基于單片機的倒計時時鐘設(shè)計文檔

摘  要 ：單片機自20世紀70年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣、發(fā)展很快。單片機體積小、重量輕、抗干擾能力強、環(huán)境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易。由于具有上述優(yōu)點，在我國，單片機已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機電一體化設(shè)備等各個方面，而51單片機是各單片機中最為典型和最有代表性的一種。

這次畢業(yè)設(shè)計通過對它的學(xué)習(xí)、應(yīng)用，以STC89C51單片機為核心，輔以必要的電路，設(shè)計了一個簡易的倒計時秒表，它由5V直流電源供電，通過數(shù)碼管能夠準確顯示時間，調(diào)整時間，從而到達學(xué)習(xí)、設(shè)計、開發(fā)軟、硬件的能力。數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)對 “秒”數(shù)字顯示的計時裝置。數(shù)字鐘的精度、 穩(wěn)定度遠遠超過老式機械鐘。在這次設(shè)計中，我們采用LED數(shù)碼管顯示分、秒，根據(jù)數(shù)碼管動態(tài)顯示原理來進行顯示，用12MHz的晶振產(chǎn)生振蕩脈沖，定時器計數(shù)。在此次設(shè)計中，電路具有顯示時間的其本功能，還可以實現(xiàn)對時間的調(diào)整。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。

20世紀末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)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(fā)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(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。單片機應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。

單片機模塊中最常見的是數(shù)字鐘，數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)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�，F(xiàn)今，高精度的計時工具大多數(shù)都使用了石英晶體振蕩器，由于電子鐘，石英表，石英鐘都采用了石英技術(shù)，因此走時精度高，穩(wěn)定性好，使用方便，不需要經(jīng)常調(diào)校，數(shù)字式電子鐘用集成電路計時時，譯碼代替機械式傳動，用LED顯示器代替顯示器代替指針顯示進而顯示時間，減小了計時誤差，這種表具有時，分，秒顯示時間的功能，還可以進行時、分和秒的校對，片選的靈活性好。

時鐘電路在計算機系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是保證系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。在一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，時鐘有兩方面的含義：一是指為保障系統(tǒng)正常工作的基準振蕩定時信號，主要由晶振和外圍電路組成，晶振頻率的大小決定了單片機系統(tǒng)工作的快慢；二是指系統(tǒng)的標準定時時鐘，即定時時間，它通常有兩種實現(xiàn)方法：一是用軟件實現(xiàn)，即用單片機內(nèi)部的可編程定時/計數(shù)器來實現(xiàn)，但誤差很大，主要用在對時間精度要求不高的場合；二是用專門的時鐘芯片實現(xiàn)，在對時間精度要求很高的情況下，通常采用這種方法，典型的時鐘芯片有：DS1302，DS12C887等都可以滿足高精度的要求。

本文主要介紹用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器來實現(xiàn)電子時鐘的方法，本設(shè)計由單片機STC89C51單片機和LED數(shù)碼管為核心，輔以必要的電路，構(gòu)成了一個單片機電子時鐘。

此設(shè)計是在數(shù)碼管上顯示秒，電路包括單片機及顯示驅(qū)動電路。單片機通過輸出各種電脈沖信號開驅(qū)動控制各部分正常工作。

系統(tǒng)工作過程：時間的主要處理過程是在CPU中完成的。CPU會隨時對時間進行讀取數(shù)據(jù)的操作。在讀取了相應(yīng)的寄存器的值后，CPU將讀取的值進行處理，再通過I/O口把數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。

根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、顯示模塊構(gòu)成。為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計了以下幾種方案并分別進行了論證。

方案1：采用51系列作為系統(tǒng)控制器

單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積較小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而且抗干擾性能好。

方案2：采用凌陽系列單片機為系統(tǒng)的控制器

凌陽系列單片機可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性。凌陽系列單片機提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。

因51單片機價格比凌陽系列低得多，且本設(shè)計不需要很高的處理速度，從經(jīng)濟和方便使用角度考慮，本設(shè)計選擇了方案1。

數(shù)字時鐘是本設(shè)計的最主要的部分。根據(jù)需要，可利用兩種方案實現(xiàn)。

方案一：本方案采用Dallas公司的專用時鐘芯片DS12C887。該芯片內(nèi)部采用石英晶體振蕩器，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。利用定時器與軟件結(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，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，則將十字節(jié)清零。該方案具有硬件電路簡單的特點。但由于每次執(zhí)行程序時，定時器都要重新賦初值，所以該時鐘精度不高。而且，由于是軟件實現(xiàn)，當單片機不上電，程序不執(zhí)行時，時鐘將不工作。

基于硬件電路的考慮，本設(shè)計采用方案二完成數(shù)字時鐘的功能。

方案1：采用LED數(shù)碼管

顯示用LED數(shù)碼管。雖然顯示的內(nèi)容有限，但是也可以顯示數(shù)字和幾個英文字母，在此設(shè)計中已經(jīng)足夠了，并且價格比液晶字符式要低的多，為了降低設(shè)計制作的成本，在此設(shè)計中我們選用LED數(shù)碼管顯示。

方案2：采用液晶字符顯示器

顯示用液晶，可以用軟件達到很好的控制，硬件不復(fù)雜，液晶字符顯示器可以顯示很豐富的內(nèi)容，顯示清晰，但是液晶字符式價格昂貴，在本設(shè)計中不需要用到復(fù)雜的顯示內(nèi)容，因此我們放棄了此方案。

從經(jīng)濟的角度考慮，我們選擇了方案1。

經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定了如下方案：

（1）采用STC89C51單片機作為主控制器。

（2）采用單片機內(nèi)部定時器計時。

（3）采用LED數(shù)碼管作為顯示器。

本設(shè)計采用STC89C51單片機作為主控制器，外部加數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)總體框圖如下：

（三）STC89C51單片機最小系統(tǒng)：

最小系統(tǒng)包括單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復(fù)位等部件，能使單片機始終處于正常的運行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，通過對其進行存儲器擴展、A/D擴展等，使單片機完成較復(fù)雜的功能。

STC89C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用STC89C52單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，結(jié)構(gòu)如圖3所示，由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。

圖3 單片機最小系統(tǒng)原理框圖

(1) 時鐘電路

STC89C51單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖2-4所示。在STC89C51單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1(18)和XTAL2(19)引腳外接石英晶體(簡稱晶振)，就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5~30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范圍在1.2~12MHz間選擇，典型值為12MHz和6MHz。

圖4 STC89C51內(nèi)部時鐘電路

(2) 復(fù)位電路

當在STC89C51單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作(若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài))。

復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。

最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充放電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。

除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST(9)端與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位電路見圖5。時鐘頻率用11.0592MHZ時C取10uF,R取10kΩ。

圖5 STC89C51復(fù)位電路

（四） STC89C51中斷技術(shù)概述

中斷技術(shù)主要用于實時監(jiān)測與控制，要求單片機能及時地響應(yīng)中斷請求源提出的服務(wù)請求，并作出快速響應(yīng)、及時處理。這是由片內(nèi)的中斷系統(tǒng)來實現(xiàn)的。當中斷請求源發(fā)出中斷請求時，如果中斷請求被允許，單片機暫時中止當前正在執(zhí)行的主程序，轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)處理程序處理中斷服務(wù)請求。中斷服務(wù)處理程序處理完中斷服務(wù)請求后，再回到原來被中止的程序之處（斷點），繼續(xù)執(zhí)行被中斷的主程序。

圖6為整個中斷響應(yīng)和處理過程。

                            圖6  中斷響應(yīng)和處理過程

LED數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個“2”字，那么應(yīng)當是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個或多個發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過30mA。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負極的稱為共陰數(shù)碼管。常用LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

led數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及工作原理：

led數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。圖2是共陰和共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。顏色有紅，綠，藍，黃等幾種。led數(shù)碼管廣泛用于儀表，時鐘，車站，家電等場合。選用時要注意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長等。下面將介紹常用LED數(shù)碼管內(nèi)部引腳。

  

圖7  數(shù)碼管實物圖

  

圖8 LED數(shù)碼管引腳定義

圖8引腳定義 ：每一筆劃都是對應(yīng)一個字母表示 DP是小數(shù)點。LED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)位，因此根據(jù)LED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。 　　本設(shè)計采用的是動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。 　　

透過分時輪流控制各個LED數(shù)碼管的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O口，而且功耗更低。

圖8數(shù)碼管引腳圖

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。   Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細介紹Keil C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。 Keil_c軟件界面如圖9：

圖9 Keil_c軟件界面

該軟件是一款集編程和仿真于一體的軟件，它支持匯編、C語言及二者的混合編程。

4.2 畫圖軟件Protel99SE

Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件。Protel99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計軟件，采用設(shè)計庫管理模式，可以網(wǎng)設(shè)計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設(shè)計軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計，印制電路板設(shè)計和可編程邏輯器件設(shè)計等工作，可以設(shè)計32個信號層，16個電源--地層和16個機加工層。

Protel99SE軟件的特點：

(1)              可生成30多種格式的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表；

(2)              強大的全局編輯功能；

(3)              在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；

(4)              同時運行原理圖和PCB，在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網(wǎng)絡(luò)

(5)              既可以進行正向注釋元器件標號（由原理圖到PCB），也可以進行反向注釋（由PCB到原理圖），以保持電氣原理圖和PCB在設(shè)計上的一致性；

(6)              滿足國際化設(shè)計要求（包括國標標題欄輸出，GB4728國標庫）； * 方便易用的數(shù)�；旌戏抡妫�兼容SPICE 3f5）；

(7)              支持用CUPL語言和原理圖設(shè)計PLD，生成標準的JED下載文件； * PCB可設(shè)計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層；

(8)              強大的“規(guī)則驅(qū)動”設(shè)計環(huán)境，符合在線的和批處理的設(shè)計規(guī)則檢查；

(9)              智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；

(10)提供大量的工業(yè)化標準電路板做為設(shè)計模版；

Protel99SE的工作界面是一種標準的Windows界面，如圖所示，包括：標題欄、主菜單、標準工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對象選擇按鈕、預(yù)覽對象方位控制按鈕、仿真進程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口。Protel99SE軟件界面如圖10。

圖10 Prtel99SE軟件界面

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。

PROTEUS不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在相當程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示實驗難以達到的效果。

它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應(yīng)。這在相當程度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調(diào)試、運行結(jié)果等。

課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于PROTEUS提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。

圖11 proteus仿真軟件

這是本設(shè)計較為困難的一部分，需要經(jīng)過反反復(fù)復(fù)的調(diào)試，才能達到理想中的效果，以下將分文硬件與軟件兩部分介紹此次調(diào)試的過程，以及調(diào)試過程中遇到的困難和解決辦法。

時間的準確度是本設(shè)計的重點調(diào)試對象，要反復(fù)調(diào)整定時器中斷的初值，來達到設(shè)計的準確性。

焊接好后，不要忙于通電，首先要檢測有沒有短路，萬一有短路幾通電，將會很麻煩，容易燒毀電路板或元器件，更容易引發(fā)安全隱患。確保無短路再通電。

我在這一次數(shù)字電子鐘的設(shè)計過程中，很是受益匪淺。通過對自己在大學(xué)三年時間里所學(xué)的知識的回顧，并充分發(fā)揮對所學(xué)知識的理解和對畢業(yè)設(shè)計的思考及書面表達能力，最終完成了。這為自己今后進一步深化學(xué)習(xí)，積累了一定寶貴的經(jīng)驗。撰寫論文的過程也是專業(yè)知識的學(xué)習(xí)過程，它使我運用已有的專業(yè)基礎(chǔ)知識，對其進行設(shè)計，分析和解決一個理論問題或?qū)嶋H問題，把知識轉(zhuǎn)化為能力的實際訓(xùn)練。培養(yǎng)了我運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。  

我們的學(xué)習(xí)不但要立足于書本，以解決理論和實際教學(xué)中的實際問題為目的，還要以實踐相結(jié)合，理論問題即實踐課題，解決問題即課程研究，學(xué)生自己就是一個專家，通過自己的手來解決問題比用腦子解決問題更加深刻。學(xué)習(xí)就應(yīng)該采取理論與實踐結(jié)合的方式，理論的問題，也就是實踐性的課題。這種做法既有助于完成理論知識的鞏固，又有助于帶動實踐，解決實際問題，加強我們的動手能力和解決問題的能力。