基于单片机的电子时钟的设计报告

电子时钟设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

教研室（或答辩小组）及教学系意见

[摘要]随着科技的快速发展，时间的流逝,至从观太阳、摆钟到现在电子时钟，人类不断研究，不断创新纪录。美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能的低功耗实时时钟电路DS1302。它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能，而且DS1302的使用寿命长，误差小。对于电子时钟采用直观的数字显示，可以同时显示年、月、日、星期、时、分、秒和温度等信息，还具有时间校准等功能。该电路采用AT89C51单片机作为核心，功耗小，能在3V的低压工作，电压可选用3~5V电压供电。综上所述此电子时钟具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景。

[关键词]电子时钟；DS1302；单片机

The design of electronic clock

Zhang

（Grade12,Class02,Major of Communication Engineering，School of Physics

and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000,Shaanxi）

Tutor: Wu Yan

[Abstract]With the rapid development of science and technology, the passage of time, to now from the view of the sun, pendulum clock to electronic clock, human constantly research and innovation.DALLAS companies in the United States launched a trickling water can fine current charging low-power real-time DS1302 clock circuit. It can be for the year, month, day, week, time, minutes and seconds, also have a leap year compensation and other functions, and long service life of DS1302, small error. For electronic clock using intuitive digital display, can display year, month, day, week, at the same time, minutes and seconds, and when the information such as temperature, but also has time calibration, and other functions. The circuit A T89C51 single chip microcomputer as the core, small power consumption, able to work under 3 v low voltage, voltage can choose 3 ~ 5 v voltage supply. To sum up the electronic clock has read convenient, direct display, functional diversity, simple circuit, low cost, and many other advantages, in line with the development trend of electronic instruments and meters, has a broad market prospect.

[Key words] electronic calendar；DS1302；Single chip microcompu

1绪论

1.1单片机的定义

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一个小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分单片机还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来，最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小、更容易集成于复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳[1]。

单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，它的应用已经渗透到各种嵌入式系统中。可以毫不夸张地说:掌握单片机技术是电子信息类专业学生就业的一个重要条件。同时单片机技术又是一门实践性很强的学科。只有我们不断地通过实践研究才能学习好单片机课程。

1.2 单片机分类

按照单片机的类型，单片机有：（1）51系列单片机，为首推系列单片机。其中首推Intel 公司的单片机4K字节的一次性程序存储器（OTP）。（2）具有ISP功能的单片机，ISP 功能基于单片机的电子时钟的设计够实现在系统可编程，可以省去通用的编程器，单片机在用户板上即可下载和烧录用户程序，而无需将单片机从生产好的产品上取下。（3）PIC系列单片机，PIC单片机系列是美国微芯公司（Microship）的产品，CPU采用RISC结构，具有精简的指令集。PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。具有在线调试及编程（ISP）功能。（4）AVR单片机：AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机）其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。AVR型号的管脚，与对应的51系列兼容。（5）AT89S52 单片机：AT89S52是一种低功耗、性能高具有8K 在系统可编程Flash存储器，向下完全兼容51子系列

1.3 单片机的特点

单片机是以工业测控对象、环境、接口特点出发向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性方向发展。主要特点如下：

·种类多，型号全

·提高性能，扩大容量，性能价格比高

·增加控制功能，向真正意义上的“单片”机发展·低功耗

1.4单片机的应用领域

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域[2]

，大致可分如下几个范畴：·在智能仪器仪表上的应用

·在工业控制中的应用·在家用电器中的应用

·在计算机网络和通信领域中的应用·单片机在医用设备领域中的应用·在各种大型电器中的模块化应用

此外，单片机在金融，科研、教育航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

采用以上方案具有以下优势:从经济性、可移植性、可推广性角度讲，建立这样的课程设计平台是非常有意义的;利用仿真系统，可以节约开发时间和开发成本，同时具有很大的灵活性和可扩展性。

为了更好地学习单片机，我们采用Proteus软件与Keil软件整合构建单片机虚拟实验平台。首先我们要在PC上利用Proteus软件自己搭建硬件电路，并利用系统提供的功能完成电路分析、系统调试和输出显示的硬件设计部分;同时在Keil软件中编制程序，进行相应的编译和仿真，完成系统的软件设计部分。当系统的设计工作完成后，就可以在PC上看到最终的运行效果。最后再通过proteus设计PCB，再完成真正硬件的调试。

1.5电子时钟的特点及应用领域

时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。在一个单片机的应用系统中，时钟有两方面的含义：一方面是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢[3]；另一方面是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，一是用专门的时钟芯片实现。

数字钟能长期、连续、可靠、稳定地下作;同时还具有体积小，功耗低等特点，便于携带，使用方便。同时由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表.钟表的数字化给人们生产生话带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能，数字钟是采用数字电路实现对‘时、分、秒”数字显示的计时装置。使得电子时钟广泛应用于个人家庭、车站、码头、办公室等场所的各个角落，已成为人们口常生话中不可缺少的必需品

传统的数字电子时钟采用了较多的分立器元件，不仅占用了很大的空间而且利用率也比较低，随着系统设计复杂度的不断提高，用传统时钟系统设计系统设计方法很难满足设计需求。

美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能的低功耗实时时钟电路DS1302。它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能，而且DS1302的使用寿命长，误差小。对于万年历采用直观的数字显示，可以同时显示年、月、日、星期、时、分、秒和温度等信息，还具有时间校准等功能。

单片机是集CPU RAM ROM 定时器计时器和多种接口于一体的微控制器。它体积小，成本低，功能强，它广泛应用于智能产品和工业自动化上，二51系列的单片机死各种单片机中最为典型和具有代表性的一种。该电路采用AT89C51单片机作为核心，功耗小，能在3V 的低压工作，电压可选用3~5V电压供电。综上所述此万年历具有读取方便、显示直观、功能多样、电路简洁、成本低廉等诸多优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场前景[1]。电子万年历可以很好的取代时钟，它既结合了时钟的功能又带有日期的显示同时还有温度的检测，可以说集多功能在一身的电子设备。它符合了现代元素的气息，具有与时俱进的优点。

今天随着科技的不断进步电子万年历的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现时钟显示功能，为了避免功能单一导致资源的浪费。随着数字芯片的发展，电子万年历诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。

2.系统方案

电子时钟是一种时间显示的工具，其功能如图1.1所示，主要有以下四部分：（1）具有年、月、日、星期、时、分、秒等功能；（2）具备年、月、日、星期、时、分、秒校准功能；电子万年历的系统方案可以分为以下两种方案：

显示时间和日期

时间调整功能

图 2.1电子万年历实现功能

采用DS1302实现电子时钟源功能，采用LCD12864液晶屏实现电子时钟的显示功能。当时钟信号通过A T89S51单片机读入并送入显示屏时，通过按键检测程序和中断实现了年、月、日、星期、时、分、秒的修改，时钟芯片DS1302设定的初始时间为2015年11月16日星期二08时08分08秒。

3.方案选型

3.1方案一

单片机DS1302的使用非常方便，而且价格便宜而数码管显示的也很清楚，特别是显示时间很直观。但在制作过程中我们发现了这方案的一些问题。DS1302是不自带电池，虽然可以通过外接纽扣电池来达到断电走时继续的目的，但在实际调试中会发现这是比较困难的。

因为DS1302上电需要复位，而复位就会把正确的走时清零。如果不复位，DS1302会出现各种各样的问题，如不走时、读出乱码等。要解决这个问题需要增加如2402等存储器，上电后先存储时间值，再复位。这么做无疑增加了电路设计和软件设计的复杂度。而使用数码管显示，虽然价格也便宜，显示效果好，但多位的数码管在动态扫描的时候会出现闪烁。如果少用几位，用切换的方法查看日期，时间等信息又显得麻烦。

3.2 方案二

DS12C887时钟芯片功能丰富价格适中，能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒以及时间模式转换等的时间信息，芯片内部增加了世纪存储器，从而利用硬件电路解决了“千年”的问题。DS12C887时钟芯片中还自带有锂电池，单片机掉电后时钟芯片内部的时间信息可以保持十年之久1602LCD液晶屏可以输出2行，每行显示16个字符。虽然1602LCD液晶屏较昂贵，但是该液晶屏显示清晰且不会闪烁，由于液晶屏是数字式的，因此和单片机系统的接口简单，操作方便。1602LCD液晶屏的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多，功耗较低。以上两种元件的程序编写简单，适用于多方面的应用。现在主流的显示模块主要有两种：LED数码管动态扫描和12864液晶显示屏。两者比较而言，各有优缺点。有两种方案可供选择。

3.3方案三

SD2068实时时钟芯片功能更加丰富，它除了具备有DS12C887时钟芯片的功能，另外还内置时钟精度数字调整功能，可以在很宽的范围内校正时钟的偏差；内置上电复位电路及指示位；内置电源稳压内部计时电压可低至1.5V。该芯片为工业级产品，是在选用实时时钟IC时的理想选择。但是该芯片是一款新型的芯片，使用并不广泛，操作不方便，可能会出现芯片不稳定等的因素时钟芯片是唯一的时钟信号源，直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。采用此种方法虽然减少芯片的使用，节约成本，但是，实现的时间误差较大。另一种是采用DS1302时钟芯片实现时钟。DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高位的RAM做为数据暂存区，工作电压2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300nA[2]。综上所述，采用DS1302芯片作为时钟信号源

。

3.4电路设计最终方案决定

综上各方案所述,以STC89C51为主控芯片，DS12C887为时钟芯片，1602LCD液晶屏作为显示器。程序控制DS12C887时钟芯片实现小时,分,秒和年,月,日的计时，并在1602LCD 液晶屏上显示出来。通过按键对12小时/24小时显示模式切换。当时间走到程序所设定的时间时，蜂鸣器响起，起到闹铃功能。当要秒表计时时，可以通过按键切换来实现对此次作品的方案选定为采用A T89S51作为主控制芯片，DS1302提供时钟信号,LCD12864作为显示。

4.系统的设计与实现

4.1电路系统设计

本电路系统是由A T89S51单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，能在3V超低压工作；时钟电路由DS1302提供，它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。可产生年、月、日、星期、时、分、秒，具有使用寿命长，精度高和低功耗等特点[3]；显示部份由12864液晶显示屏构成。其系统框图如图4.1所示，主要分为三个模块。

键盘模块DS1302时钟模块

图4.1系统框图

4.2系统硬件设计

4.2.1单片机最小系统设计

单片机的最小系统如图4.2所示,单片机最小系统如下图1-1所示：

图4.2

以STC89C51单片机为核心，选用12MHZ的晶振，由于晶振的频率越高，单片机的运行速度就越快但考虑到单片机的运行速度快会导致对存储器的要求就会变高，因此12MHZ晶振

为最佳选择。外接电容的值虽然没有严格的要求，但是外接电容的大小会影响振荡器的频率高低、振荡器的稳定性和起振的快速性，因此我们选用30pF的电容作为起振电容。复位电路为按键高电平复位，当按键按下，RES端为高电平，当高电平持续4us的时间就可以使单片机复位

4.2.2电源供电电路设计

电源供电电路如下图4.3

如图4.3

所示为DS1302的引脚排列，其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2给DS1302供电[5]。

4.2.3时钟芯片电路设计

时钟芯片电路设计如下图4.4

图 4.4

我们采用DS12C887时钟芯片定时及计时功能，DS12C887时钟芯片共需要13条信号线。GND、 VCC：直流电源，其中VCC接+5V输入，GND接地，当VCC输入为+5V时，用户可以访问DS12C887内RAM中的数据，并可对其进行读、写操作；当VCC的输入小于+4.25V 时，禁止用户对内部RAM进行读、写操作，此时用户不能正确获取芯片内的时间信息；当VCC的输入小于+3V时，DS12C887会自动将电源发换到内部自带的锂电池上，以保证内部的电路能够正常工作 MOT：模式选择脚。SQW：方波输出脚，当供电电压VCC大于4.25V 时，SQW脚可进行方波输出。AD0～AD7：复用地址数据总线，该总线采用分时复用技术，在总线周期的前半部分，出现在AD0～AD7上的是地址信息，可用以选通DS12C887内的RAM，总线周期的后半部分出现在AD0～AD7上的数据信息 AS：地址选通输入脚。DS/RD：数据选择或读输入脚，该引脚有两种工作模式，当MOT接VCC时，选用Motorola 工作式在这种工作模式中，每个总线周期的后一部分的DS为高电平在读操作中，DS的上沿使DS12C887将内部数据送往总线AD0～AD7上，以供外部读取在写操作中，DS的下降沿将使总线AD0～AD7上的数据锁存在DS12C中。当MOT接GND 时，选用Intel工作模式，在该模式中，该引脚是读允许输入脚 R/W：读写输入端，该管脚也有2种工作模式，当MOT接VCC时，R/W工作在Motorola模式CS：片选输入，低电平有效IRQ：中断请求输入，低电平有效，该脚有效对DS12C887内的时钟、日历和RAM中的内容没有任何影响，仅内部的控制寄存器有影响，在典型的应用中，RESET.

5 系统的软件设计

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。

运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。本次设计，软件采用Keil 进行软件的编写。

5.1系统程序设计

结合设计的硬件配置，对实现电子万年历的整个流程做了统筹设计，如图4.5所示为系统总流程图。它分为读、写日期、时间和温度部分，显示子程序。通过DS1302提供的时钟源，可以精准的显示日期和时间[6]。

图 4.5 主程序流程图

5.2 子程序的设计

有了系统总流程图以后，接下来就是DS1302时钟程序，跟系统一样首先也要进行初始化，然后把数据送入液晶屏显示，若此时需要时间修改要将数据送入时钟芯片[7]。时钟流程图如图4.2所示。当中断开启，通过读取时钟芯片DS1302的时间，将数据发送到液晶显示12864中，并最终显示时间和日期。当有按键按下时，看是否修改时间，并通过相应的按键选择要修改的年、月、日、星期、时、分、秒。通过加和减按键来修改响应的时间，并送入时钟芯片，在送入液晶显示时间。时钟芯片DS1302设定的初始时间为2015年9月22日星期二08时08分08秒。

图5.1 时钟流程图

通过检测是否有按键按下，调整日期和时间，其程序流程图如图4.3所示。当检测有年的按键按下时，通过加减按键来整年份，当有月的按键按下时，等待加减按键的按下，来调整月。当日控制键有效的时候，检测加减按键的按下来调整日期。同理，当相应的控制键有效的时候，通过检测加键和减键的有效来达到调整日期的目的。