【文章內容簡介】 別組成兩個 60 進制（秒、分）、一個 12 進制（時）的計數(shù)器。構成秒、分、時的計數(shù)，實現(xiàn)計時的功能。顯示器件選用 LED 七段數(shù)碼管。在譯碼顯示電路輸出的驅動下，顯示出清晰、直觀的數(shù)字符號。針對數(shù)字鐘會產(chǎn)生走時誤差的現(xiàn)象，在電路中就設計有有校準時間功能的電路。 【 關鍵詞 】 單片機 AT89C2051 數(shù)字鐘 計時 山東華宇職業(yè)技術學院畢業(yè)設計用紙 7 第 一 章 緒 論 計算機尤其是以微細加工技術支持的微型計算機技術 飛速發(fā)展，其應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、適應面廣等諸多優(yōu)點而得到極為廣泛的應用 。目前計算機硬件技術向巨型化、微型化和單片機化三個方向告訴發(fā)展。 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，單片機技術已發(fā)展成為計算機領域一個非常有前途的分之，它有自己的技術特征、規(guī)范和應用領域。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，應用領域不斷擴大，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。 設計的目的及意義 本 設計 通過用對一個能實現(xiàn)定時，時鐘顯示功能 的時間系統(tǒng)的設計學習，詳細介紹了 51 單片機應用中的數(shù)據(jù)轉換顯示，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， 從而達到學習 、 了解單片機相關指令在各方面的應用。 對于單片機學習者而言，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%。 山東華宇職業(yè)技術學院畢業(yè)設計用紙 8 第 二 章 數(shù)字鐘的功能實現(xiàn)與設計方案 數(shù)字鐘的功能及設計要求 （ 1） 可以實現(xiàn)時 /分 /秒 /百分秒的顯示，可以調整時 /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，可構成電子時鐘。由 555 構成的秒脈沖發(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,可通過調節(jié)這 3 個參數(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 。現(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 22 所示。 山東華宇職業(yè)技術學院畢業(yè)設計用紙 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 原為指針用步進電 機線圈的輸出驅動端，這里可用 3 腳作為脈沖輸出，頻率決定于外接晶振的頻率。 （ 2） 采用石英鐘專用芯片的實現(xiàn)形式 （ 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。本設計采用 AT89C2051 單片機設計。 方案的確定 可以從以下幾個方面來確定電子鬧鐘的設計方案。 微處理器 采用 ATMEL 的 AT89C2051 微處理器，是基于以下幾個因素： ①內含 Flash 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 核構成的 ,所以它與 MCS251 系列單片機是兼容的 ； ④ AT89C2051為 51內核，仿真調試軟硬件資源豐富 ； ⑤ 性價比高，貨源充足 ； ⑥ DIP20封裝，體積小，便于產(chǎn)品小型化； ⑦ 為 E2PROM程序存儲介質， 1000次以上擦 /寫周期，便于變成調試； ⑧ 具 有 IDLE和 POWERDOWN兩種工作模式，便于進行低功耗設計； ⑨ 工作電壓范圍寬： ～ 6V，便于交直流供電 。 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；對于具有驅動電路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)技術學院畢業(yè)設計用紙 10 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動接口，因此，本時鐘設計采用了數(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)只設兩個按鍵： （ 1） SET 鍵，對應系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，具有三個功能： ● 在復位后的待機狀態(tài)下，用于啟動設定時間參數(shù)（對時和定鬧）； ● 在設定時間參數(shù)狀態(tài)而且不是設定最低位（即分個位）的狀態(tài)下，用于結束當前位的設定，當前設定為下移； ● 在設定 最低位（分個位）的狀態(tài)下，用于結束本次時間設定。 （ 2） +1 鍵，用于對當前設定位（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)技術學院畢業(yè)設計用紙 11 第 三 章 數(shù)字鐘的硬件系統(tǒng)設計 電子時鐘硬件部分的設計應包括秒信號發(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。 數(shù)字時鐘的主機電路設計 數(shù)字時鐘的主電路指的是圖 31 中框內部分，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)時鐘電路設計；（ 3）系統(tǒng)復位電路設計；（ 4）按鍵與按鈕電路設計；（ 5）鬧鈴聲光指示電路設計。 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 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 。 （ 1） AT89C2051 內部結構及引腳描述 AT89C2051 單片機的內部與 8051 單片機的內部結構基本一致，區(qū)別只是增加了一個模擬比較器，減少了兩個對外的端口（ P0、 P2 口），輸出端口 P P3 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。 CPU 按鍵電路 復位等輔助電路 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)技術學院畢業(yè)設計用紙 12 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：復位輸入。當 RST 變?yōu)楦唠娖讲⒈３?2 個機器周期時，所有 I/O 引腳復位至高阻狀態(tài)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內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，引腳 和 需要外部上拉，可用作片內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：引腳 ～ 與 為 7 個帶內部上拉的雙向 I/O 引腳。 在內部已與片內比較器輸出相連，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 。 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） 山東華宇職業(yè)技術學院畢業(yè)設計用紙 13 從上述引腳說明看出， AT89C2051 沒有提供外部擴展存儲器與 I/O 設備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號，因此利用 AT89C2051 構成的單片及應用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴展存儲器或 I/O 設備，也即 AT89C2051 本身即構成了最小的單片機系統(tǒng)。 （ 2） 振蕩器 振蕩器特征： XTAL1 和 XTAL2 分別構成片內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。要從外部時鐘源驅動AT89C2051，則 XTAL2 應懸空，而 XTAL1 的驅動如圖 34 所示。由于輸入到內部時鐘電路經(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 外部時鐘驅動結構 系統(tǒng)時鐘電路設計 系統(tǒng)利用晶 體振蕩器作為時鐘電路，根據(jù)晶振的不同使用要求及特點，通常分為以下幾類：普通晶振、溫補晶振、壓控晶振、溫控晶振等。安裝晶振時，應根據(jù)其引腳功能標識與應用電路應連接，避免電源引線與輸出引腳相接輸出。 在測試和使