数字时钟的设计专科论文27555.doc

桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）桂林电子科技大学职业技术学院毕业设计（论文）数字时钟的设计目 录摘 要51、绪论62 、单片机发展历史72.1单片机三大阶段72.2单片机的发展趋73、 单片机的组成及特点83.1 单片机的组成83.2单片机的特点83.3 单片机的分类84、单片机的应用104.1单片机的应用分类105、 数字钟的构成115.1 数字钟的构成115.2 实验中所需的器材115.3 方案选择与相关技术125.4 at89c51的单片机简介125.5 cc4511 集成简介175.6 led数码显示器196、 电路设计216.1 电路接法216.2 数字钟电路图227、调试过程247.1检测at89c51运行否247.2七段数码管248、总结25参考文献26致 谢27摘 要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。关键词：单片机；数字钟；晶体振荡器；1、绪论 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。2 、单片机发展历史2.1单片机三大阶段单片机诞生于20世纪70年代末，经历了scm、mcu、soc三大阶段。1.scm即单片微型计算机（singlechipmicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了scm与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，intel公司功不可没。 2.mcu即微控制器（microcontrollerunit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展mcu的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，intel逐渐淡出mcu的发展也有其客观因素。在发展mcu方面，最著名的厂家当数philips公司。 philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将mcs-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记intel和philips的历史功绩。 3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向mcu阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；随着微电子技术、ic设计、eda工具的发展，基于单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。2.2单片机的发展趋势目前，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。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中，80c51系列是其中的佼佼者，加之intel公司将其mcs51系列中的80c51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名ic制造厂商，如philips、nec、atmel、amd、华邦等，这些公司都在保持与80c51单片机兼容的基础上改善了80c51的许多特性。这样，80c51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80c51系列。80c51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的mcu品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80c51可能最终形成事实上的标准mcu芯片。3、 单片机的组成及特点单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把cpu、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。3.1 单片机的组成单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，cpu通过它们将地址输出到存储器或i/o接口；/数据总线的作用是在cpu与存储器或i/o接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括cpu发出的控制信号线和外部送入cpu的应答信号线等。3.2单片机的特点由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要发如下特点： （1）有优异的性能价格比。 （2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 （3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、i/o口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。 （4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 （5）外部总线增加了ic（inter-integratedcircuit）及spi（serialperipheralinterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。 （6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。3.3 单片机的分类单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。 1.通用型/专用型 这是按单片机适用范围来区分的。例如，80c51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成adc接口等功能的温度测量控制电路。 2.总线型/非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。 3.控制型/家电型 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80c51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。4、单片机的应用4.1单片机的应用分类由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：(1)单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 (2)单片机在机电一体化中的应用机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。 (3)单片机在实时控制中的应用单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。 (4)单片机在分布式多机系统中的应用在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。 (5)单片机在人类生活中的应用自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，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。5、 数字钟的构成5.1 数字钟的构成数字钟实际上是一个对标准频率(1hz)进行计数的计数电路.由于计数的起始时间不可能与标准时间一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1mhz时间信号必须做到准确稳定.通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟. 晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的12mhz的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定.不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路. 时间计数器电路 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器电路构成,秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器. 译码驱动电路 译码驱动电路将计数器输出的8421bcd码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流.数码管 数码管通常有发光二极管(led)数码管和液晶(lcd)数码管,本设计提供的为led数码管.数字钟的工作原理图如图1所示：图1 数字钟的工作原理图5.2 实验中所需的器材5v电源.面包板1块.万用表.镊子1把.剪刀1把.网络线2米at89c51弹片机 1个12m晶体振荡器1个cc4511集成块4块.共阴七段数码管4个.680电阻28个.10电阻1个.10f/25v电解电容个22pf陶瓷电容2个30p电容2个.0.01f电容1个5.3 方案选择与相关技术单片机模块方案：方案一：基本门电路搭肩，用基本门电路来实现数字钟，电路结构复杂，鼓掌系数大，不易调试。方案二：单片机编程，用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式，所以电路结构简单，调试也相对方便。与第一种方案比较优点的是非常明显的。我们选择了第二种方案。5.4 at89c51的单片机简介at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperom programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪烁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100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。 图2 at89c51的单片机图 单片机内部结构图为如图3所示： 图3 单片机内部结构图5.4.1 主要特性与mcs-51 兼容 4k字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0hz-24hz三级程序存储器锁定128*8位内部ram32可编程i/o线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 5.4.2 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p1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0p3.3 /int1外部中断1p3.4 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表1 管脚p3口表p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。p0，p1，p2，p3口银角图为如图4： 图4 p0，p1，p2，p3口银角图 其中我们用了p1口和p2口。 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。5.4.3 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。5.4.4 芯片擦除整个perom阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ale管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，at89c51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu停止工作。但ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存ram的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。mcs-51单片机是美国inte公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用hmos，功耗是630mw，是89c51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在， mcs-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89s51、已经停产的89c51等），各高校及专业学校的培训教材仍与mcs-51单片机作为代表进行理论基础学习。有些文献甚至也将8051泛指mcs-51系列单片机，8051是早期的最典型的代表作，由于mcs-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说mcs-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。其他的公司的51单片机产品都是和mcs-51内核兼容的产品而以。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如atmel的89c51（已经停产）、89s51， philips（菲利浦），和winbond（华邦）等，我们常说的已经停产的89c51指的是atmel公司的 at89c51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取带了原来的rom（一次性写入），at89c51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。不过在市场化方面，89c51受到了pic单片机阵营的挑战，89c51最致命的缺陷在于不支持isp（在线更新程序）功能，必须加上isp功能等新功能才能更好延续mcs-51的传奇。89s51就是在这样的背景下取代89c51的，现在，89s51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的atmel目前公司已经停产at89c51，将用at89s51代替。5.5 cc4511 集成简介5.5.1 4511集成分析cc4511有四个输入端a，b，c，d和七个输出端a，它还具有输入bcd码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端le、灯测试端lt、熄灭控制端/bi来控制。(1)/lt：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当/lt=0时，无论输入a3 ，a2 ，a1 ，a0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。 (2)/bi：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。/bi=0时。不论/lt和输入a3 ，a2 ，a1，a0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极数码管熄灭。 (3)/rbi：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位a3= a2 =a1 =a0=0时，本应显示0，但是在/rbi=0作用下，使译码器输出全为高电平。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。 (4)/rbo：灭零输出，它和灭灯输入/bi共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。cc4511的引脚特点其引脚排列如下图所示：图5 cc4511的引脚图当锁存允许端le=“0”时，锁存器直通，译码器输出端随输入端而变化，当le=“1”时，锁存器锁定，输出端保持不变，熄灭控制端/bi=“0”时，译码器输出全“0”，因此，正常工作时应使/bi为高电平。另外灯测试端/lt=“0”时，译码器输出全“1”，数码管各段均亮，即显示“8”， 用来检测数码管是否正常。当输入的bcd码大于1001时，七段显示输出全“0”，各段均不亮。5.5.2 4511的逻辑图4511译码器有16只脚k(如右图)，所需电源为5v。输入脚d、c、b、a吸收bcd码， /lt、/bi和le三脚为控制信号，当/lt=1、/bi=1、le=0时（硬件连接图中，令/lt、/bi接电源正极，le接地）且dcba的值不超出1001时，4511译码显示，否则数码管消隐。下表为4511译码器的逻辑图。输 入 输 出le/bi/ltdcbaabcdefg显 示xx0xxxx11111118x01xxxx0000000消 隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消 隐01110110000000消 隐01111000000000消 隐01111010000000消 隐01111100000000消 隐01111110000000消 隐111xxxx 锁 存锁 存表2 4511的逻辑表5.6 led数码显示器5.6.1 led数码显示器的结构led数码显示器是1种由led发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个led发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。5.6.2 led数码显示器的两种连接方式（1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5v，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。（2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。在本设计中所采用的是共阴极led数码显示器，其引脚排列如下图所示：6、 电路设计6.1 电路接法6.1.1 晶体振荡器与at89c51的接法晶体振荡器与at89c51的接法为如图7所示，xtal1和xtal2脚接到12mhz的晶体振荡器上，与两个30pf的电容并联，并接低电平。 图7 晶体振荡器与at89c51的连接图6.1.2 单片机at89c51的引脚的连接单片机at89c51的40脚（vdd）和31脚（ea）接高电平，20脚（vss）接低电平。p1口和分译码器cc4511和p2口秒译码器cc4511的对应的银脚相连。其接法为：p1.0到p1.3为分十位译码器的a，b，c，d口对应，p1.4到p1.7为分个位译码器的a，b，c，d口对应。p2.0到p2.3为秒个位译码器的d，c，b，a口对应，p2.4到p2.7为秒十位译码器的d，c，b，a口对应。6.1.