1、淮安信息職業(yè)技術(shù)學院綜合畢業(yè)實踐說明書（論文） 2009-2010 學年系 專業(yè)綜合畢業(yè)實踐題目：數(shù)字電子時鐘電路設(shè)計學生姓名： 張子龍學 號：起迄日期： 2010年10月至2010年6月實踐地點：指導(dǎo)教師： 李曉光 教研室主任： 劉佳棋 系 主 任：摘要：數(shù)字電子時鐘電路設(shè)計系統(tǒng)，以AT89C51單片機為控制核心，由鍵盤顯示、定時鬧鈴、LED共陰極數(shù)碼管和LED燈顯示等功能模塊組成。基于題目基本要求，本系統(tǒng)對時間顯示和定時報警進行了重點設(shè)計。本系統(tǒng)大部分功能由軟件來實現(xiàn)，吸收了硬件軟件化的思想，大部分功能通過軟件來實現(xiàn)，使電路簡單明了，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高。本系統(tǒng)不僅成功的實現(xiàn)了要求的基本功能

2、,而且有一定的創(chuàng)新功能。關(guān)鍵字：單片機 AT89C51 共陰極LED數(shù)碼顯示器Abstract This digital electronic clock circuit design system ,based on chip microcomputer AT89C51,is composed by the following functional modules : keyboard displaying , timing alarmg. common cathode LED digital tube，LED lights display,and so on.According to th

3、e basic requirements of the subject ,the system stresses on the realization of Time display and regularly report to the police. The design achieved all the required basic technical indexes. Furthermore , adopting the idea of hardware-to-software, most of those functions are realized by softwares, wh

4、ich makes the electrocircuit more concise and the system more stable.Key words: chip microcomputer AT89C51Common cathode LED digital display目 錄一、 前言. . .1 二、 總體方案設(shè)計.1 三、 系統(tǒng)硬件設(shè)計.2（1）輸入部分. . .21 電源模塊.22 按鍵模塊.5（2）輸出部分. . .31 顯示模塊.32 鬧鈴模塊.43 LED燈顯示模塊.4（3）電路相關(guān)參數(shù).41 LED數(shù)碼顯示器.42 集成器件CD4511.53 集成器件74LS138.

5、.5四、 系統(tǒng)軟件設(shè)計.6主程序流程圖.7五、 系統(tǒng)調(diào)試.91 系統(tǒng)功能.92 時鐘精度分析. .9六、 系統(tǒng)設(shè)計總結(jié).9七、 參考文獻. .10 附錄111) 系統(tǒng)原理圖.112) 系統(tǒng)PCB圖. .123) 源程序. .13一、前言本文通過對一個能實現(xiàn)按鍵開關(guān)可調(diào)整時、分、秒，且具有加密功能、定時報警的24小時制的時間系統(tǒng)的設(shè)計學習，詳細介紹了51單片機應(yīng)用中的定時中斷原理、數(shù)碼管顯示原理、動態(tài)掃描顯示原理等，進一步學習、應(yīng)用單片機C語言系統(tǒng)的實現(xiàn)了各種功能。從而使自身明白使用單片機匯編語言和C語言之間的效率、整體性問題。系統(tǒng)由AT89C51、獨立式按鍵、二極管、LED數(shù)碼管、蜂鳴器等部分

6、構(gòu)成，能實現(xiàn)24小時制時、分、秒的時鐘顯示，能實現(xiàn)時鐘簡單的加密功能。同時也可進行時、分、秒的校準、定時報警和LED二極管流水燈顯示。本系統(tǒng)主要是和實際生活的數(shù)字鐘結(jié)合起來，可用1功能鍵進行加密，進入時間校準等。可用3個帶有不同按鍵分別對時鐘的時、分、秒進行校準。每個按鍵伴有不同的聲響以示區(qū)別。文章后附有本次課程設(shè)計系統(tǒng)電路原理圖及源程序，以供讀者參考。二、總體方案設(shè)計本次設(shè)計根據(jù)實驗要求設(shè)計數(shù)字時鐘?？衫萌缦聝煞N方案實現(xiàn)。方案一：本方案采用美國DALLAS公司的專用時鐘芯片DS1302。該芯片主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。其內(nèi)部采用

7、石英晶體振蕩器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完備的時鐘鬧鐘功能，因此，可直接對其以用于顯示或設(shè)置，使得軟件編程相對簡單。為保證時鐘在電網(wǎng)電壓不足或突然掉電等突發(fā)情況下仍能正常工作，芯片內(nèi)部包含鋰電池。當電網(wǎng)電壓不足或突然掉電時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換到內(nèi)部鋰電池供電系統(tǒng)。而且即使系統(tǒng)不上電，程序不執(zhí)行時，鋰電池也能保證芯片的正常運行，以備隨時提供正確的時間。方案二：本方案完全用軟件實現(xiàn)數(shù)字時鐘。原理為：在單片機內(nèi)部存儲器設(shè)三個字節(jié)分別存放時鐘的時、分、秒信息，并通過程序控制掃描輸出顯示數(shù)據(jù)。利用定時器0與軟件結(jié)合實現(xiàn)1秒定時中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲器內(nèi)相應(yīng)的秒值加1；若秒值達到60，則將其清零

8、，并將相應(yīng)的分字節(jié)值加1；若分值達到60，則清零分字節(jié)，并將時字節(jié)值加1；若時值達到24，則將時字節(jié)清零。該方案具有硬件電路簡單的特點，但當單片機不上電，程序?qū)⒉粓?zhí)行。且由于每次執(zhí)行程序時，定時器都要重新賦初值，所以該時鐘精度不高。鑒于以上兩種方案，雖然時鐘芯片DS1302具有更多的優(yōu)點，由于實驗硬件的因素，現(xiàn)有的硬件缺少DS1302,為不影響實驗進度，本設(shè)計采用方案二完成數(shù)字時鐘的功能。根據(jù)題目要求設(shè)計的總體框圖，如圖1 1所示：- 1 -圖1 1單片機數(shù)字鐘硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖三、系統(tǒng)硬件設(shè)計（1）、輸入部分：1.電源模塊方案一：采用干電池作為單片機數(shù)字鐘的電源，由于調(diào)試時間較長，使用干

9、電池需經(jīng)常更換電池，不符合節(jié)約型社會的要求。并且需要有一個硬件將3節(jié)電池串聯(lián)在一起以產(chǎn)生足夠的電壓，若如此，將造成攜帶不方便。方案二：采用200W/5V直流穩(wěn)壓電源作為系統(tǒng)電源，不僅功率上可以滿足系統(tǒng)需要，不需要更換電源，并且比較輕便，使用更加安全可靠。但穩(wěn)壓電源我們不能自備，若要調(diào)試系統(tǒng)，只能到實驗室才能做。方案三：采用普通的USB線連接微型計算機作為系統(tǒng)電源，雖然功率上可以滿足稍大于系統(tǒng)需要，但同樣不需要更換電源，并且比直流穩(wěn)壓電源更輕便，可隨時使用、調(diào)試系統(tǒng)?；谝陨戏治?由于本次設(shè)計系統(tǒng)都是軟硬件想結(jié)合，所以要采用微機設(shè)備，有足夠的USB接口供我們使用，所以我們決定采用方案三- 2 -

10、2.按鍵模塊鍵盤是人與單片機打交道的主要設(shè)備，按鍵的讀取容易引起誤動作?？刹捎密浖ザ秳拥姆椒ㄌ幚恚浖挠|點在閉合和斷開的時候會產(chǎn)生抖動，這時觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不采取妥善處理的話，將引起按鍵命令錯誤或重復(fù)執(zhí)行，在這里采用軟件延時的方法來避開抖動，延時時間為20ms(248*2us*40=1984020ms ).方案一：采用獨立式鍵盤。獨立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。但當所需按鍵數(shù)量多，會占用過多的I/O口線。方案二：采用矩陣鍵盤。因為單片機的I/O口有限, 顯然，在按鍵數(shù)量較多時，矩

11、陣式鍵盤較之獨立式按鍵鍵盤要節(jié)省很多I/O口線。但必須將行線、列線信號配合起來作適當處理，才能確定閉合鍵的位置?；谝陨戏治觯覀冞x用方案一，因為本次設(shè)計中僅用到4個按鍵。獨立式按鍵鍵盤有利于PCB的作圖。（2）、輸出部分：1、 顯示模塊顯示模塊是本次單片機課程設(shè)計最核心的部分。方案一：采用LCD1602。LCD1602為工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。其采用標準的16腳接口，該液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，所以可分容易的實現(xiàn)數(shù)字鐘數(shù)碼顯示。方案二：采用LED共陰極數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時將公共極COM接到地線GND上，當

12、某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮?；谝陨戏治?，我們考慮到現(xiàn)實經(jīng)濟因素，所以選擇了方案二。對于6路共陰極數(shù)碼管數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類：方案一：靜態(tài)顯示驅(qū)動。就是每一個數(shù)碼管顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種辦法單片機中CPU的占用較小。但對于靜態(tài)顯示方式,所需的數(shù)據(jù)鎖存裝置很多,引線多而復(fù)

13、雜,且可靠性也較低。方案二：動態(tài)顯示驅(qū)動。通過單片機對數(shù)碼管位選通COM端電路的控制，只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控 - 3 -顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。動態(tài)顯示可以大幅度地降低硬件成本和電源的功耗，因為某一時刻只有一個數(shù)碼管工作，也就是所謂的分時顯示，故顯示所需要的硬件電路可分時復(fù)用。動態(tài)顯示方式,可以避免靜態(tài)顯示的問題。但設(shè)計上如果處理不當,易造成亮度低,閃爍問題。因此合理的設(shè)計既應(yīng)保證驅(qū)動電路易實現(xiàn),又要保證顯示后的數(shù)據(jù)穩(wěn)定,無閃爍。動態(tài)顯示采用多路復(fù)用技術(shù)的動態(tài)掃描顯示方式,

14、復(fù)用的程度不是無限增加的, 因為利用動態(tài)掃描顯示使我們看到一幅穩(wěn)定畫面的實質(zhì)是利用了人眼的暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管發(fā)光時間的長短, 發(fā)光的亮度等因素. 我們通過實驗發(fā)現(xiàn), 當掃描刷新頻率(發(fā)光二極管的停閃頻率) 為50Hz, 發(fā)光二極管導(dǎo)通時間1m s 時, 顯示亮度較好, 無閃爍感.。鑒于上述的方案分析, 我們采用方案二2、鬧鈴模塊方案一：采用語音芯片ISD1110鬧鈴。ISD1110 具有多種采樣率對應(yīng)，多種錄放時間，可以利用振蕩電阻自已決定采樣率。操作簡單，靈活。音質(zhì)好，適應(yīng)電壓范圍廣?？上葘︿浄乓粼O(shè)備錄入一段音樂或其他報時方式，當?shù)皆O(shè)定時間時，單片機控制錄放音設(shè)備放音。方案二：采用蜂鳴器鬧

15、鈴，當?shù)皆O(shè)定時間時，單片機向蜂鳴器送出低電平，蜂鳴器響鈴。采用蜂鳴器鬧鈴結(jié)構(gòu)簡單，只需要單路信號控制，發(fā)出的鬧鈴聲音可以根據(jù)響和不響的不同的軟件延時時間來控制，當然也能發(fā)出音樂聲音。基于兩種方案分析，雖然語音芯片ISD1110具備更多優(yōu)點，但鑒于經(jīng)濟因素，我們本次設(shè)計還是決定采用方案二。當然如果在大型比賽的話，還是偏向于采用方案一的。3、LED燈顯示模塊采用LED燈可以方便的用不同的流水方式或單個LED燈來判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)不同的顯示功能，是一種經(jīng)濟又實用的方式。（3）電路相關(guān)參數(shù)1、LED數(shù)碼顯示器通常用的七段數(shù)碼顯示器的內(nèi)部有8個發(fā)光二極管，其中7個發(fā)光二極管組成了數(shù)字“8”，剩下一

16、個發(fā)光二極管就是這位數(shù)字所帶的小數(shù)點。數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖如圖1 - 2所示。各段碼位與顯示段的對應(yīng)關(guān)系如表1。圖1 2 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)引腳圖- 4 -CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動LED顯示器。其引腳圖如圖1 3所示。圖 1 3 CD4511 引 腳 圖其功能介紹如下：BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 LT：3腳是測試輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出

17、全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。 A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。 3、集成器件74LS13874LS138 為3 線8 線譯碼器，本設(shè)計中74LS138做為對數(shù)碼管位選通COM端電路的控制，將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開。圖1 3 74LS138引腳圖74LS138工作原理如下：當一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（G2A和- 5

18、-G2B）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計1、主程序流程圖如圖1 4所示：- 6 -圖1 4 主程序流程圖- 7 -2、定時器0子程序流程圖如圖1 5所示：圖1 5 定時器0子程序流程圖- 8 -五、系統(tǒng)調(diào)試1、系統(tǒng)功能本系統(tǒng)已符合設(shè)計課程基本要求，即可以實現(xiàn)24小時方式;可用六位LED數(shù)碼管顯示時、分、秒;可使用按鍵開關(guān)可實現(xiàn)時、分調(diào)整。除了滿足這些基本要求外，本系統(tǒng)還做了一些創(chuàng)新:(1)通過1功能按鍵KEY1開關(guān)可使系統(tǒng)具有加密功能。加密前后可通過觀察LED二極管的顯示方式來判斷。當LED做流水燈顯示方式時，為加密前的狀態(tài);當

19、只有LED燈中的LED2（由P0.1口控制亮滅）時，代表已對系統(tǒng)進行加密。(2)通過功能按鍵開關(guān)KEY1進入可進入時間校準系統(tǒng)。KEY2控制秒的校準，KEY3控制分的校準，KEY4控制時的校準。每次一有校準按鍵按下時，系統(tǒng)會發(fā)出不同的聲響，以提示用戶目前正在校準的是時、分、秒的哪一種。校準完成后仍然是通過功能按鍵KEY1返回時鐘顯示。(3)通過更改主程序中定時器的定時初值，可實現(xiàn)不同樣式的數(shù)字鐘顯示方式。通過實驗測得以下參數(shù)如表2所示(程序中定時參數(shù)CYCLE在以下簡(1)可實現(xiàn)整點鬧鳴功能。整點到時，可短蜂鳴一次。2、時鐘精度分析為進一步使本次的系統(tǒng)做得更完美，我使用了標準的秒表對自己設(shè)計的

20、時間進行了精度測量。本次設(shè)計系統(tǒng)使用的晶振為12MHZ.數(shù)碼管顯示00：10：00時，用秒表測得相應(yīng)的數(shù)據(jù)如表3所示：秒表測得的數(shù)值平均值為:00：10:2343 。以上數(shù)據(jù)表明了本次系統(tǒng)的精度基本符合實驗課程精度要求。因為以上共有20組，測量時已去除了粗大誤差。當然，如果將測量時間加長，所測得的精度將更精確。- 9 -六、系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)本次課程從基本方案的制定，再到硬件電路的選擇，到制作電路完成，最后進行程序調(diào)試。在此期間我遇到很多困難，尤其是在做仿真時結(jié)果經(jīng)常出不來。 經(jīng)過仔細檢查，仿真線路是沒有錯的，可結(jié)果就是不行。但當我將實物做出來后，進行了調(diào)試，實物上卻可以出來成果。這說明了可能是仿真

21、軟件的。經(jīng)過一次又一次品嘗到了解決問題的喜悅,最終提前完成了要求的全部功能，并在空閑的時間里加入了一些創(chuàng)新的部分。在此次課程設(shè)計中我發(fā)現(xiàn)了自己知識的不足，通過一周的學習、實踐，我學到了很多東西。通過此次課程設(shè)計的教學實踐，進一步學習、掌握單片機應(yīng)用系統(tǒng)的有關(guān)知識，加深了解單片機的工作原理。初步掌握簡單單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、制作、調(diào)試的方法。提高動手實踐能力。通過這次對數(shù)字時鐘的設(shè)計，讓我系統(tǒng)的了解和學會應(yīng)用單片機C語言來對所需實現(xiàn)的功能進行編程。在調(diào)試時遇到了一些問題，比如，剛開始進行按鍵輸入檢測時，我們直接用萬用表測量按鍵兩端的電平，剛測時，萬用表顯示高電平，當有按鍵按下時，則萬用表顯示低電

22、平，這說明了按鍵是正常的，但當直接用按鍵時，系統(tǒng)板則不能正常使用按鍵。后面重新焊接了按鍵，系統(tǒng)板則才能正常使用按鍵。還有，LED燈顯示模塊的上拉電阻，也是出現(xiàn)了同樣的情況。原先焊接時發(fā)現(xiàn)了電阻的管腳比之前看到的同阻值電阻管腳細。后面經(jīng)過萬用表調(diào)試后，重新焊接了電阻，部里就解決了。上述電子鐘，無論在外觀上還是功能上都實現(xiàn)了較為完善的設(shè)計。特別值得一提的是本系統(tǒng)的加密效果，可與現(xiàn)實生活中的數(shù)字鐘相媲美，因為有了加密效果，可以使用戶在購買時知道其產(chǎn)品是否是新的，還是二手貨。但本系統(tǒng)在定時鬧鳴時，聲音不過響應(yīng)，因為我為了讓蜂鳴器鬧鳴時系統(tǒng)時間不受到影響，而是繼續(xù)走動，所以把鬧鳴時間控制在定時器0 1s

23、定時里面，所以定時時間到了時，響的時間不到1s，通過的電流過小，要解決此問題，可在蜂鳴器的放大電路中多加一級放大電路，使定時時間到了時，通過的電流足夠大以驅(qū)動蜂鳴器。亦或通過軟件設(shè)置蜂鳴，則可以正常實現(xiàn)蜂鳴器的功能。七、參考文獻：1崔鳳波.數(shù)字電子技術(shù).大連理工大學出版社，2007.7.2戴仙金.51單片機及其C語言程序開發(fā)實例.清華大學出版社，2008.123譚浩強.C語言程序設(shè)計.清華大學出版社.2007.114趙建領(lǐng).51系列單片機開發(fā)寶典. 電子工業(yè)出版社，20075田立，馬鳴鶴.51系列單片機開發(fā)實例.中國電力出版社，2009.86王昊天，李海濤，王志強等.PIC單片機原理與應(yīng)用.機

24、械工業(yè)出版社，2010.1- 10 -附錄： 1、 系統(tǒng)原理圖；- 11 -2、系統(tǒng)PCB圖- 12 -3、源程序/*Copyright (c)* File name: ShuZiZhong.c* Last modified Date: 2009-05-22*-* Created by: 翁連益* NO: 2006040235* Descriptions: 單片機數(shù)字鐘*/#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define CYCLE 1000 /*定時1ms時間 */unsigned char i,j,k,I

25、D; /*ID 為case 的次數(shù) K為LED燈控制。*/unsigned char temp; unsigned char b,c; uchar hour=0,min=0,sec=0; /*定義秒時分初始值*/uchar a6; /*定數(shù)碼管顯示緩沖*/uint t=0;uint flag=0;bit fla; unsigned char count; sbit KEY1=P30;sbit KEY2=P31;sbit KEY3=P32;sbit KEY4=P33;sbit LED2=P10;sbit BEEP=P07;void Modifytime(); /*時間調(diào)整模塊*/void Adj

26、ust();void scan(); /*掃描數(shù)碼模塊*/void Time_BEEP();void delay10ms(void) /*軟件10ms定時*/ unsigned char i,j;for(i=20;i0;i-)for(j=248;j0;j-); /*2us*248*20=9920100000軟件延時*/void dely250(void) unsigned char i,j;for(i=2;i0;i-) /*248*2us*2=9921ms 軟件延時*/- 13 -for(j=248;j0;j-); void main() TCON=0x01; /*TIMER0工作在方式*/ TMOD=0x01;TH0=(65536-CYCLE)/2