基于单片机的数字时钟设计

1 引言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。

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，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。

而时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。

怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？这就要求人们不断设计出新型时钟。

除此之外，由于对社会责任的更多承担，人们要求所设计的产品能够产生尽量少的垃圾、能够消耗尽量少的能量。

因此人们对时钟的又有了体积小、功耗低的要求。

传统的机械表由于做工的高精细要求，造价的昂贵，材料的限制，时间指示精度的限制，使用寿命方面，以及其它方面的限制，已不能满足人们的需求。

另外，近些年随着科技的发展和社会的进步，人们对时钟的要求也越来越高，而使得新型电子钟表成了大势所趋。

现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时，译码代替机械式传动，用LED 显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。

在电子技术高速发展推动下微机开始向社会各个领域渗透同时大规模集成电路获得了高速发展，单片机的应用正在这时不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS 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。

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。

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。

单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

这正符合了现代时钟的设计要求。

另一方面，电子技术的高速发展，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，这些使时间显得更加宝贵，从时间就是生命，时间就是效率这些名言警句中就能看出。

1.1 数字时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。

1.2 设计目的数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。

此次设计与制作数字电子钟的目的是让学生在了解数字钟的原理的前提下，运用刚刚学过的数电知识设计并制作数字钟，而且通过数字钟的制作进一步了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及其使用方法。

由于数字电子钟包括组合逻辑电路和时序电路，通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法，从而实现理论与实践相结合。

总的来说，此次课程设计，有助于我们对电子线路知识的整合和电子线路设计能力的训练，并为后继课程的学习和毕业设计打下一定的基础。

1.3 设计任务设计指标：1.时间计数电路采用24进制，从00开始到23后再回到00。

2.可以显示温度、年、月、日、时、分、秒。

3.具有自动校时、校分功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间；4.计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒开始，蜂鸣器1秒响1秒停地响5次。

5．设计具有定时报时功能，当时间到达预先设定时间，蜂鸣器一秒响一秒停响5次。

1.4设计思路时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。

在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有：DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。

本次设计要用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，设计单片机与时钟芯片相结合的电路，实现实时显示时间，并能够进行远程通信，实现数据与电脑的交换。

按照课题的要求，初步确定设计系统由主控模块、时钟模块、显示模块、键扫描电路模块共4个模块组成。

设计采STC89系列单片机，以C语言为程序设计的基础，设计出用液晶显示年、月、日、周、时、分、秒的时钟。

2总体方案设计单片机的接口信号是数字信号。

要想用单片机获取时间这类非电信号的信息，必须使用时间芯片，将时间信息转换为电流或电压输出。

如果转换后的电流或电压输出是模拟信号，还必须进行A/D转换，以满足单片机接口的需要。

如果是数字信号就可以直接送往单片机进行数据处理。

2.1设计方案2.1.1 方案一比较传统的基于单片机的时钟设计可以采用单片机内部的晶振来产生脉冲，然后通过单片机内部的计时器经过分频产生秒脉冲，然后通过软件编程来实现时钟的显示，这种设计方案的优点是外围器件少，电路简单清晰，电路焊接容易，出问题的故障几率小。

时钟的显示可以用多位七段LED数码管显示，七段 LED数码管显示耗能多，而且显示位数有限，每增加一位都要在程序设计和硬件设计方面增加很多的工作量，不利于电路的扩展，而且无法显示年、月、日、星期这些汉字，使得显示不够直观，灵活。

但是这种设计方案在显示位数比较少时性价比比较高，价格便宜，但是这种方案需由软件编程来实现秒脉冲的产生，编程相对来说比较复杂，而且也不利于排故。

另外由单片机内部时钟产生的秒脉冲由于受到温漂的影响和程序执行时的延时的影响，而使的计时会产生不定的误差，即使设计时间误差补偿程序也很难实现提供准确时间的功能。

另外，这种电路设计方案的另外一个设计要求就是晶振的选择要求晶振的振荡频率必须通过分频得到秒脉冲。

这种设计还有一个非常大的缺点就是如果单片机断电，时间计时就停止，再次上电时又从初始设定重新计时，这样就需要在每次上电都调整时间，比较麻烦。

2.1.2 方案二在传统的基于单片机的数字时钟设计的基础上经过一些改进，引入DS12887时间芯片，将电路的控制部分和计时部分分开，电路的控制部分为单片机，计时部分为DS12887时间芯片。

并采用LCD液晶显示器显示。

而LCD液晶显示则耗能少，能够显示年、月、日、星期等汉字，在显示方面更加灵活，而且改变显示时只要改变软件设计就可以，不用改变硬件电路的设计，易于电路的功能扩展。

电路的软件设计也很简单。

另外，这种设计硬件更加简洁。

采用LCD液晶显示方案的缺点是在显示位数比较少时，价格略显昂贵。

DS12887芯片是独立计时，并且具有掉电保护功能，内部自带锂电池，能够在断电的情况下继续计时，主电路恢复供电之后能够不必调整时间，为时钟的日常操作省去了很大的麻烦，而且这种设计更节能，在需要观察时间的时候比如白天就可以给主电路通电。

而在夜晚不需要观察时钟的时候就可以给主电路断电，这样可以节约大量能量。

2.2方案论证从计时方式来说，相比较于第一种方案，在第二中方案中时间芯片DS12c887采用了内部集成晶振的电路，并且具有内部温漂补偿电路设计。

能够准确计时，提供精确的时间，这样就简化了电路的器件选择，另外也使程序的设计更加简洁。

在硬件设计方面，由于只增加了一个DS12887时间芯片，因此并不是特别复杂，而且这种独立计时的设计使得产品排故更加方便。

再比较上述两种方案可以看出方案二耗能少，显示灵活，易于电路扩展而且不管是软件设计还是硬件设计都比较简单，因此采用第二种设计方案。

比较上述两种方案可以看出，第二种方案计时更加准确而且电路硬件设计先对来说并不复杂，软件设计更加简洁，综上所述，本设计采用独立计时，引入时钟日历芯片DS12887的设计方案，显示使用LCD液晶显示，因此采用第二种方案。

2.3方案选择经过综合考虑比较本次设计任务及成本问题，选择第二种方案实现设计要求。

通过以AT89C52为核心，采用LCD液晶显示系统，辅以闹钟模块，日期提醒，键盘时间调整预设置等模块，处理内部产生时钟数据或读取接受外部时钟数据进行处理，并暂时寄存在其内部存储器中，再通过单片机调用内部RAM的数据送到LCD上显示出来。

下图为整体设计框图。

程序中断LCD1602发送端；另一个输入／输出口的四位作为显示器各位的片选信号，另四位作为键盘扩展口使用。

采用一个频率为 11.0592 MHz 的晶振构成时钟电路。

采用红外键盘遥控，对时间进行调整及预设置。

3单元模块设计3.1单片机主控电路模块单片机STC89C52的P0口作为输入口。

P0与DS12887的AD相连，进行时间数据的采集；P3.7(RD)与DS12887的17脚DS相连，P3.3与DS12887的19脚IRQ相连，P2.7与DS12887的13脚CS相连；30脚ALE与DS12887的14脚AS相连。

单片机的第18引脚和19引脚接时钟电路，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

因此，此系统电路的晶体振荡器的值为11.0592MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22μF。