基于单片机的电子时钟设计毕业论文

目录TOC\o"1-2"\h\z\u前言 41电子时钟的发展现状对人民的影响 41.1电子时钟的定义，社会背景 41.2单片机制作的电子时钟实现的功能 52电子时钟的总体设计方案和分析 62.1电子时钟系统的硬件设计 62.2单片机芯片的选择和介绍 102.3实验板电路原理图设计 113系统的流程设计 123.1单片机系统软件的设计 123.2时钟的显示程序软件设计 143.3键盘电路的设计 184系统调试，功能与说明 184.1硬盘调试 184.2统性能测试与功能说明 194.3时钟系统的误差分析 194.4软件调试问题及其解决 205任务总结和建议 20参考文献 21致谢 21基于单片机的电子时钟的设计摘要：在如今这个高科技发展社会，数字电子时钟已成经为人们日常生活中必不可少的必要物品，广泛应用于个人家庭及车站，电影院，办公室等重要的公共场所，给人民的生活、学习、工作带来很大的方便，由于单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，用单片机制作数字时钟，更方便于人民，服务于社会，符合社会科学发展观的需要，且开发较为容易，所以受到人们的重视和关注，以其极高的性能价格比，适应了社会的发展需要。通过对它的学习、应用，以采用高级点的ARM与时钟芯片进行控制芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简单的电子时钟，能够准确显示时间，调整时间，从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。关键词：电子时钟单片机时钟芯片前言随着社会发展的越来越快，单片机自20世纪70年代问世以来，由于其体积比较小，重量轻等多种有利优势，所以深受人们的热爱，由于开发较容易，灵活性好，也同时被很多设计者拿来应用到各种设备领域中；电子时钟是其中一个典型的例子，由于人们的生活节奏越来越快，时间观念在不断的增强，生活里很多时候离不开时钟，可以说时钟是现代人生活中是不可缺少的东西，现如今，时钟的款样和功能也越来越多，人们对钟表的精确度也越来越高。1电子时钟的发展现状对人民的影响1.1电子时钟的定义，社会背景，目前对人民的的影响和对社会的意义。1.1.1电子时钟的定义电子时钟称数显钟，是一种用数字电路技术实现时，分，秒计时的装置，与机械时钟相比，直观性为其只要显著特点，且非机械驱动，具有更长的使用寿命。1.1.2电子时钟发展的社会背景电子时钟是采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置,传统的数字电子时钟采用了很多的分立元器件，不仅占用了很大的空间而且利用率比也很低，随着系统设计复杂度的不断提高，用传统时钟系统设计方法已经很难满足设计的需求，而单片机自20世纪末21世纪初问世以来，由于单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，所以不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且还已渗入到人们工作和和生活的各个角落，有力地推动了各个行业的技术改造，用单片机制作数字时钟，更方便于人民，服务于社会，符合社会科学发展观的需要，且开发较为容易，所以受到人们的重视和关注，以其极高的性能价格比，适应了社会的发展需要。随着单片机性价比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛了，大的方面可以在工业工程方面做控制系统，小的方面可以用于家电控制，电子玩具等。1.1.3电子钟的发展对人民的影响和对社会的意义在日常生活中，大家所见到的都是用数码管制作成的电子钟，与机械时钟相比，电子时钟的直观性为其只要显著特点，且非机械驱动，具有更长的使用寿命，电子时钟主要是利用电子技术将时钟数字化，电子化，让时钟更精确，精准，数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便，它的体积小，界面美观，单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，所以在21世纪这个高科技信息时代，数字电子时钟已经成为人们日常生活中必不可少的必需物品，它的应用于比较广泛，如个人家庭及车站，电影院，办公室等重要的公共场所，给人民的生活、学习、工作带来很大的方便，不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具，而且还已渗入到人们工作和和生活的各个角落，有力地推动了各个行业的技术改造，用单片机制作数字时钟，更方便于人民，服务于社会，符合社会科学发展观的需要。1.2单片机制作的电子时钟实现的功能包括哪些，有何优点。1.2.1电子时钟实现的基本功能1)通过液晶显示屏显示时分秒，具有时间校准，整点钟报时和自检的功能。2）整点报时可以通过声音和光两种情况报警。3）时钟的信号有主要用的时钟电路提供出来。4）时钟校准有键盘统一完成。5）系统在丢电的情况下不影响时钟的运行。1.2.2电子时钟的优点电子时钟具有走时准确、性能稳定、携带方便，它的体积小，界面美观，容易让人民所接受和喜爱；。它还可以用于计时、自动报时及自动控制等各个领域；尽管目前市场上已有现成的数字钟集成电路芯片出售，价格较便宜、使用也较方便，但鉴于单片机的定时器功能也可以完成数字时钟电路的设计，因此进行数字钟的设计是很有必要的。大概与传统的机械钟相比，电子钟具有更优异的优点，单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点。2电子时钟的总体设计方案和分析2.1电子时钟系统的硬件设计2.1.1电子时钟的工作原理一个最基本的数字钟电路主要由译码显示器、时分秒计数器、校时电路，报时电路和振荡器组成。主电路系统由秒信号发生器、时分秒计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器加分频器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器"“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计。译码显示电路将时分秒计数器的输出状态用七段显示译码器译码，通过七段显示器显示出来。整点报时电路时根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路时用来对时分秒显示数字进行校对调整。2.1.2电子时钟的模块组成电子时钟系统主要由硬件模块，单片机AT89S51，BCD码译码器74HC47，译码器74LS138，驱动三极管VT1~VT69012，数码管LED等元器件组成。电子时钟系统硬件组成框图如下图2.1所示。键盘模块复位电路单片机AT89S51显示模块晶振电路图2-1电子时钟系统硬件组成框图本次设计晶振电路采用的是12M的晶振。晶振的作用是给单片机正常工作提供稳定的时钟信号。单片机的晶振并不是只能用12M，只要不超过20M就可以，在许可的范围内，晶振越大，单片机运行就越快，还有用12M的就是好算时间，因为一个机器周期为1/12时钟周期，所以这样用12M的话,一个时钟周期为12us，那么定时器8计一次数就是1us了，电容范围在20-40pF之间，这里连接的是30pF的电容。机器周期=10*晶振周期=12*系统时钟周期。晶振电路本次设计利用按键开关来校正时钟显示的数字。当按钮按下时，将在相应的端口输入一个低电平，通过相应的程序来改变时钟显示。其中S1按键开关用来选择要修改的数字;S2按键用来增加所选数字的数值;S3按键用来减少所选数字的数值。时钟显示电路蜂鸣器电路电路接法：三极管选定PNP型，基极B连接5V电压，发射极E连接一个1K左右的电阻后接I/O口，集电极C连接蜂鸣器后接地。单片机在复位后的个I/O口是高电平，此时三极管是截止的，编写程序使选定的I/O为低电平，此时三极管导通，导通后蜂鸣器与电源正极连通，构成一个工作回路，从而发出滴滴的响声其中电阻R1在电路里起分压限流的作用，PNP三极管起到模拟开关的作用。外接电源电路外接电源电路用于连接外部5V电源与电子时钟电路，通过自锁开关控制电路的导通与断开，当开关闭合时，电路导通，外部电源给电路正常供电，电子时钟正常工作。当开关断开时，电路停止工作。显示模块的框图如下图2-2所示BCD码译码器BCD码译码器74HC47译码器74LS138驱动三极管VT9012七段数码管LED图2-2显示模块框图2.2单片机芯片的选择和介绍单片机可以采用一些8位单片机，还可以根据需求采用高级点的ARM进行控制，在本次设计中，单片机我们采用AT89S51，时钟芯片选DS1302，通过单片机对时钟芯片进行合理的配置，设置，读取，操作。2.2.1AT89S51单片机的介绍ATS8951单片机是美国ATMEL公司生产出来的的低耗能，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用高密度，非易失性存储技术生产，标准兼容性好，性价比好，可灵活应用于各种控制领域。2.2.2DS1302时钟芯片的介绍DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。118273645X1VCCX2GNDVCCSCLKI/0一RST上图为DS1302的引脚图2.3实验板电路原理图设计，介绍单片机电子时钟的结构并画出原理图电源电源时钟电路复位电路单片机键盘电路数码显示电路蜂鸣器电路实验板结构框图3系统的流程设计3.1单片机系统软件的设计主程序主程序计时中断子程显示子程序键盘扫描子程序定时比较子程序延时子程序时间设定字程序日期转换/设定字程序定时转换/设定子程序程序各模块方框图3.1.1设计主程序P0.0-7口为数码管段选，采用共阳显示管，P2.1-6为数码管位选，70－71H秒计时和显示单元，72－73H分显示单元，74－75H小时显示单元，76－77H分计时单元，78－79H小时计时单元。主程序：START:MOVR0,#70H;清70H-7AH共11个内存单元MOVR7,#0BH；CLEARDISP:MOV@R0,#00HINCR0;DJNZR7,CLEARDISP;MOV20H,#00H;清20H(标志用）MOV7AH,#0AH;放入"熄灭符"数据;MOVTMOD,#11H;设T0、T1为16位定时器用11.0592M初值是4C00H；用12M初值是3CB0HMOVTL0,#00H;50MS定时初值（T0计时用）MOVTH0,#4cH;50MS定时初值MOVTL1,#00H;50MS定时初值（T1闪烁定时用）MOVTH1,#4cH;50MS定时初值SETBEA;总中断开放SETBET0;允许T0中断SETBTR0;开启T0定时器MOVR4,#14H;1秒定时用初值（50MS×20）START1:LCALLDISPLAY;调用显示子程序jnbP1.1,set_h;此按键是小时加1SJMPSTART1;P1.0口为1时跳回START1set_h:ljmpset_hhset_m:ljmpset_mm3.2时钟的显示程序软件设计主程序是按下开始，然后启动定时器，在进行按键检测，检测完后，然后就可以显示时间。开始开始启动定时器启动定时器按键检测时间显示主程序流程图按键处理是先检测秒的按键是否按下来，如果秒按键按下，秒就加1，如果没有按下，就检测分按键是否按下，分按键如果按下了，分就加1，如果也没有按下，就检测时按键是否按下，如果按下，时按键就加1，如果没有按下，就把时间给显示出来。开始开始秒加1秒加1秒按键是否按下？秒按键是否按下？分键按下？分加1分加1时键按下？时键按下？显示时间时加1显示时间时加1结束按键处理流程图结束按键处理流程图定时中断时是先检测1秒是否到，1秒如果到了，秒单元就加1，如果没到，就检测1分钟是否到，1分钟如果到，分单元就加1，如果也没到，就检测1小时是否到，1小时如果到了，时单元就加1，如果没到，就显示时间。开始开始1秒时间到？1秒时间到？秒单元加160秒时间到？分单元清零，时单元加124小时到？分单元清零，时单元加124小时到？时单元清零时间显示中断返回时间显示是秒个位计算显示，然后是秒十位计算显示，再是分个位计算显示，然后是分十位显示，再然后就是个位计算显示，最后就是时十位显示。开始开始秒个位计算显示秒十位计算显示分个位计算显示时十位计算显示时十位计算显示结束分十位计算显示时个位计算显示时间显示流程图3.3键盘电路的设计键盘电路的设计采用独立式按键，LED动态显示，如下图3-3所示。AAT89S51LED显示扫描驱动4位独立式键盘图3-3显示方框图独立式按键直接与单片机I/0口相连构成键盘，而且每个按键都不会相互影响，因用到的按键比较少，所以采用独立式键盘，尽管动态的显示亮度不如静态显示，但其硬件的电路比较简单，可以节省硬件成本。虽然动态扫描的时间占用CPU比较多，但这次设计单片机没有较多的实时的监控任务，所以还是选用此键盘较合适。4系统调试，功能与说明单片机应用系统的调试包括硬件调试和软件调试两个部分，但是他们并不能完全分开来。一般的方法是排除明显的硬件故障，然后再进行综合调试，排除有可能发生的的软，硬件故障。4.1硬盘调试当拿到电路板后，我们首先要检查加工质量，在有任何方面的错误后，如检查和断路等情况，尤其要避免电源短路，元器件在安装前时要逐个检查，用万用表测其数量值，看是不是与所用的相同，完成焊接后，应该先空载上电就是芯片座上不插芯片，并检查各引脚的电位是不是正确。当一切正常后，才可以在断电的情况下将芯片插入，然后再一次检查各引脚的电位及其逻辑关系。将万用表的探针放到单片机连接电源的引脚上检测一下，看是不是符合要求。4.2统性能测试与功能说明我们通常所说的走时：就是默认为走时状态，按24小时制分别显示“时时，分分，秒秒”，当有2个“-”动态显示，时间就会按实际时间以秒为最少单位而变化；走时调整：按KSEC对秒进行调整，按一下就加1秒，按KMIN对分进行调整，按一下就加1分，按KHOUR对时进行调整，按一下就加1小时，这样从而达到快速设定时间的目的。4.3时钟系统的误差分析时间它是一个基本物理量，具有连续、自动流逝、不重复等基本特性。我国时间基准是来自国家授时中心，人们日常所使用的时钟就是以一定的精准度与其基准保持同步的。结合时间概念和误差理论，可以定义电子钟的走时误差是S=S1-S2,S1表示程序实际运行计算所得的秒；S2则表示客观时间的标准秒。当S>0时表示电子钟秒单元数值刷新滞后，即称为走时误差为慢，反之，当S<0表示秒单元的数值刷新超前，即称为走时误差为快。本次设计的单片机电子时钟系统中，其误差主要来源包括晶体频率误差，定时器溢出误差，延迟误差。晶体频率产生震荡，容易产生走时误差；定时器溢出的时间误差，本来应该这一秒溢出，但是却在下一秒溢出，造成走时误差；延迟时间过长或者过短，这样都会造成与基准时间产生偏差，从而达到造成走时误差。4.4软件调试问题及其解决系统软件程序的调试一般可以将重点放在各分模块调试上，统一调试是最后面的，调试可以采取离线调试和在线调试两种方法。前者不需要硬件仿真器，可借助于软件仿真器就可以；后者一般需要仿真系统的支持。本次设计，用KEIL程序，然后通过各个模块程序的单步或跟踪调试，使程序逐渐趋向于正确，最后统调程序。仿真部分则采用protus6professional比较简单，可以很容易的实现各种系统的仿真。首先打开protus6professional软件，后在元件库中找到要选用的所有元件，再然后绘制原理图；绘制完后再选择wave6000已经编译好的*.hex文件，选择运行，观察显示结果，根据显示的结果和设计的要求再修改程序，再运行检查，直到可以满足要求。5任务总结和建议时钟的设计过程中，感觉自己很是受益匪浅。通过对自己在大学三年时间里所学的专业知识的运用，充分发挥对所学知识的理解和对毕业设计的思考及写作方面表达能力，最后终于完成了。为自己今后在社会职场进一步学习，积累了一定宝贵的经验。写论文的过程也是自己对专业知识的学习理解过程，它使我运用已学的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决的一个问题，把知识转化为实际能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。通过这次电子时钟的设计我发现，只有理论水平提高了；才能够将课本知识与实践相整合，增强自己的动手能力。这这设计让我获