新颖60秒旋转电子钟的设计说明

目录第1节引言 (2)1.1 电子钟概述 (2)1.2 设计任务 (2)1.3 系统主要功能 (3)第2节电子钟硬件设计 (3)2.1 系统的硬件构成及功能 (3)2.2 AT89C2051单片机及其引脚说明 (4)2.3 60秒旋转译码驱动原理 (6)2.4 时分显示部件 (8)第3节系统软件设计 (10)3.1 系统主程序设计…………………………………………………………103.2 定时计数中断程序设计及累计误差消除………………………………113.3 定时计数中断程序设计………………………………………………123.4 时间调整或定闹设置程序设计………………………………………13第4节系统调试与测试结果分析 (14)4.1 使用的仪器仪表…………………………………………………………144.2 系统调试…………………………………………………………………144.3 测试结果…………………………………………………………………144.4 测试结果分析……………………………………………………………144.5 系统误差处理……………………………………………………………15结束语………………………………………………………………………………15参考文献 (16)附录 (17)新颖60秒旋转电子钟第1节引言目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照明的情况下都是不可见的。

现在市场上也出现了一些电子钟，它以六只数码管显示时分秒，与传统的以指针显示秒的方式不同，违背了人们传统的习惯与理念，而且这类电子钟一般是采用大型显示器件，且外观设计欠美观，很少进入百姓家庭。

此外，无论是机械钟，电子钟还是石英钟，都存在共同的问题：时间误差。

针对以上存在的问题，我们设计了一款采用LED显示器件显示的电子时钟，有效的克服了时钟存在的误差问题，并能在夜间不必其它照明就能看到时间，并且以60只发光二极管实现秒显示，并能发出嘀哒嘀哒声，用户容易接受，而且美观大方，更具实用性。

1.1 电子钟概述新颖60秒旋转电子钟是本次的设计容，它采用LED显示器件显示电子时钟，有效的克服了时钟存在的误差问题；它采用的数码管显示时间能在夜间不需要其它照明就能看到时间，而且在7点以前和21点以后数码显示管的亮度会变暗，整点报时也会消失，不仅实现节能，而且不会影响人们的休息；并具有一天两次闹铃的功能，可通过手工更改二次闹铃的时间，停闹无须手工操作；它以60只发光二极管实现秒显示，接看近于传统的秒针来显示秒的形式，利用蜂鸣器模拟秒针行走的嘀哒声。

1.2 设计任务1．任务：设计一款基于AT89C2051单片机的电子钟。

2．设计基本要求：（1）用4只LED数码管输出显示时和分。

（2）可通过按键设置闹钟功能，且停闹无须手工操作。

（3）可通过按键设置分校时。

（4）月计时误差小于45秒。

3．设计发挥部分：（1）用60只LED发光管旋转显示，模拟“秒针”的行走。

（2）模拟“秒针”行走的“滴哒”声。

（3）增加室温检测和显示功能（可与时间交替显示）。

（4）增加停（掉）电保护功能。

（5）提高计市时精度，使年计时误差小于30秒。

（6）增加日自动校准功能，使得该电子钟“永无误差”。

（7）增加红黄绿三色变色装饰。

（8）可通过按键设置一天两闹（比如早晨、中午各一次）。

1.3 系统主要功能电子钟的外观是周边60只发光管顺时旋转来显示秒，中间四只LED数码管用于显示时间，中下方的七只LED灯顺时旋转，供装饰用。

三个按键分别控制电子钟的复位，定闹和调时。

其主要功能有：整点报时；四只LED数码管显示当前时分；每隔一秒钟周边的60只LED发光管旋转一格，装饰用的LED每隔一秒旋转一次。

当发生停电事件时，由后备电池供电，系统进入低功耗状态，所有显示部件停止显示，这样即延长了电池的寿命，同时又保证了CPU继续计数，不至于因停电而时钟停止运行。

当恢复供电后，系统自动恢复工作状态，不影响计时。

第2节系统的硬件设计2.1 系统的硬件构成及功能电脑钟的原理框图如图1所示。

它由以下几个部件组成：单片机89C2051、电源、时分显示部件、60秒旋转译码驱动电路。

时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。

时分显示模块、60秒旋转译码驱动电路以及显示驱动都通过89C2051的I/O口控制。

电源部分：电源部分有二部分组成。

一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作；另一部分是由3V的电池供电，以保证停电时正常走时。

正常情况下电池是不提供电能的，以保证电池的寿命。

具体电路参见“新颖的60秒旋转电子钟参考电路原理图”。

图1 电子钟系统原理框图2.2 AT89C2051单片机及其引脚说明AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。

部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。

由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。

AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图2所示。

与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。

图2 AT89C2051引脚配置图3 CD4017引脚图AT89C2051芯片的20个引脚功能为VCC 电源电压。

GND 接地。

RST 复位输入。

当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O 引脚复位至“1”。

XTAL1 反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。

XTAL2 来自反向振荡放大器的输出。

P1口8位双向I/O口。

引脚P1.2～P1.7提供部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因部上拉的缘故。

P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。

在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。

P3口引脚P3.0～P3.5与P3.7为7个带部上拉的双向I/0引脚。

P3.6在部已与片比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。

P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，部上拉，可用输入。

P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。

P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。

2.3 60秒旋转译码驱动原理按常规传统设计，需60进制译码驱动电路才能实现60秒旋转译码驱动，若用六片十进制计数译码器构成六十进制计数译码电路，则电路连线多（需要120根连线），硬件电路庞大，开销大。

为此，我们巧妙地采用了两片CD4017进行六十进制计数译码，实现60秒旋转译码驱动。

既减少了电路的复杂程度又可降低了成本。

图4为其时序图。

表1 P3口特殊功能P3口引脚特殊功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）图4 CD4017引脚、时序图CD4017集成电路是十进制计数/时序译码器，共有10个译码输出Q0～Q9；每个译码输出通常处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平；每个高电平输出维持1个时钟周期；每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。

在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时，CD4017计数器中各计数单元输出低电平“0”，仅在译码器中只有对应“0”状态的输出端Q0为高电平。

为实现对发光二极管的驱动，将每一个译码输出端口接一只发光二极管，并将二极管串联限流电阻后接地。

当译码端口Q0～Q9中任一端口为高电平，则对应的发光二极管点亮，如图5（左）所示。

仔细考查CD4017的功能，可发现其10个输出的高电平是相互排斥的，即任一时刻只有一只发光二极管点亮，因此可将图5（左）电路进一步简化为如图5（右）所示，从而简化电路设计。

图5 CD4017控制发光二极管原理图在本电子钟设计中，每秒点亮一个发光二极管，循环点亮一周共需60个发光二极管，若用上述的6片CD4017实现驱动，显然电路复杂。

为此我们选用两片CD4017和一片6反相器，采用“纵横双译码”技术，巧妙地实现60秒旋转译码驱动，其中一片接成10进制，一片接成6进制，实现6×10=60的功能，具体连接方法如图6所示。

图6 发光二极管“纵横双译码”循环点亮原理图将周期为1秒的输入脉冲作为其中一片CD4017的时钟脉冲，而此片的级联进位输出端（Q C）作为另一片的时钟输入，并将Q6与复位端相连。

在两片译码输出端交叉点上接入发光二极管，构成6×10矩阵。

根据CD4017时序特点，在初始状态，作为高位（纵）的CD4017译码器输出端口Q0处于高平，经反相器反相后为低电平。

当作为低位（横）的CD4017译码器输出端口Q0～Q9依次输出高电平后，则对应的二极管LD1～LD10依次点亮；此后由于Q C端的进位，高位CD4017译码输出端口Q1输出高电平，反相后输出低电平，当低位的CD4017译码输出端口Q0～Q9依次输出高电平后，二极管LD11～LD20依次点亮。

如此往复，直至高位Q6向复位端输入高电平，CD4017复位，60秒循环点亮重新开始。

2.4 时分显示部件由于系统要显示的容较简单，显示量不多，所以选用数码管既要方便又要经济。

LED有共阴极和共阳极两种。

如图7所示。

二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而且共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起。

一位显示由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔画（段）a～g,另一个小数点dp发光二极管。

当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔画即亮：不加电压则暗。

为了保护各段LED不被损坏，需要外加限流电阻。

图7 LED数码管结构原理图众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。

本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。

所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的转换。

从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED显示数码管白日提供显示段码。

组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。