单片机课程设计：数字电子钟

《单片机技术》课程设计说明书

数字电子钟

院、部：电气与信息工程学院

学生姓名：

指导教师：职称讲师

专业：通信工程

班级：通信1202 班

完成时间：2014年12月28日

摘要

电子钟由于它的的简单方便受到人们的欢迎，所以设计一个简易数字电子钟很有必要。本电子钟采用ATMEL公司的AT89S52单片机为核心，使用12MHz 晶振与单片机AT89S52 相连接,通过软件编程的方法实现以24小时为一个周期，同时8位7段LED数码管(两个四位一体数码管)显示小时、分钟和秒的要求,并在计时过程中具有定时功能，当时间到达提前定好的时间进行蜂鸣报时。

本次课程设计是应用单片机芯片AT89S52设计出的数字时钟电路，整个系统以单片机作为中央控制器，硬件电路主要由三个部分构成，即：单片机最小系统、数码管显示电路、键盘控制电路。设计完成的作品具有时间显示、校正功能，走时准确、显示直观、运行稳定等优点，达到课程设计的性能指标。

本设计的优点是：1.能直观的从数码管显示器上读出时间信息；2.电路组成清晰明了，按键操作简单；3.相比于传统的指针式时钟，本产品误差很小，能耗小；4.软件编程采用 C 语言，可读性强；5.本设计采用的是可编程芯片AT89S52，用户可根据自身的其他要求，重新导入新的程序，具有更新能力。

关键词:电子钟；AT89S52；数码管；按键

目录

1 设计课题任务、功能要求说明及方案介绍 (1)

1.1 设计课题任务 (1)

1.2 功能要求说明 (1)

1.3 设计课题总体方案介绍及工作原理说明 (1)

2 设计课题硬件系统的设计 (5)

2.1 设计课题硬件系统各模块功能简要介绍 (5)

2.2 设计课题元器件清单 (5)

3 设计课题软件系统的设计 (6)

3.1 设计课题使用单片机资源的情况 (6)

3.2 设计课题软件系统个模块功能简要介绍 (6)

3.3 设计课题软件系统程序流程框图 (7)

3.4 设计课题软件程序清单 (11)

4 设计结论、仿真结果、误差分析 (12)

4.1 设计课题的设计结论及使用说明 (12)

4.2 设计课题的仿真结果 (12)

4.3 设计课题的误差分析 (12)

4.4 设计体会 (13)

结束语 (14)

致谢 (15)

参考文献 (16)

附录 (17)

附录A: 电路原理图 (17)

附录B：PCB图 (18)

附录C：仿真原理图 (19)

附录D：元器件清单 (20)

附录E：程序清单 (21)

1 设计课题任务、功能要求说明及方案介绍

1.1 设计课题任务

设计一个具有特定功能的电子钟，具有时间显示、报时等功能。并有时间设定，通过指示灯，来进行时间调整。

1.2 功能要求说明

设计一个具有特定功能的电子钟。该电子钟上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入时钟准备状态；第一次按电子钟启动/调整键，电子钟从00时00分00秒开始运行，进入时钟运行状态；再次按电子钟启动/调整键，则电子钟进入时钟调整状态，按下功能选择键后，选择调时、调分、调秒，然后通过按加键、减键来修改时间。

1.3 设计课题方案总体介绍及工作原理说明

本设计基于单片机技术原理，以单片机芯片AT89S52作为核心控制器，基于单片机的自身资源通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，利用单片机的控制作用，通过八位七段式数码显示管直接显示“时-分-秒”时间信息，以及发光二极管的指示来实现相关的功能。设计课题的硬件系统框图如图1所示：

图1 数字电时钟硬件框图

1.3.1 芯片（AT89S52）

图2 AT89S52

工作原理：单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。其中有中央处理器CPU,内部数据存储器，内部程序存储器，定时/计数器，并行IO口，串行IO口，中断控制电路，时钟电路，位处理，内部整线。

1.3.2 独立按键电路

图3 按键电路

功能及作用：通过按键电路和软件编程可以实现单片机的多种功能，用起来极其方便，实现功能多样化。

图4 复位电路

功能：关于单片机的复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机的复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态。

1.3.4 晶振电路

图5 晶振电路

功能：晶振可以说是单片机的时钟，有着固定稳固的频率，是一个标准，没有它的话，估计单片机的程序会乱跑，也有可能运行不了。

1.3.5 电源电路

图6 电源电路

功能：此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。电源电路中一般接入了电源指示LED。

图7 下载电路

功能：用PC的USB口供电，通过下载口把程序导入单片机芯片内。下载口分别接在单片机的RST引脚以及P15、P16、P17口线上实现数据传送。

1.3.7 LED显示电路

图8 LED显示电路

功能：本设计采用的是LED数码管动态显示方式。采用八个共阴的数码管显示器进行显示，加上一个74HC573作为驱动和8个470Ω的电阻起限流的作用。将段控口接在P2口上，位控口接在P1口上，实现对显示的控制。

2 设计课题硬件系统的设计

2.1 设计课题硬件系统各模块功能简要介绍

2.1.1 单片机最小系统

本设计的硬件系统主要采用以下基本模块来实现，单片机最小系统模块，输入模块、输出模块、电源模块。

（1）单片机最小系统模块：包括低功耗、高性能CMOS8位微控制器AT89S52; 复位电路；晶振电路。本模块AT89S52为控制核心，单片机系统复位由复位电路完成，单片机内部有一个高增益、反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端位位引脚XTAL2。通过这两个引脚在芯片外并接石英晶体振荡器和两只电容。这样就构成一个稳定的自激振荡器。

（2）输入模块：本模块共用到了5个按键，1个电源开关，一个复位键，单片机运行期间，利用按键完成复位操作。4个按键独立式键盘，S1键控制电子钟的启动\调整状态，S2键为加1键，S3键为减1键，S4为功能选择键。且S1、S2、S3、S4任一键都独自连一个I/O口，说明它们可以独立实现相应的电子钟功能。

（3）输出模块：本次设计显示为8位，采用2个四位一体数码管（共阴极）作为显示窗口，既可以节约成本又能简化电路。同时设置各功能的指示灯，用以区分是时、分、秒这三者之一在做调整。

（4）电源模块：现在市面上销售的编程器有很多都是由PC机的USB口直接供电为了降低本设计的成本及节省设计时间，没有另外设计编程器，而直接购买了市场上的USB供电及下载器。

2.1.2 设计课题电路原理图、PCB图

此处电路原理图以及PCB原理图的绘制均使用AD软件完成，AD提供了一个集成的设计环境，包括了原理图设计和PCB布线工具，集成的设计文档管理，支持通过网络进行工作组协同设计功能。根据硬件接线要求设计绘制电路原理图及PCB。具体电路原理图见附录A。PCB图见附录B。

2.2 设计课题元器件清单

见附录D：元器件清单。

3 设计课题软件系统的设计

3.1 设计课题使用单片机资源的情况

设计课题使用单片机资源的情况如下：

P0口输出数码管位控信号，P2口输出数码管段控信号；P1接独立式键盘；晶振12MHz，接单片机XT1和XT2口；启动键/停止键（实物图上左起第一个）P1.0；调整选择键（实物图上为左起第四个键）P1.3；通过选择键选择调整位;增加键（实物图上为左起第二个键）P1.1，按一次使选中位加1，长按会一直加1；（实物图上为左起第三个键）P1.2，按一次使选中位减1，同样长按会一直减1。

3.2 设计课题软件系统个模块功能简要介绍

本设计的软件系统主要采用以下基本模块来实现，主程序、中断服务程序、键盘输入程序模块、数码管及其驱动模块和延时模块。

主程序：主要是用于对输入信号的处理、输出信号的控制和对各个功能程序模块的运用及其控制。

中断服务程序：通过AT89S52自身的资源，及定时器来实现定时一秒的功能。由于定时器比单纯的延时精确，所以会让设计的电子钟更精确，采用定时器0，用工作方式1，定时50ms，循环20次，就达到了1s。

键扫描与处理程序：确认键是否按下，当有键按下时，得到相应的键值。方便主程序调用时取出键值。

键功能程序：从键扫描程序得到相应的键值后按照键值执行相关的键功能程序。

数码管及其驱动模块：主要是用于驱动数码管及利用数码管显示时间。

延时模块：由于本次设计采用的是数码管共阳极动态显示，P2口段控信号与P0口位控信号要保持协调才能把时分秒的信息完整的显示出来。由于视网膜暂留效应，通过调用10毫秒的延时程序，动态逐个点亮数码管。实现时间信息的显示。

3.3 设计课题软件系统程序流程框图

3.3.1 主程序流程框图

图9 主函数流程图

系统初始化后，数码管显示P.。调用键扫描程序，判断是否有键按下，当有键按下时，执行各键对应的键功能。 3.3.2 显示程序流程框图

图10 显示函数流程图

开始

系统初始化

是否有键按下

显示“P.”

键扫描

N

Y

开启定时器

键功能程序

显示程序

开始建立数码管段控

数组和位控数组

P2口段控送左第i个数码管P0口位控码送第左i个数码管

i=1

延时1ms

i++

i<=8

Y

结束

N

P2口控制段控，P0口控制位控，因为要用到八个数码管，所以设置i的初始值为1，在判断i的值是否为8，为8就结束。把段控跟位控送给哪个数码管，被选中的数码管就显示相应的数值。

3.3.3 时分秒转换程序流程框图

：

图11 时分秒转换函数流程图

此流程图主要用来判断时是否等于24、分跟秒是否等于60，当满足这个条件时，都应清零。当秒等于60时，分要加1；当分达到60时，时要加1；当时为24时，所有清零。并且在最后要进行数据处理，送至数码管显示。

3.3.4 键扫描与处理程序流程框图

图12 键扫描与处理函数流程图

此流程中首先是键处理的功能，主要是保存键值。然后判断按下的键的键值，执行相应的功能。

3.3.5 键功能程序流程框图

图13 键1功能函数流程图

此流程图主要是判断键值为1的键按下几次，当按下为一次时，开定时器，时钟开始计时。当再按下一次时，关定时器。

图14 键2功能函数流程图

此流程图主要是说明键值为2的功能。当选择调整键选择时分秒中的一个，在按下键2时，选择调整位就会加1.当按下后一直不松开，那选择调整位会一直加1。同时，每加一次，都要进行判断是否达到了要清零的要求。

图15 键4功能函数流程图

此流程图主要是说明键值为8的功能。当键按下一次时，选择调整位为时，当按下两次时，选择位为分，如果按下了第三次，则选择调秒。

图16 键3功能函数流程图

此流程图主要是说明键值为4的功能。对选择位进行减1操作，每减一次，都要判断是否为零，如果为零，就要给它相应的初值。然后进行数据处理。3.4 设计课题软件程序清单

见附录E：软件程序清单。

4 设计结论、仿真结果、误差分析

4.1 设计课题的设计结论及使用说明

本设计为基于单片机的电子钟的设计。

设计中有三个按键，其中S1为启动/选择调整位置，S2为加控制键S3为减控制键，S4为功能选择位。

4.2 设计课题的仿真结果

图17 “P.”运行状态仿真

把程序导入仿真图中，数码管显示P.，如果不按任何键，数码管会一直显示P.，因为没有启动定时器，不会进行计数。

图18 启动仿真结果

按下启动键后，定时器开启，时钟从00时00分00秒开始计时。

图19 时钟运行状态仿真

如果不按停止键，时钟会正常计时，当秒等于60时，分会加1，同时秒会清零；当分加到60时，时会加1，分清零；当时加到24时，时清零。

4.3 设计课题的误差分析

本设计是有误差的，但是肉眼是看不到的。通过理论分析，有三种可能：

①主程序调用显示函数，延时函数，键扫描函数，CPU执行相关的函数时需要时间，造成误差。

②由计时方案产生的误差：本设计采用中断方式计时1秒，在理论上说，查询产生的误差比中断要小，并且用的是方式1，误差也会比较大。并且在程序设计中，cout作为计时1秒的重要参数，当cout满20次时计时一秒。此过程中，cout由0增加到20，代码执行需要一定的机器周期，产生误差。

③硬件系统：由于元器件的布局，PCB走线的不同，产生一定的干扰。特别是在晶振高频信号的作用下，硬件系统可能随之产生一定的误差。

4.4 设计体会

在本次课程设计中，经历了很长一段时间，老师很早就把课程设计的任务书发给了我们，然后给了我们很长的时间去选择自己要做的课题。理论知识的学习，老师的教导，加上实验课自己编程操作，让自己积累了很多经验。所以在这次设计中，从容地去解决遇到的问题，实在无法解决，就去问同学，跟同学一起讨论，上网百度相关知识。此次设计中，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

为期一学期的单片机课程学习就要结束了，经过本次课程设计后，才发现自己掌握的单片机很少很少。学习单片机技术不光学习单片机的理论知识，更要将其运用于生活实践当中。从当初做试验板，再到单片机实验，然后最后的电子钟课程设计。老师告诉了我们任务，期初是给我们制定了单片机学习要求。在理论授课中不断地教授我们相关设计的知识，督促我们完成任务。

本次的电子钟的软件设计中发现了很多问题。①在按键调整时间时，在没有释放键盘的状态下，数码管是灭的。在解决问题的过程中，我将问题定位在键扫描的缺陷。修改的方法是将键扫描程序中的延时函数用显示函数代替。这样，CUP在执行键扫描时一直在调用显示函数，以免造成CPU不送有效地时间数据，长按键盘数码管不显示的情况。②在时，分，秒的减1过程中，比如用时作为例子，当时减到0时，如果在减1时，本应该为23，但出现了乱码，在一次又一次的修改，调试中，才解决了这个问题。

有的时候，自己感觉已经掌握得差不多了，但是实际操作起来就有问题出现了。每次编写程序，都要把程序下载在实物中看结果，然后通过结果来分析我程序的错误跟漏洞，又或者是在KEIL软件中调试，查看哪里错误。非常感谢老师对我的教导跟帮助，同时也感谢同学对我的帮助，才能让我完成得比较顺利。在这次设计中，让我学到了很多，理论与实际是要相结合的，那样才会有完美的结果。

通过自己不断地努力，我的课程设计告一段落。在本次课程设计过程中，感谢我的学校，给了我学习的机会，在学习中，凌云老师从选题指导、论文框架到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议，老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。

这次课程设计是在老师的精心指导和大力支持下才完成的。感谢所有授我以业的老师，老师的指导跟教诲，让我掌握了知识，才有能力去攻克难关。感恩之余，诚恳地请各位老师对我的论文多加批评指正。同时，我感谢我身边的同学，朋友。在这个设计过程中，我遇到了很多困难，有了她们的帮助，我才能顺利的完成了相关的设计作业。

谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅的凌云老师表示衷心的感谢。

参考文献

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Liu WenXiu .Microcontroller Application System Simulation [J]Modernelectronic technology.2005,No.286

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Cao QiaoYuan.Microcontroller Theory and Applications [M], Beijing: ElectronicIndustry Press, 1997.7.

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Zhang Hongrun ,Lan Qinghua, MCU application technology tutorial [M], Beijing: singhua University Press, 1997.11.

[5]李广弟.单片机基础[M],北京:北京航空航天大学出版社，2007.100~154

Li Guangdi. microcontroller based on [M], Beijing: Beijing Aerospace University Press, 2007.100~154

附录附录A：电路原理图