【正文】 基于單片機的智能數(shù)字鐘的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計目 錄第1章 緒 論 1 前言 1 設(shè)計的目的及意義 1第2章 數(shù)字鐘的功能實現(xiàn)與設(shè)計方案 2 數(shù)字鐘的功能及設(shè)計要求 2 數(shù)字鐘的實現(xiàn)形式 2 方案的確定 3 微處理器 3 顯示電路 3 按鍵電路 4第3章 數(shù)字鐘的硬件系統(tǒng)設(shè)計 5 數(shù)字時鐘的硬件系統(tǒng)框架 5 數(shù)字時鐘的主機電路設(shè)計 5 系統(tǒng)控制芯片CPU（AT89C2051）的選擇 5 系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計 10 系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計 12 按鍵與按鈕電路設(shè)計 13 鬧鈴聲光指示電路設(shè)計 13 數(shù)字鐘的顯示電路設(shè)計 13 校時電路設(shè)計 17 校時原理 17 國家授時中心 18 窗口比較器 18 校時電路電路圖 19 電源設(shè)計 20第4章 程序設(shè)計 24 主控模塊設(shè)計 24 基本現(xiàn)實模塊設(shè)計 25 當(dāng)前編輯位閃爍功能的實現(xiàn) 26 時間設(shè)定模塊設(shè)計 26 脈沖發(fā)生器原理與走時處理 27 鬧鈴功能的實現(xiàn) 28第5章 系統(tǒng)的調(diào)試及結(jié)果 30 系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境 30 軟件調(diào)試 30 硬件調(diào)試 30 調(diào)試結(jié)果 30結(jié) 論 31致 謝 32參考文獻 33附錄1：完整的匯編語言源程序 34附錄2：系統(tǒng)設(shè)計原理圖 57附錄3：系統(tǒng)設(shè)計PCB圖 58附錄4：實物照片 59電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020114第1章 緒 論計算機尤其是以微細(xì)加工技術(shù)支持的微型計算機技術(shù)飛速發(fā)展，其應(yīng)用滲透到了各行各業(yè)。以單片機、嵌入式處理器、數(shù)字信號處理器（DSP）為核心的計算機系統(tǒng)，以其軟硬件可裁剪、高度的實時性、高度的可靠性、功能齊全、低功耗、適應(yīng)面廣等諸多優(yōu)點而得到極為廣泛的應(yīng)用。目前計算機硬件技術(shù)向巨型化、微型化和單片機化三個方向告訴發(fā)展[1]。自1975年美國德州儀器公司（Texas Instruments）第一塊微型計算機芯片TMS1000問世以來，在短短的20年間，單片機技術(shù)已發(fā)展成為計算機領(lǐng)域一個非常有前途的分之，它有自己的技術(shù)特征、規(guī)范和應(yīng)用領(lǐng)域。單片機是自動控制系統(tǒng)的核心部件，主要用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器中。它具有體積小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指標(biāo)大大優(yōu)于通用微機中央處理器）、價格低廉等一系列優(yōu)點，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，除了工業(yè)控制、智能化儀表、通信、家用電器外，在智能化高檔電子玩具產(chǎn)品中也大量采用單片機芯片作為核心控制部件，已經(jīng)滲入到人們工作和生活的各個角落，有力地推動了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，前景廣闊。數(shù)字鐘具備單片機最小系統(tǒng)的基本組成，對于我們了解單片機有很大的幫助[2]。 設(shè)計的目的及意義本設(shè)計通過用對一個能實現(xiàn)定時，時鐘顯示功能的時間系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)習(xí)，詳細(xì)介紹了51單片機應(yīng)用中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換顯示，數(shù)碼管顯示原理，靜態(tài)掃描顯示原理，單片機的定時中斷原理等，從而達到學(xué)習(xí)、了解單片機相關(guān)指令在各方面的應(yīng)用。對于單片機學(xué)習(xí)者而言，這個程序基本上是一道門檻，掌握了電子鐘程序，基本上就可以說把51單片機掌握了80%。第2章 數(shù)字鐘的功能實現(xiàn)與設(shè)計方案 數(shù)字鐘的功能及設(shè)計要求（1） 可以實現(xiàn)時/分/秒/百分秒的顯示，可以調(diào)整時/分（2） 使用LED顯示（3） 有表示時鐘正常工作的裝置（4） 能穩(wěn)定工作，可控制時鐘的啟動復(fù)位（5） 有實現(xiàn)鬧鈴功能 數(shù)字鐘的實現(xiàn)形式數(shù)字鐘既可以通過純硬件實現(xiàn)，也可以通過軟硬結(jié)合實現(xiàn)，根據(jù)電子時鐘的核心部件——秒信號的產(chǎn)生原理，通常有三鐘形式：（1） 用NE555時基電路的形式采用NE555時基電路或其他震蕩電路產(chǎn)生秒脈沖信號，作為秒加法電路的時鐘信號或微處理器的外部中斷輸入信號，可構(gòu)成電子時鐘。由555構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器電路如圖11所示。輸出的脈沖信號V0的頻率F=（RA+2RB）C,可通過調(diào)節(jié)這3個參數(shù),使輸V0的頻率為精確的1Hz[3]。圖21 基于555的秒脈沖發(fā)生器（2） 采用石英鐘專用芯片的實現(xiàn)形式采用石英鐘專用計時芯片實現(xiàn)的電子鐘，具有實現(xiàn)簡單、計時精度高的特點。石英計時芯片（簡稱“機芯”）比較多，常見的有STP5512F、SM5546A和D60400等[4]?，F(xiàn)基于5512F的2秒輸出信號作為秒加法電路的計時脈沖，可實現(xiàn)電子時鐘。5512F的引腳如圖12所示。 12348765圖22 5512F引腳圖V+ SCAK SC1M0 BPM1 GND其中，引腳8為外接晶振及振蕩電路，引腳1接電源正極，引腳4原為指針用步進電機線圈的輸出驅(qū)動端，這里可用3腳作為脈沖輸出，頻率決定于外接晶振的頻率。（3） 采用基于單片機的實現(xiàn)形式利用單片機的智能性，可方便的實現(xiàn)具有智能數(shù)字鐘的設(shè)計。而且，微處理系統(tǒng)具有時鐘振蕩系統(tǒng)，利用系統(tǒng)時鐘并借助微處理器的定時/計數(shù)器功能可以實現(xiàn)數(shù)字鐘的功能。本設(shè)計采用AT89C2051單片機設(shè)計。 方案的確定可以從以下幾個方面來確定電子鬧鐘的設(shè)計方案。 微處理器采用ATMEL的AT89C2051微處理器，是基于以下幾個因素：①內(nèi)含F(xiàn)lash 存儲器,這在系統(tǒng)的開發(fā)過程中,可隨意進行程序修改,既便錯誤編程之后仍可以重新編程,故不存在廢品且大大縮短了程序的開發(fā)周期。同時在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息。②采用靜態(tài)時鐘方式,節(jié)省電能,這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有利。③由于它是以8031 核構(gòu)成的,所以它與MCS251 系列單片機是兼容的④AT89C2051為51內(nèi)核，仿真調(diào)試軟硬件資源豐富；⑤性價比高，貨源充足；⑥D(zhuǎn)IP20封裝，體積小，便于產(chǎn)品小型化；⑦為E2PROM程序存儲介質(zhì)，1000次以上擦/寫周期，便于變成調(diào)試；⑧具有IDLE和POWERDOWN兩種工作模式，便于進行低功耗設(shè)計；⑨工作電壓范圍寬：～6V，便于交直流供電[5]。 顯示電路就時鐘而言，通?？刹捎靡壕э@示或數(shù)碼管顯示。對于一般的段式液晶屏，需要專門的驅(qū)動電路，而且也經(jīng)顯示作為一種被動顯示，可視性相對較差；對于具有驅(qū)動電路和微處理器接口的液晶顯示模塊（字符或點陣），一般多采用并行機接口，對于微處理器的接口要求較高，占用資源多。另外，89C2051本身沒有專門的液晶驅(qū)動接口，因此，本時鐘設(shè)計采用了數(shù)碼管顯示方式。數(shù)碼管作為一種主動顯示器件，具有亮度高、價格便宜等優(yōu)點，而且市場上也有專門的時鐘顯示組合數(shù)碼管。 按鍵電路考慮到對時和設(shè)定鬧鈴時間這兩種操作的使用頻率不是很高，為了精簡系統(tǒng)和節(jié)省成本，本時鐘系統(tǒng)只設(shè)兩個按鍵：（1） SET鍵，對應(yīng)系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，具有三個功能：● 在復(fù)位后的待機狀態(tài)下，用于啟動設(shè)定時間參數(shù)（對時和定鬧）；● 在設(shè)定時間參數(shù)狀態(tài)而且不是設(shè)定最低位（即分個位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束當(dāng)前位的設(shè)定，當(dāng)前設(shè)定為下移；● 在設(shè)定最低位（分個位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束本次時間設(shè)定。（2）+1鍵，用于對當(dāng)前設(shè)定位（編輯位）進行加1操作，根據(jù)12/24小時工作模式和正在編輯的當(dāng)前位的含義（時十位、時各位、分十位、分個位）自動進行 數(shù)據(jù)的上限和下限判斷。例如，對12小時制，小時的十位只能是0、1，如果當(dāng)前值為0，則按+1鍵后為1，再按+1鍵后為0。第3章 數(shù)字鐘的硬件系統(tǒng)設(shè)計 電子時鐘硬件部分的設(shè)計應(yīng)包括秒信號發(fā)生器、時間顯示電路、按鍵電路、供電電路，以及鬧鈴指示電路等幾部分。 數(shù)字時鐘的硬件系統(tǒng)框架電子時鐘的系統(tǒng)框架入圖31所示。CPU按鍵電路復(fù)位等輔助電路電源系統(tǒng)數(shù)碼管顯示電路鬧鈴聲光指示電路 圖31 數(shù)字鐘的系統(tǒng)框架 數(shù)字時鐘的主機電路設(shè)計數(shù)字時鐘的主電路指的是圖1中框內(nèi)部分，主要涉及到微處理器電路和按鍵縣按鈕電路。主機的設(shè)計具體地說有：（1）系統(tǒng)控制芯片的選擇（2）系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計；（3）系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計；（4）按鍵與按鈕電路設(shè)計；（5）鬧鈴聲光指示電路設(shè)計。 系統(tǒng)控制芯片CPU（AT89C2051）的選擇AT89C系列單片機是Atmel公司1993年開始研制生產(chǎn)的，優(yōu)越的性能價格比使其成為頗受歡迎的8位單片機。AT89C系列與MCS51系列單片機相比有兩大優(yōu)勢：第一，片內(nèi)程序存儲器采用閃速存儲器，使程序的寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片（AT89C2051/1051），使整個電路的體積更小[6]。（1）AT89C2051主要性能：AT89C2051是Atmel公司生產(chǎn)的戴2KB閃速可編程可擦除只讀存儲器（PEROM）的8位單片機，它具有如下主要特征： AT89C2051為51內(nèi)核； 內(nèi)部帶2KB可編程閃速存儲器（E2PROM），壽命為1000次擦/寫循環(huán)，據(jù)保留時間為10年； DIP20封裝，體積小 ～6V； 全靜態(tài)工作頻率為0Hz～24Hz； 兩極程序存儲器鎖定； 位內(nèi)部RAM； 15條可編程I/O線；、 2個16位定時器/計數(shù)器； 5個兩級終端源； 可編程全雙工串行UART通道； 直接對LED驅(qū)動輸出 片內(nèi)精確的模擬比較器； 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路； 低功耗的休眠和掉電模式；（2）AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳描述 AT89C2051單片機的內(nèi)部與8051單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，區(qū)別只是增加了一個模擬比較器[7]，減少了兩個對外的端口（P0、P2口），輸出端口PP3有獨特的功能。AT89C2051減少了兩個外部端口，因而芯片的外部引腳可以大大減少，芯片尺寸可以很小，其引腳配置如圖32所示。圖32 AT89c2051引腳配置它是一個有20個引腳排列直插式的芯片，其引腳描述如下：VCC：電源電壓；GND：接地；RST：復(fù)位輸入。當(dāng)RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?個機器周期時，所有I/O引腳復(fù)位至高阻狀態(tài)。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩放大器的輸出。P1口：8位雙向I/O口，可用作片內(nèi)精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1）[8]。P1口輸出緩沖器能接收20mA電流，并能直接驅(qū)動LED顯示器；P1口引腳寫入“1”后，可用作輸入。在閃速編程和編程校驗期間，P1口也可接收編碼數(shù)據(jù)。P3口：～。，不能作為通用I/O引腳訪問。P3口的輸出緩沖器能接收20Ma電流；P3寫入“1”后，內(nèi)部上啦，可用作輸入。P3口也可用作特殊功能口，其功能見表31。P3口同時也可為閃速存儲器編程和編程校驗接收控制信號[9]。表31 P3口引腳的特殊功能P3口引腳特殊功能 RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）INT0（外部中斷0）INT1（外部中斷1）T0（定時器0外部輸入）T1（定時器1外部輸入）從上述引腳說明看出，AT89C2051沒有提供外部擴展存儲器與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號，因此利用AT89C2051構(gòu)成的單片及應(yīng)用系統(tǒng)不能在AT89C2051之外擴展存儲器或I/O設(shè)備，也即AT89C2051本身即構(gòu)成了最小的單片機系統(tǒng)。（3）振蕩器振蕩器特征：XTAL1和XTAL2分別構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，如圖33所示?？刹捎檬⒕w或陶瓷振蕩器組成振蕩器。要從外部時鐘源驅(qū)動AT89C2051，則XTAL2應(yīng)懸空，而XTAL1的驅(qū)動如圖34所示。由于輸入到內(nèi)部時鐘電路經(jīng)過一個二分頻觸發(fā)器，故不需要對外部時鐘信號的工作周期提出特殊要求，但它必須遵守最小和最大電壓高低電平的時間規(guī)范。圖33 振蕩的外部連接方法圖34 外部時鐘驅(qū)動結(jié)構(gòu)（4） 特殊功能寄存器SFR與8051單片機特殊功能寄存器相對應(yīng)，AT89C2051片內(nèi)設(shè)置了19個特殊功能寄存器，統(tǒng)稱為特殊功能寄存器塊SFR，它們的地址散布在80H～0F0H區(qū)域內(nèi)。（5）低功耗工作模式AT89C2051優(yōu)良中低功耗工作模式：待機方式與掉電方式。 待機方式（休眠方式）當(dāng)利用軟件使待機方式位ADL（）=0時，單片機進入空閑方式。此時，CPU處于休眠狀態(tài)，而片內(nèi)所有其它外圍設(shè)備都保持工作狀態(tài)，片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。在待機方式下，當(dāng)晶振fosc=12MHz，電源電壓VCC=6V時，電源電流ICC從20Ma降至5Ma；。中斷或硬件復(fù)位可以終止待機方式。當(dāng)待機方式由硬件復(fù)為終止時，CPU要從休眠處恢復(fù)程序的執(zhí)行，執(zhí)行2的周期后，內(nèi)部復(fù)位電路才起作用。此時，硬件禁止訪問內(nèi)部RAM，但允許訪問端口引腳。為了防止休眠被復(fù)位終止時對端口以外寫入的可能性，在生成待機方式的指令后不應(yīng)緊跟對端口引腳的寫指令。如果不采用外部上拉，“1”。 掉電方式掉電方式由掉電方式位PD()=1攝制。此時振蕩器停止工作，設(shè)置掉電方式的指令成為最后執(zhí)行的一條指令，片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。在掉電模式下，VCcmin=2V。當(dāng)VCC=6V時，ICCmax=100μA；當(dāng)VCC=3時，ICcmax=20μA。退出掉電方式的唯一方式是硬件復(fù)位。硬件復(fù)位將重新定義特殊功能寄存器，但不影響片內(nèi)RAM。復(fù)位的保持時間應(yīng)足夠長，以便振蕩器能重新開始工作并穩(wěn)定下來。在VCC沒有恢復(fù)得到正常工作電壓之前，不應(yīng)進行復(fù)位。如果不采用外部上拉，“0”，否則置“1”。（6） 閃速存儲器的編程AT89C2051單片機內(nèi)部有2KB的閃速存儲器陣列，一片新的AT89C2051，其存儲陣列處于擦除狀態(tài)（FFH），此時可對其編程，存儲陣列一次編程1字節(jié)，若編程任何非空字節(jié)時，需對整個存儲陣列進行片擦除[10]。 編程時