新颖60秒旋转电子钟

《单片机原理及应用》课程设计实例-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ--余水宝
1 系统主要功能
电子钟的外观如图1所示。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。其主要功能有： ①整点报时；
②四只LED数码管显示当前时分；
③每隔一秒钟周边的60只LED发光管旋转一格； ④ 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。 ⑤当恢复供电后，系统自动恢复工作状态，不影响计时。
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显示驱动
AT89C2051
时间显示(时,分)
电源
60秒旋转译码驱动电路
图2 电子钟系统原理框图
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2．1 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。内部自带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 3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。AT89C2051芯片的20个引脚功能为：
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图9
LED数码管结构原理图
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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。各段码位与显示段的对应关系如表2。
《单片机原理及应用》课程设计实例----余水宝 2.3 时分显示部件 由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以 选用数码管既方便又经济。LED有共阴极和共阳极两种。 如图8所示。 二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地， 而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的 电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二 极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点 为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，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED 不被损坏，需外加限流电阻。
06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH
字型 9
A B C D E F 空白 P
共阳段码 90H
88H 83H C6H A1H 86H 84H FFH 8CH
共阴段码 6FH
77H 7CH 39H 5EH 79H 71H 00H 73H
本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。
⑹ 可通过按键设置一天两闹（比如早晨、中午各一次）。
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选题背景
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。要知道当前的时间，必须先开灯， 故较为不便。现在市场上也出现了一些电子钟，它以六只 LED 数码管来显示时分秒，违背了人们指针式的传统习惯与 理念，而且这类电子钟一般是采用大型显示器件，适用于银 行、车站等公共场所，且外观设计欠美观，很少进入百姓家 庭。此外，无论是机械钟、石英钟还是电子钟，都存在着共 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，解决了时钟存在的误 差问题，并能在夜间不必其它照明就能看到时间，且以60只 发光管实现秒显示，接近于传统的秒针来显示秒的形式，用 户容易接受，而且美观大方。另加七只装饰用的 LED 灯，使 整个时钟显的相当美观新颖，故还可作为室内装饰用。
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表1 P3口特殊功能
P3口引脚 P3.0 P3.1 P3.2
特殊功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） （外部中断0）
P3.3 P3.4 P3.5
（外部中断1） T0（定时器0外部输入） T1（定时器1外部输入）
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图8 发光二极管“纵横双译码”循环点亮LED原理图
《单片机原理及应用》课程设计实例----余水宝 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（QC）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QC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。
《单片机原理及应用》课程设计实例----余水宝 P1口 8位双向I/O口。引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当 作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这 是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作 片内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的灌电流，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个带内部上拉的双向I/0引 脚。P3.6在内部已与片内比较器输出相连，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，内部上拉，可用作输入。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。
《单片机原理及应用》课程设计实例----余水宝 根据AT89C2051单片机灌电流能力强，拉电流能力 弱的特点，我们选用共阳数码管。将AT89C2051的P1.0～ P1.7分别与共阳数码管的a～g及dp相连，高电平的位对应 的LED数码管的段暗，低电平的位对应的LED数码管的段亮 ，这样，当P0口输出不同的段码，就可以控制数码管显示 不同的字符。例如：当P0口输出的段码为1100 0000，数码 管显示的字符为0。 数码管显示器有二种工作方式，即静态显示方式和 动态扫描显示方式。为节省端口及降低功耗，本系统采用动 态扫描显示方式。动态扫描显示方式需解决多位LED数码管 的“段控”和“位控”问题，本电路的“段控”（即要显示 的段码的控制）通过P0口实现；而每一位的公共端，即 LED数码管的“位控”，则由P3口控制。
图6 CD4017控制LED原理图
图7 优化后控制LED原理图
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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8所 示。
⑵ 可通过按键设置闹钟功能，且停闹无须手工操作。
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发挥部分要求 ⑴ 用60只LED发光管旋转显示，模拟“秒针”的行走。 ⑵ 模拟“秒针”行走的“嘀哒”声。 ⑶ 增加室温检测和显示功能（可与时间交替显示）。 ⑷ 增加停（掉）电保护功能。
⑸ 提高计时精度，使年计时误差小于30秒。
《单片机原理及应用》课程设计实例----余水宝 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 器的输入及内部时钟工 作电路的输入； XTAL2 来自反向振荡 放大器的输出。
图3 AT89C2051引脚配置
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图4 CD4017引脚图 图5 CD4017时序图
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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，只有输出端Q0 为高电平，其余各输出端均为低电平“0”。
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《单片机原理及应用》课程设计实例----余水宝 2 系统的硬件构成及功能 电子钟的原理框图如图2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：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，以保证停电时正常计时。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”。
2.2
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CD4017功能引脚图，图5为其时序图。
《单片机原理及应用》课程设计实例
应用案例1
新颖60秒旋转电子钟课程设计
余 水 宝
数理与信息工程学院
2006年12月
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任务书
设计一款基于AT89C2051单片机的电子钟。 设计基本要求 ⑴ ⑶ ⑷ ⑸ ⑹ 用4只LED数码管输出显示时和分。 可通过按键设置分校时。 月计时误差小于45秒。 写出详细的设计报告。 给出全部电路和源程序。
表2 各段码位的对应关系
段码位 显示段
D7 dp
D6 g
D5 f
D4 e
D3 d
D2 c
D1 b
D0 a
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表3 LED显示段码
字型 0
1 2 3 4 5 6 7 8
共阳段码 C0H
F9H A4H BOH 99H 92H 82H F8H 80H
共阴段码 3FH
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6所示。
《单片机原理及应用》课程设计实例----余水宝 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6电路进一步简化为如图7所示，从而简化电路设计。