基于51单片机的数字电子时钟设计课程设计.docx

课程设计任务书
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课程设计题目

实践教学要求与任务:
通过本课程设计使学生进一步巩固《智能仪表综合设计》的基本概念、理论、分析方法和实现方法；增强学生软件编程实现能力和解决实际问题的能力。
1、熟悉所确定的题目从问题需求,数据结构,程序结构,难点及关键技术等方面进行分析,形成系统的设计方案；
2、根据方案设计硬件电路；
3、软件编程并调试；
4、完成文档整理,按照软件工程的要求完成设计论文；
5、通过答辩的形式对程序的功能进行评价与验收。

工作计划与进度安排:
第12周-第13周：布置设计任务，查资料，完成总体设计框架，完善设计内容，系统调试，验收答辩。

指导教师：

年月日
专业负责人：

年月日
学院教学副院长：

年月日

17

摘要
数字钟因其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱，因此得到了广泛的使用。单片机为基础上设计出来的数字时钟数字钟，在日常生活中最常见，应用也最广泛。本次课程设计的时钟就是以STC89C52单片机为核心，配备LED显示模块、时钟模块、等功能模块的数字电子钟。采用24小时制方式显示时间。文章主要从硬件设计和软件编程两个大的方面。硬件电路设计主要包括中央处理模块、时钟模块，显示模块等几部分。时钟电路采用DS1302芯片，并选用LED显示器。软件方面用keil C语言来实现。软硬件配合，达到电子时钟精准的显示。

关键字：单片机，时钟模块，精准

目录
1绪论 2
1.1设计概述 2
1.2技术简述 2
1.3本课题的背景 3
1.4本课题的意义 3
2系统设计 4
2.1设计目的 4
2.2设计功能及要求 4
2.3设计思路 4
2.4硬件方案 4
2.4.1时钟芯片的选择 5
2.4.2显示屏的选择 5
2.4.3单片机的选择 5
2.5软件方案 5
2.6整体方案 6
2.7元器件清单 6
3硬件设计 7
3.1单片机最小系统 7
3.1.1时钟电路 7
3.1.2复位电路 8
3.2时钟电路 8
3.3电源电路 9
3.4系统整体电路 9
3.5系统仿真 10
3.6硬件制作 10
4软件设计 11
4.1程序设计步骤 11
4.2系统主程序 11
4.3时钟模块子程序 12
4.4显示模块子程序 12
4.5主程序 13
5联机调试 14
6总结 15
7参考文献 16

1绪论
1.1设计概述
在单片机技术日趋成熟的今天，其灵活的硬件电路和软件程序的设计，使单片机得到广泛的应用，从小的电子产品，到大的工业控制，单片机都起到了举足轻重的作用。
数字电子时钟是基于单片机和DS1302时钟芯片的一种计时工具。通过计数方式进行满六十秒分钟进一，满六十分小时进一，满二十四小时小时清零，从而达到精确地计时的功能
数字电子时钟是人民日常生活补课缺少的工具。具有体积小、功耗低、功能强、性价比高、易于推广应用的优点，在自动化装置、智能仪器表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。
1.2技术简述
数字电子时钟系统中用到的单片机是一种集成。在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
STC89C52单片机采取的半导体工艺，具有很多显著的特点，集成度高，体积小。内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。同时控制功能强、功耗小、电压低。外部总线采用串行总线连接，缩小了体积。并且其系统扩展和系统配置典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
时钟模块选取的DS1302芯片是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。
DS1302芯片工作电压为2.5V～5.5V。同时采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。具有用于高速数据暂存的 31×8 RAM，2引脚的串行 I/O，2.5-5.5V满度工作范围，用于时钟或RAM数据读写的单字节和多字节数据传送，双电源引脚，可选慢速充电至VCC1等特性。
1.3本课题的背景
1957年,Ventura发明了世界上第一个电子表，从而奠定了电子时钟的基础，电子时钟开始迅速发展起来。
本次课程设计是基于单片机的一种计时工具，采用延时程序产生一定的时间中断，用于一秒的定义，通过计数方式进行满六十秒分钟进一，满六十分小时进一，满二十四小时小时清零。从而达到计时的功能，是人民日常生活补课缺少的工具。
1.4本课题的意义
随着现代人类生活节奏的加快，人们越来越重视起了时间观念，可以说是时间和金钱划上了等号。对于那些对时间把握非常严格和准确的人或事来说，时间的不准确会带来非常大的麻烦，所以用液晶屏为显示器的时钟比指针式的时钟表现出了很大的优势。DS1302时钟芯片确定时间准确性更高，并且其成本相对更低。
现在高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟、石英钟、石英表都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调试，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用液晶显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。
同时在本次课程设计中，将再次熟悉和练习proteus工具软件的使用，复习KEIL C语言编程。对智能仪器仪表课程理论知识提供实践基础，并完善智能仪器仪表课程的知识结构，形成智能仪器仪表的全方位知识贯通。达到理论知识与动手实践相结合。

2系统设计
2.1设计目的
1、掌握电子时钟的基本工作方式。
2、熟悉DS1302芯片的特性。
3、通过使用各基本指令，进一步熟练掌握单片机的编程和程序调试。
4、制作一款廉价精准的电子时钟。
2.2设计功能及要求
1、液晶显示器可以精确显示动态时间。
2、单片机发送的信号通过程序控制液晶上显示。
3、单片机通过输出各种电脉冲信号来驱动控制各部分正常工作。
4、时钟走时与标准时间一致，可校对时间。
2.3设计思路
利用AT89C52单片机及DS1302时钟芯片的特点，设计一种基于DS1302单片机控制，再利用液晶显示的数字钟。本系统利用AT89S52作为CPU进行总体控制，采用晶振电路作为驱动电路，由延时程序和循环程序产生的一秒定时，达到时分秒的计时，通过DS1302时钟芯片获取准确详细的年、月、日、周、日、时、分、秒准确时间，对时钟信号进行控制，同时利用液晶显示芯片LCD1602对时间进行准确显示年、月、日、周、日、时、分、秒。
2.4硬件方案
硬件系统主要分为控制模块，时钟模块，显示模块三个部分。其中控制imokuai由STC89C52做为核心控制器，包括复位电路和晶振电路。时钟模块采用低功耗，高精准的DS1302芯片做为时钟芯片，辅以3V电池保证断电后时钟芯片继续计时。显示模块液晶显示器采用具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点的1602液晶显示器做为时间显示屏，通过总线与控制模块连接。
2.4.1时钟芯片的选择
由于使用单片机来实现电子万年历设计，无外接其他芯片，存在精度不够高，误差较大，掉电后丢失所有数据，软件编程较复杂的问题。所以决定采用一个实时的时钟和日历的时钟芯片，以便对一些实时发生事件记录时给予时标。DS1302时钟芯片具有功耗低、精确度高、软件程较简单，芯片的体积小、芯片成本低等，诸多优点，所以本设计采用DS1302作为实时时钟芯片。
2.4.2显示屏的选择
LCD1602具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，对比度可调、内含复位电路、提供各种控制命令等特点，完全满足本次设计的需要，因此选择用LCD1602作为显示器使用。
2.4.3单片机的选择
STC89C52单片机具有性价比高、集成度高、体积小、可靠性强、电压低、功耗小的特点。其把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力，适合在恶劣环境下工作。外部总线采用串行总线连接，系统扩展和系统配置典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。所以本设计采用STC89C52做为控制核心单片机。
2.5软件方案
软件程序采用KEIL C 语言编程，程序设置在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将十字节清零。当单片机不上电，单片机程序不执行，由3V电池继续为DS1302芯片供电，使时钟断电不断时。

2.6整体方案
主控制器
时钟电路
晶振电路
复位电路
液晶显示
系统设计利用单片机进行控制，采用DS1302作为实时时钟芯片，其三线接口SCLK、I/O、/RST与单片机进行同步通信，P1口用作触发开关的通信接口。使用单片机的P0口作为液晶显示屏的显示端口，液晶显示屏所显示的数据全都通过P0口接收与发送。系统结构框图如图1。
图1 系统结构框图
2.7元器件清单
系统需要SCT89C52单片机、DS1302时钟芯片等电子元器件，具体名称和型号如表1。
表1.元器件清单
序号
名称
型号
数量
1
单片机
STC89C52
1
2
时钟模块
DS1302模块
1
3
显示屏
LCD1602
1
4
排阻
1K
1
5
按键
4*4
2
6
瓷片电容
22pf
2
7
电解电容
20uf
1

3硬件设计
3.1单片机最小系统
51单片机是片内有程序存储器的单片机，要构成最小应用系统时只要将单片机接上外部的晶体或时钟电路和复位电路即可。如图2所示。这样构成的最小系统简单可靠，其特点是没有外部扩展，有可供用户使用的大量的I∕O线。
图2单片机最小系统
3.1.1时钟电路
STC89C51单片机内部的振荡电路是一个高增益反向放大器，引线X1和X2分别是放大器的输入端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。AT89C51的时钟产生方式有两种：内部时钟电方式和外部时钟方式。由于外部时钟方式用于多片单片机组成的系统中，所以本系统选用内部时钟方式，如图3所示.
图3片内振荡电路的时钟电路
内部时钟方式：利用其内部的振荡电路在X1和X2引线上外接定时元件，内部振荡电路产生自激振荡。最常用的是在 X1和X2之间接晶体振荡器与电路构成稳定的自激振荡器，其中晶振选用振荡频率为12MHz的石英晶体，电容器采用30PF。
3.1.2复位电路
单片机的REST引脚持续两个周期以上高电平则单片机所有的I/O口都将复位到“1”状态，编程地址计数器复位到000H，针对这一特点在按钮两端并联一10μf的电解电容，正极接电源，这样在按钮按下又释放后由于电容的充电可以在电阻两端维持至少两个时钟周期以上的高电平，电路如图4所示。
图4复位电路
3.2时钟电路
时钟电路DS1302与单片机的连接需要3条线：CE 引脚、SCLK 串行时钟引脚、I/O 串行数据引脚，Vcc2为备用电源，外接32.768kHz 晶振，为芯片提供计时脉冲。电路图如图5所示。
图5时钟电路
3.3电源电路
外接电源电路用于连接外部5V电源与电子时钟电路，通过自锁开关控制电路的导通与断开，当开关闭合时，电路导通，外部电源给电路正常供电，电子时钟正常工作。当开关断开时，电路停止工作。而二极管的亮灭与否就是看电路是否能正常的工作。电路图如图6所示。
图6电源电路
3.4系统整体电路
复位电路，晶振电路与单片机一起构成了控制电路。将显示屏按次序连接到单片机上，其他各部分电路按结构连接到一起，构成完整系统电路图，电路图如图7所示。
图7整体电路图
3.5系统仿真
使用proteus软件建立相应工程，加入各部原件并按系统电路图进行连接，制作系统仿真。系统仿真图如图8所示。
图8系统仿真图
3.6硬件制作
. 按照硬件电路设计的电路图，结合仿真进行硬件电路实物的搭建，在搭建过程中充分利用可活动的杜邦线进行电路的连接。硬件实物如图9所示。
图9硬件实物

4软件设计
4.1程序设计步骤
软件设计主要包括执行软件的设计和监控软件的设计。设计步骤如下所示。
1、 采用模块化程序结构设计软件，将整个软件分成若干功能模块。
2、绘制程序流程图。
3、根据流程图，编写源程序。
4、上机调试各模块程序。
4.2系统主程序
开始时，先对变量进行初始化，然后对DS1302进行处理，使其不具备写保护，这样才能给DS1302通信，使其能与单片机交换数据。给DS1302连续的脉冲，接着向1302内部写入地址，直至写完。最后由单片机与DS1302通信，读取DS1302内部的地址，直至读取完毕，然后单片机把所读到的数据传送给1602，使数据呈现在液晶屏上，这样，整个主程序流程图就完成了。主程序流程图如图10所示。
图10主程序流程图
4.3时钟模块子程序
Y
N
时钟模块子程序运行时程序先对DS1302时钟芯片进行初始化，使DS1302时钟芯片不受写保护，方便单片机对DS1302时钟芯片进行数据写入。在连续的脉冲作用下，单片机不断地将数据写入1302时钟芯片的地址中，直至需要调时时，这时改变后的数据会储存在1302时钟芯片新的地址上，读取时直接把新的数据传输到1602液晶显示屏上，即完成了调时。时钟模块子程序流程图如图11所示。
图11时钟模块子程序
4.4显示模块子程序
显示模块子程序启动时，程序首先对1602液晶显示屏进行初始化，然后检测单片机对1602液晶显示屏有没有进行数据写入。当单片机对1602液晶显示屏有数据写入时，1602液晶显示屏便读出数据并进行显示；当单片机对1602液晶显示屏没有数据写入时，则保持1602液晶显示屏一直处于等待的状态，直至单Y
N
片机对其有数据写入。显示模块子程序流程图如图12所示。
图12显示子模块流程图
4.5主程序
时钟采用KEIL C语言进行编程，按程序流程进行程序编写，时钟程序的主体部分如下：
main()
{
{ DS1302_GetTime(&CurrentTime);
DateToStr(&CurrentTime);
TimeToStr(&CurrentTime);
GotoXY(6,0);
Print(CurrentTime.DateString);
GotoXY(6,1);
Print(CurrentTime.TimeString);
Delay1ms(300);}
}

5联机调试
将写好的程序生成HEX文件，打开绘制好的proteus仿真图，将HEX文件下载到单片机中，点击运行按钮，程序正常运行，LCD1602准确的显示。Proteus仿真正确的显示动态时间，如图13所示。
图12调试结果
仿真运行正常后，将程序下载到单片机中，运行实物作品。结果出现液晶显示无法正常显示的问题。经过检查发现AT89C52的P0在进高电平时没有接上拉电阻导致LCD1602无法正常显示时间。于是进行修改电路，P0口接上拉电阻，再次运行程序后，液晶屏幕正常显示系统时间，如图13所示。
图13硬件调试结果

6总结
在这一次数字电子钟的设计过程中，很是受益匪浅。这为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。
通过这次课程设计我发现，只有理论水平提高了，才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。这个实验十分有意义我获得很深刻的经验，也知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。
我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。
7参考文献
[1]姜志海，陈艳雷，陈松。单片机的C语言程序设计与应用—基于PROTEUS仿真。电子工业出版社。2012。
[2]黄仁新，张琴。单片机原理与应用技术。清华大学出版社。2010。
[3]赵新民，王祁。智能仪器合计基础。哈尔滨工业大学出版社。2012。
[4]马秀丽，刘志李骏。C语言程序设计。清华大学出版社。2008。
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