1、本科毕业论文（20 届）基于 Proteus 的多功能数字电子钟的设计所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 基于 Proteus 的多功能数字电子钟的设计 1设计的主要任务及目标设计多功能数字电子钟，能显示时，分，秒，具备时间调整、定时、延时、计数功能；选定各元器件，完成系统整体设计、硬件设计；并通过 Proteus 软件的学习完成程序编制及调试。2设计的基本要求和内容(1) 查阅相关文献资料，进行设计构思
2、并撰写开题报告(2) 进行框架设计，熟悉开发环境(3) 系统硬件设计(4) 系统软件设计(5) 完成毕业设计说明书3主要参考文献1 卢毅,赖杰.VHDL 与数字电路设计M.北京:科学出版社，2002.2刘丽华.专用集成电路设计方法M.北京:北京邮电大学出版社，2000.3张靖武，周灵彬.单片机系统的 PROTEUS 设计与仿真M.北京：电子工业出版社，2007.4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅资料，学习基于单片机控制系统设计思路2013.12-2014.022 撰写开题报告，进行开题答辩 2014.03-2014.033 设计硬件电路，绘制电路原理图 2014.04-2014.
3、044 系统软件设计，编写程序 2014.05-2014.055 修改毕业设计说明书，进行毕业答辩 2014.05-2014.06基于 Proteus 的多功能数字电子钟的设计摘要：本设计采取单片机 ATC89C51、按键开关与数码显示管、译码驱动器和一些简单的辅助电路相结合实现多功能数字电子钟的设计，此次设计主要主要实现了数字电子钟的时间显示功能、闹钟功能、计时功能、计数功能，并通过 Proteus 软件的学习，完成程序编制及调试。关键词：多功能数字电子钟，AT89C51 单片机，ProteusThe design of the multi-function digital electron
4、ic clock based on ProteusAbstract:This design adopts single-chip microcomputer ATC89C51 switches, buttons and digital display tube, decoding drive and some simple auxiliary circuit to realize the combination of the design of the multi-function digital electronic clock, this design is mainly mainly r
5、ealize the time display function of digital electronic clock, alarm clock, timing, counting functions, and through the study of Proteus software, complete the programming and debugging.Key words: multi-function digital electronic clock, AT89C51, Proteus1I目 录1 前言 .11.1 课题产生的背景 .11.2 数字电子钟简介 .41.3 数字电
6、子钟的基本特点 .51.4 数字电子钟的发展史 .51.5 数字电子钟的意义 .51.6 数字电子钟的应用 .51.7 数字电子钟的工作原理 .62 系统总体设计 .72.1 设计方案 .72.1.1 核心控制部分方案 .72.1.2 单片机选型 .72.1.3 显示部分方案 .102.1.4 键盘部分方案 .102.1.5 驱动部分选择方案 .102.2 方案选择 .113 系统硬件设计 .123.1 系统主要功能 .123.1.1 系统的硬件构成及功能 .123.2 硬件电路说明 .123.2.1 按键模块设计 .123.2.2 复位模块设计 .133.2.3 晶振模块设计 .143.2.
7、4 发声指示模块设计 .153.2.5 时间显示模块设计 .164 系统软件设计 .214.1 主程序设计 .214.2 中断程序设计 .214.3 延时程序设计 .23II4.4 按键程序设计 .245 仿真与调试 .25结论 .26参考文献 .27致谢 .29附录一、系统硬件原理图 .30附录二、源程序清单 .3111 前言单片机技术被广泛应用于各种嵌入式系统中，单片机的发展极大地推动了电子技术和自动化技术的发展和应用。传统的单片机系统设计开发，需要借助各种类型的单片机硬件仿真设备，但由于硬件仿真设备资金投入过大，近年来，单片机虚拟仿真软件 Proteus 开始逐渐受到关注，也有越来越多的
8、人开始尝试使用。Proteus 仿真软件是目前世界上最先进最完美的嵌入式系统设计与仿真平台，在全球有庞大的用户群，它不仅具有其他 EDA 工具的仿真功能，还能仿真单片机及外围电器。该软件的特点是：1.实现了单片机仿真和电路仿真相结合。具有模拟仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真；有各种虚拟仪器。2.支持主流单片机系统的仿真。3.提供软件调试功能等。总之，该软件是一款集单片机和电路分析于一身的仿真软件，功能强大。时间对于人们来说总是最宝贵的，时钟，是人们生活中一种必不可少的工具，在当今社会，工作忙碌和繁杂的同时，使得人们对效率的要求越来越高，时钟在人们的生活、生产、学习等多个领域
9、中得到了广泛的应用1。20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地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。钟表的数字化给人们的生产生活带来了极大的便利，而且大大的扩展了钟表原先的功能。设计一种多功能数字电子钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。这次设计我使用单片机技术、Proteus 软件仿真模拟等来实现。1.1 课题产生的背景20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地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
10、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。时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦事情重要，一时的耽误可能酿成大祸。 太原工业学院毕业设计2目前，单片机正朝着高性能和多品种的方向发展，它的发展趋势将是进一步向着科技化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势2。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
11、这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。单 片 机 也 被 称 为 微 控 制 器 （ Microcontroller Uni),常 用 英 文 字 母 的 缩 写 MCU表 示 单 片 机 ， 它 最 早 是 被 用 在 工 业 控 制 领 域 。 单 片 机 由 芯 片 内 仅 有 CPU 的 专 用处 理 器 发 展 而 来 。 最 早 的 设 计 理 念 是 通 过 将 大 量 外 围 设 备 和 CPU 集 成 在 一 个 芯片 中 ， 使 计 算 机 系 统 更 小 ， 更 容 易 集 成 进 复 杂 的 而 对 体 积 要 求 严 格 的 控 制 设
12、 备 当中 。 INTEL 的 Z80 是 最 早 按 照 这 种 思 想 设 计 出 的 处 理 器 ， 从 此 以 后 ， 单 片 机 和 专用 处 理 器 的 发 展 便 分 道 扬 镳 。 早 期 的 单 片 机 都 是 8 位 或 4 位 的 。 其 中 最 成 功 的 是 INTEL 的 8031， 因 为 简单 可 靠 而 性 能 不 错 获 得 了 很 大 的 好 评 。 此 后 在 8031 上 发 展 出 了 MCS51 系 列 单片 机 系 统 。 基 于 这 一 系 统 的 单 片 机 系 统 直 到 现 在 还 在 广 泛 使 用 。 随 着 工 业 控 制 领域 要
13、 求 的 提 高 ， 开 始 出 现 了 16 位 单 片 机 ， 但 因 为 性 价 比 不 理 想 并 未 得 到 很 广 泛的 应 用 。 90 年 代 后 随 着 消 费 电 子 产 品 大 发 展 ， 单 片 机 技 术 得 到 了 巨 大 提 高 。 随 着INTEL i960 系 列 特 别 是 后 来 的 ARM 系 列 的 广 泛 应 用 ， 32 位 单 片 机 迅 速 取 代 16位 单 片 机 的 高 端 地 位 ， 并 且 进 入 主 流 市 场 。 而 传 统 的 8 位 单 片 机 的 性 能 也 得 到了 飞 速 提 高 ， 处 理 能 力 比 起 80 年 代
14、 提 高 了 数 百 倍 。 目 前 ， 高 端 的 32 位 单 片 机主 频 已 经 超 过 300MHz， 性 能 直 追 90 年 代 中 期 的 专 用 处 理 器 ， 而 普 通 的 型 号 出厂 价 格 跌 落 至 1 美 元 ， 最 高 端 的 型 号 也 只 有 10 美 元 1。 当 代 单 片 机 系 统 已 经 不再 只 在 裸 机 环 境 下 开 发 和 使 用 ， 大 量 专 用 的 嵌 入 式 操 作 系 统 被 广 泛 应 用 在 全 系 列的 单 片 机 上 。 而 在 作 为 掌 上 电 脑 和 手 机 核 心 处 理 的 高 端 单 片 机 甚 至 可 以
15、 直 接 使 用专 用 的 Windows 和 Linux 操 作 系 统 。 单 片 机 比 专 用 处 理 器 更 适 合 应 用 于 嵌 入 式 系 统 ， 因 此 它 得 到 了 最 多 的 应 用 。事 实 上 单 片 机 是 世 界 上 数 量 最 多 的 计 算 机 。 现 代 人 类 生 活 中 所 用 的 几 乎 每 件 电 子和 机 械 产 品 中 都 会 集 成 有 单 片 机 。 手 机 、 电 话 、 计 算 器 、 家 用 电 器 、 电 子 玩 具 、掌 上 电 脑 以 及 鼠 标 等 电 脑 配 件 中 都 配 有 1-2 部 单 片 机 。 而 个 人 电 脑
16、 中 也 会 有 为 数不 少 的 单 片 机 在 工 作 。 汽 车 上 一 般 配 备 40 多 部 单 片 机 ， 复 杂 的 工 业 控 制 系 统 上太原工业学院毕业设计3甚 至 可 能 有 数 百 台 单 片 机 在 同 时 工 作 。 单 片 机 的 数 量 不 仅 远 超 过 PC 机 和其 他 计 算 的 总 和 ， 甚 至 比 人 类 的 数 量 还 要 多 。 单 片 机 又 称 单 片 微 控 制 器 ,它 不 是 完 成 某 一 个 逻 辑 功 能 的 芯 片 ,而 是 把 一 个 计算 机 系 统 集 成 到 一 个 芯 片 上 。 相 当 于 一 个 微 型 的
17、计 算 机 ， 和 计 算 机 相 比 ， 单 片 机只 缺 少 了 I/O 设 备 。 概 括 的 讲 ： 一 块 芯 片 就 成 了 一 台 计 算 机 。 它 的 体 积 小 、 质 量轻 、 价 格 便 宜 、 为 学 习 、 应 用 和 开 发 提 供 了 便 利 条 件 。 同 时 ， 学 习 使 用 单 片 机 是了 解 计 算 机 原 理 与 结 构 的 最 佳 选 择 。 单 片 机 内 部 也 用 和 电 脑 功 能 类 似 的 模 块 ， 比 如 CPU， 内 存 ， 并 行 总 线 ， 还有 和 硬 盘 作 用 相 同 的 存 储 器 件 ， 不 同 的 是 它 的 这
18、 些 部 件 性 能 都 相 对 我 们 的 家 用 电脑 弱 很 多 ， 不 过 价 钱 也 是 低 的 ， 一 般 不 超 过 10 元 即 可 。 用 它 来 做 一 些 控 制 电 器一 类 不 是 很 复 杂 的 工 作 足 矣 了 。 我 们 现 在 用 的 全 自 动 滚 筒 洗 衣 机 、 排 烟 罩 、VCD 等 等 的 家 电 里 面 都 可 以 看 到 它 的 身 影 。 它 主 要 是 作 为 控 制 部 分 的 核 心 部 件 。 它 是 一 种 在 线 式 实 时 控 制 计 算 机 ， 在 线 式 就 是 现 场 控 制 ， 需 要 的 是 有 较 强 的抗 干
19、扰 能 力 ， 较 低 的 成 本 ， 这 也 是 和 离 线 式 计 算 机 （ 比 如 家 用 PC） 的 主 要 区 别 。图 1.1 单 片 机 芯 片单 片 机 是 靠 程 序 运 行 的 ,并 且 可 以 修 改 。 通 过 不 同 的 程 序 实 现 不 同 的 功 能 ， 尤其 是 特 殊 的 独 特 的 一 些 功 能 ， 这 是 别 的 器 件 需 要 费 很 大 力 气 才 能 做 到 的 ， 有 些 则是 花 大 力 气 也 很 难 做 到 的 。 一 个 不 是 很 复 杂 的 功 能 要 是 用 美 国 50 年 代 开 发 的74 系 列 ， 或 者 60 年 代
20、 的 CD4000 系 列 这 些 纯 硬 件 来 搞 定 的 话 ， 电 路 一 定 是 一 块太原工业学院毕业设计4大 PCB 板 。 但 是 如 果 用 美 国 70 年 代 成 功 投 放 市 场 的 系 列 单 片 机 ， 结 果 就 会 有 天壤 之 别 。 只 因 为 通 过 单 片 机 编 写 的 程 序 可 以 实 现 高 智 能 ， 高 效 率 ， 以 及 高 可 靠 性 。由 于 单 片 机 对 成 本 是 敏 感 的 ， 所 以 目 前 占 统 治 地 位 的 软 件 还 是 最 低 级 汇 编语 言 ， 它 是 除 了 二 进 制 机 器 码 以 上 最 低 级 的
21、语 言 了 ， 既 然 这 么 低 级 为 什 么 还 要 用呢 ？ 很 多 高 级 的 语 言 已 经 达 到 了 可 视 化 编 程 的 水 平 为 什 么 不 用 呢 ？ 原 因 很 简 单 ，就 是 单 片 机 没 有 家 用 计 算 机 那 样 的 CPU， 也 没 有 像 硬 盘 那 样 的 海 量 存 储 设 备 。一 个 可 视 化 高 级 语 言 编 写 的 小 程 序 里 面 即 使 只 有 一 个 按 钮 ， 也 会 达 到 几 十 K 的尺 寸 。 对 于 家 用 PC 的 硬 盘 来 讲 没 什 么 ， 可 是 对 于 单 片 机 来 讲 是 不 能 接 受 的 。
22、单片 机 在 硬 件 资 源 方 面 的 利 用 率 必 须 很 高 才 行 ， 所 以 汇 编 虽 然 原 始 却 还 是 在 大 量 使用 。 一 样 的 道 理 ， 如 果 把 巨 型 计 算 机 上 的 操 作 系 统 和 应 用 软 件 拿 到 家 用 PC 上来 运 行 ， 家 用 PC 的 也 是 承 受 不 了 的 。 可 以 说 ， 二 十 世 纪 跨 越 了 三 个 “电 ”的 时 代 ， 即 电 气 时 代 、 电 子 时 代 和 现 已 进入 的 电 脑 时 代 3。 不 过 ， 这 种 电 脑 ， 通 常 是 指 个 人 计 算 机 ， 简 称 PC 机 。 它 由主
23、 机 、 键 盘 、 显 示 器 等 组 成 。 还 有 一 类 计 算 机 ， 大 多 数 人 却 不 怎 么 熟 悉 。 这 种 计算 机 就 是 把 智 能 赋 予 各 种 机 械 的 单 片 机 （ 亦 称 微 控 制 器 ） 。 顾 名 思 义 ， 这 种 计 算机 的 最 小 系 统 只 用 了 一 片 集 成 电 路 ， 即 可 进 行 简 单 运 算 和 控 制 。 因 为 它 体 积 小 ，通 常 都 藏 在 被 控 机 械 的 “肚 子 ”里 。 它 在 整 个 装 置 中 ， 起 着 有 如 人 类 头 脑 的 作 用 ，它 出 了 毛 病 ， 整 个 装 置 就 瘫 痪
24、 了 。 现 在 ， 这 种 单 片 机 的 使 用 领 域 已 十 分 广 泛 ， 如智 能 仪 表 、 实 时 工 控 、 通 讯 设 备 、 导 航 系 统 、 家 用 电 器 等 。 各 种 产 品 一 旦 用 上 了单 片 机 ， 就 能 起 到 使 产 品 升 级 换 代 的 功 效 ， 常 在 产 品 名 称 前 冠 以 形 容 词 “智能 型 ”， 如 智 能 型 洗 衣 机 等 。 现 在 有 些 工 厂 的 技 术 人 员 或 其 它 业 余 电 子 开 发 者 搞 出来 的 某 些 产 品 ， 不 是 电 路 太 复 杂 ， 就 是 功 能 太 简 单 且 极 易 被 仿 制 。 究 其 原 因 ， 可能 就 卡 在 产 品 未 使 用 单 片 机 或 其 它 可 编 程 逻 辑 器 件 上 。1.2 数字电子钟简介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，在许多场合都用到电子时钟。
