畢業論文姓名李科學號院系計算機應用系專業應用電子技術班級08級電子02班導師趙建林畢數字電子時鐘摘要20世紀末，電子技術獲得了飛速的發展，在其推動下，現代電子產品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產力的發展和社會信息化程度的提高，同時也使現代電子產品性能進一步提高，產品更新換代的節奏也越來越快。現代生活的人們越來越重視起了時間觀念，可以說是時間和金錢劃上了等號。對于那些對時間把握非常嚴格和準確的人或事來說，時間的不準確會帶來非常大的麻煩，所以以數碼管為顯示器的時鐘比指針式的時鐘表現出了很大的優勢。數碼管顯示的時間簡單明了而且讀數快、時間準確顯示到秒。而機械式的依賴于晶體震蕩器，可能會導致誤差。數字鐘是采用數字電路實現對“時”、“分”、“秒”數字顯示的計時裝置。數字鐘的精度、穩定度遠遠超過老式機械鐘。在這次設計中，我們采用LED數碼管顯示時、分、秒，以24小時計時方式，根據數碼管動態顯示原理來進行顯示，用12MHz的晶振產生振蕩脈沖，定時器計數。在此次設計中，電路具有顯示時間的其本功能，還可以實現對時間的調整。數字鐘是其小巧，價格低廉，走時精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受廣大消費的喜愛，因此得到了廣泛的使用。關鍵字：數字電子鐘單片機LED顯示時鐘誤差目錄TOC\o"1-2"\h\z\u目錄 1第一章緒論 21.1數字電子鐘的背景 21.2數字電子鐘的意義 21.3數字電子鐘的應用 2第二章整體設計方案 32.1單片機的選擇 32.2單片機的基本結構 4第三章數字鐘的硬件設計 63.1內部系統設計 63.2LED顯示電路 83.3鍵盤控制電路 10第四章數字鐘的軟件設計 124.1系統軟件設計流程圖 124.2數字鐘的原理 154.3LED顯示程序 16第五章調試與功能說明 17參考文獻 17總結 18致謝 18

第一章緒論1.1數字電子鐘的背景20世紀末，電子技術獲得了飛速的發展，在其推動下，現代電子產品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產力的發展和社會信息化程度的提高，同時也使現代電子產品性能進一步提高，產品更新換代的節奏也越來越快。時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當前的時間。忘記了要做的事情，當事情不是很重要的時候，這種遺忘無傷大雅。但是，一旦重要事情，一時的耽誤可能釀成大禍。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發展。下面是單片機的主要發展趨勢。單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統的控制系統設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分功能，現在已能用單片機通過軟件方法來實現了。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統控制技術的一次革命。單片機模塊中最常見的是數字鐘，數字鐘是一種用數字電路技術實現時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。1.2數字電子鐘的意義數字鐘是采用數字電路實現對.時,分,秒.數字顯示的計時裝置,廣泛用于個人家庭,車站,碼頭辦公室等公共場所,成為人們日常生活中不可少的必需品,由于數字集成電路的發展和石英晶體振蕩器的廣泛應用,使得數字鐘的精度,遠遠超過老式鐘表,鐘表的數字化給人們生產生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關烘箱、通斷動力設備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數字化為基礎的。因此，研究數字鐘及擴大其應用，有著非常現實的意義。1.3數字電子鐘的應用數字鐘已成為人們日常生活中：必不可少的必需品，廣泛用于個人家庭以及車站、碼頭、劇場、辦公室等公共場所，給人們的生活、學習、工作、娛樂帶來極大的方便。由于數字集成電路技術的發展和采用了先進的石英技術，使數字鐘具有走時準確、性能穩定、攜帶方便等優點，它還用于計時、自動報時及自動控制等各個領域。第二章整體設計方案2.1單片機的選擇單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，內部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當的軟件及外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統。單片機經過1、2、3、3代的發展，正朝著多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價格、大存儲容量、強I/O功能及較好的結構兼容性方向發展。其發展趨勢不外乎以下幾個方面：1、多功能單片機中盡可能地把所需要的存儲器和I/O口都集成在一塊芯片上，使得單片機可以實現更多的功能。比如A/D、PWM、PCA（可編程計數器陣列）、WDT（監視定時器看家狗）、高速I/O口及計數器的捕獲/比較邏輯等。有的單片機針對某一個應用領域，集成了相關的控制設備，以減少應用系統的芯片數量。例如，有的芯片以51內核為核心，集成了USB控制器、SMARTCARD接口、MP3解碼器、CAN或者I*I*C總線控制器等，LED、LCD或VFD顯示驅動器也開始集成在8位單片機中。2、高效率和高性能為了提高執行速度和執行效率，單片機開始使用RISC、流水線和DSP的設計技術，使單片機的性能有了明顯的提高，表現為：單片機的時鐘頻率得到提高；同樣頻率的單片機運行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，單片機的尋址能力、片內ROM（FLASH）和RAM的容量都突破了以往的數量和限制。由于系統資源和系統復雜程度的增加，開始使用高級語言（如C語言）來開發單片機的程序。使用高級語言可以降低開發難度，縮短開發周期，增強軟件的可讀性和可移植性，便于改進和擴充功能。3、低電壓和低功耗4、低價格單片機應用面廣，使用數量大，帶來的直接好處就是成本的降低。目前世界各大公司為了提高競爭力，在提高單片機性能的同時，十分注意降低其產品的價格。目前，我國生產很多型號的單片機，在此，我們采用型號為STC89C52的單片機。因為：

STC89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-52指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C52提供了高性價比的解決方案。

STC89C52是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，STC89C51可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。2.2單片機的基本結構MCS-52單片機內部結構

8052單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數據存儲器(RAM)、定時/計數器、并行接口、串行接口和中斷系統等幾大單元及數據總線、地址總線和控制總線等三大總線，現在我們分別加以說明：中央處理器

中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。數據存儲器(RAM)

8052內部有128個8位用戶數據存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數據，運算的中間結果或用戶定義的字型表。圖2-1單片機8052的內部結構程序存儲器(ROM)：8052共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數據或表格。定時/計數器(ROM)：8052有兩個16位的可編程定時/計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向。并行輸入輸出(I/O)口：8052共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對外部數據的傳輸。全雙工串行口：8052內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發器，也可以當同步移位器使用。中斷系統：8052具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優先級別選擇。時鐘電路：單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數據存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數據存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-52系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續產品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。下圖是MCS-52系列單片機的內部結構示意圖。圖2-2MCS-52系列單片機的內部結構第三章數字鐘的硬件設計3.1內部系統設計1.外接晶體引腳圖3-2晶振連接的內部、外部方式圖XTAL119XTAL218XTAL1是片內振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內部方式時，時鐘發生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內選擇。電容取30PF左右。系統的時鐘電路設計是采用的內部方式，即利用芯片內部的振蕩電路。AT89單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩定性、起振的快速性和溫度的穩定性。因此，此系統電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為22μF。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩定和可靠地工作。2.復位RST9在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現在此引腿時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環復位。復位后P0－P3口均置1引腳表現為高電平，程序計數器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變為低電平時，芯片為ROM的00H處開始運行程序。復位是由外部的復位電路來實現的。片內復位電路是復位引腳RST通過一個斯密特觸發器與復位電路相連，斯密特觸發器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的S5P2，由復位電路采樣一次。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式，此電路系統采用的是上電與按鈕復位電路。當時鐘頻率選用6MHz時，C取22μF，Rs約為200Ω，Rk約為1K。復位操作不會對內部RAM有所影響。常用的復位電路如下圖所示：圖3-3常用復位電路圖3.輸入輸出引腳(1)P0端口[P0.0-P0.7]P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1（對端口寫1）時作高阻抗輸入端。作為輸出口時能驅動8個TTL。對內部Flash程序存儲器編程時，接收指令字節;校驗程序時輸出指令字節，要求外接上拉電阻。在訪問外部程序和外部數據存儲器時，P0口是分時轉換的地址(低8位)/數據總線，訪問期間內部的上拉電阻起作用。(2)P1端口[P1.0－P1.7]P1是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時可驅動4個TTL。端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內部Flash程序存儲器編程時，接收低8位地址信息。(3)P2端口[P2.0－P2.7]P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時可驅動4個TTL。端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內部Flash程序存儲器編程時，接收高8位地址和控制信息。在訪問外部程序和16位外部數據存儲器時，P2口送出高8位地址。而在訪問8位地址的外部數據存儲器時其引腳上的內容在此期間不會改變。(4)P3端口[P3.0－P3.7]P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/0端口。輸出時可驅動4個TTL。端口置1時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內部Flash程序存儲器編程時，接控制信息。除此之外P3端口還用于一些專門功能，具體請看下表。P3引腳兼用功能P3.0串行通訊輸入（RXD）P3.1串行通訊輸出（TXD）P3.2外部中斷0（INT0）P3.3外部中斷1（INT1）P3.4定時器0輸入(T0)P3.5定時器1輸入(T1)P3.6外部數據存儲器寫選通WRP3.7外部數據存儲器寫選通RD表3-1P3端口引腳兼用功能表3.2LED顯示電路顯示器普遍地用于直觀地顯示數字系統的運行狀態和工作數據，按照材料及產品工藝，單片機應用系統中常用的顯示器有：發光二極管LED顯示器、液晶LCD顯示器、CRT顯示器等。LED顯示器是現在最常用的顯示器之一，如下圖所示。圖3-4LED顯示器的符號圖發光二極管（LED）由特殊的半導體材料砷化鎵、磷砷化鎵等制成，可以單獨使用，也可以組裝成分段式或點陣式LED顯示器件（半導體顯示器）。分段式顯示器（LED數碼管）由7條線段圍成8字型，每一段包含一個發光二極管。外加正向電壓時二極管導通，發出清晰的光。只要按規律控制各發光段亮、滅，就可以顯示各種字形或符號。LED數碼管有共陽、共陰之分。顯示電路顯示模塊需要實時顯示當前的時間,即時、分、秒，因此需要6個數碼管，另需兩個數碼管來顯示橫。采用動態顯示方式顯示時間，硬件連接如下圖所示，時的十位和個位分別顯示在第一個和第二個數碼管，分的十位和個位分別顯示在第四個和第五個數碼管，秒的十位和個位分別顯示在第七個和第八個數碼管，其余數碼管顯示橫線。LED顯示器的顯示控制方式按驅動方式可分成靜態顯示方式和動態顯示方式兩種。對于多位LED顯示器，通常都是采用動態掃描的方法進行顯示，其硬件連接方式如下圖所示。圖3-6數碼管的硬件連接示意圖數碼管使用條件：a、段及小數點上加限流電阻b、使用電壓：段：根據發光顏色決定；小數點：根據發光顏色決定c、使用電流：靜態：總電流80mA（每段10mA）；動態：平均電流4-5mA峰值電流100mA數碼管使用注意事項說明：（１）數碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；（２）焊接溫度：２６０度；焊接時間：５Ｓ（３）表面有保護膜的產品,可以在使用前撕下來。3.3鍵盤控制電路該設計需要校對時間，所以用三個按鍵來實現。按khour來調節小時的時間，按kmin來調節分針的時間，按ksec來調節秒的時間。下圖是按鍵硬件連接圖。圖3-7按鍵控制電路的硬件連接圖當用手按下一個鍵時，如圖3-8所示，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩定到閉合狀態的情況；在釋放一個鍵時，也回會出現類似的情況。這就是抖動。抖動的持續時間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通常總是不大于10ms。很容易想到，抖動問題不解決就會引起對閉合鍵的識別。用軟件方法可以很容易地解決抖動問題，這就是通過延遲10ms來等待抖動消失，這之后，在讀入鍵盤碼。鍵按下鍵按下前沿抖動后沿抖動閉合穩定圖3-8按鍵抖動信號波形第四章數字鐘的軟件設計系統的軟件設計也是工具系統功能的設計。單片機軟件的設計主要包括執行軟件（完成各種實質性功能）的設計和監控軟件的設計。單片機的軟件設計通常要考慮以下幾個方面的問題：（1）根據軟件功能要求，將系統軟件劃分為若干個相對獨立的部分，設計出合理的總體結構，使軟件開發清晰、簡潔和流程合理；（2）培養良好的編程風格，如考慮結構化程序設計、實行模塊化、子程序化。既便于調試、鏈接，又便于移植和修改；（3）建立正確的數學模型，通過仿真提高系統的性能，并選取合適的參數；（4）繪制程序流程圖；（5）合理分配系統資源；（6）為程序加入注釋，提高可讀性，實施軟件工程；（7）注意軟件的抗干擾設計，提高系統的可靠性。4.1系統軟件設計流程圖這次的數字電子鐘設計用到很多子程序，它們的流程圖如下所示。開始啟動定時器按鍵檢測開始啟動定時器按鍵檢測時間顯示圖4-1主程序流程圖按鍵處理是先檢測秒按鍵是否按下，秒按鍵如果按下，秒就加1；如果沒有按下，就檢測分按鍵是否按下，分按鍵如果按下，分就加1；如果沒有按下，就檢測時按鍵是否按下，時按鍵如果按下，時就加1；如果沒有按下，就把時間顯示出來。NNYNYNY時加1顯示時間結束開始秒按鍵按下？秒加1分按鍵按下？分加1時按鍵按下？ 圖4-2按鍵處理流程圖定時器中斷時是先檢測1秒是否到，1秒如果到，秒單元就加1；如果沒到，就檢測1分鐘是否到，1分鐘如果到，分單元就加1；如果沒到，就檢測1小時是否到，1小時如果到，時單元就加1，如果沒到，就顯示時間。NN24小時到？分單元清零，時單元加1NNNYY時單元清零時間顯示中斷返回開始一秒時間到？60秒時間到？60分鐘到？秒單元加1秒單元清零，分單元加1YY圖4-3定時器中斷流程圖時間顯示是先秒個位計算顯示，然后是秒十位計算顯示，再是分個位計算顯示，再然后是分十位顯示，再就是時個位計算顯示，最后是時十位顯示。時十位計算顯示時十位計算顯示結束開始秒個位計算顯示秒十位計算顯示分個位計算顯示分十位計算顯示時個位計算顯示圖4-4時間顯示流程圖4.2數字鐘的原理數字電子鐘是一個將“時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒，另外還有校時功能。因此，一個基本的數字鐘電路主要由顯示器“時”，“分”，“秒”和單片機，還有校時電路組成。數碼管按照數碼管動態顯示的工作原理工作，將標準秒信號送入“秒單元”，“秒單元”采用60進制計數器，每累計60秒發出一個“分脈沖”信號，該信號將作為“分單元”的時鐘脈沖。“分單元”也采用60進制計數器，每累計60分鐘，發出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時單元”。“時單元”采用24進制計時器，可實現對一天24小時的累計。顯示電路將“時”、“分”、“秒”通過七段顯示器顯示出來。校時電路時用來對“時”、“分”、“秒”顯示數字進行校對調整，按一下ksec,秒單元就加1，按一下kmin,分就加1，按一下khour，時就加1。4.3LED顯示程序voiddisplay(){if(num==20){num=0;sec++;if(sec==60){sec=0;min++;if(min==60){min=0;hour++;if(hour==24){hour=0;min=0;sec=0;}}}}secge=sec%10;secshi=sec/10;minge=min%10;minshi=min/10;hourge=hour%10;hourshi=hour/10;P2=0xfe;P0=table[secge];delay(5);P2=0xfd;P0=table[secshi];delay(5);P2=0xfb;P0=0x40;delay(5);P2=0xf7;P0=table[minge];delay(5);P2=0xef;P0=table[minshi];delay(5);P2=0xdf;P0=0x40;delay(5);P2=0xbf;P0=table[hourge];delay(5);P2=0x7f;P0=table[hourshi];delay(5);}第五章調試與功能說明時間是一個基本物理量，具有連續、自動流逝、不重復等特性。我國時間基準來自國家授時中心，人們日常使用的時鐘就是以一定的精度與該基準保持同步的。結合時間概念和誤差理論，可以定義電子鐘的走時誤差S=S1-S2,S1表示程序實際運行計算所得的秒；S2表示客觀時間的標準秒。S>0時表示電子鐘秒單元數值刷新滯后，即走時誤差為“慢”；反之，S<0表示秒單元數值的刷新超前，即走時誤差為“快”。本文設計的單片機電子鐘系統中，其誤差主要來源包括晶體頻率誤差，定時器溢出誤差，延遲誤差。晶體頻率產生震蕩，容易產生走時誤差；定時器溢出的時間誤差，本應這一秒溢出，但卻在下一秒溢出，造成走時誤差；延遲時間過長或過短，都會造成與基準時間產生偏差，造成走時誤差。參考文獻《51系列單片