数字电子时钟的设计

..数字电子时钟的设计摘要：20世纪以来,电子技术飞速发展,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,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。现代生活的人们越来越重视时间观念,时间就是金钱。对于对时间把握非常严格和准确的人来说,时间的不准确会给他们带来非常大的麻烦,所以以数码管为显示器的数字电子时钟比指针式的时钟表现出很大的优势。数码管显示的时间简单明了,读数快、时间准确到秒。数字电子时钟是采用数字电路实现对"时"、"分"、"秒"数字显示的计时装置。数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。在这次设计中,我们采用LED数码管显示时、分、秒,以24小时计时方式,根据数码管动态显示原理来进行显示,用12MHz的晶振产生振荡脉冲,定时器计数。在此次设计中,电路具有显示时间的基本功能,还可以实现对时间的调整。数字电子时钟小巧,价格低廉,走时精度高,使用方便,功能多,便于集成化因而受到广大消费者的喜爱,得到了广泛的使用。关键字：数字电子时钟单片机LEDThedesignofdigitalelectronicclockAbstract:Twentycentury,therapiddevelopmentofelectronictechnology,themodernelectronicproductsalmostpermeatedthevarioussectorsofsociety,andpromotethesocialdevelopmentofproductiveforcesandsocialinformatizationdegreerise,butalsomakethemodernelectronicproductstofurtherimproveperformance,therhythmoftheupgradeofproductsisalsomoreandmorefast.Modernlifepeoplepaymoreandmoreattentiontotheconceptoftime,timeismoney.Thetimeisverystrictandaccurategraspofthepeople,timeisnotaccuratewillbringthemverybigtrouble,sotodigitaltubefordisplayofdigitalelectronicclockthanpointerclockshowsalotofadvantages.Digitaltubedisplaytimesimpleandclear,readingfast,timeaccuratetoseconds.Digitalelectronicclockisadoptingdigitalcircuittorealize"","points","seconds"digitaldisplaytimingdevice.Theprecisionofthedigitalclock,stabilityisfarmorethantheoldmechanicalclock.Inthisdesign,weadoptLEDdigitaltubedisplay,points,SECto24hourstimeway,accordingtotheprincipleofdynamicdisplayofdigitaltubetodisplay,with12MHZofcrystaloscillatorproduceoscillationpulse,thetimercount.Inthisdesign,circuithasashowtimebasicfunctions,butalsocanrealizethetimeadjustment.Digitalelectronicclocksmall,whenthepriceislow,highprecision,easytouse,thefunctionismuch,facilitateintegrationandisthevastnumberofconsumerslove,hasbeenwidelyused.Keywords:DigitalelectronicclockMCULED目录前言11数字电子时钟的背景12数字电子时钟的意义13数字电子时钟的应用11整体设计方案21.1单片机的选择21.2单片机的基本结构22数字电子时钟的硬件设计22.1最小系统设计22.2LED显示电路63数字电子时钟的软件设计83.1系统软件设计流程图83.2数字电子时钟的原理图104系统仿真114.1PROTUES软件介绍114.2数字电子时钟系统PROTUES仿真115调试与功能说明125.1硬盘调试125.2系统性能测试与功能说明125.3系统时钟误差分析125.4软件调试问题及解决126结束语13参考文献：14..数字电子时钟的设计与制作前言1数字电子时钟的背景20世纪以来,电子技术飞速发展,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,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。现代生活的人们越来越重视时间观念,时间就是金钱。对于对时间把握非常严格和准确的人来说,时间的不准确会给他们带来非常大的麻烦,所以以数码管为显示器的数字电子时钟比指针式的时钟表现出很大的优势。数码管显示的时间简单明了,读数快、时间准确到秒。数字电子时钟是采用数字电路实现对"时"、"分"、"秒"数字显示的计时装置。数字钟的精度、稳定度远远超过老式机械钟。在这次设计中,我们采用LED数码管显示时、分、秒,以24小时计时方式,根据数码管动态显示原理来进行显示,用12MHz的晶振产生振荡脉冲,定时器计数。在此次设计中,电路具有显示时间的基本功能,还可以实现对时间的调整。数字电子时钟小巧,价格低廉,走时精度高,使用方便,功能多,便于集成化因而受到广大消费者的喜爱,得到了广泛的使用。2数字电子时钟的意义数字电子时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,是人们日常生活中必不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使数字电子时钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了很大的方便,并且大大地扩展了钟表原先的报时功能。比如定时自动报警、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,研究数字电子时钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。3数字电子时钟的应用数字电子时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,使数字电子时钟具有走时准确、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。1整体设计方案1.1单片机的选择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。其发展趋势有以下几个方面：多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格。1.2单片机的基本结构8052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。如下图所示。图1.2-1单片机8052的内部结构2数字电子时钟的硬件设计2.1最小系统设计图2.1-1单片机最小系统的结构图单片机的最小系统由电源、复位、晶振、/EA=1组成,下面介绍一下每一个组成部分。A、电源引脚Vss：接地端。Vcc：电源端,接+5V。工作电压为5V,另有AT89LV51工作电压则是2.7-6V,引脚功能一样。B、外接晶体引脚图2.1-2晶振连接的内部、外部方式图XTAL1：接外部晶体的引脚,CHMOS单片机采用外部时钟信号时由次引脚输入。XTAL1：接外部晶体的引脚,HMOS单片机采用外部时钟信号时由次引脚输入。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采用内部方式,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22μF。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。C、复位RST9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P0－P3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上电与按钮复位电路。当时钟频率选用6MHz时,C取22μF,Rs约为200Ω,Rk约为1K。复位操作不会对内部RAM有所影响。常用的复位电路如图2.1-3所示：图2.1-3常用复位电路图输入输出引脚P0端口[P0.0-P0.7]:P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口,端口置1〔对端口写1时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个TTL。对内部Flash程序存储器编程时,接收指令字节;校验程序时输出指令字节,要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时,P0口是分时转换的地址<低8位>/数据总线,访问期间内部的上拉电阻起作用。P1端口[P1.0－P1.7]:P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入用。对内部Flash程序存储器编程时,接收低8位地址信息。P2端口[P2.0－P2.7]:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入用。对内部Flash程序存储器编程时,接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时,P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。P3端口[P3.0－P3.7]:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入用。对内部Flash程序存储器编程时,接控制信息。除此之外P3端口还用于一些专门功能如表2.1-1所示。表2.1-1P3引脚说明P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入〔RXDP3.1串行通讯输出〔TXDP3.2外部中断0〔INT0P3.3外部中断1〔INT1P3.4定时器0输入<T0>P3.5定时器1输入<T1>P3.6外部数据存储器写选通WRP3.7外部数据存储器写选通RD2.2LED显示电路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3.2-1所示。图2.2-1LED显示器的符号图发光二极管〔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。图是共阳式、共阴式LED数码管的原理图和符号.图2.2-2共阳式、共阴式LED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。采用动态显示方式显示时间,硬件连接如图所示,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。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,其硬件连接方式如图2.2-3所示。图2.2-3数码管的硬件连接示意图数码管使用条件：A段及小数点上加限流电阻B使用电压：段：根据发光颜色决定；小数点：根据发光颜色决定C使用电流：静态：总电流80mA〔每段10mA；动态：平均电流4-5mA峰值电流100mA数码管使用注意事项说明：数码管表面不要用手触摸,不要用手去弄引角；焊接温度：２６０度；焊接时间：５Ｓ表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。3数字电子时钟的软件设计系统的软件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。系统的软件设计通常要考虑以下几个方面的问题：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、流程合理；良好的编程风格,考虑结构化程序设计、实行模块化、子程序化。便于调试、链接,移植、修改；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；绘制程序流程图；合理分配系统资源；为程序加入注释,提高可读性,实施软件工程；注意软件的抗干扰设计,提高系统的可靠性。3.1系统软件设计流程图流程图如下所示：图3.1-1主程序流程图按键处理是先检测秒按键是否按下,秒按键如果按下,秒就加1；如果没有按下,就检测分按键是否按下,分按键如果按下,分就加1；如果没有按下,就检测时按键是否按下,时按键如果按下,时就加1；如果没有按下,就把时间显示出来。图3.1-2按键处理流程图定时器中断时是先检测1秒是否到,1秒如果到,秒单元就加1；如果没到,就检测1分钟是否到,1分钟如果到,分单元就加1；如果没到,就检测1小时是否到,1小时如果到,时单元就加1,如果没到,就显示时间。图3.1-3定时器中断流程图3.2数字电子时钟的原理图用PROTUES软件,根据要求画出数字电子钟的原理图如图3.2-1所示：图3.2-1数字电子时钟的原理图数字电子时钟的工作原理数字电子时钟是一个将"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,有校时功能。因此,一个基本的数字电子时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。4系统仿真4.1PROTUES软件介绍Proteus软件是LabcenterElectronics公司的一款电路设计与仿真软件,它包括ISIS、ARES等软件模块,ARES模块主要用来完成PCB的设计,而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。Proteus的软件仿真基于VSM技术,它与其他软件最大的不同在于它能仿真大量的单片机芯片,比如MCS-51系列、PIC系列等等,以及单片机外围电路,比如键盘、LED、LCD等等。通过Proteus软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。4.2数字电子时钟系统PROTUES仿真用PROTUES软件,根据数字电子钟的原理图,画出仿真图,得到的图如图4.2-1所示。图4.2-1数字钟的PROTES仿真5调试与功能说明单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分。一般是排除明显的硬件故障,再进行综合调试,排除可能的软/硬件故障。5.1硬盘调试拿到电路板后,首先检查加工质量,确保没有任何方面的错误,例如短路和断路,元器件在安装前要逐一检查,用万用表测其数值,看是否与所用相同；完成焊接后,应先空载上电〔芯片座上不插芯片,检查各引脚的电位是否正确。若一切正常,方可在断电的情况下将芯片插入,再次检查各引脚的电位及其逻辑关系。将万用表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下,看是否符合要求。5.2系统性能测试与功能说明走时：默认为走时状态,按24小时制分别显示"时时-分分-秒秒",有2个"-"动态显示,时间会按实际时间以秒为最少单位变化。走时调整：按ksec对秒进行调整,按一下加一秒；按kmin对分进行调整,按一下加一分；按khour对时进行调整,按一下加一小时,从而达到快速设定时间的目的。5.3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。S>0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<0表示秒单元数值的刷新超前,即走时误差为"快"。本次设计的单片机电子钟系统中,其误差主要来源包括晶体频率误差,定时器溢出误差,延迟误差。晶体频率产生震荡,容易产生走时误差；定时器溢出的时间误差,本应这一秒溢出,但却在下一秒溢出,造成走时误差；延迟时间过长或过短,都会造成与基准时间产生偏差,造成走时误差。5.4软件调试问题及解决软件调试一般将重点放在分模块调试上,统调是最后一环。软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式。前者可借助于软件仿真器；后者需要仿真系统的支持。本次课题,Keil软件来调试程序,通过各个模块程序的单步或跟踪调试,使程序逐渐趋于正确,最后统调程序。仿真部分