本科学年论文 第 1 页基于单片机电子时钟设计分析基于单片机电子时钟设计分析目目 录录第一章 引言.21.1 数字电子钟的背景.21.2 数字电子钟的意义.2 第二章 设计方案.22.1 数字时钟方案.22.2 数码管显示方案.3 第三章 系统设计.33.1 总体设计.33.2 单片机外围控制电路.33.2.1 单片机的选择.3 3.2.2 控制电路.53.2.3 电源部分.63.2.4 复位电路.63.2.5 程序下载接口.73.2.6 位选部分.7 第四章 软件设计.94.1 程序流程图.9 4.2 源程序.11 第五章 使用调试.18 结论.18 参考文献.18本科学年论文 第 2 页内容摘要内容摘要现代社会人们对时间的观念越来越强，时间不准确会给人们带来很大的麻烦，所 以数码管为显示器时钟比指针式的显示器表现出了很大的优势。数码管显示的时间简 单明了而且读数快、时间准确显示到秒。所以数字电子钟的精度、稳定度远远超过老 式机械钟。而机械式的依赖于晶体震荡器，可能会导致误差。在这次设计中，我采用 了 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，以 AT89S51 芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由 4.5V 直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间，调整时间，并在数码管上显示相 应的时间。关键词关键词 单片机，AT89S51，电子时钟 本科学年论文 第 3 页第一章 引 言 1.1 数字电子钟的背景 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，而单片机 模块中最常见的就是数字电子钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时 的装置，本设计由单片机 AT89S51 芯片和 LED 数码管为核心，辅以必要的电路，构成 了一个单片机电子时钟1.2 数字电子钟的意义 数字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,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，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。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。第二章 设 计 方 案 2.1 数字时钟方案 本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存 放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现 1 秒定时中断，每产生一次中 断，存储器内相应的秒值加 1；若秒值达到 60，则将其清零，并将相应的分字节值加 1；若分值达到 60，则清零分字节，并将时字节值加 1；若时值达到 24，则将十字节清 零。该方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初 值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时， 时钟将不工作。 基于硬件电路的考虑，本设计采用完全用软件实现数字时钟。2.2 数码管显示方案 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，也于点 亮时间与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。 从节省 I/O 口和降低能耗出发，本设计采用方案二。第三章 系 统 设 计 本科学年论文 第 4 页3.1 总体设计 利用单片机（AT89S51）制作简易电子时钟，由六个 LED 数码管分别显示小时十位、 小时个位、分钟十位、分钟个位、秒钟十位、秒钟个位。6 个 PNP 管（9012）分别控制 六个数码管的亮灭，其中一个按键（S1）用于系统复位,另一个按键（S2）用于时间调 整。3.2 单片机外围控制电路 3.2.1 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。其发展趋势不外乎以下 几个方面： 1、多功能 单片机中尽可能地把所需要的存储器和 I/O 口都集成在一块芯片上，使得单片机可 以实现更多的功能。比如 A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器- 看家狗）、高速 I/O 口及计数器的捕获/比较逻辑等。 有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片 数量。例如，有的芯片以 51 内核为核心，集成了 USB 控制器、SMART CARD 接口、MP3 解码器、CAN 或者 I*I*C 总线控制器等，LED、LCD 或 VFD 显示驱动器也开始集成在 8 位单片机中。 2、高效率和高性能 为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用 RISC、流水线和 DSP 的设计技术， 使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的本科学年论文 第 5 页 单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内 ROM（FLASH）和 RAM 的容量都突破了以往的数量和限制。 由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如 C 语言）来开发单片 机的程序。使用高级语言可以降低开发 难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可 移植性，便于改进和扩充功能。 3、低电压和低功耗 单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。由于 CMOS 等工艺的 大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2V 或 0.9V），功耗已经降低到 uA 级。这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。4.价格价格是一个很重要的因素，如果成本过高就不能普及不能大规模的生产。那样就有 很多人不能用上。 目前，我国生产很多型号的单片机，在此，我们采用型号为 AT89C51 的单片机。因 为：AT89C51 的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒 方式有 RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省 电模式中，片内 RAM 将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件 复位方可继续运行。3.2.2 控制电路 本科学年论文 第 6 页图 3-2 控制电路 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4K bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器，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 8051 指令系统及引脚。AT89S51 提供以下标准功能： 4K 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32I/O 口线，看门狗（WDT），两个数 据指针，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口， 片内振荡器及时钟电路。 如图 3-2 所示，AT89S51 有 40 引脚，双列直插（DIP）封装，所用引脚功能如下： 1. VCC 运行时加4.5v 2. GND 接地 3. XTAL1 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端 4. XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 5. RST 复位输入，高电平有效，在晶振工作时，在 RST 引脚上作用 2 个机 器周期以上的高电平，将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFT AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO 位缺省为 RESET 输出高电 平打开状态。 6. EA/VPP 片外程序存储器访问允许信号。欲使 CPU 仅访问外部程序存储 器（地址为 0000H-FFFFH），EA 端必须保持低电平（接地），如果 EA 端为高电平 （接 Vcc 端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 7. P1 口,P2 口P1，P2 是一组带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。运行时通 过 P1 口控制驱动电路的工作，将数据送到数码管，显示相应的段码，为了达到减少 功耗或满足端口对最大电流的限制，应加上一限流电阻。P2.0P2.5 口控制数码管 的位选，使六个数码管轮流显示数据，等于 1 时位选三极管导通，等于 0 时位选三极 管截止。 本科学年论文 第 7 页 8. 无自锁开关（S2P3.7）开关接相应引脚 P3.7，当开关按下时，相应引脚 为低电平 0，断开时引脚为高电平 1。3.2.3 电源部分图 3-3 电源电路如图 3-3 所示，从外部引入 4.5V 的直流电，为单片机、复位电路提供电源。3.2.4 复位电路图 3-4 复位电路如图 3-4 所示，复位电