基于51单片机的数字时钟的设计毕业设计说明书

1、毕业设计基于51单片机的数字时钟的设计摘要：现代生活中，对于数字电子钟的使用情况已经远远大于对于机械表的使用。数字时钟不仅仅是使用方便，而且由于单片机的引入，额外增加了自动控制和闹钟报时等功能，十分便利。本次毕业设计，是以stc89c52芯片为核心，添加适当外围电路，辅以c语言，所形成的数字电子钟。除了51单片机芯片，还主要用到了时钟芯片ds1302和型号是1602的液晶显示屏。关键词：stc89c52；数字电子钟；c语言。design of digital clock system based on msc-51 singlechipabstract: in modern life, the

2、 use of digital electronic clock has been far greater than for the use of mechanical watches. digital clock is not just easy to use, and because of the introduction of single-chip, additional automatic control and alarm clock timekeeping functions, is very convenient. the graduation project is based

3、 stc89c52 chip as the core, adding the appropriate external circuit, supplemented by the c language, the formation of digital electronic clock. in addition to 51 single-chip, is also largely used in the clock chip ds1302 and models are 1602 lcd display.keywords: stc89c52; digital electronic clock; c

4、 language.目录基于51单片机的数字时钟的设计idesign of digital clock system based on msc-51 singlechipii目录iii前言1第1章 硬件设计方案及各部分简述21.1单片机概述21.2 ds1302时钟芯片概述51.3 1602显示屏71.4 元件清单8第2章 硬件电路图设计10protel硬件开发及介绍102.2 电路总体设计图11第3章 软件总体设计173.1 主流程图173.2 软件设计分部说明18第4章 调试及误差分析204.1 程序下载及调试204.2 调试结果与误差分析214.3 误差分析21总结22致谢23参考文献2

5、4前言 随着当下时代的发展，形式各样的数字电子钟为我们的工作学习生活带来了极大地便利。众所周知，数字集成电路技术的发展并辅以先进的石英技术，使数字钟具有准确、稳定和携带便利等优点，它还用于计时、报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有比较便宜实用的数字电子钟集成电路芯片出售，但考虑到单片机的定时器功能也可以完成对数字电子钟的设计，因此进行数字电子钟的设计是必要的。在这里我大学四年学到的专业知识系统的联系起来用于实际，从而培养我设计和分析电路，写程序、调试电路的能力。单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格适当、走时准确、性能稳定、携带方便等一系列优点，不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控

6、制工具，而且已进入我们人们工作和和生活的各个角落，极大地推动了各行业的技术改造和升级，应用前景广阔。培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。第1章 硬件设计方案及各部分简述随着石英晶体振荡器的广泛应用和集成电路的飞速发展，数字电子钟的精度要比平时常见的机械表精确一些，为我们的生活带来了极大的便利。另一方面，再加上单片机技术的纯熟，大大扩展了钟表原来的功能

7、，可以提供定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制及各种定时电气的自动启用功能等。因此，研究数字电子钟的应用，有着非常现实的意义。我这次设计的毕业论文，选取的是stc89c52单片机来作为我的核心控制部分，整个电路主要包括芯片、键盘、扬声器还有显示屏这四个部分来组成。主要通过焊接的键盘来调整时间，像时、分、秒还有年、月、日都可以通过键盘来调整，为了实现目的，还需要以c语言编程的帮助。整个电路比较简单，能够实现我想要的所有功能。1.1 单片机概述（1）单片机型号：stc89c52芯片，图 1- 1是其引脚图。图 1- 1 stc89c52芯片引脚（2）单片机的特点：stc89c52是一种低功

8、耗高性能cmos8位微控制器，具有 8k 字节程序存储空间。在单芯片上，有8 位cpu 和在系统可编程flash，为众多嵌入式控制应用系统提供灵活有效的解决方案。拥有512字节数据存储空间，内带2k字节的eeprom存储空间，可直接使用串口下载，方便快捷。 32 位i/o 口线，看门狗定时器，内置4kb eeprom，max810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级的中断结构，还有一个全双工类型的串行口。空闲模式下，cpu 停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电后进入保护方式，ram内容保存下来后，振荡器会被冻结，单片机一切工作停止，直到下

9、一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35mhz，6t/12t可选。stc89c52使用经典的mcs-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能1。（3）管脚说明：vcc：供电电压。gnd：接地。p0 口：p0口是一个8位开路的漏极的双向i/o口。以它为输出口，每一位都能驱动8个ttl逻辑电平。当端口写“1”时，这时候引脚把它当作高阻抗来输入。在flash编程时，p0口可以用作指令字节的接收；在查验程序的时候，可以把指令字节输出。当访问数据存储器和外部程序时，p0口也作为低8位地址/数据复用。在此模式下， 在p0的内部有上拉电阻。检验程序时，会用到外部上拉电阻。p1 口：p

10、1 口是一个在它内部有上拉电阻的8 位双向i/o 口， 输出缓冲器可以驱动4 个 ttl 逻辑电平。端口写“1”时，端口被内部上拉电阻所拉高，这时候它可以当做输入口使用。作为输入时，被拉低的引脚由于内部电阻的存在，会把电流输出2。具体端口如下：p1.0 t2定时器/计数器,t2的外部计数输入，时钟输出p1.1 t2ex定时器/计数器,t2的捕捉/方向控制和重载触发信号p1.5 mosi在线系统编程用p1.6 miso在线系统编程用p1.7 sck在线系统编程用p2 口：p2 口是一个在它内部有上拉电阻的8 位双向i/o 口， 输出缓冲器可以驱动4 个 ttl 逻辑电平。在外部程序存储器被访问或

11、用16位地址读取外部的数据存储器时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉电阻发送1。在flash编程和检验时，p2口也接收高8位地址字节和很多控制信号。对p2 端口写“1”时，这时候端口会被上拉电阻拉高，此时就作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。p3 口：p3 口也是在它的内部具有上拉电阻的8 位双向i/o 口， 输出缓冲器驱动4 个 ttl逻辑电平。当它按输入口使用时，对p3 端口写“1”时，端口被内部上拉电阻拉高。p3口亦作为stc89c52特殊功能使用，具体如下表所示：p3.0 rxd串行输入口p3.1 txd串行输

12、出口p3.2 int0外中断0p3.3 int1外中断1p3.4 to定时/计数器0p3.5 t1定时/计数器1p3.6 wr外部数据存储器写选通p3.7 rd外部数据存储器读选通rst:复位输入。ale/prog:当访问外部程序存储器或数据存储器时，地址的低8位字节会被ale输出脉冲锁存。通常情况下，ale会以时钟振荡频率的1/6作为标准来输出脉冲信号，因此它能够用来定时还有对外的输出时钟来用。但是有一点值得注意：每当访问外部数据存储器的时候会跳过一个ale脉冲。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机在执行程序时，要设置ale令位无效。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲prog。

13、psen:程序储存允许。外部程序存储器的读信号可以输出，在外部程序存储器取指令时，psen在每个周期内两次有效。但是在这段时间内，访问外部数据存储器，psen会跳过两次信号。ea/vpp:外部访问允许。想要仅仅访问外部存储器，ea端必须保持低电平有效。当ea端是高电平，相应地，cpu会访问内部存储器。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3。1.2 ds1302时钟芯片概述（1）芯片说明ds1302是dallas公司开发的一种低耗能、高性能时钟芯片。它有31字节的静态ram，并通过spi三线接口与cpu进行同步传输，能采用突发的方式一次就能

14、传输数据和多个字节的时钟信号。芯片使用双电源供电，同样还可以用备用电源来进行充电。它的功能可以提供秒、分、时、星期、月和年，一个月30与31天时可以自动调整，同时还有闰年补偿的功能。（2）引脚分配及说明ds1302外部引脚如图 1- 2所示。图 1- 2 ds1302引脚图vcc1：主电源；vcc2：备份电源。当vcc1vcc2时，vcc1向芯片供电；当vcc2vcc1+0.2v时，由vcc2向芯片供电。 i/o:双向数据线。 sclk：用于串行时钟输入，能够控制数据输入和输出。 ce：它有两个功能：一是能够控制字访问移位寄存器的控制逻辑，二是对于单字节和多字节数据传输，ce端都可以为他们提供

15、传输方法。此外，在输入信号时，要想使读写数据有效，必须保持高电平4。（3）ds1302工作原理 ds1302工作时，首先要进行初始化，相应的必须使复位端rst保持高电平有效，这样才可以把寄存器中装入地址和命令信息。在slk的上升沿时，数据串行输入有效，前8位指出要访问的地址，将命令字装入移位寄存器后，在下一个时钟周期中，数据在读操作和写操作时都可以被输出。此时时钟脉冲个数是8位地址+8位数据类型，最多时能有248的数据。(4)ds1302字节控制图 1- 3 字节控制ds1302控制字如图 1- 3所示，它总是从最低位开始进行读写操作的。位7是它的最高有效位，必须保证这一位是逻辑1才能使该芯片

16、能够运行，否则是逻辑0的话，芯片无法写入数据。当位6是逻辑0，就可以存取日历的时钟数据，如果是逻辑1，就会存取ram里面的数据。位a4到a0这5位代表操作单元地址。当位0即最低位是逻辑1时，开始进行读操作，否则是逻辑0的时候，就进行写操作。因为ds1302时钟芯片也是本次设计核心之一，所以必须对它如何寻址进行读写操作十分熟悉。ds1302可以对32个地址寻址为了提高它的寻址速度和准确性，我们可以把日历还有ram寄存器规定成多字节，方便寻址。由以上可知，位6选择要寻址的对象是什么，而最低位来决定是读还是写操作。因为读写都是从最低位开始的，必须按顺序先写最开始的8个寄存器。但当选择写ram时，不管

17、是不是把所有的31个字节都写进去了，都能保证这所有的31个字节都能够送入ram里面。要想充分利用ds1302芯片的功能，还必须对它的具体的寄存器和控制字有所了解，内部寄存器地址和内容详见表1- 1。寄存器名命令字节取值范围寄存器内容写读76543210秒寄存器80h81h0059ch10ssec分寄存器82h83h0059010minmin小时寄存器84h85h0023或011212/24010a/phrhr日期寄存器86h87h0128，29，30，310010datedate月份寄存器88h89h011200010mmonth周寄存器8ah8bh010700000day年寄存器8ch8dh

18、009910yearyear表1- 1 ds1302内部寄存器地址和内容 ds1302一共有12个寄存器，这里面主要有7个寄存器是和我们所要用到的时钟日历有联系的，它们都是按bcd码的形式来存放数据的。奇数时进行读操作，而偶数时执行写操作。ds1302是可以暂停工作的，主要受寄存器的位7影响。当位7是逻辑0的时候，ds1302才开始工作，当它是逻辑1时，芯片会停止当前工作。通常情况下，都是在ds1302进入写操作时，芯片才会停止振荡，进入备份模式5。1.3 1602显示屏（1）显示屏介绍1602显示屏实物如图 1- 4所示。图 1- 4 1602显示屏 lcd1602的显示容量是16*2个字符

19、，工作电压合电流分别是5v和2ma，字符尺寸是2.95*4.35mm。本次毕业设计采用的是无背光（14引脚）的lcd1602，各引脚说明如下：1脚和2脚：vss和vdd分别接地和5v电源。3脚：用来调整显示器的对比度，对比度在接地时最高，在接电源时最低，使用过程中接一个10k电位器可以合理地对对比度进行调整。4脚：rs，对寄存器具有选择功能，当接高电平时，选择的是数据寄存器，当接低电平时，相应地选择指令寄存器。5脚：是选择读写的信号端，用r/w来表示。当接低电平时选择写操作，当接高电平时选择的是读操作。6脚：使能端，用e表示，当它从高电平变成低电平有效时，开始执行命令。7到14脚：这八个引脚分

20、别代表8个8位的双向数据线，用d0到d7表示。（2）数码管显示原理以共阳极为例，内部结构如图 1- 5所示。图 1- 5 数码管内部结构数码管显示，需要驱动电路的作用，通过驱动电路，使得不同的码段发亮，来达到效果。数码管显示有静态方式和动态方式两种： 静态显示：静态显示必须保证每一个数码管的段选端都要接一个8位数据线，字形一旦送入，就能一直保持，当下一个字形再输入时才发生变化。使用静态显示，对cpu占用少，编程简单，但是电路会比较复杂，操作性不高。 动态显示：动态显示需要把数码管所有段选端并联，通过位选线来选择点亮哪一段。如图4所示有a到dp8个端，把这8个端口并联在一条线上，在数码管公共级接

21、上位选通控制电路，每个端口的i/o线控制自己的选通端。然后工作时，单片机会把需要选择的数码管的选通控制打开，没选中的就不工作，这样来实现需要得到的数字。动态显示相比于静态显示，可以节省更多的i/o端口，功耗低，较为实用。1.4 元件清单元器件清单见表1- 2 元器件清单。元件名封装标称值说明数量c1直插10uf电解电容1c2直插20pf1c3直插20pf1c4直插0.1uf1c5直插22uf电解电容1r直插1k、1k、510不等15b1直插蜂鸣器1v1直插8550三极管1y1直插11.0572m晶振1y2直插32.768k晶振1k1直插自锁按钮电源开关1k2到k7直插微动开关按键1到66u1直

22、插stc89c52单片机主芯片1u2dip8ds1302时钟芯片1液晶屏lcd1602无背光显示屏1纽扣电池cr23023v1j14脚插针1j2sip16显示接口16脚插座1单片机插座dip401表1- 2 元器件清单第2章 硬件电路图设计 protel硬件开发及介绍protel是我们国内目前最流行的通用eda软件，它是一个整体的工作平台，包含了电路原理图的设计、pcb板设计、电路仿真还有pld设计等多个模块于一身的设计软件，是第一个将eda软件设计成基于windows系统下的应用软件。protel的包括了许多功能，在电子电路设计领域占有极其重要的地位。它集成了软件界面、仿真功能和pld设计和

23、信号完整性分析，在此基础上protel 99se又增加了一些新的功能，使用起来更加方便灵活。它因为具有很好的实用性，而且容易掌握，逐渐获得广大硬件设计人员的青睐，是目前众多eda设计软件中用户最多的产品之一。altium designer 6.0是protel原厂altium公司开发的一款用于板级设计的软件。该软件可以支持pcb集成化设计，嵌入式软件开发和fpga设计等多种功能。它以eda为工作平台，是第一款将eda软件设计在windows下运行的产品。它的功能非常强大，主要包括原理图设计，信号仿真，pld模块设计和完整性分析四个模块，在我们电子电路设计行业中发挥着重大作用。（1） 原理图设计

24、 制作电子器件电路图是最基本的要素，protel软件对各种电子器件都予以收录并说明，各自用特殊的图形符号来表示。我们可以利用它将这些图形符号施以必要的结点和线路连接起来得到我们需要的电路图。（2） pcb设计板块想要得到电子成品，仅有电路图是不够的，还需要实物化，pcb设计就是把基本的电路图转化成电路板的过程。利用该软件可以方便对电路图做出改动，具有很强的自动功能，制作出符合我们要求的电路板。（3） 信号仿真电路板设计好后，可以通过软件进行仿真实验，从仿真元件库中找到相应元件，连接好后，加上电源，就能完成对电路的仿真，大大提高效率6。2.2 电路总体设计图本次设计的核心部分就是单片机芯片stc

25、89c52，用它来实现最主要的控制功能。然后由外部电源对它供电，还需要对六键键盘操作，向芯片内部传递我们想要实现的信息，这样单片机才能接受信息，开始工作。然后芯片根据所收到的信息，将我们需要的信息再通过外部器件传达给我们。时间信息显示在1602显示屏上面，当时间走到我们设定的闹钟时刻时，单片机会向蜂鸣器发出指令，起到报警作用，达到我们想要的闹铃效果。当所接的外部电源断开时，ds1302时钟芯片在掉电情况下在纽扣电池作用下可以保持继续工作，确保走时的准确性。所以电路设计的总体思路如图 2- 1。按键输 入电源供 电单片机主芯片显示屏时钟芯片闹钟电路图 2- 1 电路设计流程电路的pcb图见(1)

26、 图 2- 2。图 2- 2 pcb设计图电路的整体布线图如图 2- 3。图 2- 3 电路布线图电路实物图如图 2- 4。图 2- 4 电路实物图如上图所示，用stc89c52作为主控芯片，然后通过ds1302来实现后台计时功能，用一片纽扣电池为其供电，使得在掉电时依然保证时钟准确计时。由六键键盘来设定显示时间及闹钟，通过显示屏显示年、月、日、时、分、秒各个信息，当走到所定的闹钟时间时，由蜂鸣器报警提示，来完成一整套工作。2.3 各部分电路原理图（1）stc89c52主芯片原理图如图 2- 5。图 2- 5 主芯片设计图在芯片外围，是左上端复位电路，由一个电容和一个电阻构成，利用它使电路可以

27、恢复到初始状态。主芯片的管脚，p00到p07与液晶屏相连，左侧伸出的rxd和txd两端，用于单片机程序的下载。整个这段电路是这个电子时钟的核心部分。（2）ds1302时钟芯片电路原理图如图 2- 6。图 2- 6 时钟芯片设计图图中bt1所示接的是一个纽扣电池，这样可以保证在不接通外部电源情况下，时钟依然可以后台准确走时，确保它的准时性。r10到r12都是上拉电阻。整个ds1302芯片是通过rst、i/o还有sclk三个管脚和单片机主芯片连接来实现功能的。（3）闹钟电路部分如图 2- 7所示。图 2- 7 闹钟部分设计图 上图是数字电子钟里面关于闹钟部分的电路原理图，最主要更能就是在到达设定时

28、间时，蜂鸣器会报警提醒，达到闹钟的目的。报警灯需要和单片机主芯片的管脚驱动蜂鸣器相连，受它控制。（4） 按键电路部分原理图见图 2- 8。图 2- 8 按键部分设计图 上图是按键驱动电路的组成情况。当按下按键时单片机通过管脚收到的是低电平，单片机主芯片是通过查询的方式来得到按键驱动电路传来的信息，作出决定。当按键弹回时，发出高电平，停止工作7。第3章 软件总体设计单片机想要实现我们需要的目的，仅仅有硬件不够的，还需要软件编程来运行。软件的设计与实现，同样需要像硬件组成一样来规划，先从总体进行构造，然后一部分一部分进行分析，使程序简单合理，流程清晰。单片机编程方面，可以采用汇编语言的方式，也可以

29、用c语言的方式，需要对比选择，最后采取合适的方案。计算机并不能直接识别我们输入的指令语言，需要一种程序将我们的指令改变成计算机能识别的机器语言，这就是汇编语言。汇编语言是直接面向计算机的低级语言，具有容易读写、调试和修改等优点，可以直接访问、控制计算机的各类硬件设备还有各个接口，占用内存少，执行速度较快。但是作为一种低级语言，它的编写程序复杂，代码量很大，而且通用性差，可移植性不高，所以不提倡使用汇编语言的编程方式。反观c语言，它是一种高级语言，同时又具备了汇编语言的全部优点，所以比较常用。c语言可以对字节还有地址进行直接操作，而且可移植性很好。同时，c语言是一种结构性语言，程序的各个部分可以

30、分开，相互之间的层次十分分明，而且在编程时，可以提前定义函数，对定义的函数进行调用，中间还可以使用像条件语句、循环语句、选择语句等结构化语句，方便了在整个编写过程中的修改和调试。除此之外，c语言中还引入了指针，这样可以更好地提高程序的效率，大大提高了它的使用率。综上所述，决定在本次毕业设计中还是采用我比较熟悉的c语言编程的方式，提高效率。然后先设计整体的流程，确定总体设计方案，然后再分块，编写程序，最后组成合适的程序方案。3.1 主流程图主流程图如图 3- 1所示。开始定时器及中断定时器初始化是否设定参数执行显示程序执行时钟闹铃设定程序ny图 3- 1 主流程图3.2 软件设计分部说明（1）时

31、间调整设计说明电路板共有六个按钮，其中有四个是用来调整时间的。首先第一个是用来选择要调整的位数的。调整时间需要一位一位来调整，这个就需要先选择出来，并且要与其它未改动的位区分出来，所以增加闪烁功能，让选中待调整的位闪烁，当改动好后再移到下一位，让下一位闪烁。闪烁的时间间隔我们可以自由设置。然后就是另外两个按钮，实现具体的时间改动功能，分别称作加1钮和减1钮。选中一位后，按下加1钮时间会往前调整，按下减1钮时间会向后退。由于时间不同单位的进制是不一样的，也需要部分考虑。例如调整小时位时，当时间加到23时，就不能再继续加了，需要往后减，找到我们想要的数字即可。同样的，不仅时间可以这样改动，对于年月

32、日的调整也一样，直到所有的东西都改动好就可完成了8。（2）时间走时及中断设计时间的走时，进位是按秒、分、时的顺序来进行的。中断先看1秒到了没有，到了秒这位就加1，不到的话就继续检测下一位，分位，如果到了1分钟，该位就加1，如果到不了1分钟，就再往下检测下一位，就是小时位，如果到了1个小时，就把小时位加1，否则就显示时间即可。这样来一位一位地实现时、分、秒的转换。（3）显示及闹钟模块设计 时间依次在屏幕显示之后，芯片内部会每改变一个时间就对我们所设定的闹钟时间进行比较，如果还未到，会继续走时，后台还会继续询问是否到达设计的闹钟时间。如果到了我们设定的闹钟时间了，主芯片就会向蜂鸣器发出指令，让它报

33、警，达到目的9。第4章 调试及误差分析4.1 程序下载及调试（1）keil uvision4简介keil uvision4是一款引入了窗口管理系统的，比较人性化的编译环境。在里面不仅可以选择我们所用的芯片和其它硬件元器件，还可以把我们写好的程序下载进来，进行仿真调试，是一款能够充分提高开发人员水平且方便实用的软件。软件使用非常简单，就是把.c和.hex文件建立好，然后对他们进行编译，下载之后进行调试就行。下载程序时，需要用到stc单片机下载软件。单击stc-isp-v481来运行，得到如图 4- 1 下载界面所示的界面。图 4- 1 下载界面 选择好stc89c52类型的芯片后，再打开.hex

34、文件，单击下载按钮，就能顺利下载。这些准备都做好后，直接给电路板外部供电后，就能开始运行了9。4.2 调试结果与误差分析运行过程中，实际位选码的输出来自p2口，段选码是从p0口输出的，存储单元内部都是以二进制数来存储的。我们要想把显示的数据送到p0口，就必须先把我们想要显示的数据转换成bcd码后，再把转换后的数据送到p0口段选端，这样才能驱动1602的数码管显示器。时间能否准确走时，还需要定时中断程序对时、分、秒进位调整。计数器t0打开后，先从秒开始，满一秒后进位，够60 秒后就为1 分钟， 分钟单元进位，60 分到了后，时单元进位，24 小时满后，天单元进位。每个单位进制是不一样的，当我们都规划好以后，还需要把时分秒的存储值进行bcd码转换后，才能使它们显示在屏幕上。4.3 误差分析数字电子钟是精确度很高的电子产品，因为设计的不全面性，难免存在误差。最容易想到的就是按键所带来的时间延时。如果在程序里面设定比较合适的按键延长时间，可以尽量避免此类误差。因为电子钟由很多芯片和其它元器件组成，各个硬件都会有一定的机器周期的延时。因为这类延时较短，