基于单片机的数字钟的设计毕业论文

基于单片机的数字钟的设计毕业论文
永城职业学院
毕业论文
论文题目：基于单片机的数字钟的设计
专业：机电一体化
班级：机电134
学号：2013124025
学生姓名：孙洋洋
指导教师：李梦瑶
2015年10月 16 日
目录
1、设计总体方案 (3)
1.1电子钟的工作原理 (3)
2、主要器件介绍及功能实现 (4)
2.1 AT89C52单片机 (4)
2.2 1602LCD液晶显示 (7)
2.3 计时功能的实现 (9)
2.3.1定时方法 (9)
2.3.2 定时/计数器的定时和计数功能 (10)
3、硬件电路 (10)
3.1上电复位电路 (10)
3.2时钟系统 (11)
3.3按键电路 (11)
3.4电子时钟原理图 (12)
3.5 硬件调试 (12)
4、软件设计 (13)
4.1 程序流程图 (13)
4.1.1编辑软件（Keil uVision2） (14)
4.2生成代码文件 (14)
4.3 软件调试 (15)
4.3.1程序的仿真Proteue ISIS软件： (15)
4.3.2 具体步骤： (16)
5.结论 (17)
6.参考文献 (18)
摘要
该文主要论述如何使用89S51型号的单片机来设计一个数字电子时钟。

该设计是利用单片机原理，以AT89S51芯片为主要控制器。

通过用Keil C51软件编程仿真,再通过protues软件进行硬件仿真，设计制作一个多功能数字电子时钟的硬件电路。

其中通过单片机扩展的1602LCD显示器用来显示秒、分、时计数单元中的值。

整个设计过程包括两大部分:软件部分和硬件部分。

以单片机AT89S51芯片为核心,加上一定的外围电路、1602LCD显示器和键盘控制器组成。

该电子时钟系统主要由时钟模块、液晶显示模块以及键盘控制模块。

液晶显示模块能够准确显示时间（显示格式为时：分：秒（24小时制）），键盘控制模块可方便进行时间调整，时钟模块主要控制时间的显示由二十四进制电路与六十进制电路组成。

电路的设计以硬件和软件为指导思想，通过软件编程来实现模拟电路的设计。

用单片机AT89S51为主要功能模块，采用1602LCD输出显示时间，用按钮做开关，软件计时、调试，辅助必要的电路，实现高效、准确的数字电子时钟系统。

该数字电子时钟具有电路简单明了，系统稳定性高等优势，，成本低，维护方便、调试简便、具有广泛的市场前景。

关键词：单片机、AT89S5芯片、1602LCD、动态扫描
1、设计总体方案
1.1电子钟的工作原理
有振荡器产生稳定的分频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，然后经过分频器输出标准秒脉冲。

秒计数器满60向分计数器进位，分计数器满60向小时计数器进位，小时计数器按照0-23的显示规律计数。

计数器的输出分别由译码器送显示器显示。

计时出现误差时，可以通过校准电路校时、校分。

图1为设计总体框图。

该设计采用AT89C51单片机作为控制器，液晶显示时间，用按钮做开关。

按键输入修改值，再加上软件设计，达到实验结果。

按键功能：K1键：用于选择调节对象；
K2键：增加当前小时或分钟；
K3键：减小当前小时或分钟；
K4键确定调节值。

图1系统总
2、主要器件介绍及功能实现
2.1 AT89C52单片机
MCS-51系列单片机是Intel公司1980年推出的高性能8位单片微型计算机，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容。

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

主要特性：
（1）与MCS-51 兼容
（2）4K字节可编程闪烁存储器
（3）寿命：1000写/擦循环
（4）数据保留时间：10年
（5）全静态工作：0Hz-24MHz
（6）三级程序存储器锁定
（7）128×8位内部RAM
（8）32可编程I/O线
（9）两个16位定时器/计数器
图2-1 AT89C51芯片（10）5个中断源
（11）可编程串行通道
（12）低功耗的闲置和掉电模式
（13）片内振荡器和时钟电路
管脚说明：
VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.2 1602LCD液晶显示
单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED（Light Emitting Diode）；液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）；近几年也有配置CRT 显示器的。

液晶显示器简称是利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的。

其特点是体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中有着日益广泛的应用。

1602芯片：主要用于显示时间和定时时间。

1602芯片由点阵字符液晶显示器件和专用的行、列驱动器、控制及必要的链接件、结构件组装而成，可以显示数字和西文字符，但不能显示图形，已经可以满足本次设计的需要。

1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。

1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0~D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。

（1）外型尺寸：80X36X13（LXWXH）实物如图2-3
图2-2 1602LCD实物图
（2）接口信号说明如图表2-1
表2- 1 接口信号说明
（3）主要技术参数如图表2-2
表2- 2 主要技术参数
（4）基本操作程序
读状态：输入：RS=L，RW=H，E=H 输出：D0~D7=状态字
读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H 输出：无
写指令：输入：RS=L，RW=L，D0~D7=指令码，E=高脉冲输出：D0~D7=数据
写数据：输入：RS=H，RW=L，D0~D7=数据，E=高脉冲输出：无
2.3 计时功能的实现
时钟信号的产生可利用AT89C51片内的定时器0产生定时中断，进行时、分、秒的计时，并将信号送到显示电路。

2.3.1定时方法
（1）软件定时：软件定时靠执行一个循环程序以进行时间延时。

特点是时间精确，且不需要外加硬件电路。

但软件定时要占用CPU，因此软件定时时间不宜太长。

(2)硬件定时：特点是不占用CPU，但需要改变的元件参数来调节定时时间，在使用上不够灵活。

（3）可编程定时器定时：通过对系统时钟脉冲的计数来完成。

计数值通过程序设定，改变计数值，也就改变了定时时间，在使用上比较灵活。

2.3.2 定时/计数器的定时和计数功能
LCD显示器：类似于LED数码管显示器。

每个显示器的段电极包括a, b, c, d, e, f, g七个笔划（段）和一个背电极BP（或COM）。

可以显示数字和简单的字符。

点阵式LCD显示器：段电极与背电极呈正交带状分布，液晶位于正交的带状电极间。

点阵式LCD的控制一般采用行扫描方式。

MCS-51单片机内部有两个可编程的定时/计数器，分别称为定时/计数器0和定时/计数器1其功能如下：
（1）计数功能：计数是指对外部事件进行计数。

外部事件的发生以输入脉冲表示，因此计数功能的实质就是对外来脉冲进行计数。

（2）定时功能：定时功能也是通过定时/计数器的计数来实现的。

不过此时的计数脉冲来自单片机内部，机每个机器周期产生一个计数脉冲，也即是每个机器周期计数器加1。

由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。

这样不但可以根据计数值计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的初值。

3、硬件电路
3.1上电复位电路
上电复位电路用电容接一个+5V的电源，当电容开始充电，向单片机输入一个高电平；当电容充电结束开始放电，此时单片机与一个电阻相连接地为低电平。

可见，电容的充放电，单片机得到一个交替出现的高电平和低电平。

RST是复位端。

单片机的振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平就可以实现复位操作，是单片机回复到初始状态。

3.2时钟系统
单片机利用内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。

最常用的内部时钟方式是采用外接晶振和电容组成的并联谐振回路。

3.3按键电路
按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。

前者造价低，后者寿命长。

目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。

按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。

编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。

全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和
多键、窜键保护电路。

这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片
机应用系统较少采用。

非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。

由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。

在本套设计中由于只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。

（1）按键的软件结构：
按键中有一个选择键、调时键加一键和减一键以及一个确定键，四个按键接在P1.0——P1.4口，低电平表示有按钮按下；按钮没有接防抖电路，需要设计软件防抖。

（2）调时：
按下调时键后可以调时，过程如下：调时---时加/减---调时---分加/减---确定---完成时间设置。

3.4电子时钟原理图
图3-1
该电子时钟电路主要包括：按键控制电路（P1口1~4脚引出）、声音电路（P3口10脚引出）和LCD显示器的驱动部分（39~32、21~23脚引出）
C51的P0口和P2口以及1602LCD的供电源通过总线连接构成了电子钟的显示模块，P1口外接四个按键K1~K4构成按键模块。

此外，P3口外接一个蜂鸣器构成声音模块。

当按一下P1口的按键时，单片机工作并通过P0和P2口对LCD对应的位进行读写操作，同时在LCD上显示出来，P3口的蜂鸣器发出响声。

3.5 硬件调试
是检测硬件电路正常工作的途径。

常见故障：
（1）1602LCD显示屛无显示，需检查电路，先从最小系统查起，再检查1602LCD 的供源电路是否正常。

接线是否错连，焊点焊接有没有出现问题。

（2）1602LCD显示不够亮，检查LCD的供源电路，查看电阻有没有选错或这漏接，同时也要检查电阻的焊点是否有假焊，虚焊等。

（3）1602LCD显示乱码或漏字显示，主要检查单片机接口部分，以及焊点有没有出现问题。

4、软件设计
4.1 程序流程图
图4- 1
4.1.1编辑软件（Keil uVision2）
Keil uVision2：是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开
发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，使您能在很短的时间内就能学会使用keil c51来开发您的单片机应用程序。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

4.2生成代码文件
（1）在选项卡项目栏下我们的时钟周期通常设置为12MHz
（2）输出栏中选择产生HEX文件（此文件为最终仿真用文件）见图4-4
图4-2
（3）在C51栏中级别设置为2数据覆盖
（4）添加并建立目标文件直至通过生成.HEX 文件，如图4-5
图4-3
4.3 软件调试
4.3.1程序的仿真Proteue ISIS 软件：
Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的电路设计、分析与仿真软件，功能极其强 大。

该软件的主要特点是：
（1）集原理图设计、仿真分析(ISIS) 和印刷电路板设计(ARES) 于一身。

可以完成从绘制原理图、仿真分析到生成印刷电路板图的整个硬件开发过程。

（2）提供几千种电子元件（分立元件和集成电路、模拟和数字电路）的电路符号、仿 真模型和外形封装。

（3）支持大多数单片机系统以及各种外围芯片（RS232动态仿真I2C 调试器、SPI 调试器、键盘LCD 系统仿真等）的仿真。

（4）提供各种虚拟仪器，如各种测量仪表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

4.3.2 具体步骤：
（1）画出电子钟仿真原理图（图3-1）
（2）单机AT89C51加载1602电子钟HEX 文件如图
4-4
5.结论
采用AT89C51单片机设计的电子时钟具有较好的定时功能，定时更精确。

将单片机与1602LCD及其相关硬件电路连接起来，完成电子钟的功能。

通过用keil C51软件编写程序，生成.Hex文件，再通过protues ISIS软件画出硬件电路进行仿真。

这样避免了因硬件电路的设计不合理而造成的实物硬件电路板的焊接错误，而达不到预期的实验结果。

合理的电路设计加上功能模块实现用1602LCD设计电子钟的功能。

软件设计时，在刚开始编写程序时由于漏写了1602LCD显示器的显示程序，导致在硬件仿真是显示器白屏，没有任何显示。

在将程序补进去后显示器正常工作，显示出实验理想的效果。

硬件设计时，由于PCB板式未经布线的，所以元器件的联系都要通过导线的连接建立起关联，这就加大了线路链接的复杂度。

由于连线比较多，引脚很容易认错。

在焊接前我们采用有简单到复杂，先连接相邻的引脚，这样连接时布线就更有层次，而且也不容易出错、也不会出现引脚错连的故障。

6.参考文献
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毕业论文成绩评定表。