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1、摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。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（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多
2、路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。数字时钟是一种用单片机电路技术实现时、分、秒记时的装置，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。本次做的数字时钟就是以单片机（AT89C52）为核心，结合相关的元器件（共阴极LED数码显示器、555定时器、74HCT138等），再配以相应的软件，达到制作简易数字钟的目的，其中利用一个AT89C52单片机实现数字时钟的时、分、秒的设置和调时，利用一个555定时器实现数字时钟的定时功能。 关键字：时钟电路 AT89C52单片机 555定时器 目录摘要第1章 555
3、定时器31.1 555定时器的发展与介绍3 1.1.1 555定时器的发展3 1.1.2 555定时器的介绍3 1.1.3 555定时器的内部结构及功能3 1.2 用555定时器应用5 1.3 实例7第2章 数字时钟92.1 数字时钟的背景与意义 92.1.1 数字时钟的背景92.1.2 数字时钟的意义 92.2 数字钟的应用9第3章 AT89C52单片机103.1单片机的选择103.1.1 单片机的介绍103.1.2 单片机的应用和特点113.2 AT89C52单片机113.2.1 AT89C52单片机的介绍113.2.2 主要功能特性12第4章 数字时钟的硬件设计144.1 最小系统设计1
4、44.2 LED显示电路174.3 键盘控制电路19第5章 数字时钟215.1系统软件流程图215.2 数字时钟的程序24 5.2.1主要过程及仿真24 5.2.2 数字时钟的程序25第6章调试与功能说明346.1硬件调试346.2系统性能测试与功能说明346.3系统误差分析346.4软件调试问题与解决34参考文献35致谢36第1章 555定时器1.1 555定时器的发展与介绍1.1.1 555定时器电路的发展概述555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5k的电阻而得名。此电路后来竟风靡世界。目前，流行的产品主要有4个：B
5、JT两个：555，556（含有两个555）；CMOS两个：7555，7556（含有两个7555）。 555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。 两个比较器 C1和 C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200mA。 比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。1.1.2 555定时器电路的介绍555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，
6、就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为V
7、CC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 1.1.3 555定时器电路的内部结构及功能如图为CC7555定时器内部结构的简化原理图。它包括两个电压比较器C1和C2、一个RS触发器、一个放电管V、三个5k-的电阻构成的分压电路和由两个反相器构成的输出缓冲级。R为触发器的直接复位端。定时器的工作主要取决于比较器，比较器的输出控制RS
8、触发器和放电管V的状态。当加上电源VDD后，比较器C1的反相输入端即控制端（CO）的电压为2VDD/3；比较器C2的同相输入端电压为VDD/3。当阈值输入端（TH）即比较器C1的同相输入端电位高于2VDD/3时，比较器C1输出高电平，使RS触发器置0，输出Q=0，而Q=1，使放电管V导通。当触发输入端(TR)即比较器C2的反相输入端电位低于VDD/3时，比较器C2输出高电平，使RS触发器置1，输出Q=1，而Q=0使放电管V截止。当阈值输入端TH电位低于2VDD/3、触发输入端TR电位高于VDD3时，比较器C1、C2输出均为0，即R、S端均为0，输出维持不变。如果在控制端（CO端）外加一控制电压
9、，可改变电路的阈值输入电压和触发输入电压。555定时器的功能表如图所示1.2 555定时器的应用1 单稳态触发器由CC7555构成的单稳态触发器如图所示。图中RT、CT为外接定时元件，输入触发信号加在TR端。下面分析电路的工作过程。（1）稳态 当电源接通后，电源通过RT向CT充电，当电容电压上升到uc=2VDD/3时，比较器C1输出高电平，触发器置0，Q=1放电开关V导通，定时电容CT通过V放电，使uc=0，电路输出u0，电路处于稳态状态。（2）暂稳态 当触发端TR输入负脉冲，且幅度低于VDD/3时，比较器C2输出高电平，RS触发器置1，Q=1，Q=0，放电管V截止，定时电容CT开始充电，电路
10、处于暂稳态。CT的充电回路为VDDRTCT地。充电时间常数为t=RTCT。当充电电压uc上升到=2VDD/3时，比较器C1输出高电平，使RS触发器置0，Q=0，Q=1，放电管V导通，CT通过V迅速放电，电路结束暂稳态而自动返回到触发前的稳态，电路输出从高电平跳变到低电平。至此完成了一次单稳态触发的全过程。其工作波形如图所示。（3）输出脉冲宽度tw 由波形可知，单稳态电路输出脉冲宽度，就是uc由零被充电到2VDD/3所需的时间 Tw=RTCTlnVDD/(VDD-2/3VDD)=RTCTln3=1.1RTCT2 用555定时器构成的多谢振荡器用555定时器构成的多谢振荡器电路图如图所示。图中，R
11、1、R2、CT为外接定时元件。接通电源后不需外加触发信号，在输出端能得到连续的矩形方波。（1）第一暂稳态 接通电源瞬间电容CT来不及充电时，uc=0比较器C2输出为1，RS触发置1，Q=1，Q=0，放电管V截止。定时电容CT被充电，充电回路为VDDR1R2CT-地，充电时间常数t=（R1+R2）CT。uc按指数规律上升。电路处于第一暂稳态。（2）第二暂稳态 当uc上升到2VDD/3时，比较器C1输出1，RS触发器置0，使Q=0，Q=1，第一暂稳态结束。放电管V导通，电容CT放电，放电回路为ucR2V地,放电时间常数为t=R2CT。uc按指数规律下降，电路处于第二暂稳态。当uc下降到ucVDD/
12、3时，比较器C2输出为1，RS触发器置1，使输出为Q=1,Q=0，第二暂稳态结束，放电管V截止。以后电路重复上述过程，产生振荡，在输出端得到连续的矩形波。输出波形如图所示。可以算出，电容CT的充电时间T1和放电时间T2分别为 T1=（R1+R2）CTln2=0.7（R1+R2）CT (1) T2=R2CTln2=0.7R2CT (2)故电路的振荡周期为 T=T1+T2=0.7(R1+2R2)CT (3)由式（1）和(3)可求出输出脉冲信号的占空比 q =T1/T2=(R1+R2)/(R1+2R2) (4)上式说明，图4电路输出脉冲占空比始终大于50%。为了得到小于或等于50%的占空比，可采用图
13、5所示的改进电路。因为在电容的充电于放电过程R2上的电压极性相反，所以利用二极管的单向导电性使电容充放电时间为不同的数值。如图所示，电容充电时二极管VD1导通、VD2截止，充电时间为T1=R2CTln2=0.7R2CT电路的振荡周期为 T=T1+T2=0.7(R1+R2)CT (5)因此，输出脉冲的占空比为 q=R1/(R1+R2) (6)调节Rw,就可得到占空比不同的矩形方波。3 用555定时器构成的施密特触发器用555定时器构成的施密特触发器如图（6）a所示。图中，将阈值端和触发输入端连接在一起作为输入端。设输入波形为三角波时，分析电路的工作过程。当输入ui=VDD/3时，电路输出又为高电
14、平，即又回到第一稳态。如此循环就得到图（6）b所示波形。其回差电压为 U=2VDD/3VDD/3=VDD/3如果在5脚即控制端接一可调的控制电压，即可得到回差电压可调的施密特触发器。1.3 555定时器的定时实例利用555定时器的单稳态功能制作一个可以在3小时内任意定时的定时器。首先，根据公式Tw =1.1RTCT算出所需定时的RT值(CT=1F)，其中，RT的最大值为8918.18欧姆，根据算出的阻值与RT得最大值的比值调节RT变阻器从而得到所需的定时时间，一些常用的的比值有十五分钟占8.33%、半小时占16.67%、1小时占33. 33%、一个半小时占50%、2小时占66.67%、三小时占
15、100%，总之可以实现3小时内的任意定时，误差很小下面是3小时定时器的仿真图通过调节RT变阻器改变定时时间，当定时开始时灯亮铃声响，时间测量仪开始计时，当定时时间到灯灭铃声停计时停止。通过此仿真也可实现24小时定时，误差在十分钟左右。单片机程序#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit Signal = P10;sbit BEEP = P37;void Delay(uint x) uchar i;while(x-) for(i=0;i1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部R
16、AM 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 共8个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能AT89C52各引脚功能概述：AT89C52P为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2
17、（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的
18、控制功能。 第4章 数字时钟的硬件设计4.1最小系统设计图4-1 单片机最小系统的结构图 单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/EA=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。1.电源引脚 Vcc40电源端GND20接地端工作电压为5V，另有AT89LV51工作电压则是2.7-6V, 引脚功能一样。 2.外接晶体引脚图4-2 晶振连接的内部、外部方式图XTAL119XTAL218 XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振
19、的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22F。在焊接刷电路板时，
20、晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。3. 复位RST9在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复
21、位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。当时钟频率选用6MHz时，C取22F，Rs约为200，Rk约为1K。复位操作不会对内部RAM有所影响。常用的复位电路如下图所示：图4-3 常用复位电路图4.输入输出引脚(1) P0端口P0.0-P0.7 P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个TTL。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。(2) P1端口P1.0P1
22、.7 P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。(3) P2端口P2.0P2.7 P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。(4) P3端口P3.0P3.7 P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向
23、I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接控制信息。除此之外P3端口还用于一些专门功能，具体请看下表。表4-1P3端口引脚兼用功能表P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入（RXD）P3.1串行通讯输出（TXD）P3.2外部中断0（ INT0）P3.3外部中断1（INT1）P3.4定时器0输入(T0)P3.5定时器1输入(T1)P3.6外部数据存储器写选通WRP3.7外部数据存储器写选通RD4.2 LED显示电路显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料及产品工艺，单片机应用系统中常用的显示器有
24、： 发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。LED显示器是现在最常用的显示器之一，如下图所示。图4-4 LED显示器的符号图发光二极管（LED）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件（半导体显示器）。分段式显示器（LED数码管）由7条线段围成8字型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示各种字形或符号。LED数码管有共阳、共阴之分。图是共阳式、共阴式LED数码管的原理图和符号.图4-5 共阳式、共阴式LED数码管的原理图和数码管的符号图显示电路显示模块
25、需要实时显示当前的时间,即时、分、秒，因此需要6个数码管，另需两个数码管来显示横。采用动态显示方式显示时间，硬件连接如下图所示，时的十位和个位分别显示在第一个和第二个数码管，分的十位和个位分别显示在第四个和第五个数码管，秒的十位和个位分别显示在第七个和第八个数码管，其余数码管显示横线。LED显示器的显示控制方式按驱动方式可分成静态显示方式和动态显示方式两种。对于多位LED显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示，其硬件连接方式如下图所示。 图4-6 数码管的硬件连接示意图数码管使用条件：a、段及小数点上加限流电阻 b、使用电压：段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定c、使用电流：静
26、态：总电流 80mA（每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA数码管使用注意事项说明：（）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；（）焊接温度：度；焊接时间：（）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。4.3 键盘控制电路该设计需要校对时间，所以用三个按键来实现。按khour来调节小时的时间，按 kmin来调节分针的时间，按 ksec来调节秒的时间。下图是按键硬件连接图。图4-7 按键控制电路的硬件连接图当用手按下一个键时，往往按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况；在释放一个键时，也回会出现类似的情况。这就是抖动。抖动的持续时间随键盘材料和操作员
27、而异，不过通常总是不大于10ms。很容易想到，抖动问题不解决就会引起对闭合键的识别。用软件方法可以很容易地解决抖动问题，这就是通过延迟10ms来等待抖动消失，这之后，在读入键盘码第5章 数字时钟的软件设计5.1 系统软件设计流程图系统的软件设计也是工具系统功能的设计。单片机软件的设计主要包括执行软件（完成各种实质性功能）的设计和监控软件的设计。单片机的软件设计通常要考虑以下几个方面的问题：（1）根据软件功能要求，将系统软件划分为若干个相对独立的部分，设计出合理的总体结构，使软件开发清晰、简洁和流程合理；（2）培养良好的编程风格，如考虑结构化程序设计、实行模块化、子程序化。既便于调试、链接，又便
28、于移植和修改；（3）建立正确的数学模型，通过仿真提高系统的性能，并选取合适的参数；（4）绘制程序流程图；（5）合理分配系统资源；（6）为程序加入注释，提高可读性，实施软件工程；（7）注意软件的抗干扰设计，提高系统的可靠性。 这次的数字电子钟设计用到很多子程序，它们的流程图如下所示。 主程序是先开始，然后启动定时器，定时器启动后在进行按键检测，检测完后，就可以显示时间。开始启动定时器按键检测时间显示图5-1 主程序流程图按键处理是先检测秒按键是否按下，秒按键如果按下，秒就加1；如果没有按下，就检测分按键是否按下，分按键如果按下，分就加1；如果没有按下，就检测时按键是否按下，时按键如果按下，时就加
29、1；如果没有按下，就把时间显示出来。 NYNYNY时加1显示时间结束开始秒按键按下？秒加1分按键按下？分加1时按键按下？ 图5-2 按键处理流程图定时器中断时是先检测1秒是否到，1秒如果到，秒单元就加1；如果没到，就检测1分钟是否到，1分钟如果到，分单元就加1；如果没到，就检测1小时是否到，1小时如果到，时单元就加1，如果没到，就显示时间。N24小时到？分单元清零，时单元加1NNNYY时单元清零时间显示中断返回开始一秒时间到？60秒时间到？60分钟到？秒单元加1秒单元清零，分单元加1YY图5-3 定时器中断流程图时间显示是先秒个位计算显示，然后是秒十位计算显示，再是分个位计算显示，再然后是分十
30、位显示，再就是时个位计算显示，最后是时十位显示。时十位计算显示结束开始秒个位计算显示秒十位计算显示分个位计算显示分十位计算显示时个位计算显示图5-4 时间显示流程图5.2 数字时钟的程序5.2.1主要过程及仿真利用AT89C52和555定时器制作了一个简易的数字时钟，可以实现定时、调时、整点报时的功能。其中P1.0与K0相连，P1.1与K1相连，P1.2与K2相连。第一次按下K0调时，第二次按下K0调分，第三次按下调秒，第四次按下调试完成正常显示时间。K2是向上调试加1，K3是向下调试减1。P27接的是闹铃，定时时间到闹铃停止。P37是整点报时，几点就响几下，在24小时内定时误差要大一些，其中
31、，例如十五分钟占1.042%。5.3 主程序#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuint shi,fen,miao,z,x; uchar j;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/共阴极段选sbit naoling=P37;sbit key0=P10;sbit key1=P11;sbit key2=P12;sbit wei=P07;sbit signal = P15;sbit BEEP = P27;void ch
32、ushihua();uchar counter=0;/延时函数void delay(uint m) while(m-);void delayms(unsigned int x) unsigned char i; while(x-) for(i = 0;i 0;j-) P2=0; P0=tableshis; delay(50); P2=1; P0=tableshig; wei=1; delay(50); P2=2; P0=tablefens; delay(50); P2=3; P0=tablefeng; wei=1; delay(50); P2=4; P0=tablemiaos; delay(50)； P2=5; P0=tablemiaog; delay(50); /键盘扫描函数void keyscan() if(key0=0)
