数字电子时钟
数字电子时钟
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
电子综合应用课程设计报告
题目：电子数字时钟
专业14应用电子技术
班级4班
姓名
学号
指导教师
电子工程系
2016年1月2日
目录
摘要 (3)
一、设计任务与要求 (3)
二、方案设计与论证 (4)
方案一 (4)
方案二 (5)
三、硬件单元电路设计与参数计算 (5)
1. 电源电路 (5)
2. 按键电路 (5)
3. 时钟电路 (5)
4. 驱动电路 (6)
5. LED显示电路 (6)
6. 单片机电路 (7)
四、软件设计与流程图 (10)
五、总原电路及元器件清单 (10)
1．总原理图 (10)
2．PCB制板图 (11)
3．整体电路仿真图 (12)
4．元件清单 (12)
六、安装与调试 (13)
1. 电路安装 (13)
2. 电路调试 (13)
3. 软件调试 (13)
七、性能测试与分析 (14)
八、结论与心得 (15)
九、参考文献 (16)
摘要
本论文基于单片机原理技术介绍了一款于STC15F204EA单片机作为核心控制器
的单片机数字电子钟的设计与制作，包括硬件电路原理的实现方案设计、软件程序编辑的实现、数字电子钟正常工作的流程、原理图仿真实现、硬件实物的安装制作与硬件实物的调试过程。该单片机数字电子钟采用LED 数码管能够准确显示时间（显示格式为：时时，分分），可随时进行时间调整，时间可采用12 小时制显示或24 小时制显示，采用12 小时显示时可在标志位数码管上显示A （表示上午）或B（表示下午），可暂停时间的变动,暂停时一位数码管上显示字母H，可按自己的要求设置扩展的小键盘个数。
关键词：单片机；数字电子钟；数码管；STC15F204EA
一.设计任务与要求
1、设计任务
用单片机设计一个数字电子钟，采用LED 数码管来显示时间。
2、设计要求
（1）显示格式为：XX ：XX ：XX ， 即：时：分。
（2）时间可采用12 小时制显示或24 小时制显示，采用12 小时显示时必须 在另外一个数码管上显示A （表示上午）或B （表示下午）。
（3）设置一个按键用于时间显示方式的切换。
（4）系统上电后从上电时初始化显示: 8：00开始计时。
（5）能进行时间的调整，可暂停时间的变动,暂停时一位数码管上显示字母H
可按自己的要求设置扩展的小键盘个数。
二.方案设计与论证
图1 系统整体框图
整个系统用单片机作为中央控制器，由单片机执行采集芯片内部时钟信号，时钟信号通过单片机I/O 口传给单片机，单片机模块控制驱动模块驱动显示模块，通过显示模块来实现信号的输出、LED 的显示及相关的控制功能。系统设有按键模块用于对时间进行调整及扩展多个小键盘，系统整体框图如图1所示。
1.单片机芯片选择方案
方案一：STC15F204EA 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash 只读程序存储器。主要性能有：与MCS-51单片机产品兼容、全静态操作：0Hz ～33Hz 、 三级加密程序存储器、32个可编程I/O 口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工UART 串行通道、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符、易编程。
方案二;STC15F204EA 是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM ）。主要性能有：兼容MCS51指令系统、32个双向I/O 口、256x8bit 内部RAM 、3个16位可编程定时/计数器中断、时钟频率0-24MHz 、2个串行中断、可编程UART 串行通道、2个外部中断源、6个中断源、2个读写中断口线、3级
单片机模块
驱动模块
按键模块
LED 显示模块
时钟模块 电源模块
加密位、低功耗空闲和掉电模式、软件设置睡眠和唤醒功能。
从单片机芯片主要性能角度出发，本数字电子钟单片机芯片选择设计采用方案一。
2.数码管显示选择方案
方案一：静态显示。静态显示，即当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或截止。该方式每一位都需要一个8 位输出口控制。静态显示时较小电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但因当所需显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口数较大，造成资源的浪费。
方案二：动态显示。动态显示，即各位数码管轮流点亮，对于显示器各位数码管，每隔一段延时时间循环点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但须保证扫描速度足够快，人的视觉暂留功能才可察觉不到字符闪烁。显示器的亮度与导通电流、点亮时间及间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了I/O口，降低了能耗。
从节省单片机芯片I/O口和降低能耗角度出发，本数字电子钟数码管显示选择设计采用方案二。
3.数码管驱动选择方案
方案一：上拉电阻驱动方式。数码管段码与接有上拉电阻的单片机芯片I/O 口相连，通过编程，单片机芯片即控制段码电平的高低。该方式经费低，但实物制作较复杂。
方案二：74LS245芯片驱动方式。数码管段码与74LS245芯片B口相连，74LS245芯片A口与单片机芯片I/O口，通过编程，单片机芯片即可控制段码电平的高低。该方式实物制作简单，增强驱动数码管段码能力。
从实物制作简易程度与驱动数码管段码能力角度出发，本数字电子钟数码管驱动选择设计采用方案二。
三.硬件单元电路设计与参数计算
1、电源电路
本数字电子钟设计所需电源电压为直流、电压值大小5V的电压源。从硬件实物设计简易程度与经费方面考虑，用两节电压值大小2.5V干电池与电路电压源引脚相连接即可达到硬件设计要求。即本数字电子钟设计用两节电压值大小2.5V干电池做硬件电路电压源。
2、按键电路
本数字电子钟设计所需按键用于进行显示时间的调整与设置扩展的小键盘。单片机芯片4个I/O口可与按键直接相连，通过编程，单片机芯片即可控制按键接口电平的高低，即按键的开与关，以达到用按键进行显示时间的调整与设置扩展的小键盘的设计要求。
3.时钟电路
单片机芯片可使用内部时钟电路和外部时钟电路两种方式产生电路所需的时钟脉冲，内部时钟电路实现可用石英晶体和微调电容外接即可
达到，外部时钟电路实现需要一个外部脉冲源引入脉冲信号以保证个单
片机之间时钟信号的同步。从硬件实现难易角度考虑，内部时钟电路的
实现比外部时钟电路的实现更简易。既本数字电子钟设计所需的时钟源
采用内部时钟电路实现。所用定时方式为工作方式1，石英晶振为12M，即最小定时时间为1us，最大定时时间约为65.5ms，其电路图如下图2
所示。
图2 时钟电路图
4.驱动电路
从实物制作简易程度与驱动数码管段码能力角度出发，本数字电子钟设计采用数码管段码与DS1302芯片B口相连，DS1302芯片A口与单片机芯片I/O口，通过编程，单片机芯片即可控制段码电平的高低的方式实现数码管段码控制，DS1302芯片图如下图3所示。
图3 DS1302芯片图
5.LED显示电路
数字电子钟设计的显示模块用8个一位数码管实现，也可用两个四位一体数码管实现。两种实现方式实现效果一样。从实物制作的难易程度出，本数字电子钟设计采用两个四位一体数码管实现。即数码管引脚与单片机芯片和DS1302对应引脚相连接。
6.单片机电路
本数字电子钟设计采用STC15F204EA单片机芯片作为中央控制器，实现信号的输出、LED的显示及相关的控制功能。
四.软件设计与流程图
1、数字电子时钟主程序流程图 主程序流程图如下图图4所示。
图4 数字电子时钟主程序流程图
2、中断服务程序流程图
MAIN 定义堆显示缓冲调用显示
定时器0工装载计定时开开中断 设置循
等待
开
中断服务程序流程图如下图图5所示
。
图5 中断服务程序流程图
3、显示子程序流程图
Y
是否显示缓冲单元
返回
N
Y
是否小时加1 分值加1 N
计数器重新循环次是否是否秒值加1 N
开
显示子程序流程图如下图图6所示。
图6 显示子程序流程图
五. 总原电路及元器件清单
DISPLA
秒
秒值按键按
分值按键按
小时按键按
切换
Y
N
小时
N
Y 标志位
标志位显
分离秒值显示分十分离小时显示秒十分离分值显示小时
分
时
暂停键按
显Y Y Y
Y 开
1．总原理图
最小系统控制原理图如下图图7所示, 数码管原理图如下图图8所示。
图7 最小系统控制原理图
图8数码管原理图
2．PCB制板图
数码管PCB图如下图图9所示，最小系统控制PCB图如下图图10所示。
3．整体电路仿真图
整体电路仿真图如下图图11所示。
图11整体电路仿真图
4．元件清单
元器件清单产品型号和名称
电子时钟
序
号
名称型号、规格数量位号备注
1 电阻510Ω 5
R1\R2\R3\4R15
脚位随意（不分正负）4.7K 4
R5\R6\R7\R8
脚位随意（不分正负）4.7K 4
R9\R10\R11\R12
脚位随意（不分正负）10K 2
R12\R14
脚位随意（不分正负）
2 热敏电阻 1 NTC 小黑头脚位随意（不分正负）
3 光敏电阻 1 TEMP 脚位随意（不分正负）
4 轻触按键 2 S1\S2 (按丝印放置)
5 电池扣3V 1 BATE (按丝印放置)
6 无极电容10P 2 C1\C2
脚位随意（不分正负）
7 无极独石
电容
104 1 C3 脚位随意（不分正负）
8 三极管S8550 6 Q1\Q2\Q3\Q4\Q5\Q6 (按丝印放置)
9 时钟芯片DS1302 1 U1 注意IC方向（按丝印放置）
10 单片机STC15F204E
A
1 MCU 注意IC方向（按丝印放置）
11 圆柱晶振32.768 1 XTAL1 脚位随意（不分正负）
12 蜂鸣器5V有源 1 BEEP1 长正短负（按丝印层放置）
13 电源插座 1 DC-IN1 （按丝印层放置）
14 继电器SRD-05VDC 1 K1 （按丝印层放置）
15 接线端子3P 1 P1 （按丝印层放置）
六安装与调试
1. 电路安装
安照电路原理图把元器件安装到已打好的铜板对应的位置，把个元器件固定在铜板后，用导线把对应的元器件的引脚相连接，再用焊锡焊接好即可。
注意事项：（1）元器件的布局应尽量集中，且各个元器件间引脚的连线应尽量短、不弯曲，跳线尽量少。（2）各个元器件引脚的焊接不要虚焊。
2. 电路调试
把相应编译好的目标程序代码加载到单片机芯片STC15F204EA，可接上5V电压源即开始进行硬件电路的调试工作。如果显示结果不符合设计要求，即检查电路各连接点是否正确连接，再次进行硬件电路的调试工作，或是检查代码程序是否符合硬件电路的设计，若有错即进行相应的修改，编译后，再进行硬件电路的调试工作。如此反复操作，直到调试出正确结果。
3. 软件调试
（1）在计算机上运行程序调试软件Keil，进行程序调试，若显示0错误（S）,0警告（S）即证明程序代码正确。
（2）在Proteus软件画好的电路原理图中加载程序代码到单片机芯片STC15F204EA中，进行模拟仿真。若出现错误，查看错误后进行相应修改再进行调试与模拟仿真，直到调试出正确结果。
七、性能测试与分析
1、系统上电后进行功能的测试，通过测试观察到，系统上电后数码管上显示时
间
8:00
图12 实物图一
接着按下K1按键调整时间小时数的显示，即小时加1，按下K2按键调整时间分钟数的显示，即分钟加2，按下K2按键调整时间分数的显示，即分数加2，实物图二如下图图13所示。
图13 实物图二
八、结论与心得与过程照片
1、结论
本单片机数字电子钟系统的功能基本符合显示格式为：XX：XX：即时：分。时间可采用12 小时制显示或24 小时制显示，采用12 小时显示时必须在另外一个数码管上显示A（表示上午）或B（表示下午）。设置一个按键用于时间显示方式的切换。系统上电后从上电时初始化显示: 12-00-00开始计时，能进行时间的调整，可暂停时间的变动,暂停时一位数码管上显示字母H，可按自己的要求设置扩展的小键盘个数设计任务的要求，经过测试数据显示, 系统的
可靠性已经基本能够达到实际电子钟的设计要求，同时本单片机数字电子钟系统具有扩展性。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现实际问题、提出实际问题、分
析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际学习能力、动手能力的具体训练和考察过程。
在此次数字钟设计过程中, 在学习新知识的同时，把在课程中学到的理论知识运用到实际作品设计、操作中，更进一步地熟悉了单片机芯片的结构及掌握了其工作原理和具体的使用方法与相关元器件的参数计算方法、使用方法，了解了电路的开发和制作及课程设计报告的编写。加深了对相关理论知识及专业知识的掌握度，增强自身的动手能力，锻炼及提高了理解问题、分析问题、解决问题的能力，更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，进一步掌握画图软件的使用和提高相应的画图操作水平及技巧。
2、照片
九、参考文献
【1】胡宴如主编.《模拟电子技术基础》.高等教育出版社.2011年
【2】张克农主编.《数字电子技术基础》.高教出版社出版.第二版.2010年
【3】彭介华主编.《电子技术课程设计指导》.高教出版社出版.第一版.2002年
【4】华中工学院电子学教研室编，康华光主编《电子基础—数字部分》（第四版）北京高等教育出版社。
【5】江世明主编《单片机原理及应用》上海交通大学出版社
【6】熊幸明主编《电子电工技术基础》北京电子工业出版社
《电子综合应用课程设计》成绩评定表课题名称：数字电子时钟课程设计
班级14电子4 学号7 姓名指导教师
实际制作完成情况
项目内容（满分50分）得分
1、元器件整体布局（10分）
2、焊接工艺（10分）
3、按要求完
成情况
（共30分，指
导教师根据课
题自制评分项
目）
A、元件识别（10分）
B、万用表使用（10分）
C、元件检查（10分）
D、（此项分）
E、（此项分）
设计总结报告
项目内容（满分50分）得分
1、系统方案选择与总体设计论述（10分）
2、系统分析与设计（先进性、科学性、完整性）（10分）
3、系统调试、性能参数测量与误差分析（10分）
4、总结报告内容（内容完整、层次分明、论述充分、结构严谨、条理
清楚、文字通顺）（15分）
5、总结报告撰写规范性（5分）
合计
综合评定等级：
指导教师签名：
年月日