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1、 目录摘要1ABSTRACT21概述31.1本课题研究目的及意义31.2国内外研究背景31.3本课题的研究方法及预期达到的目的42总体控制方案设计52.1数字时钟的工作原理52.2单片机的选型52.3 AT89C51单片机介绍72.4总体方案设计83 硬件设计93.1键盘模块93.2显示模块93.3复位电路123.4蜂鸣器驱动电路134 软件设计154.1总体软件设计154.2中断服务函数154.3计时子函数164.4闹钟子函数流程图174.5键盘扫描子函数184.6 时间和闹钟的设置194.7 软件设计总结205 总结226 参考文献237致谢24附录24摘要近年来，电子技术获得了飞速的发展
2、，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。数字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8位8段LED数码管显示，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，并采用外置喇叭作为响铃。在此次设计中，电路具有显示时间的其本功能，还可以实现对时间的调整。数字时钟因外形小巧，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的喜爱，因此得到了广泛的使用。关键字：单片机 数字时
3、钟 ABSTRACTIn recent years, electronic technology has gained rapid development, modern electronic products has been used in almost all spheres of society, Its a strong impetus to the development of social productivity and improvement in the level of social information. The performance of modern elect
4、ronic products also has been further improved.The digital clock timing is a digital circuit which displays hour, minute, second. The accuracy, stability of digital clock is far more than the old-fashioned mechanical clock. In this design, we use 8-segment LED digital display, and displayed according
5、 to digital dynamic display principle with a 12MHz crystal oscillator pulse and the timer count, and an external speaker is used as the ring. In this design, the circuit has the function to display time and the time can be adjusted. Because digital clock has the advantage of low prices, high precisi
6、on, easy to use, multi-function, easy integration, it is loved by the majority of consumption, so it has been widely used.Keywords: single-chip machine digital clock 1概述 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。单片机的出现至今已经有30多年的历史了，单片机嵌入式技
7、术也已历经了几个发展阶段。现在，以计算机和软件为核心的数字化电子技术取得了迅猛发展，在其推动下，广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且电子产品几乎深入到了社会的各个领域包括家电、娱乐、艺术、社会文化等等，因此推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，在此同时也使得现在电子产品的性能一步步的提高，所以电子产品更新换代的速度越来越快。研究具有相应功能的电子产品的具有深远的意义。1.1本课题研究目的及意义 单片机由于具有功能强、体积小、功耗低、价格便宜、使用便捷等特点，因而单片机技术则为研究的热点。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。以前必
8、须由模拟电路或者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实现了。单片机模块中最常见的就是数字钟，数字钟是一种数字电路技术实现时、分、秒、计时的装置，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，数字钟与传统机械式的时钟相比来说具有更高直观性与准确性，并且没有机械装置零件之类，则具有更长的使用寿命，而且大大地扩展了传统老式钟表原先的报时功能。钟表的数字化给人们的生产生活带来了极大的方便，譬如定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、自动报警、按时自动打铃、时间成都自动控制、通断动力设备等等所有这些都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字时钟及扩大其应用有着非常现实的意义。1.2国内
9、外研究背景单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。随着科技的发展日益更新和社会的飞速进步，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需求。因此，数字不管在性能还是样式上都发生了质的变化，比如有电子闹钟、电子秒表等等，国内外已有多种数字钟的设计成果，比如：基于低成本数字集成电路及配套的LED显示器组成的数字钟设计；基于VHDL的数字钟设计；基于单片机数字时钟设计，以单片机为中心控制单元，才用汇编语言编程，设计的数码管或液晶显示器时、分、秒的时钟等等。有关专家分析指出，我国电
10、子商务的基础设施将日臻完善，三网合一的潮流势不可挡，而今我们已进入了数字时代，数字钟的使用将会越来越受欢迎。数字钟未来将呈现出个性化、专业化的趋势，而且每个网站在资源方面总是有限的，客户的需求又是全方位、多变的，所以不同类型的网站以战略联盟的形式进行相互协作也是必然趋势，而数字钟的实现，更体现了这一点。在不久的将来，数字钟肯定会更深的被人们接受，走进个个领域，千家万户，给人们带来意想不到的方便。数字钟的设计外表只会更加时尚、美观，适合人们的审美观点的改变。因此，更为先进的电子中的研究有着良好的发展前景和市场潜力。1.3本课题的研究方法及预期达到的目的本设计采用MCS51系列单片机作为微控制器，
11、采用proteus进行电路设计，使用软硬件结合的方式实现数字时钟的功能。本设计的数字时钟具有功能强大，界面友好的特点。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计时实现计时工程，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘可以进行定时、校时功能。本设计要求掌握数字钟的设计、组装与调试方法。熟悉单片机逻辑功能及使用方法。掌握电板的结构及其接线方法并熟悉仿真软件的使用。预期完成的任务包括数字时钟的设计任务分析、方案选择、功能实现、系统测试等。通过该设计，初步实现符合设计功能要求的数字钟，熟悉数字钟的设计分析流程，掌握相应的专业知识，提高自己的认识及实践能力。2总体控制方案设
12、计2.1数字时钟的工作原理 本设计以AT89C51芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个结构简单，功能齐全的电子时钟，它由5V直流电源供电。在硬件方面，除了CPU外，使用八个七段LED数码管来进行显示，LED采用的是动态扫描显示，使用74LS245芯片进行驱动。通过LED能够较为准确地显示时、分、秒。通过四个简单的按键实现对时间和时钟的调整。软件方面采用C语言编程。整个电子钟系统能够完成时间的显示、调时、校时和三组定时闹钟的功能。选用单片机最小系统应用程序，添加比较程序、时间调整程序及蜂鸣程序，通过时间比较程序触发蜂鸣，实现闹钟功能，完成设计所需求的软件环境。介绍并使用Keil单片机模拟调
13、试软件，测试程序的可行性并用Proteus进行仿真。本设计应解决的主要问题有两大方面，即硬件电路设计和软件设计两大方面。其中硬件电路部分又可分为四个模块：键盘模块、显示模块、计时模块和发声模块。硬件电路部分致力于低成本、低功耗和易实现性。软件部分则应做到代码的精简、易懂。最后通过硬软件的结合实现数字钟的精确计时、校时、三组闹钟设置和定时报警功能。2.2单片机的选型单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转
14、换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机的发展趋势：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
15、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0.9
16、V），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、低价格 单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。 考虑到本课题的数字时钟功能较为简单，采用51系列单片机即可满足要求，且在价格和功耗等方面具有优势，所以本设计采用AT89C51单片机。下面我们对AT89C51单片机进行简单的介绍。2.3 AT89C51单片机介绍图2.1 单片机AT89C51引脚图1.并行I/O引脚（小标题的格式不对）MCS-51单片机本身提供了4个8位的并行口，分别是P0、P1、P2和P
17、3，共有32条I/O口线。其端口都是双向端口，每个口包含两个锁存器，（及特殊功能寄存器P0、P1、P2和P3）、一个输出驱动器和输出缓冲器。为了方便，将4个端口和其中的锁存器都表示为P0、P1、P2和P3。MCS-51单片机的并行端口可以按字节操作，也可以按位操作。P0是多功能8位双向端口，可用作低8位地址/数据总线。P1位准双向口，输入前要先向锁存器写1。P2为多功能口，可用作高8位地址总线。P3的各位都有第二功能，可以为系统提供控制总线以及定时器/计数器和串行口的信号总线。2.电源引脚VCC：正常操作、EPROM编程和校验是接+5V。GDN：接地。3、外接晶振引脚XTAL1：片内振荡电路的
18、输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端4.控制引脚RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号。EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号。2.4总体方案设计本设计总体结构包括单片机、晶振电路、按键、段码驱动、位码驱动、LED数码管、蜂鸣器电路等。硬件部分设置了的三个按键S1、S2、S3、S4。当按键S1第一次按下时，停止计时进入闹钟1的秒设置，当按键S1第二、第三次按下
19、时，分别进入闹钟1的分设置和时设置，当按S1第四 、第五、第六次按下时分别进入闹钟2的秒、分、时设置，当按S1第七 、第八、第九次按下时分别进入闹钟3的秒、分、时设置，当按S1第十 、第二一、第十二次按下时分别进入时间的秒、分、时设置，在S1按下的各阶段，可用按键S2、S3进行时间和闹铃时间的时、分、秒进行加减设置；当按键S1第十三次按下时恢复到时间显示功能。当显示的时间和定时设置的时间一致时，蜂鸣器发出等时间断蜂鸣声，闹铃时间设置为60秒。在各个闹钟设置阶段，如果有S4按下，则相应闹钟功能关闭或开启；如在闹铃时有S4按下则提前停止闹铃。另外，闹铃电路有音乐闹钟的扩展的功能(可以将蜂鸣器换成扬
20、声器再加一段音乐程序或利用音乐芯片即可实现)。其结构如如图2.2所示图2.2 总体方案3 硬件设计3.1键盘模块键盘电路的设计有两种选择：(1) 矩阵式键盘选用此方案，在修改时钟或设置闹钟时可以直接从键盘输入，方便快捷但程序比较复杂。(2) 独立式键盘如果设置过多按键，将会占用较多I/O口，而且会给布线带来不便，因此，此方案适用于按键较少的情况。如果选择此方案，由于按键较少，在修改时间或设置闹铃时间时就不能直接输入，只能通过加或减完成，稍为麻烦一些，但其程序简单。考虑到本设计不需要经常修改时间和设置闹铃，并且方案二比较简单，我们采用方案二。其电路图如图3.1所示：图3.1按键电路设计图3.2显
21、示模块 方案一：液晶显示器。如果选择此方案，会降低系统的功耗，所以可以使用电池供电，便于携带。但是由于液晶显示驱动器电路的复杂性，使用有一定的难度。方案二：数码管显示。数字驱动控制电路简单，使用方便，如果选择这个方案，你会看到当在夜间的时候并不需要一个光源，非常方便。缺点是耗电量大。由于数字驱动控制电路使用较为方便，且夜间使用方便，所以本设计我们应用数码管显示。本设计采用8块8段LED数码管作为显示设备。LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加
22、一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，9，10位等等.，LED数码管根据LED接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。图3.2 LED数码管引脚定义性能特点 LED数码管的主要特点如下：(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容
23、。 (2)发光响应时间极短()，高频特性好，单色性好，亮度高。 (3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。 (4)寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。成本低。图3.3 显示模块电路图数码管的公共极的电流比较大且为了避免过多的应用分立元件，采用了一片74LS245芯片来驱动段码，P0口作为段码驱动，P2口做位码驱动。图3.4 74LS245芯片图3.4为74LS245芯片引脚图，74LS245是我们常用的芯片，用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。(1)74LS245具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。 (2)当8051单片机的P0
24、口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。 (3)当片选端/CE(G)低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收） (4)DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当/CE(G)为高电平时，A、B均为高阻态。 3.3复位电路图3.5 复位电路图复位电路图如图3.5所示，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脚时，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P0P3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
25、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12MHz时，C取10F，约为200，约为。3.4蜂鸣器驱动电路图3.6蜂鸣器驱动电路图图3.6为蜂鸣器模块电路图，蜂鸣器部分是通过三极管放大驱动蜂鸣器工作，再通过单片机内部产生等时时间方波驱动蜂鸣器发出间断嘀声，这样就可以省去硬件振荡电路，降低成本。图3.7 总体硬件设计图及效果图4 软件设计4.1总体软件
26、设计本设计应用C语言进行编程，使用Keil软件讲C程序编译为hex文件，导入到proteus软件中的AT89C51单片机。其总程序框图如下图所示：程序开始对程序进行程序初始化，依次进行闹铃判断、时间显示、键盘扫描的循环操作。图4.1 主程序流程图4.2中断服务函数数字电子钟设计中主要使用定时器T0的中断ET0，利用ET0中断进行计时时间的自增，从而实现计时功能。AT89C51有两个通用定时/计数器。两者均可设置为定时器或计数器。另外增加了定时器T0/T1,溢出时T0/T1脚自动翻转的功能选项。用作“定时器”功能时，每经过一个机器周期，寄存器值加1。 用作“计数器”功能时，寄存器在对应的外部输入
27、管脚T0/T1上每发生一次1到0的跳变时加1。使用该功能时，外部输入每个机器周期被采样一次。本设计中采用了中断方式1作为定时中断，其定时计数初值的设置可由以下公式计算得到： 公式4.1 X：计数初值 t:定时时间 ：机器周期中断服务流程图如下图所示：图4.2 中断服务流程图4.3计时子函数计时函数部分，主要是通过单片机定时中断来计时，产生一次中断标志位flag加1，当flag加满20次为1秒，然后把flag清0把秒存储单元加1。然后再依次判断分、时。其流程图如下所示：图4.3计时子函数流程图4.4闹钟子函数流程图闹钟时间的判别是通过设定时间和实时时间对逐位对比是否开启闹钟。工作流程图如下图所示
28、：图4.4 闹钟子函数流程图4.5键盘扫描子函数键盘扫描函数的功能是判断按键是否按下，并根据是哪个按键来调用相应的函数，执行相应的调整。其程序流程图如下图所示：图4.5 键盘扫描子函数4.6 时间和闹钟的设置时间和闹钟设置函数是通过判断不同的cnt时，通过调用加1或减1子函数对闹钟的时、分、秒进行设置，在闹钟设置时，判断按键S4按下情况，对闹钟进行开启与关闭设置，流程图如下图所示：图4.6 时间和闹钟设置流程图4.7 软件设计总结软件设计部分我们应用的最重要的部分就是中断，中断技术在单片系统中有着十分重要的作用，它不仅可以提高单片机CPU的效率，也可以对突发事件处理。所谓中断就是当CPU正在执
29、行程序A时，发生了另一个急需处理的事件B，这是CPU暂停当前执行的程序A，立即转去执行处理事件B的程序，处理完事件B后，再返回到程序A继续执行，这个过程被叫做中断。关于中断的概念有下列几个名词：（1）程序A称为主程序，（2）处理事件B的程序称为中断服务程序，（3）主程序中转向中断服务程序的地方称为断点，（4）引起中断的原因即事件B称为中断源，（5）转去执行中断服务程序称为中断响应。中断是一个过程，当中央处理器CPU在处理某件事情时，外部又发生了另一紧急事件，请求CPU暂停当前的工作而去迅速处理该紧急事件。处理结束后，再回到原来被中断的地方，继续原来的工作。引起中断的原因或发出中断请求的来源，称
30、为中断源。单片机一般允许有多个中断源，当几个中断源同时向CPU请求中断时，就存在CPU优先响应哪一个中断请求源的问题（优先级问题），一般根据中断源的轻重缓急排队，优先处理最紧急事件的中断请求，于是便规定每一个中断源都有一个中断优先级别，并且CPU总是响应级别最高的中断请求。当CPU正在处理一个中断源请求的时候，又发生了另一个优先级比它高的中断源请求，如果CPU能够暂时中止对原来中断处理程序的执行，转而去处理优先级更高的中断源请求，待处理完以后，再继续执行原来的低级中断处理程序，这样的过程称为中断嵌套。5 总结通过数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的流程，也让我了解了数字钟的原理与设计理念。
31、在此次的数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法.在设计的过程中我也遇到了各种各样的问题，在调试软件的时候，我对定时闹钟的子程序很是疑惑，定时器只有2个，如何同时实现走时和定时的功能，并让在定时时间到时闹钟响铃。通过查资料，自己认真看书，发现要同时实现这些功能，必修利用中断！中断的学习是学习单片机的关键！时间的运行依靠定时中断子程序对时钟单元数值进位调整来实现的。计数器T0 打开后，进入计时，满100 毫秒后，重装定时。中断一次，满一秒后秒进位，满60 秒后即为1 分钟， 分钟单元进位，60 分到了后，时单元进位。然后根据进率，得到时、分、秒存储单
32、元的值，并经译码后，通过扫描程序送LED 中显示出来，实现时钟计时功能。闹钟的响铃是分别将定时时间同走时相比较，若时间相同，则响铃。可以用按键KEY4来实现闹铃的关闭，在闹钟设置时，判断按键S4按下情况，进行闹钟的开启与关闭。通过这次数字钟的设计，让我对简单应用程序的编程有了深刻的了解和学习，对89C51单片机的学习更深刻、更有效，对其结构及其各个接口进行了再一次的学习和认知，尤其是串行口的利用，更是在本次实验中获得了提高。以前的书本学习一直都是在纸上谈兵，通过这次自己做数字钟，我对89C51单片机才有了真正意义上的认识。毕业设计是对大学四年来所学知识的总结和运用，更是所学知识在实际中运用的一
33、种锻炼，提高了自己提出问题、分析问题、解决问题的能力。让我明白学习知识要融会贯通，善用应用到实际中去，并且在未来的专业道路上要抱着严谨的态度解决面对的问题。6 参考文献1李全利，迟荣强，单片机原理及接口技术.高等教育出版社.2004.12张毅刚等，MCS-51单片机应用设计.哈工大出版社.2004.7 3霍孟友等，单片机原理与应用.机械工业出版社.2004.14马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社.20035许泳龙等，单片机原理及应用.机械工业出版社.2005.16吴国经等，单片机应用技术.中国电力出版社.2004.17唐俊翟等，单片机原理与应用.冶金工业出版社.200
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35、SiC HoneycombC .Society of AutomotiveEngineers International Congress and Exposition.Michigan:SAE Paper 960130. 1996, :27-3515 Yeager Brent.How to troubleshoot your electronic scaleJ. Powder and Bulk Engineering. 1995 7致谢在此论文完成之际，我特别感谢老师对我的悉心指导。从论文的选题、完善、修改到最后的定稿，老师以她严谨细心的性格感染着我们每一个人，使我受益匪浅。在四年的学习生涯中，遇到了很多对自己的学习、人生有重要意义的老师，我深深的体会到老师犹如良师益友，能启发我们在学习上取得更好的成绩，能激励我们在以后的人生道路上做一个对社会有用的人。我相信这些将成为我以后学习的宝贵财富。同时，我还要感谢我的学长和学姐，在论文完成的道路上，他们给了我很大的帮助。感谢家人多年来无微不至的关怀，他们是我更加努力奋斗的动力。最后，向学院2013届本科论文答辩委员会组织致以崇高的敬意！向百忙之中抽时间参与毕业设计评审和答辩的老师表示我最衷心的感谢和美好的祝福！23