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数字时钟设计
作者: xzh 时间: 2022-11-07 浏览:

数字时钟设计(宁波成人高考
 

1. 绪论

1.1 数字时钟的发展史

 电子钟有着很长的历史,从民国19年的电钟,研制始於60年代中期的国内电晶体、半导体管钟,到研制始於70年代末的石英电子钟,再到今天我们所用的智能电子钟。以前的电子钟存在着很多缺点,其外观体积庞大,在功能上有死摆、走时时间不长、走时精确度不高等缺点。如今无论是外观,还是在功能上,电子钟都有了很大的改进。

1.2 设计的目的与意义

人类的生活包括:工作、学习、休息以及参与社会的多种实践活动,环环有条理,更加丰富多彩。应该说时钟的计时功能与人类的各种行为和活动有着密切的联系,于是时钟的作用便体现出来,生活中有许多人,因为只顾工作而忘记时间,从而耽误了重要的安排或者计划,造成不可挽回的损失,使之后悔莫及。我们要养成良好的时间观念,就需要电子钟时刻提醒我们。因此,电子钟已成为人们日常生活中必不可少,它的应用非常广泛,应用于家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。

1.3 设计的基本思路与主要内容

设计一个电子产品,首先了解它能实现的功能,时钟系统最基本的功能就是实现计时,在这里设计的数字电子时钟,它能实现计时和校时的功能,给电子钟加上电自动计时,设计三个按键对时间进行调整。
硬件设计很简单,主要包括:单片机、按键电路、驱动显示电路,以及LED显示器四个部分。单片机选用STC89C51芯片,它无须外扩程序存储器,设计电路很简单。由于只用了三个按键,所以采用独立式按键使设计更简单。显示时、分、秒加两个分隔符,采用两个四位的数码管,用上拉电阻来驱动LED数码管显示字符。
简易数字时钟可实现校时功能,该软件采用汇编语言来实现,主要包括主程序、键输入程序、显示程序、定时程序和中断程序等软件模块。把源程序加入原理图,做出电子钟的仿真,以秒计数并显示时、分、秒。其中秒和分为60进制,小时为24进制计数。可通过按键实现时钟时、分、秒的校正。

2.数字时钟系统的整体设计

2.1系统功能要求

 以单片机技术为核心,充分应用各种外围电路元器件,设计一个通过显示器显示时间(时、分、秒)的电子钟。要求:
1、上电时,时、分、秒显示为00时、00分、00秒,并以秒为单位开始计时;
2、运行状态下,按动控制按扭S-SET,对秒进行调整;
3、运行状态下,按动控制按扭M-SET,对分进行调整;
4、运行状态下,按动控制按扭H-SET,对小时进行调整。

2.2   整体方案

电子钟的电路图主要由单片机(STC89C51)、键盘电路、驱动显示电路和LED显示器四部分组成,它主要实现时钟的显示,以及对时、分、秒进行调整,即实现调时的功能。其数字钟系统整体结构如图2-1所示。
图2-1 电子钟系统整体结构
(1)显示方案
方案一:静态显示就是当CPU将要显示的字或字段码送到输出口,显示器就可以显示出所要显示的字符,如果CPU不去改写它,它将一直保持下去;静态显示硬件开销大,电路复杂,信息刷新速度慢。
方案二:动态显示则是一位一位地轮流点亮显示器地各个位(扫描)。对于显示器的每一位而言,每隔一段时间点亮一次;动态显示耗能较小,但编写程序较复杂。动态显示硬件连接简单,信息刷新速度快。
由于本次设计是对时间进行显示,如采用静态显示,则所占用的I/O口较多,电路较复杂,所以在此选择的是方案二,采用动态显示。
(2)键盘方案
方案一:独立式键盘。独立式键盘的各个按键相互独立,每个按键独立地与一根数据输入线(单片机并行接口或其他芯片的并行接口)连接。独立式键盘配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根接口线,在按键数量不多时,接口线占用多。所以,独立式按键常用于按键数量不多的场合。
方案二:矩阵式键盘。矩阵式键盘采用的是行列式结构,按键设置在行列的交点上.(当接口线数量为8时,可以将4根接口线定义为行线,另4根接口线定义为列线,形成4*4键盘,可以配置16个按键。)
由于本设计只用了三个按键,不需要采用矩阵式键盘,所以选用第一种方案,采用独立式键盘。
(3)计时方案
采用软件控制:
利用单片机内部的定时/计数器进行定时,配合软件定时实现时、分、秒的计时。该方案能够使设计者,在设计的过程中容易实现,且节省硬件成本,因此本系统将采用软件方法实现计时。

3.硬件设计与分析

3.1 硬件设计原理

时钟电路的核心是STC89C51单片机,其内部带有2KB的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),无须外扩程序存储器。电脑时钟没有大量的运算和暂存数据,现有的128B片内RAM已能满足要求,也不必外扩片RAM。系统配备两个四位LED数码管显示和3个独立式按键,用P0口作为键盘接口电路,P1口和P3口作为段码和位码输出口,并在字段码输出口接上拉电阻来驱动LED数码管显示。利用P0.0、P0.1和P0.2作为功能按键输入口。

3.2各单元电路介绍

3.2.1 STC89C51单片机介绍

    STC89C51是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含2k bytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用STCMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,所以说STC89C51是一个功能强大的单片机。 
    STC89C51是一个低功耗高性能单片机,它有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,STC89C51可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
同时STC89C51的时钟频率可以为零,即具备可用软件设置的睡眠省电功能,系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口,系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中,片内RAM将被冻结,时钟停止振荡,所有功能停止工作,直至系统被硬件复位方可继续运行。

3.2.2 单片机最小应用系统

时钟电路和复位电路是单片机最小应用系统中必不可少的。
单片机时钟电路图,如图3-1所示:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 
图3-1 单片机时钟电路图
复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作就是从复位开始的,当在单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时,单片机内部就执复位操作(若该引脚持续保持高电平,单片机就处于循环复位状态)。
实际应用中,复位操作有两种基本的形式:一种是上电复位,另一种是上电与按键均有效的复位。由于本次设计采用的是上电复位,所以这里只介绍上电复位,如下图3-3所示:
 
  图3-3 上电复位电路
上电复位要求接通电源后,单片机自动实现复位操作。常用的上电复位如上图所示。上电瞬间RST引脚获得高电平,随着电容C1的充电,RST引脚的高电平将逐渐下降。

3.2.3显示电路

(1)七段LED显示器的原理
显示器是单片机应用系统常用的设备,包括LED、LCD等。LED显示器由若干个发光二极管组成。七段LED通常构成字型“8”,还有一个发光二极管用来显示小数点。每段LED分别引出一个电极,电极的名为A、B、C、D、E、F、G、DP,其中DP是小数点段的引出电极。当发光二极管导通时,相应的一个笔画或一个点就发光。控制相应的二极管导通,就能显示出对应字符。
说明:在该设计中,没有用到电极(DP),而是用单位的数码管来显示分隔符,其
七段LED显示器如图3-4所示 
图3-4 七段LED显示器
(2)动态显示
本设计共用了两个四位LED显示器,因此采用动态显示方式。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮显示器的各个位。对于显示器的每一位而言,每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作,但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余晖,我们看到的却是多个字符“同时“显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关,也与点亮时间长短和时间间隔有关。
显示器的位数不大于8位,则控制显示器公共极电位只需要一个I/O接口,称为扫描口或字位口,控制各位LED显示器所显示的字型也需要一个8位接口,称为段数据口或字型口。

3.2.4  键盘及其接口

键盘是由若干个按键组成的,它是单片机最简单的输入设备。通过键盘输入数据或命令,就可实现简单的人机对话。
(1)按键的抖动现象
按键就是一个简单的开关。当按键按下时,相当于开关闭合;当按键松开时,相当于开关断开。按键在闭合和断开时,触点会存在抖动现象。按键抖动时间一般为5ms~10ms,抖动可能造成一次按键的多次处理问题。应采取措施消除抖动的影响。消除的方法很多,本设计采用软件延时的方法来消除抖动。当单片机检测到有按键按下时先定时,然后再检测按键的状态,若仍是闭合状态则认为真的有键按下。当检测到按键释放时,亦需要做同样的处理。
(2)按键电路
独立式键盘的各个按键相互独立,每个按键独立地与一根数据输入线(单片机并行接口或其他芯片的并行接口)连接。独立式键盘配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根接口线,在按键数量不多时,接口线占用多。所以,独立式按键常用于按键数量不多的场合。
该设计只用了三个按键,来实现功能控制。在运行状态下,按动控制按扭S-SET,可对秒进行调整;按动控制按扭M-SET,可对分进行调整;按动控制按扭H-SET,可对时进行调整;因此采用独立式键盘方式,设计起来比较简单,如图3-5所示。
图3-5 键盘电路

3.3 系统原理图

STC89C51的P1口接入三个按键,对时、分、秒进行调整。P0口输出字段码,控制要显示的字符,外接上拉电阻,驱动LED显示。P3口输出字位码,去控制要显示的位,其原理图如图3-6所示。
 
图3-6 电子钟原理图
当接入电源时,数字电子钟以秒为单位开始计时。运行状态下,按下控制按键S-SET,对秒进行调整;按下M-SET调整分钟;按下H-SET对小时进行调整。这样通过三个按键,分别对时、分、秒进行调整,从而实现调时。

4.软件设计

在软件设计中,整个程序的主框架是以定时1s计算的方式来实现电子钟。定时1s的程序段,使用动态显示程序实现延时,既完成了延时,也完成了数字的显示。在计算程序中,使对应于时、分、秒的变化量按照60进制和24进制进行计算,动态显示程序直接引用这些变量,达到显示的数字也随之不断变化,即完成了电子钟的功能。
其软件功能模块主要有键输入程序、中断程序、显示程序,以及延时程序。
需要说明的是,这里设计的是简易的电子钟,主要是用程序运行来计算时间,这样用程序来确定出1s的时间精度是很有限的,所以整个时钟的精度不太高。

4.1 主程序的设计

    初始化将时、分、秒各单元的内容清空,置T0为计数器方式1,分别给计数器的高8位和低8位赋计数初值,启动T0工作。键入一个按键,如执行此动作,秒值加1,否则重新键如按键。
主程序模块:主程序流程图,如图4-1所示 
图4-1 主程序流程图

4.2 键输入程序

键输入程序用于调整时间。以秒为例,按下按键S-SET,判断S-SET是否真的被按下,若没有键按下,转到A1程序段,再次键入按键,重新判断。若按键按下了,则调用延时程序,消除抖动现象秒值加1,当秒值大于60时,秒清零,进行下一次计时,同时分加一,并转到J0显示。此过程循环执行,其程序流程图如图4-2所示: 
图4-2 键输入程序流程图
J0: JB S_SET,A1
LCALL DISPLAY
SJMP J0
J1: JB     M_SET,A1
      LCALL DISPLAY
SJMP J1
J2:     JB    H_SET,A1
    LCALL DISPLAY
SJMP  J2

4.3 显示程序

显示其时、分、秒的数值,和两个分隔符。以显示秒为例,当P3.7输入高电平时,秒的个位所对应的字段码点亮,显示其秒的个位;当秒有十位输入时,P3.6输入高电平,秒所十位对应的字段码点亮,显示其秒十位。其程序流程图如图4-3所示:
图4-3  显示程序流程图
START:
       MOV DPTR,#TABLE
MOV HOUR,#0 ;初始化
MOV MINUTE,#0
MOV SECOND,#0
MOV TCNT,#0
MOV TMOD,#01H         ;置T0为计数器方式1
MOV TH0,#(65536-50000)/256 ;定时50毫秒
MOV TL0,#(65536-50000)MOD 256
MOV IE,#82H
   SETB     TR0         ;启动T0工作
A1: LCALL DISPLAY
JNB S_SET,S1
JNB M_SET,S2
JNB H_SET,S3
LJMP A1
S1:
      LCALL DELAY ;去抖动
JB S_SET,A1
INC SECOND ;秒值加1
MOV A,SECOND
CJNE A,#60,J0 ;判断是否加到60秒
MOV SECOND,#0
LJMP J0
S2:
        LCALL DELAY
  JB M_SET,A1

4.4延时程序

按键抖动时间一般为5ms~10ms,因此延时10ms,其流程图如图4-4所示:
图4-4  延时程序流程图
DELAY:
        MOV R6,#10
D1: MOV R7,#250
DJNZ R7,$
DJNZ R6,D1
RET

4.5 中断程序

 中断程序主要用于控制显示的字符。当秒值大于60时,秒清零,重新计数,分值加1,秒、分同时显示;当分值大于60时,分清零,重新计数,小时加1,秒、分、时同时显示,当小时大于23时,一天的计时完毕,秒、分、时均清零,进行第二天的计时。此任务循环执行。其程序流程图如图4-5所示:
图4-5 中断程序流程图
DISPLAY:
        MOV A,SECOND ;显示秒
MOV B,#10
DIV AB
CLR P3.6
MOVC A, @A+DPTR
MOV P0, A
LCALL DELAY
SETB P3.6
MOV A,B
CLR P3.7
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.7
CLR P3.5
MOV P0,#40H ;显示分隔符
LCALL DELAY
SETB P3.5
MOV A,MINUTE ;显示分钟
MOV B,#10
DIV AB
CLR P3.3
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.3
MOV A,B
CLR P3.4
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.4
CLR P3.2
MOV P0,#40H ;显示分隔符
LCALL DELAY
SETB P3.2
    MOV A,HOUR ;显示小时
MOV B,#10
DIV AB
CLR P3.0
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.0
MOV A,B
CLR P3.1
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
LCALL DELAY
SETB P3.1
RET
5.调试与运行

5.1 电路仿真

此设计的电路在单片机仿真软件Proteus中进行仿真,仿真电路如图5-1所示:

5.2 调试和运行

在KEIL (单片机汇编) C51软件中编写好的程序,将程序放入单片机仿真软件中,结合硬件电路进行调试与运行。通过按键对时间进行调整。如显示时间为05-02-12,既是05点02分12秒,通过以下调整则可实现。
(1) 按动S-SET键,将秒调到12;
(2) 按动M-SET键,将分调到02;
(3) 按动H-SET键,将时调到05。
则将时间调到了所要显示的时间05-02-12,通过此方法可将时间调整到任何需要显示的时间。