自动化专业综合设计报告
设计题目：基于51单片机的数字钟的设计
所在实验室： 单片机仿真模拟实验室
指导教师： 孙红霞
学生姓名 律迪迪
班级 文自0921 学号 200990519114
撰写时间： 2013.3.2 成绩评定：
一、设计目的
电子钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命。电子钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧院、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大地方便。本设计主要采用AT89C2051单片机作为主控核心， LED动态扫描显示屏显示。数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，另外应有校时功能和闹钟等附加功能。与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。
AT89C2051是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128B的随机数据存储器（RAM），器件采用Atmel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，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。AT89C2051单片机电压可选用4-6V电压供电；显示器采用LED数码管来显示，数码管成本低廉，系统不但接口设计简单、便于控制，而且具有很好的人机界面，可以对当前的时间进行调整。
二、设计内容
用PROTEUS画出原理图，并完成下列任务：
⑴ 用4只LED数码管输出显示时和分。
⑵ 可通过按键设置闹钟功能，且停闹无须手工操作。
⑶ 可通过按键设置分校时。
(4) 写出详细的设计报告。
（5）给出电路的原理图、源程序，仿真实现。
三、设计步骤
利用以AT89C2051为核心的芯片来实现多功能的数字钟。本次设计的多功能数字钟采用按钮方式对时间进行控制设置，采用七段数码管显示当前的时间，且时间以24小时的计时方式，在本次设计中，电路不仅具有显示时间，还可以实现对它们的调整。
该系统是利用单片机最小系统再加上数码管、时钟芯片等电路组成。基于单片机作为主控芯片很容易控制操作，况且输入输出能很好的扩展，以便于修改更正。
1 系统主要功能
电子钟的主要功能有：整点报时；四只LED数码管显示当前时分；并且具有闹钟功能。
2 系统的硬件构成及功能
电脑钟的原理框图如图1所示。它由以下几个部件组成：单片机89C20##、电源、时分显示部件。
时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。时分显示模块以及显示驱动都通过89C2051的I/O口控制。
电源部分：电源部分有二部分组成。一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作。
2．1 AT89C2051单片机及其引脚说明
AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3所示。与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。
图2 AT89C2051引脚配置
AT89C2051芯片的20个引脚功能为：
VCC 电源电压。
GND 接地。
RST 复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。
XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2 来自反向振荡放大器的输出。
P1口 8位双向I/O口。引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。
P3口 引脚P3.0～P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流； P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
2．2 时分显示部件
由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。LED有共阴极和共阳极两种。如图7所示。
二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。
图3 LED数码管结构原理图
众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的转换。从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。各段码位与显示段的对应关系如表1。
表1 各段码位的对应关系
需说明的是当用数据口连接LED数码管a～dp引脚时，不同的连接方法，各段码位与显示段有不同的对应关系。通常数据口的D0位与a段连接，D1位与b段连接，……D7位与dp段连接,如表1所示，表2为用于LED数码管显示的十六进制数和空白字符与P的显示段码。
注：（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。
（2）“空白”字符即没有任何显示。
根据AT89C2051单片机灌电流能力强，拉电流能力弱的特点，我们选用共阳数码管。将AT89C2051的P1.0～P1.7分别与共阳数码管的a～g及dp相连，高电平的位对应的LED数码管的段暗，低电平的位对应的LED数码管的段亮，这样，当P0口输出不同的段码，就可以控制数码管显示不同的字符。例如：当P0口输出的段码为1100 0000，数码管显示的字符为0。
数码管显示器有二种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。
为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。动态扫描显示方式需解决多位LED数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的“段控”（即要显示的段码的控制）通过P1口实现；而每一位的公共端，即LED数码管的“位控”，则由P3口控制。这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。在本系统中,字位线的选通与否是通过PNP三极管的导通与截止来控制,即三极管处于“开关”状态。
系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成，前两只用于时的显示，后两只用于分的显示。值得一提的是，在设计中需要实现时与分之间的两个闪烁点，为此，将第三只LED数码管倒置摆放，这样就形成了两个很自然的闪烁点。与此同时，为了能使两点显示能够形象的表示时钟“秒”的变化，设计时，将两个点由P1.7单独控制，每隔一秒使P1.7发送一个正脉冲，从而实现了两个点的闪烁显示，闪烁周期为一秒。
3 系统的软件构成及功能
本系统的软件系统主要可分为主程序和定时器中断程序两大模块。在程序过程中，加入了抗干扰措施。下面对部分模块作介绍。
3．1 系统主程序设计
主程序的功能是完成系统的初始化，程序流程如图4所示。
3．2 中断程序设计
中断程序(如图5所示)完成时间计数，时间调整，误差消除等功能。中断采用AT89C2051内部T0中断实现，定时时间为125ms，当时间到达125ms×8,即1分钟时，分计数缓冲器MINBUFFER增加1，到达1小时，则时计数缓冲器HOURBUFFER增加1，并将分、时的个位、十位放入显示缓冲器。当分计数缓冲器和时计数缓冲器分别到达60min、24h时，则对它们清零，以便重新计数。在中断设计中，还通过软件实现了累计误差消除功能，使整个系统时间的精确度得到保证。
图4 系统主程序流程图
图5 定时中断程序
四、硬件图
硬件连接图以及仿真现象图
五软件程序
#define LEDS 4
#include "reg51.h"
//头文件包含
#define uchar unsigned char //宏定义
#define uint unsigned int
#define ON 1 //定义0为打开
#define OFF 0 //定义1为关闭
#define LEDBus P1 //定义p1口为数码管段码口
sbit MIAO =P1^2; //秒点
sbit HOU_S=P3^0; //时十位位选
sbit HOU_G=P3^1; //时个位位选
sbit MIN_S=P3^2; //分十位位选
sbit MIN_G=P3^3; //分个位位选
sbit H_KEY=P3^5; //时调整键
sbit M_KEY=P3^7; //分调整键
sbit BEEP=P3^4;
bit SHAN; //闪烁标志位
uchar second,minute,hour; //定义秒、分、时寄存器
uchar code LEDTab[]={0x14,0xd7,0x4c, //数码管段码表0--9
0x45,0x87,0x25,0x24,0x57,0x04,0x05};
void delay(uchar t); //延时函数
void init(); //初始化函数
void display(); //显示函数
void min_tiao(); //分调整函数
void beer();
void hou_tiao(); //时调整函数
/***************************************
函 数 名：main
功 能：主函数
说 明：
入口参数：无
返 回 值：无
****************************************/
void main()
{
init(); //调用初始化函数
while(1) //主程序循环
{
if(!H_KEY) hou_tiao(); //如果时调整键按下（为0），调用时调整函数
if(!M_KEY) min_tiao(); //如果分调整键按下（为0），调用分调整函数
if(minute==0) beer();
display(); //调用显示函数
}
}
/***************************************
函 数 名：init
功 能：初始化函数
说 明：初始化定时器及中断
入口参数：无
返 回 值：无
***************************************/
void init()
{
TMOD=1;TH0=0X3C;TL0=0XB0; //定时器0模式1，50毫秒
ET0=1;TR0=1;EA=1; //开定时器0中断、启动定时器0、开总中断
}
/***************************************
函 数 名：display
功 能：显示函数
说 明：
入口参数：无
返 回 值：无
***************************************/
void display()
{
LEDBus=LEDTab[minute%10]; //分个位送数码管显示
MIAO=SHAN; //秒点闪烁
MIN_G=ON; //打开分个位位选
delay(1); //显示1毫秒
MIN_G=OFF; //关闭分个位位选
LEDBus=LEDTab[minute/10]; //分十位送数码管显示
MIAO=SHAN; //秒点闪烁
MIN_S=ON; //打开分十位位选
delay(1); //显示1毫秒
MIN_S=OFF; //关闭分十位位选
LEDBus=LEDTab[hour%10]; //时个位送数码管显示
HOU_G=ON; //打开时个位位选
delay(1); //显示1毫秒
HOU_G=OFF; //关闭时个位位选
// if(hour/10) //如果时十位为0，不显示十位数字
// {
LEDBus=LEDTab[hour/10]; //时十位送数码管显示
HOU_S=ON; //打开时十位位选
delay(1); //显示1毫秒
HOU_S=OFF; //关闭时十位位选
// }
}
/***************************************
函 数 名：min_tiao
功 能：分调整
说 明：
入口参数：无
返 回 值：无
***************************************/
void min_tiao()
{
while(!M_KEY) display(); //等待分调整键松开
second=0;minute++; //秒清零、分加1
if(minute==60)
minute=0; //如果分等于60，分变0
}
/***************************************
函 数 名：hou_tiao
功 能：时调整
说 明：
入口参数：无
返 回 值：无
***************************************/
void hou_tiao()
{
while(!H_KEY) display(); //等待时调整键松开
second=0;hour++; //秒清零，时加1
if(hour==24) hour=0; //如果时等于24，时变0
}
/***************************************
函 数 名：delay
功 能：延时函数
说 明：
入口参数：t：延时时间长短
返 回 值：无
***************************************/
void delay(uchar t)
{
uchar i; //定义变量
for(;t>0;t--) //如果t大于0，t减1（外层循环）
for(i=124;i>0;i--); //i等于124，如果i大于0，i减1
}
/***************************************
函 数 名：timer0
功 能：定时器0中断函数
说 明：
入口参数：无
返 回 值：无
***************************************/
void timer0() interrupt 1 //定时器0（中断1）
{
uchar tim1,tim2; //定义临时变量
TL0=TL0+0XB0;TH0=0X3C; //重装定时器初值
tim1++; //每中断一次tim1加1
if(tim1==10) //中断10（0.5秒）
{
SHAN=!SHAN; //闪烁标志取反
tim1=0;tim2++; //tim1清零，tim2加1
if(tim2==2) //到了1秒
{
tim2=0;second++; //tim2清零，秒加1
if(second==60) //如果秒到60
{
second=0;minute++; //秒变0，分加1
if(minute==60) //如果分到60
{
minute=0;hour++; //分变0，时加1
if(hour==24) hour=0; //如果时到24，时变0
}
}
}
}
}
void beer()
{ if(minute==0)
BEEP=1;
delay(3);
BEEP=!BEEP;
}
六仿真结果
实现了用4只LED数码管输出显示24小时制的时和分。 可通过按键设置分校时。有清零和整点报时的功能
七心得体会
这次仿真实现了电子钟设计的任务，对所学的知识进行了巩固，练习了汇编软件、仿真软件。感谢学院在我们即将踏入社会时，给我们这次理论联系实际的机会，通过这次课程设计，我们更好地将已经学过的知识进行巩固，也很感谢孙红霞老师对我的设计的不厌其烦的细心指点。
通过这段时间对专业基础理论的学习与巩固，通过查阅一些有关专业资料的学习，使自己对专业知识有了进一步的理解。虽然在此过程中感觉有点不是太顺利，但从毕业设计过程中，我的确学到了很多东西，在巩固专业知识的同时也让我学到了坚持和努力，让我受益匪浅。课程设计能提高我们的设计、掌握技术知识的能力。为我们踏上社会奠定扎实的基础。
时光如梭，大学四年即将结束。感谢母校对我大学四年来的照顾，也很感谢老师们的精心教导。在以后的日子里我还会利用现在已经学习的内容更深入地学习，也会用好现在的所学在以后的工作中发挥自己的能力，时刻铭记老师的教导，并在实践中不断提高完善自己。
八如何扩展、深入
本次课程设计的最大遗憾在于没有实现闹钟功能。虽然硬件安装了这个部分，但是软件的软肋造成了本次实验的缺陷。其实电子种的显示时间和调时仅仅是最基本的，电子钟还可以加入掉电保护和显示日期的功能，让数字电子时钟更加完善。即使这样，本次实验也是让我受益匪浅，为后续的课程设计墓定了良好的基础。