基于AT89C52单片机的数字时钟系统设计.doc

1、淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论文 ） 第 1 页共 50 页 PROTUES 仿真图 protel 99e 硬件原理图 元器件清单 有需要的加我 qq 981196812 下面是正文部分 淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论文 ） 第 2 页共 50 页 1 引言 人类的生活和工作均离不开时钟。从古代的滴漏更鼓到近代的机械钟，从电子表到目前的数字时钟，为了准确的测量和记录时间，人们一直在努力改进着计时工具。钟表的数字化，大力推动了计时的精确性和可靠性。 1.1 课题背景 近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的要求。多功能数字钟不管在性能还是在

2、样式上都 发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等。数字钟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 1。 在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统， 完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它

3、功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品 2。 随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。根据这种实际情况，设计了一个单片机多功能数字时钟，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制，同时又可以进行时钟校准和定点打铃。它可以执行不同的时间表（考试时间和日常作息时间）的打铃，可以任意设置时间。这种具有人们所需 要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可能。 电子钟是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具

4、有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到广泛应用。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到数字淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论文 ） 第 3 页共 50 页 电子钟。在城市的主要营业场所、车站、码头等公共场所使用 LCD 数字电子钟已经成为一种时尚。但目前市场上各式各样的 LCD 数字电子钟大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂，功率损耗大等缺点，因此有必要对数字电子钟进行改进。 1.2 数字时钟的 发展现状 几种常用数字时钟设计方案： a) 基于微机系统的数字时钟设计 计时单元由定时 /计数器 8253 的通道 0 来实现。定时采用硬件计数和软件技术相结合的方式，即通过

5、 8253 产生一定的定时时间，然后再利用软件进行计数，从而实现 24 小时制定时。 8253 定时时间到了之后产生中断信号， 8253在中断服务程序中实现时、分、秒的累加。 时间显示采用实验平台上的 6 个 LED 数码管分别显示时、分、秒，采用动态扫描方式实现。 校时和闹铃定时通过键盘电路和单脉冲产生单元来输入。按键包括校时键、闹钟定时键、加 1 键和减 1 键等。 报警 声响用蜂鸣器产生，将蜂鸣器接到 8255 的一个端口，通过输出电平的高低来控制蜂鸣器的发声。 系统硬件设计主要利用微机实验平台上的电路模块。硬件电路主要由键盘电路、单脉冲产生单元、 8253 定时计数器、 8255 并行

6、接口单元、 8259 中断控制器、 LED 显示电路和蜂鸣器电路等等。 b) 基于 VHDL 的数字时钟设计 基于 VHDL 语言，用 Top_Down 的思想进行设计。 用 CN6 无进位六进制计数器选择数码管的亮灭以及对应的数，循环扫描显示，用 SEL61 六选一选择器选择给定的信号输出对应的数送到七段码译码器。 K4 模块进行复 位，设置小时和分，输出整点报时信号和时，分，秒信号。 单元模块设计部分分三个部分，介绍数字钟选择显示数码管和对应的数模块 CN6,信号选择模块 SEL61,七段码译码器模块 DISP 和复位，秒，分，时显示，设置模块。 c) 基于单片机数字时钟设计 淮阴工学院毕

7、业设计说明书 （ 论文 ） 第 4 页共 50 页 基于单片机的数字时钟设计是模块化设计，以单片机做主控制模块，控制时钟芯片、温度传感器芯片等，又将数据控制输出到显示模块。 基于 MCS-51 单片机的数字时钟系统具有显示准确、直观、易于调整等特点。单片机自诞生以来给全世界人类的生活和工作起到了剧烈的变化，而MCS-51 单片 机是我国使用最早、最易掌握和应用的一款单片机。通过该系统的设计，对单片机的原理和功能有个比较系统和全面的掌握，初步学习到有关工程设计的方法和思路。这样以后的就业面会更加宽广，也可以满足当今社会对单片机开发人才的大量需求。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到

8、哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC 卡，录象机、摄象机，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机 器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机在多功能数字钟中的应用已是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过

9、键盘可以进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。 综上所述此基于单片机的数字时钟具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成 本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景。值得我们进行深入的研究和了解。 1.3 课题研究的意义 多功能数字时钟的用途十分广泛，只要有计时的存在，便要用到数字时钟的原理及结构；同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费者的喜爱。随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断提高。时钟已不仅仅被看出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。

10、高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。在这种趋势下， 时钟的淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论文 ） 第 5 页共 50 页 数字化、多功能化已经成为现在时钟生产研究的主导设计方向 3。 1.4 本课题研究内容 本论文主要研究基于单片机的数字时钟设计。当程序执行后，显示即时时间、年月日、星期、温度。设置 4 个操作键： K1：设置键； K2：上调键； K3：下调键； K4：确定键。本设计的主要内容： 1、了解单片机技术的发展现状，熟悉 数字时钟 各模块的工作原理； 2、选择适当的芯片和元器件，确定系统电路，绘制电路原理图，尤其是各接口电路； 3、熟悉单片机使用方法和 C 语言的编

11、程规则，编写出相应模块的应用程序； 4、分别在各自的模块中调试出对应的 功能，在Proteus 软件上进行仿真。 5、做出实物，调试出相应功能。 2 系统设计 2.1 系统构成 设计基于单片机的数字时钟和数字温度计，并将时间和温度直接的显示出来。设计初步思路：本设计由单片机、时钟电路、温度检测电路、显示电路、键盘接口 5 个模块组成。如下图 2.1 所示， 图 2.1 系统框图 2.2 模块芯片方案的选择 2.2.1 单片机主控制部分的方案 方案一 用凌阳 16位单片机设计。凌阳 16位单片机有丰富的中断源和时基，方便本实验的设计。它的准确度相当高，并且 C语言和汇编 兼容的编程环境也很方便来

12、实单 片 机 电 源 时钟 显示 键盘部分 温度检测 淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论文 ） 第 6 页共 50 页 现一些递归调用。但是，在控制与显示的结合上有些复杂，显示模组资源相对有限，而且单片机的稳定性不是很高。 方案二 主控芯片使用 51 系列 AT89C52 单片机，片内 ROM 全都采用 Flash ROM，能以 3V 的超底压工作，同时也与 MCS-51 系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间，同样具有 89C51 的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造

13、成损坏。 2.2.2 时钟芯片 的方案 方案一 直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。采用此种方案虽然减少芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大。所以不采用此方案。 方案二 采用 DS1302 作为主要计时芯片，可以做到计时准确。更重要的是， DS1302可以在很小电流的后备电源（ 2.5 5V 电源，在 2.5V 时耗电小于 300nA）下继续计时，停电后时钟无需重新调整，并可编程选择多种充电电流来对后备电源进行慢速充电，可以保证后备电源基本不耗电，阳历、星期与年月日自动对应。 2.2.3 测温部分的方案 方案一 使用热敏电阻作为传感器，用

14、热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行 A/D 转换。此设计方案需用 A/D 转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。 方案二 与前面相比，采用美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后推出的一种改进型智能温度传感器 DS18B20 作为检测元件，测温范围为 -55 125 ，最大分辨率可达 0.0625 。采用数字式温度传感器 DS18B20，此类传感 器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除 A/D淮阴工学院毕业设计说明书

15、（ 论文 ） 第 7 页共 50 页 模块，降低硬件成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。 2.2.4 显示部分的方案 方案一 采用 LED数码管动态扫描 ,虽然 LED数码管价格适中 , LED数码管显示容量有限，且动态扫描需要占用大量单片机时间，无法做到实时显示。所以在此设计中也不采用 LED 数码管。 方案二 采用 LCD 液晶显示屏 ,液晶显示 屏的显示功能强大 ,可显示大量文字 ,图形 , 具有超精致影像画质、十足平面显示、节省空间、节省 能源等优点。 综上各方案所述 ,对此次设计的方案选定 : 采用 AT89C52 作为主控制芯片，DS130

16、2 时钟芯片计时， DS18B20 采集温度， LCD1602 作为显示模块。 3 硬件设计 本电路是以 AT89C52 单片机为控制核心，该芯片具有在线编程功能，功耗低，能在 3.3V 的超低压下工作；时钟芯片采用 DS1302，它是一款高性能、低功耗、自带 RAM 的实时时钟芯片，具有使用寿命长，精度高和功耗低等特点，同时具有掉电自动保存功能 ,可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，其工作电压为 2.5V 5.5V；温度检测模块由 DS18B20 构成 ,它采用独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯 , 具有测量精度高、测量范围广等优点 ,其测温范围在 -55+12

17、5 ,工作电压为 3v5.5v；显示部份使用 1602 液晶显示屏来实现 ,该显示屏具有低功耗、寿命长、可靠性高的特点，其工作电压为 5v4。 3.1 单片机模块的设计 本设计中的单片机主要负责对外设的控制和各个功能模块间的协调，没有复杂的数据计算，因此 8 位的 51 系列单片机足以胜任。 51 单片机以其低廉的价格以及出色的性能成了很多控制系统的首选。它具有丰 富的内部资源，较大的数据，程序存储区。一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路，复位电路，电源指示灯和尾部扩展接口等部分组成，本系统也不例外，当单片机具备了这些最基本的淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论文 ） 第 8 页共 50 页 条

18、件后，就可以正常工作了。 单片机最小系统如图 3.1 所示，单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚用于连接晶振电路。 XTAL1 接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入， XTAL2 接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出。 RESET 为复位引脚，连接复位电路，它用于对单片机进行初始化。复位电路包括复位电容，复位电 阻和复位开关 5。 图 3.1 单片机最小系统 3.1.1 AT89C52 单片机简介 AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位 单片机 ，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 25

19、6 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-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器 和 Flash 存储单元， AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛的应用 . a）主要功能特性 1)兼容 MCS51 指令系统； 2) 8k 可反复擦写 (大于 1000 次） Flash ROM；3) 32 个双向 I/O 口； 4) 256x8bit 内部 RAM； 5) 3 个 16 位可编程定时 /计数器中断； 6) 时钟频率 0-24MHz； 7) 2 个串行中断，可编程 UART 串行通道；8) 2 个外部

20、中断源，共 6 个中断源； 9) 2 个读写中断口线， 3 级加密位； 10) 低功耗空闲和掉电模式， 软件 设置睡眠和唤醒功能； 11) 有 PDIP、 PQFP、 TQFP及 PLCC 等几种封装形式，以适应不同产品 . 淮阴工学院毕业设计说明书 （ 论文 ） 第 9 页共 50 页 b）管脚说明 VCC：电源电压 GND：接地 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口

21、，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高 。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被

22、外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于 外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个TTL 门电流。当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 RST：复位

23、输入。当振荡器复位器件时， 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执 行状态 ALE 禁淮阴工

24、学院毕业设计说明书 （ 论文 ） 第 10 页共 50 页 止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工 作电路的

25、输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出 6。 3.1.2 复位电路的设计 复位电路是使单片机的 CPU 或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作。 a）单片机常见的复位电路 通常单片机复位电路有两种：上电复位电路，按键复位电路。上电复位电路：上电复位是单片机上电时复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。它利用的是电容充电的原理来实现的。按键复位电路：它不仅具有上电复位电路的功能，同时它的操作比上电复位电路的操作要简单的多。如果要实现复位的话，只要按下 RESET 键即可 。它主要是利用电阻的分压来实现的 在此设计中，采用的按键复位电路。按键复位电路如图 3.2 所示。 图 3.2 复位电路 b）复位电路工作原理 上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间 RESET 引