電子時鐘設計

1、目 錄前言2一、概述31.1課程設計項目名稱31.2項目設計目的及技術要求31.3實驗使用的儀器設備3二、整體制作思路3三、系統(tǒng)設計43.1硬件框圖43.2 電路原理與原理圖83.2程序框圖9四、仿真及結(jié)果124.1 Protues仿真圖124.2仿真結(jié)果134.3實物圖片13五、結(jié)束語14六、參考文獻15附錄（源程序）前言 時鐘，自從它發(fā)明的那天起，就成為人類的朋友，但隨著時間的推移，科學技術的不斷發(fā)展，人們對時間計量的精度要求越來越高，應用越來越廣。怎樣讓時鐘更好的為人民服務，怎樣讓我們的老朋友煥發(fā)青春呢？這就要求人們不斷設計出新型時鐘。 現(xiàn)今，高精度的計時工具大多數(shù)都使用了石英晶體振蕩器

2、，由于電子鐘，石英表，石英鐘都采用了石英技術，因此走時精度高，穩(wěn)定性好，使用方便，不需要經(jīng)常調(diào)校，數(shù)字式電子鐘用集成電路計時時，譯碼代替機械式傳動，用LED顯示器代替顯示器代替指針顯示進而顯示時間，減小了計時誤差，這種表具有時，分，秒顯示時間的功能，還可以進行時和分的校對，片選的靈活性好。 時鐘電路在計算機系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是保證系統(tǒng)正常工作的基礎。在一個單片機應用系統(tǒng)中，時鐘有兩方面的含義：一是指為保障系統(tǒng)正常工作的基準振蕩定時信號，主要由晶振和外圍電路組成，晶振頻率的大小決定了單片機系統(tǒng)工作的快慢；二是指系統(tǒng)的標準定時時鐘，即定時時間，它通常有兩種實現(xiàn)方法：一是用軟件實現(xiàn)，即用單片

3、機內(nèi)部的可編程定時/計數(shù)器來實現(xiàn)，但誤差很大，主要用在對時間精度要求不高的場合；二是用專門的時鐘芯片實現(xiàn)，在對時間精度要求很高的情況下，通常采用這種方法，典型的時鐘芯片有：DS1302，DS12887，X1203等都可以滿足高精度的要求。 本文主要介紹用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器來實現(xiàn)電子時鐘的方法，本設計由單片機STC12C5A06S2芯片和LED數(shù)碼管為核心，輔以必要的電路，構成了一個單片機電子時鐘。一、概述1.1課程設計項目名稱電子時鐘設計1.2項目設計目的及技術要求基于51單片機，通過設計外圍硬件設計和編寫軟件程序，完成LED七段數(shù)碼管數(shù)字鐘電路，數(shù)字鐘顯示格式為：HH：MM：SS。具有

4、通過鍵盤能夠調(diào)整時、分、秒的功能。要求設計者擁有對51單片機的基本運用能力。擁有使用計算機語言進行簡單程序開發(fā)的能力。以及對新接觸電子模塊的學習使用能力。1.3實驗使用的儀器設備一塊單片機STC12C5A60S2、一塊74LS04芯片、3個2位數(shù)碼管、4個按鍵、一個石英晶振、兩個30pf的電容、5個發(fā)光二極管。二、整體制作思路 首先，我們明確本設計需要解決的問題有： (1)芯片的選擇 (2)硬件的連接 (3)電子時鐘的實現(xiàn)然后圍繞這些問題進行總體考慮并逐項解決。通過查閱大量資料，特別是論文，我們選擇了單片機STC12C5A60S2，然后搭建了最小系統(tǒng)，通過proteus仿真，證實我們的方案是切

5、實可行的，能夠完成電子時鐘功能。最后通過把程序燒到單片機中，實現(xiàn)了設計要求。在這過程中，其實并不是一帆風順的，首先對最小系統(tǒng)的搭建就經(jīng)過我們的大量討論，然后才確定了器件的選擇。由于proteus中沒有STC12C5A60S2，我們用AT89C51進行仿真實驗。接著就是程序了，這也是我們頭痛的地方。通過看書并到圖書館借閱單片機編程相關資料，我們編出了程序，但仿真時卻發(fā)現(xiàn)有錯誤，通過反復修改并仿真，才最終完成設計要求。最后我們將程序燒到焊好的單片機中，完成了本次課程設計。3、 系統(tǒng)設計3.1硬件框圖本設計使用單片機STC12C5A60S2作為主控芯片，通過外接按鈕進行時間調(diào)整，完成時間調(diào)整，并在數(shù)

6、碼管上顯示出來相應的結(jié)果。根據(jù)本次設計的要求，在盡量要求準確精簡的條件下設計了以下電路框圖。本次設計包含有四個主要的部分：單片機的最小系統(tǒng)，即由單片機，時鐘電路，復位電路組成；數(shù)碼管顯示電路和按鍵控制電路。其整體設計框圖如下圖3.1所示：時鐘電路STC12C5A06S2LED按鍵復位電路圖3.1 電路框圖STC12C5A60S2單片機功能介紹：STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速1

7、0位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。1.增強型8051CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；2.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機）STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V-2.2V（3V單片機）；3.工作頻率范圍：0-35MHz，相當于普通8051的0420MHz；4.用戶應用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)；5.片上集成1280字節(jié)RAM；6.通用I/O口（36/40/44個），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通805

8、1傳統(tǒng)I/O口），可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55Ma；7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)；9.看門狗；10.內(nèi)部集成MAX810專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻到地）；11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器，5V單片機為1.32V，誤差為+/-5%,3.

9、3V單片機為1.30V，誤差為+/-3%；12.時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi)) 1用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機為：11MHz15.5MHz， 3.3V單片機為：8MHz12MHz，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準；13.共4個16位定時器兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器；14.2個時

10、鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘；15外部中斷I/O口7路傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，PowerDown模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設置到P4.2 ),CCP1/P1.4(也可通過寄存器設置到P4.3)；16.PWM(2路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列,2路）：也可用來當2路D/A使用也可用來再實現(xiàn)2個定時器也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)；17.

11、A/D轉(zhuǎn)換,10位精度ADC共8路，轉(zhuǎn)換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次）18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口；19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設置到P4.3)；20.工作溫度范圍：-40-+85(工業(yè)級)/0-75(商業(yè)級)21.封裝：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48I/O口不夠時，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展I/O口,還可用A/

12、D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。時鐘電路模塊： 單片機時鐘內(nèi)部有一個高增益反向放大器，用于構成時鐘震蕩電路，XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為放大器的輸出端，但要形成時鐘還需附加其他的電路。（1）內(nèi)部時鐘方式 利用單片機內(nèi)部的高增益反相放大器，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。定時元件一般采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體可在1.212MHz之間任選，電容可在530pF之間選擇，電容C1和C2的大小可起頻率微調(diào)的作用，電容大小要和晶體的容性負載阻抗相匹配，否則不易起振。 （2）外部時鐘方式 外部時鐘方式常用于

13、多機系統(tǒng)，以便各個單片機能夠同步工作。對外部振蕩信號無特殊要求，但需保證脈沖寬度不小于20ns，且頻率應低于單片機所支持的最高頻率。 本設計采用12Mhz的晶振，30pF的電容，內(nèi)部時鐘電路。如圖3.2所示：圖3.2 時鐘電路 復位電路模塊：計算機在啟動運行時都需要復位，使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 MCS-51單片機有一個復位引腳RST，采用施密特觸發(fā)輸入，對于CHMOS單片機，RST引腳的內(nèi)部有一個低拉電路。當振蕩器起振后，只要該引腳上出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時即可確保使器件復位。復位完成后，如果RST端繼續(xù)保持高電平，單片機就一直處于復位

14、狀態(tài)，只有RST端恢復低電平后，單片機才能進入其他工作狀態(tài)。 RST端的外部復位電路有兩種復位操作形式：上電自動復位和按鍵手動復位。 （1）上電自動復位電路 對于HMOS型單片機，只要在RST復位端接一個電容至VCC和一個電阻至VSS（地）,就能實現(xiàn)上電自動復位。在加電瞬間，電容通過電阻充電，就在RST端出現(xiàn)一定寬度的高電平，只要高電平時間足夠長，就可以使單片機有效復位。RST端在加電時應保持的高電平時間包括VCC的上升時間和振蕩器起振的時間。VCC上升時間約為10ms,振蕩器起振時間和頻率有關。10MHz時約為1ms.1MHz時約為10ms，所以一般為了可靠的復位，RST在上電時應保持20m

15、s以上的高電平。當振蕩頻率為12MHz時，典型值為C=10Uf,R=8.2K。 （2）按鍵手動復位 按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。按鍵電平復位是通過使復位端經(jīng)電阻與VCC接通而實現(xiàn)的；按鍵脈沖復位則是利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來實現(xiàn)的。 復位電路采用手動復位和上電自動復位組合。如圖3.3所示：圖3.3 復位電路 外部中斷和內(nèi)部中斷并存，單片機硬件復位端，只要持續(xù)4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復位，硬件復位后的各狀態(tài)可知寄存器以及存儲器的值都恢復到了初始值，因為本設計中功能中有倒計時時間的記憶功能，所以不能對單片機進行硬件復位，只能用軟件復位，軟件復位實際上就是當程序執(zhí)行完之后，將程序通過

16、一條跳轉(zhuǎn)指令讓它完成復位。鍵盤控制模塊： 根據(jù)題目要求及另加的一些功能要求，總共只需要4個按鍵(如圖3.4)，故選用獨立按鍵模式。 這4個鍵分別為，調(diào)時選擇鍵k0、加值鍵k1、減值鍵k2、單片機復位鍵k3。下面具體介紹一下每個鍵的功能。 K0：時、分、秒的調(diào)時選擇鍵。 K1：加值鍵，每按一次所選的時間值加1； K2：減值鍵，每按一次所選的時間值減1； K3：單片機手動復位鍵。圖3.4 控制按鍵3.2電路原理與電路圖3.2.1 電路原理 一個AT89C51單片機做為控制電路，用P0、P2口來控制數(shù)碼管的段碼和位碼，利用動態(tài)掃描來實現(xiàn)數(shù)碼管的顯示。開通定時器T0中斷來對數(shù)碼管的查表和1秒的準確計時

17、，然后利用P3口的低三位作為判斷程序，判斷是否分時秒是否溢出，若無溢出則顯示當前值，若溢出則清零實現(xiàn)時分秒的加一。3.2.2 電路原理圖 圖3.1電路原理圖3.3程序框圖3.3.1 系統(tǒng)軟件設計主程序流程圖 主程序先對顯示單元和定時器/計數(shù)器初始化，然后重復調(diào)用數(shù)碼管顯示模塊和案件處理模塊，當有鍵按下時，則轉(zhuǎn)入相應功能程序。圖3.2 主程序流程圖3.3.2 定時器/計數(shù)器T0中斷服務程序 計數(shù)選擇定時器/計數(shù)器T0.具體處理如下：定時器/計數(shù)器T0選擇方式1，重復定時，定時時間設為50ms，定時時間到則中斷，在中斷服務程序中用一個計數(shù)器對50ms計數(shù)，計20次則對秒單元加1，秒單元加到60則對

18、分單元加1，同時秒單元清零；分單元加到60則對時單元加1，同時分單元清零；時單元加到24則對時單元清零，標志一天時間計滿，這樣就行成了時鐘關系。在對各單元計數(shù)的同時，把它們的值放到存儲單元的指定位置。定時器/計數(shù)器T0中斷服務的流程圖如下：圖3.3 定時器/計數(shù)器T0中斷服務程序的流程3.3.3 按鍵處理模塊 按鍵處理設置為:如沒有按鍵，則時鐘正常走時。當按K0鍵一次，時鐘暫停走動，進入調(diào)分狀態(tài)，再按K0鍵一次，進入調(diào)小時狀態(tài)，再按K0鍵一次，回到正常走時；對于K1和K2按鍵，如果是正常走時，按K1和K2不起作用，如果進入調(diào)時或調(diào)分狀態(tài)，按K1可對時或分進行加1操作，小時加到24則回到0，分加

19、到60則回到0；按K2可對時或分進行減1操作，小時減到負責回到23，分減到負則回到59。按鍵處理模塊的流程如圖所示：圖3.4 按鍵處理模塊的流程四、仿真及結(jié)果4.1 Protues仿真圖 通過protues建立基于AT80C51單片機仿真原理圖，按鍵從左到右，第一個鍵為模式選擇鍵，按第一次暫停設分鐘，按第二次暫停，設小時，按第三次從新走動。第二個鍵為加1鍵，第二個鍵為減一鍵。4.2仿真結(jié)果 通過Proteus進行仿真，通過按鍵調(diào)整讓其顯示時間為12時07分。4.3實物圖片 上圖是由STC12C5A06S2單片機做出的實物，可以通過按鈕調(diào)整時間。五、結(jié)束語 我在這一次數(shù)字電子鐘的設計過程中，很是

20、受益匪淺。通過對自己在大學三年時間里所學的知識的回顧，并充分發(fā)揮對所學知識的理解和對畢業(yè)設計的思考及書面表達能力，最終完成了。這為自己今后進一步深化學習，積累了一定寶貴的經(jīng)驗。撰寫論文的過程也是專業(yè)知識的學習過程，它使我運用已有的專業(yè)基礎知識，對其進行設計，分析和解決一個理論問題或?qū)嶋H問題，把知識轉(zhuǎn)化為能力的實際訓練。培養(yǎng)了我運用所學知識解決實際問題的能力。通過這次課程設計我發(fā)現(xiàn)，只有理論水平提高了；才能夠?qū)⒄n本知識與實踐相整合，理論知識服務于教學實踐，以增強自己的動手能力。這個實驗十分有意義 我獲得很深刻的經(jīng)驗。通過這次課程設計，我們知道了理論和實際的距離，也知道了理論和實際想結(jié)合的重要性，

21、也從中得知了很多書本上無法得知的知識。我們的學習不但要立足于書本，以解決理論和實際教學中的實際問題為目的，還要以實踐相結(jié)合，理論問題即實踐課題，解決問題即課程研究，學生自己就是一個專家，通過自己的手來解決問題比用腦子解決問題更加深刻。學習就應該采取理論與實踐結(jié)合的方式，理論的問題，也就是實踐性的課題。這種做法既有助于完成理論知識的鞏固，又有助于帶動實踐，解決實際問題，加強我們的動手能力和解決問題的能力。 六、參考文獻1曹巧媛，單片機原理及應用M，北京：電子工業(yè)出版社，1997.7 2趙秀珍，單永磊，單片微型計算機原理及其應用M，北京：中國水利水電出版社，2001.8 3張毅剛，修林成，胡振江，

22、MCS-51單片機應用設計M，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1990.8 4張洪潤，蘭清華，單片機應用技術教程M，北京：清華大學出版社，1997.11 5李華，MCS-51系列單片機實用接口技術M，北京：北京航空航天大學出版社，1993.8 6陳景初，單片機應用系統(tǒng)設計與實踐M，北京：北京航空航天大學出版社7馬忠梅，單片機的C語言Windows環(huán)境編程寶典M, 北京：北京航空航天大學出版社，2003.6 8李光飛,單片機C程序設計指導M,北京:北京航空航天大學出版社，2003.01 附錄源程序如下:#include<reg52.h>#define uchar unsigned ch

23、ar#define uint unsigned intuchar sec,min,hour;/定義時、分、秒變量uchar counter10ms0,counter10ms1; /定義T0和T1的10ms計數(shù)變量uchar counter05s0;/定義0.5秒變量uchar KeyCounter; /定義保存功能按鍵計數(shù)值變量uchar OldKey; /定義保存按鍵狀態(tài)變量bit AddFlag,SubbFlag;/定義加、減按鍵標志bit FlashFlag; /定義閃爍標志sbit LED1=P10;sbit LED2=P11;sbit LED3=P12;sbit LED4=P13;u

24、char Disbuff8=1,2,10,3,4,10,5,6;/定義數(shù)碼管顯示緩沖區(qū)單元uchar code DisCode12=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf,0xff;/共陽數(shù)碼管段碼，09及“-”“熄滅”字符的字型碼/uchar code DisCode12=0X3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40,0x00; /共陰數(shù)碼管段碼，09及“-”“熄滅”字符的字型碼sbit LED=P34; /工作指示燈/* 延時函數(shù)Delaynms（uint

25、dly） * 延時時間 dly x 1ms 12MHz */void Delaynms(uint dly)uchar i;while(dly-)for(i=0;i<123;i+);/*/* 顯示函數(shù)Display() * 功能：根據(jù)將8個數(shù)碼管顯示一遍 */void Display(void)uchar i,n=0x01;for(i=0;i<8;i+) P0=DisCodeDisbuffi; /送段碼 P2=n;/開位選Delaynms(1); /延時n=n<<1; /位選移位P0=0xff;/段碼低電平全滅P2=0xff; /經(jīng)過非門后變成高電平，使得位選關閉/*/*

26、 BIN碼變換成BCD碼函數(shù)TimeDataBin2Bcd() * 功能：將時、分、秒分離出十位和個位 */void TimeDataBin2Bcd() Disbuff0=hour/10;/分離小時十位 Disbuff1=hour%10;/分離小時個位 Disbuff3=min/10;/分離分鐘十位 Disbuff4=min%10;/分離分鐘個位 Disbuff6=sec/10;/分離秒十位 Disbuff7=sec%10;/分離秒個位/*/* 讀入按鍵函數(shù)ReadKey() * 功能：若有按鍵按下，返回按鍵值 * 若沒有按鍵按下，返回255 */uchar ReadKey()uchar Ke

27、y;Key=P3&0xe0; /讀入按鍵值 P3&1110 0000if(Key!=0xe0) /若有鍵按下 Delaynms(10);Key=P3&0xe0; /重新讀入按鍵值if(Key!=0xe0) /若有鍵按下if(Key!=0xe0)&&(OldKey=0xe0)/判斷是否下降沿 ? OldKey=Key; /保存本次按鍵值return(Key); /返回按鍵值OldKey=Key;/無鍵按下，保存本次按鍵值，返回255return(255);/不能夠刪，否則出錯 ？/*/* 按鍵分析函數(shù)KeyAnalysis(uchar Key) * 功能：

28、對功能鍵計數(shù) * 對加、減鍵設標志 */void KeyAnalysis(uchar Key)if(Key!=255)/有鍵按下switch(Key)case 0x60:KeyCounter+;/功能鍵按下 0110 0000 因為85行Key=P3&0xe0; /重新讀入按鍵值if(KeyCounter=3)KeyCounter=0;break;case 0xa0: if(KeyCounter!=0)AddFlag=1;break; /+鍵按下1010 0000 ？case 0xc0: if(KeyCounter!=0)SubbFlag=1;break; /-鍵按下1100 0000

29、/*/* 時間調(diào)整函數(shù)AdjTime() * 功能：對分鐘、小時加、減設置 * */void AdjTime() if(KeyCounter=1) /設置分鐘 if(AddFlag) /分鐘+設置 AddFlag=0; /標志位要清零 ，否則影響下次按鍵判斷min+;if(min=60)min=0;if(SubbFlag) /分鐘-設置 SubbFlag=0; /標志位要清零 ，否則影響下次按鍵判斷min-;if(min=255)min=59;/分鐘減到0的時候，unsigned char型的變量回到255if(KeyCounter=2) /設置小時 if(AddFlag) /小時+設置 Ad

30、dFlag=0;hour+;if(hour=24)hour=0;if(SubbFlag) /小時-設置 SubbFlag=0;hour-;if(hour=255)hour=23;/*/* 閃爍控制函數(shù)FlashControl() * 功能：對調(diào)整的分鐘、小時進行熄滅設置 * */void FlashControl()if(FlashFlag) if(KeyCounter=1) Disbuff3=11;/DisCode11=0x00，數(shù)碼管滅 Disbuff4=11; if(KeyCounter=2) Disbuff0=11; Disbuff1=11;/*?*/*void LEDFLASH(vo