【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 別組成兩個(gè) 60 進(jìn)制（秒、分）、一個(gè) 12 進(jìn)制（時(shí)）的計(jì)數(shù)器。構(gòu)成秒、分、時(shí)的計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的功能。顯示器件選用 LED 七段數(shù)碼管。在譯碼顯示電路輸出的驅(qū)動(dòng)下，顯示出清晰、直觀的數(shù)字符號(hào)。針對(duì)數(shù)字鐘會(huì)產(chǎn)生走時(shí)誤差的現(xiàn)象，在電路中就設(shè)計(jì)有有校準(zhǔn)時(shí)間功能的電路。 【 關(guān)鍵詞 】 單片機(jī) AT89C2051 數(shù)字鐘 計(jì)時(shí) 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 7 第 一 章 緒 論 計(jì)算機(jī)尤其是以微細(xì)加工技術(shù)支持的微型計(jì)算機(jī)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(jī)、嵌入式處理器、數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）為核心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以其軟硬件可裁剪、高度的實(shí)時(shí)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(diǎn)而得到極為廣泛的應(yīng)用 。目前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)向巨型化、微型化和單片機(jī)化三個(gè)方向告訴發(fā)展。 自 1975 年美國(guó)德州儀器公司（ Texas Instruments）第一塊微型計(jì)算機(jī)芯片 TMS1000 問(wèn)世以來(lái)，在短短的 20 年間，單片機(jī)技術(shù)已發(fā)展成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一個(gè)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(jī)是自動(dòng)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(jī)中央處理器）、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)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(jī)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(gè)角落，有力地推動(dòng)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(jī)最小系統(tǒng)的基本組成，對(duì)于我們了解單片機(jī)有很大的幫助。 設(shè)計(jì)的目的及意義 本 設(shè)計(jì) 通過(guò)用對(duì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)定時(shí)，時(shí)鐘顯示功能 的時(shí)間系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，詳細(xì)介紹了 51 單片機(jī)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(jī)的定時(shí)中斷原理 等， 從而達(dá)到學(xué)習(xí) 、 了解單片機(jī)相關(guān)指令在各方面的應(yīng)用。 對(duì)于單片機(jī)學(xué)習(xí)者而言，這個(gè)程序基本上是一道門(mén)檻，掌握了電子鐘程序，基本上就可以說(shuō)把 51 單片機(jī)掌握了 80%。 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 8 第 二 章 數(shù)字鐘的功能實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)方案 數(shù)字鐘的功能及設(shè)計(jì)要求 （ 1） 可以實(shí)現(xiàn)時(shí) /分 /秒 /百分秒的顯示，可以調(diào)整時(shí) /分 （ 2） 使用 LED 顯示 （ 3） 有表示時(shí)鐘正常工作的裝置 （ 4） 能穩(wěn)定工作，可控制時(shí)鐘的啟動(dòng) 復(fù)位 （ 5） 有實(shí)現(xiàn)鬧鈴功能 數(shù)字鐘的實(shí)現(xiàn)形式 數(shù)字鐘既可 以通過(guò)純硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)軟硬結(jié)合實(shí)現(xiàn)，根據(jù)電子時(shí)鐘的核心部件 —— 秒信號(hào)的產(chǎn)生原理，通常有三鐘形式： （ 1） 用 NE555 時(shí)基電路的形式 采用 NE555 時(shí)基電路或其他震蕩電路產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)，作為秒加法電路的時(shí)鐘信號(hào)或微處理器的外部中斷輸入信號(hào)，可構(gòu)成電子時(shí)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(hào) V0的頻率 F=（ RA+2RB） C,可通過(guò)調(diào)節(jié)這 3 個(gè)參數(shù) ,使輸 V0的頻率為精確的 1Hz。 圖 21 基于 555的秒脈沖發(fā)生器 （ 2） 采用石英鐘專(zhuān)用芯片的實(shí)現(xiàn)形式 采用石英鐘專(zhuān)用計(jì)時(shí)芯片實(shí)現(xiàn)的電子鐘，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)時(shí)精度高的特點(diǎn)。石英計(jì)時(shí)芯片（簡(jiǎn)稱(chēng)“機(jī)芯”）比較多，常見(jiàn)的有 STP5512F、 SM5546A 和 D60400 等 ?，F(xiàn)基 于5512F 的 2 秒輸出信號(hào)作為秒加法電路的計(jì)時(shí)脈沖，可實(shí)現(xiàn)電子時(shí)鐘。 5512F 的引腳如圖 22 所示。 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 9 其中，引腳 8 為外接晶振及振蕩電路，引腳 1 接電源正極，電源為 伏，引腳 4 原為指針用步進(jìn)電 機(jī)線圈的輸出驅(qū)動(dòng)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。 （ 2） 采用石英鐘專(zhuān)用芯片的實(shí)現(xiàn)形式 （ 3） 采用基于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)形式 利用單片機(jī)的智能性，可方便的實(shí)現(xiàn)具有智能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)。而且，微處理系統(tǒng)具有時(shí)鐘振蕩系統(tǒng)，利用系統(tǒng)時(shí)鐘并借助微處理器的定時(shí) /計(jì)數(shù)器功能可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐘的功能。本設(shè)計(jì)采用 AT89C2051 單片機(jī)設(shè)計(jì)。 方案的確定 可以從以下幾個(gè)方面來(lái)確定電子鬧鐘的設(shè)計(jì)方案。 微處理器 采用 ATMEL 的 AT89C2051 微處理器，是基于以下幾個(gè)因素： ①內(nèi)含 Flash 存儲(chǔ)器 ,這在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中 ,可隨意進(jìn)行程序修改 ,既便錯(cuò)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(kāi)發(fā)周期 。同時(shí)在系統(tǒng)工作過(guò)程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息 ； ②采用靜態(tài)時(shí)鐘方式 ,節(jié)省電能 ,這對(duì)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(jī)是兼容的 ； ④ AT89C2051為 51內(nèi)核，仿真調(diào)試軟硬件資源豐富 ； ⑤ 性?xún)r(jià)比高，貨源充足 ； ⑥ DIP20封裝，體積小，便于產(chǎn)品小型化； ⑦ 為 E2PROM程序存儲(chǔ)介質(zhì)， 1000次以上擦 /寫(xiě)周期，便于變成調(diào)試； ⑧ 具 有 IDLE和 POWERDOWN兩種工作模式，便于進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)； ⑨ 工作電壓范圍寬： ～ 6V，便于交直流供電 。 顯示電路 就時(shí)鐘而言，通常可采用液晶顯示或數(shù)碼管顯示。對(duì)于一般的段式液晶屏，需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路，而且也經(jīng)顯示作為一種被動(dòng)顯示，可視性相對(duì)較差；對(duì)于具有驅(qū)動(dòng)電路1 2 3 4 8 7 6 5 圖 22 5512F引腳圖 V+ SC AK SC1 M0 BP M1 GND 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 10 和微處理器接口的液晶顯示模塊（字符或點(diǎn)陣），一般多采用并行機(jī)接口，對(duì)于微處理器的接口要求較高，占用資源多。另外， 89C2051 本身沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的液晶驅(qū)動(dòng)接口，因此，本時(shí)鐘設(shè)計(jì)采用了數(shù)碼管顯示方式。數(shù)碼管作為一種主動(dòng)顯示器件，具有 亮度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，而且市場(chǎng)上也有專(zhuān)門(mén)的時(shí)鐘顯示組合數(shù)碼管。 按鍵電路 考慮到對(duì)時(shí)和設(shè)定鬧鈴時(shí)間這兩種操作的使用頻率不是很高，為了精簡(jiǎn)系統(tǒng) 和節(jié)省成本，本時(shí)鐘系統(tǒng)只設(shè)兩個(gè)按鍵： （ 1） SET 鍵，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，具有三個(gè)功能： ● 在復(fù)位后的待機(jī)狀態(tài)下，用于啟動(dòng)設(shè)定時(shí)間參數(shù)（對(duì)時(shí)和定鬧）； ● 在設(shè)定時(shí)間參數(shù)狀態(tài)而且不是設(shè)定最低位（即分個(gè)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(gè)位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束本次時(shí)間設(shè)定。 （ 2） +1 鍵，用于對(duì)當(dāng)前設(shè)定位（編輯位）進(jìn)行加 1 操作， 根據(jù) 12/24 小時(shí)工作模式和正在編輯的當(dāng)前位的含義（時(shí)十位、時(shí)各位、分十位、分個(gè)位）自動(dòng)進(jìn)行 數(shù)據(jù)的上限和下限判斷。例如，對(duì) 12 小時(shí)制，小時(shí)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。 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 11 第 三 章 數(shù)字鐘的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電子時(shí)鐘硬件部分的設(shè)計(jì)應(yīng)包括秒信號(hào)發(fā)生器、時(shí)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(shí)鐘的硬件系統(tǒng)框架 電子時(shí)鐘的系統(tǒng)框架入圖 31 所示。 數(shù)字時(shí)鐘的主機(jī)電路設(shè)計(jì) 數(shù)字時(shí)鐘的主電路指的是圖 31 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(jī)的設(shè)計(jì)具體地說(shuō)有：（ 1）系統(tǒng)控制芯片的選擇（ 2）系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)；（ 3）系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)；（ 4）按鍵與按鈕電路設(shè)計(jì)；（ 5）鬧鈴聲光指示電路設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)控制芯片 CPU（ AT89C2051） 的選擇 AT89C 系列單片機(jī)是 Atmel 公司 1993 年開(kāi)始研制生產(chǎn)的，優(yōu)越的性能價(jià)格比使其成為頗受歡迎的 8 位單片機(jī)。 AT89C 系列與 MCS51 系列單片機(jī)相比有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi) 程序存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序的寫(xiě)入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片（ AT89C2051/1051），使整個(gè)電路的體積更小 。 （ 1） AT89C2051 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳描述 AT89C2051 單片機(jī)的內(nèi)部與 8051 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，區(qū)別只是增加了一個(gè)模擬比較器，減少了兩個(gè)對(duì)外的端口（ P0、 P2 口），輸出端口 P P3 有獨(dú)特的功能。 AT89C2051 減少了兩個(gè)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。 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 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 12 圖 32 AT89c2051引腳配置 它是一個(gè)有 20 個(gè)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?2 個(gè)機(jī)器周期時(shí)，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(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩放大器的輸出。 P1 口： 8 位雙向 I/O 口，引腳 和 需要外部上拉，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） 。 P1 口輸出緩沖器能接收 20mA 電流，并能直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示器； P1 口引腳寫(xiě)入“ 1”后，可 用作輸入。在閃速編程和編程校驗(yàn)期間， P1 口也可接收編碼數(shù)據(jù)。 P3 口：引腳 ～ 與 為 7 個(gè)帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 引腳。 在內(nèi)部已與片內(nèi)比較器輸出相連，不能作為通用 I/O 引腳訪問(wèn)。 P3 口的輸出緩沖器能接收 20Ma電流； P3 寫(xiě)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(jiàn)表 31。 P3 口同時(shí)也可為閃速存儲(chǔ)器編程和編程校驗(yàn)接收控制信號(hào) 。 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(shí)器 0 外部輸入） T1（定時(shí)器 1 外部輸入） 山東華宇職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 13 從上述引腳說(shuō)明看出， AT89C2051 沒(méi)有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與 I/O 設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)，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(kuò)展存儲(chǔ)器或 I/O 設(shè)備，也即 AT89C2051 本身即構(gòu)成了最小的單片機(jī)系統(tǒng)。 （ 2） 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。可采用石英晶體或陶瓷振蕩器組成振蕩器。要從外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)AT89C2051，則 XTAL2 應(yīng)懸空，而 XTAL1 的驅(qū)動(dòng)如圖 34 所示。由于輸入到內(nèi)部時(shí)鐘電路經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，故不需要對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)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(shí)間規(guī)范。 圖 33 振蕩的外部連接方法 圖 34 外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)利用晶 體振蕩器作為時(shí)鐘電路，根據(jù)晶振的不同使用要求及特點(diǎn)，通常分為以下幾類(lèi)：普通晶振、溫補(bǔ)晶振、壓控晶振、溫控晶振等。安裝晶振時(shí)，應(yīng)根據(jù)其引腳功能標(biāo)識(shí)與應(yīng)用電路應(yīng)連接，避免電源引線與輸出引腳相接輸出。 在測(cè)試和使