I/O 口与7段LED数码管构成显示电路，7段 LED数码管，在一定形状的绝缘材料上，利用单只 LED组合排列成“ 8”字型的数码 管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示出0-9的数字。LED数码管根据LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，了解 LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，

28、编程方法也是不同的。下图3-10阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。图3-10数码管电路将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连在一起即为共阳I R1 臺共明 撮T段数 码首共阴機了段藏玛莒式。以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然， LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将 b和c段接上正 电源，其它端接地或悬空，那么b和c段发光，此时，数码管显示将显示数字“ 1”。 而将a、b、d、e和g段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“ 2”。 其它字符的显示原理类同。用

29、单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描） 显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。 静态显示就是显示驱动电路具有输出 锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间；动态显示需要CPU 时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊：动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间较多，但是用的硬件少，能节省线路板的空间。动态扫描显示接口是单片机种应用最广泛的一种显 示方式。其接口电路是把所有的 LED显示器的8个笔画段AG、DP的同名端

30、连在一 起，而每一个数码管的公共端 COM是各自独立地受I/O线控制。CPU向字段输出口送 出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于COM 端，而这一端由I/O控制的，可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指 我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的，约1ms左右，但是由于人的视觉暂留现象及发光余晖效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮， 但只要扫描的 速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。静态显示虽然数据稳定，占用很少的 CPU时间，但每个显示

31、单元都需要单独的显 示驱动电路，使用的硬件较多，但是编程相对于动态显示比较简单，本设计采用的是静 态显示方案。（2） LED的驱动和显示单片机对LED数码管的驱动方法可以分为串行和并行两种，分别适用于不同的使用 场合，两者的硬件电路和程序区别也很大。并行驱动：在一般情况下，单片机使用并行驱动的方式进行LED的显示。并行驱动的结构较简单，并且非常适用于说明地址和数据总线复用的情况。LED并行驱动的电路原理图如图 3-11所示ALE FO 0FO 7F2. 7F? 6 丽 单片机01234567FFFFPPFPRD5561A5A4A3A2A1ADF F F F F pLED数码管图3-11 LED

32、并行驱动的电路原理图中显示的是使用 8155与LED显示器的接口，8155的PB0PB7作为段选码口， 经过7407驱动与LED的段相连；8155的PA0PA5作为位选码口，经过 7406驱动与 LED的位相连。图中的P2.7反相后作为8155的片选信号，P2.6接8155的10端。这样 确定8155片内的4个端口地址。（7407:驱动门电路，提供数码管显示的驱动电流）本设计采用的是串行驱动方式，具体方法如下：在某些情况下，可供使用的单片机并行I/O 口不足8根，数据的并行输出已不可能 此时可以考虑串行输出方法,图3-12本设计采用的串行口扩展的四位 LED显示电路。图3-12本设计采用的串行

33、口扩展的四位LED显示电路该显示电路只使用单片机的三个端口 P1.7、P3.0 P3.1，并配以四片串入并出移位 寄存器74LS164（ LED驱动）。如果再配1片三端可调稳压器LM317，贝U可调LED亮 度。其中74LS164的引脚Q0Q7为8位并行输出端；引脚A、B为串行输入端；引脚 CLK为时钟脉冲输入端，在 CLK脉冲的上升沿作用下实现移位，在 CLK=0、清除端 MR=1时，74LS164保持原来数据状态；MR=0时，74LS164输出清零。其工作过程如下：2051的串行口设定在方式0移位寄存器状态下，串行数据由P3.0发送，移位时钟由P3.1送出在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲

34、器的数据一位一位地移入 74LS164中。 4片74LS164串级扩展为4个8位并行输出口，分别连接到4个LED显示器的 段选端作静态显示。需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，因而在串行输出过程中，其输出 端的状态会不断变化，造成不应显示的字段有较暗的亮度，影响了显示的效果。可以采用的做法是在74LS164的输出端加接4片锁存器或三态门，使移位寄存器串行输入数 据时其输出端的变化不反映到 LED上，待串行输出结束后再打开锁存器或三态门；也 可以采用1片三端可调稳压器LM317即解决此问题。LM317的3、2脚分别是电压输 入、输出端，LM317的1脚是电压的调整端，在一脚与接地电

35、阻之间并入一个NPN三极管，它的基极受P1.7 口线控制。串行输出时P1.7 口线为高电平，三极管截至，LM317 的脚1约为0.3V，脚2输出电压便下降到1.5V不足以使共阳极LED发光，故此时串 行输入的影响不会反映到LED上。串行输入结束后P1.7 口线为低电平，三极管截止， 脚2输出电压便上升到20V使LED正常发光，因此不会引起显示闪烁。增加了可调稳 压器LM317的电路，其另一个特点是通过可调电位器 P1在线调整脚2的输出电压，可 使LED的显示亮度均匀可调，而且省掉了大量的限流电阻。显示采用共阳数码管，其目的是为了简化限流电路的设计和实现亮度可调的要求。从图中可以看出，该显示电路

36、采用了与一般的段电流电阻限流方式不同的显示方式，由此减少了 8 8个限流电阻，简化了硬件系统。每笔画段二极管正常发光时的电流一般为 10mA左右(电流大小还取决于数码管是普亮、咼亮还是超咼亮类型的不同)，其两端压降约为2.0V，也就是说，只要数码管的公共端(COM )加+2.0以上电压，即可满足 每笔画段发光二极管的发光要求，而且适当调节此电压值即可改变发光二极管的电流， 从而达到调节亮度的目的。此电压采用三端可调稳压电路W1(LM317)来实现。其输入为+5V，按照图中参数其输出电压由式 3-1决定：1.25X (1+R4/(R5+R6)(3-1 )在式3-1中，R5为200Q，R6可调，R

37、4为220Q，因此输出电压为 2.172.63V。但由于输入输出压差至少为 2.5V，因此极限电压为2.5V。图-15中只画出了一个数码 管的连接。接口 P3.2的作用是通过LM317控制数码管的开启与关闭，当P3.2为低电平， Q1关断，LM317的输出电压低于1.5V，不足以发光，避免了显示数据刷新时的抖动现 象。详细电路图见附录2。上述分析表明，移位寄存器74LS164仅有串入左右没有译码作用，因此，在编写显 示驱动程序之前，首先需要计算列写出与本程序电路相应的 LED段选码3，然后由2051 的P3.0 口送入74LS164的串行输入端，再并行输出到 LED的段选端。需要指出的是， 本

38、电路采用TOS28106BHK型号的共阳极LED数码管。这种稳定的静态显示方式也省 去了 CPU的动态扫描过程，此为本电路的又一特点。3.3校时电路设计目前，世界上应用的校时系统有很多种。 有利用电话网络进行校时，还有利用电视 信号的校时系统、卫星校时系统、低频(长波)导航、授时信号系统、高频(短波)时 号广播系统、利用互联网络校时系统。本设计采用的校准信号是由国家授时中心提供的短波授时信号。该校时信号经处理通过外中断送予单片机。如果采用长波(BPL)校时，准确度将会非常高。但更高的精确度将使得设备很复杂。例如接收机必须使用长波接收机， 一般市面上售的都是中、短波收音机，长波收音机不 但南购买

39、到，而且费用也非常高。不符合本设计的初衷。本设计的初衷是用简单的设备， 较低的费用得到较高的时钟精确度。因此采用短波（BPM是一种既简单经济又能达到 目的的方法。3.3.1校时原理授时台发播的授时信号为音频信号，经窗口比较器后得到稳定的脉冲信号， 此脉冲 信号做为外部中断校时信号送与单片机进行时间较准，然后送LED显示时间。利用短波信号进行时频传递与校准是一种廉价而方便的方法，对于要求同步偏差在1ms量级的用户特别有利。同时对于某些高准确度同步要求的用户，作为粗（初）同步 方法也是必不可少的。短波授时的基本方法是由无线电台发播时间信号（简称时号），用户用无线电接收机接收时号，然后进行本地对时。

40、我国目前有国家授时中心的BPM上海天文台的XSG（每天世界时3h，9h前后发播几分钟，主要为附近航海者服务）以 及台北的BSF（每天世界时1h至9h发播）。3.3.2国家授时中心国家授时中心（陕西天文台）本部地处我国中部腹地一一陕西临潼，这里承担着我 国标准时间的产生、保持任务，并采用多种手段与国际时间保持同步，同时这里拥有一 支时频领域的科研队伍。授时台位于陕西蒲城，主要有短波和长波专用无线电标准时间 标准频率发播台（代号分别为 BPM和BPQ。国家授时中心负责确定和保持的我国原子时系统TA（NTSC和协调世界时UTC（NTSC）处于国际先进水平，并代表我国参加国际原子时合作。 它是由一组高

41、精度铯原子钟通过 精密比对和计算实现，并通过 GPS共视比对、卫星双向法（TWSTF）比对等手段与国际 原子时间标准相联系，对国际原子时的保持做出贡献，目前的稳定度为10-14，准确度为 10。短波授时台（BPM每天24小时连续不断地以四种频率（2.5M,5M,10M,15M,同时保 证3频率）交替发播标准时间、标准频率信号，发播时间（北京时间）为每天 8点22 点发播15MHz每天22点次日8点发播5.0MHz 10MHz覆盖半径超过3000公里，授 时精度为毫秒（千分之一秒）量级；长波授时台（BPL每天定时发播载频为100KHZ的 高精度长波时频信号，地波作用距离1000-2000公里，天

42、地波结合，覆盖全国陆地和近 海海域，授时精度为微秒（百万分之一秒）量级。BPL长波授时系统的建立，将我国授时精度由毫秒量级提高至微秒量级，使我国授时技术迈入世界先进行列，该项目1988年荣获国家科技进步一等奖。3.3.3日常生活中利用短波校时的方法在我们使用机械表进行校时时，可以把表调到某整点的1处，如要对20点整，就拨到20： 00： 01,当听到女声停了，整点声音出现，你再停半秒按下（相当于你张开 嘴，再把上下两排牙齿咬在一起的时间。）。这样就对准了。当然你也可以把秒针停在 0秒上，但必须听到整点前半秒的提示音后就立刻按下去，但因为这个提示音太轻了， 不容易掌握。当使用电子表进行校时的时候

43、，把表调到 20： 01： 00,等待整点后的第一分钟的最后一秒的到来，即20： 00： 59后停半秒，在提示音响的同时按下去。如果你使用秒表，从00: 00: 00起，想做得完美有点难，这样就要在 20： 59： 00起的摩尔 斯电码时用另一只钟或表，数着 59下，再用上述方法停半秒按下。这些传统的校时方法是利用眼睛观察中央电视台发布的标准时间，或用耳朵听中央人民广播电台的报时声音，然后利用手动按键来调整时钟。 这种方法既费时又费力，而 且准确度也不高，不能满足要求。另一种方法是采用纯硬件的方法，但所需设备较多， 花费较大，也不可取。如果用软硬件相结合的办法，不仅可以节约成本，实行难度减小，

44、 而且精度和自动化也得到提高。3.3.4窗口比较器电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即输出只有高电平和低电平两种状态的 离散信号。因为输入的BPM言号是正弦信号有正负间的变化，单限比较器和滞回比较器 在输入电压单一方向变化时，输出电压只变化一次，因此，在此次设计中我们选择由 LM339组成的双限比较器（窗口比较器）。当UiUrh,且UivUrl时Uo=+Uom当UrlUiUrh 时 Uo=-Uom。如图 3-13。图3-13窗口比较器图3-14为BPM言号经过窗口比较器后的波形。BPM发出的秒信号为正弦波1KHz调Ui-iDUrlUzv；:11*iiV1p*1111*9*1*:i1P1V1

45、|H1U1111111“ :Kz1111pill 1I1i*I1III !B1: y:11A1H*IH1ftV11i11111111I1ii111111i*V11*ia1$i1Vi* P111l1I1i11II?1a111*1i*b*111i1*1IP 1 甲1 | 甲1 | 1III 1 11 1 1 i1 V l1i；1i11i11Ii11i111pf1uA1iIitb*ilIiP.甲曲11111a|i11111111图3-14比较器输入输出波形制的10个周期，即秒信号长10ms，整分信号长300ms.当单片机接收到校时中断脉冲后, 通过修改10ms单元的数值来达到校时的目的，同时计数器对

46、脉冲进行计数，如果计数 值到20后经判断无脉冲，则可知此信号为秒信号，然后在对秒单元值进行校正。3.3.5校时电路电路图1234567LM3391413f2111098R1IkTVccINT C1100pFR5信号输入图3-15校时电路电路图3.4电源设计电源电路用来为控制电路和各外围电路提供稳定可靠的工作电源。稳压电源的技术指标可以分为两大类： 一类是特性指标，如输出电压、输入电流及 电压调节范围；另一类指标是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效 内阻、纹波电压及温度系数等。对于稳压电源的性能，主要有以下四个要求：稳定性好当输入电压Usr（整流、滤波的输出电压）在规定范围内变动

47、时，输入电压 Usc的变(3-2)化应该很小，满足一般要求:2.5V，否则失去稳压能力。同时考虑到功耗问题，此压差又不易太大，太大 则增加7805本身的功率消耗，增加芯片的温升，不利于安全。因此，选用9V。当交流电源失电或时效时，电压为6V的直流电源（电池组或蓄电池）通过二极管投入工作， 硅二极管的导通电压降约为0.2V，因此满足系统的电源要求。第4章程序设计软件设计的重点在于秒信号的产生， 显示的实现及按键的处理等方面。 基于软件的 秒脉冲信号通常有延时法和定时中断法。延时法一般采用查询方式，在延时子程序前后 必然需要查询和处理的程序，导致误差的产生，因此其秒脉冲的产生，因此秒脉冲的精 度不

48、高。中断法的原理是利用单片机内部的定时器溢出中断来实现。例如，设定某定时器每100ms中断1次，这10次的周期为1s，这种实现法的特点是精度高，秒脉冲的发 生和其他处理可以并行进行。10本系统即采用这种方式，实现的关键是定时器的工作方 式的选择和定时参数的计算确定。具体内容将在原程序中给于说明。 本系统设计中使用 的晶振频率为12MHz。4.1主控模块设计主模块是系统软件的主框架。结构化程序设计一般有“自上而下”和“自下而上”两种方式，“自上而下”法的核心就是主框架的构建。它的合理与否关系到程序最终功 能的多少和性能的好坏。本系统主模块的程序框图如图4-1。图4-1主模块的程序框图4.2基本现

49、实模块设计基本现实模块设计的重点是有显示代码取得相应的段码，显示段码数据的串行发送其程序流程如图4-2所示。其中，时个位、分个位、秒个位的段码必须加上小数点，即 带小数点显示时各位、分个位、秒个位，目的是以小数点符号代替时间分割符 “:”，(一 般的数码管无法显示字符“：”)图4-2基本显示模块的程序流程图4.3当前编辑位闪烁功能的实现当前编辑位闪烁功能能使时间设定编辑模块的人机环境更加友善，其实现的原理是：利用定时器1每100ms的溢出中断，实现每0.5s亮-灭交替效果，即闪烁。用程序 框图表示就是如图4-3 :图4-3当前编辑位闪烁功能实现的程序流程图4.4时间设定模块设计时间设定模块的设

50、计要点是按键的去抖与“一键多态”的处理。即只涉及两个键完成了8位时间参数的设定。软件发去抖动的实质是软件延时，即检测到某一键状态变 化后延时一段时间，再检测该按键的状态是否还保持着，如果是，则作为按键处理，否则，视为抖动，不予理睬。去抖的延时时间一般应大于20ms,否则会导致按一次键做多次处理，影响程序正常执行。“一键多态”即多功能键的实现理想是，根据按键时刻 的系统状态，决定按键采取何种动作，即何种功能。其实现流程如图4-4。4.5脉冲发生器原理与走时处理软件秒脉冲发生器的实质是定时器 T0的定时溢出中断。此设计中由于校时秒信号为10ms所以内部电子钟以10ms为最小计时单位，故我们将定时器

51、 T0定时为10ms. 单片机时钟频率为12MHz用T1模式产生10ms定时，T1的初值为：T1 的初值=216 -10*12*10 6/12=60536=FC18H有了秒脉冲发生器，10次中断为1s,秒指示灯闪亮一次，秒变量单元加 1,到60s 后分变量单元加1,如果为60min则时变量单元加1。任何一个变量的变化，则显示刷 新一次（更新）。其流程如图4-5：图4-5 T0的中断子程序流程图4.6闹铃功能的实现闹铃功能的实现设计到两个方面：闹铃时间设定和是否闹铃判别和处理。闹铃时间 设定模块的设计可参照时间设计模块，这里着重阐述闹铃判别与处理模块的设计问题。 闹铃判别与闹铃处理的关键在于判别

52、何时要进行闹铃判别。闹铃判别与处理的代码包含在定时器0的中断子程序中，其程序设计思想如图 4-6 :图4-6包含在T0中断程序中的闹铃判别与处理程序流程图第5章系统的调试及结果5.1系统调试环境本系统所有的电路都设计在一块电路板上，整个电路板结构紧凑、分布合理，便于加工和调试，并且降低了相互间以及监控器与其他仪器间的干扰。电路焊接好过后进行简单的调试、定标过后，系统便能正确、可靠的运行。系统PCB图如图附录3所示。5.2软件调试本设计的软件部分，全部采用汇编语言编写，软件模块较多，程序代码段很长，因此采用分块调试的方法来调试程序。首先用单片机汇编程序编译器(WAVE6000)调试，无误后，再通

53、过编程器烧到单片机用装置实验调试，采用了自下到上的调试方法， 即先单独调试好每一项功能，然后再连接成一个完整的系统调试。根据实验结果和指标 对照，若有不符，再修改，直到程序完全正确为止。这样保证了软件编写的正确性和可 行性。5.3硬件调试将烧入程序的89C2051安装在硬件电路中，然后通电。先调节看按键工作是否正 常，LED是否能正常显示。将时钟调至 12： 59： 00, 一分钟之后看其是否变化为 1： 00： 00。最后设置好闹钟时间，看其到时间是否响铃。在调试过程中遇到了很多的问题：CD LED不显示。由于没有买到 PCB板中那种封装的LED，所以在焊接的时候采 用另外一种封装的LED来

54、代替，采用将从PCB板上的每个管脚连线出来与另外一块板 子上的LED管脚对应相连，由于连线过多，有一些线连错或者虚焊，在检查出错误后 改正。发光二极管不亮。经检查后发现发光二极管正负极接反。按下按键无动作。检查后发现在焊接过程中轻触按键的内部结构被破坏，不能 正常的起到左右，后将其换掉。5.4调试结果基本实现了设计的要求，长时间运行容易有误差，在稳定性方面还有待改进。结 论单片机智能数字钟理论上能很好的达到了学校教学要求，发挥了单片机在智能化 方面的应用。该系设计很好的满足当前学校教学的需要，是一个理想的智能化的设计。 它具有一个走时精确的实时钟，可以任意设置时间，时钟的显示功能，校时等。可以

55、通 过按键操作和数字显示。其中利用短波自动校时是这个设计最大的特点之一。 本设计规 模小，但是功能较多，操作简单，造价低，应用非常广泛。通过两个月的学习和调试过程，终于完成了单片机多功能数字钟的工作。并且使 数字钟够顺利运行，完成了预期的目标。从单片机多功能数字钟的设计过程中也找到了 一些单片机开发的规律：先了解所有元件的具体内容，从而画出其电路图，使数字钟从 简易变成多功能的方式，虽没有做多功能数字钟，却知晓了其方法。从而让我踏入了单 片机应用领域的第一步。然而在调试过程中有也有许多的不足之处： 例如编写调试程序 有点不足。希望能够在以后的不断深入学习中能够弥补自己的不足之处。同时更是朝着单

56、片机应用领域迈进。单片机是一个软件和硬件相结合的系统，其在现代的电子技术领域里起着越来越重 要的作用，对于我们应电专业的学生来说，这无疑是一种挑战，当然，也是机遇。通过 本课题的设计，系统运用了各方面的知识， 检验了自己大学四年来的学习效果，同时也 让自己对单片机有了更进一步的认识，为在以后的生活和工作中继续研究和开发单片机 系统都会有很大的帮助。致 谢在本次设计完成之际，我心中满怀感激之情，感谢院系领导、老师、同学和身边所有关心过本人和向本人提供过帮助的人表示感谢！特别要感谢我的指导老师陈海燕老师， 感谢他在繁重的教学工作中，抽出大量的时 间为本人课题设计提供的事无巨细的关怀和帮助，使自己在

57、专业课上有了很大的进步。感谢我的同学，是他们的支持和鼓励使我完成了学业。感谢我所热感谢所有我的任课老师，感谢他们在学业上给与我的栽培。感谢我的同学的支持，和提供的大量帮助。参考文献沈红卫基于单片机的智能系统设计与实现M.北京.电子工业出版社，2005. TOC o 1-5 h z 楼然苗 51系列单片机设计实例M.北京北京航空航天大学出版社，2003.董传岱、于云华数字电子技术M.石油大学出版社，2001.吴秀清、周荷琴微机原理与接口技术M .中国科技大学出版社，2002何立民单片机应用系统设计M北京：北京航空航天大学出版社，1995. 李华 MCS-51系列单片机实用接口技术 M北京：北京航

58、空航天大学出版社，1990江雪山新型日历钟、打铃定时仪J北京家庭电子 2001, 5: 22-23李春玲 自校准高精度单片机时钟系统A江西 南昌陆军学院机电教研室华东交通大学学报1999 , 9 51-55贡春梅 日历电子钟设计A西安航空技术高等专科学校学报2004, 1(22)21-23文U飞等 两种数字钟电路设计比较J湖北师范学院学报 2003, 2(23)40-43胥筱门单片机系统的试验及应用J电子制作1999 (6) 20-30郑惠芳 单片机报时时钟控制系统的一种设计方法J福建广播电视大学学报200563-67管立锐 用8031实现日历时钟及时钟显示J长春光学精密机械学院学报1999

59、, 6 (22) 68-70林军等 用8031单片机控制的数字钟J半导体技术2002,2(27) 40-44张景元等 一种基于单片机的多功能数字钟J微计算机信息 2005(21)117-119翟玉文等 实用多功能数字钟的设计A吉林化工学院学报 2001 , 3(18)31-33张柱涛等基于单片机的多功能智能钟的设计A山东大学学报 2005, 5(23)20-24张吉卫基于单片机的多功能数字钟系统设计J电子世界2005(4)29-30曾日波多功能数字电子钟系统的设计与实现A乐山师范学院学报2004, 12(19)23-25Adel S.sedra &Kennetch C Smith Microe

60、lectronic Circuits.CBC College Oxford UniversityPress,1998 122-126Jacob Millman & Arvi nGrabel, Microelectro nics.McGraw-HillBook Compa ny; NewYork,2001.231-241David A.Hodgs and Horace G jacks on. An alysise nd and Desig n of Digital In tegrated Circuits, NewYork, McGraw-Hill, 1999.1123-1133附录1 :完整的