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1、 毕毕 业业 设设 计计 题目 新颖 60 秒 LED 旋转电子钟 系别 机电系 专业 班级 姓名 学号 指导教师 日期 设计任务书 设计题目设计题目 新颖 60 秒 LED 旋转电子钟 设计要求：设计要求： 1用单片机设计一个新颖 60 秒 LED 旋转电子钟； 2.该电子钟具有停（掉）电保护，年计时误差小于 30 秒。还应具有定闹，整点报时 功能。 3.设计完成该功能的硬件电路； 4.设计完成上述功能的相应软件； 设计进度要求：设计进度要求： 第一周：了解题目、弄清题目的要求； 第二周：查找相关书籍，了解各个元件、软件的使用方法及注意事项； 第三周：设计硬件原理图； 第四周：设计软件系统；
2、 第五周：编写所需程序； 第六周：调试程序并纪录相关的数据和错误； 第七周：写毕业论文草稿并修改； 第八周：毕业答辩。 指导教师（签名）：指导教师（签名）： II 摘 要 现在市场上也出现了一些电子钟，它以六只 LED 数码管来显示时分秒，与传统的以 指针显示秒的方式不同，违背了人们传统的习惯与理念，而且这类电子钟一般是采用大 型显示器件，适用于银行、车站等公共场所，且外观设计欠美观，很少进入百姓家庭。 此外，无论是机械钟、石英钟还是电子钟，都存在着共同的问题：时间误差。针对以上 存在的问题，我们设计了一款采用 LED 显示器件显示的电子时钟，有效克服了时钟存在 的误差问题，并能在夜间不必其它
3、照明就能看到时间，且以 60 只发光管实现秒显示，接 近于传统的秒针来显示秒的形式，用户容易接受，而且美观大方。另加七只装饰用的 LED 灯，使整个时钟显的相当美观新颖，故还可作为室内装饰用。 关键词： 电子钟，单片机，AT89C51，汇编语言，模块化 目 录 前 言 1 1 总体方案设计 3 1.1 系统框图.3 1.2 系统功能介绍 3 1.3 计时控制方案.4 1.4 显示控制方案 4 1.5 键盘控制方案 4 1.6 软件总体设计方案 5 2 硬件设计.6 2.1 AT89C2051 单片机的介绍 .6 2.2 AT89C2051 单片机引脚说明 .6 2.3 单片机硬件资源分配.8
4、2.4 AT89C2051 单片机的附属电路 .8 2.4.1 振荡电路.8 2.4.2 复位电路.9 2.5 CD4017 的功能 9 2.6 CD4069 的功能 .12 2.7 七段 LED 显示工作原理12 3 软件设计 .15 3.1 系统主程序设计15 3.2 定时中断程序设计15 3.3 节电模式程序设计16 3.4 整点报时程序设计17 3.5 误差消除程序设计18 4 系统调试 .20 4.1 在伟福中的调试20 4.2 在 KEIL 中的调试.22 4.3 硬件故障检查24 4.3.1 单片机不工作的硬件检查24 4.3.2 数码管显示的问题及解决方法24 4.3.3 二极
5、管循环点亮的问题24 5 结 论 .25 II 致 谢 26 参考文献 .27 附录 A 硬件电路板 .28 附录 B 硬件原理图.29 附录 C 材料清单.30 1 前 言 现在计算机系统已明显地朝巨型化、单片化、网络化三个方向发展。巨型化发展的 目的在于不断提高计算机的运算速度和处理能力，以解决复杂系统计算和高速数据处理， 比如系统仿真和模拟、实时运算和处理。单片化是把计算机系统尽可能集成在一块半导 体芯片上，其目的在于计算机微型化和提高系统的可靠性，这种单片计算简称单片机。 单片机的内部硬件结构和指令系统主要是针对自动控制应用而设计的所以单片机又称微 控制器 MCU（Micro Cont
6、roller Unit） 。用它可以很容易地将计算机嵌入到各种仪器和现 场控制设备中，因此单片机又叫做嵌入式微控制器（Embedded MCU） 。单片机自 20 世纪 70 年代问世以来，以其鲜明的特点得到迅猛发展，已广泛应用于家用电器、智能玩具、 智能仪器仪表、工业控制、航空航天等领域，经过 30 多年的发展，性能不断提高，品种 不断丰富，已经形成自动控制的一支中坚力量。据统计，我国的单片机年容量已达 13 亿片，且每年以大约 16的速度增长，但相对于国际市场我国的占有率还不到 1。这 说明单片机应用在我国有着广阔的前景。对于从事自动控制的技术人员来讲，掌握单片 机原理及其应用已经成为必不
7、可少的学习任务。 单片机经过 30 多年的发展，已经形成一个规格齐全、品种繁多的大家族，用户有非 常大的选择余地。下面为读者简单介绍目前市面上常见的主流单片机。 单片机的应用十分广泛，在工业控制领域、家电产品、智能化仪器仪表、计算机外 部设备，特别是机电一体化产品中，都有重要的用途。其主要的用途可以分为以下方面。 显示：通过单片机控制发光二极管或是液晶，显示特定的图形和字符。 机电控制：用单片机控制机电产品做定时或定向的动作。 检测：通过单片机和传感器的联合使用，用来检测产品或者工况的意外发生。 通信：通过 RS-232 串行通信或者是 USB 通信，传输数据和信号。 科学计算：用来实现简单的
8、算法。 那么单片机是不是解决上述应用的唯一选择呢？当然不是！目前，在自动控制中， 一般有三种选择，分别是嵌入式微机、DSP 和单片机。 单片机最明显的优点是价格便宜，从几元人民币到几十元人民币。这是因为这类芯 片的生产量很大，技术也很成熟。 其次，单片机的体积也远小于其他两种方案。单片机本身一般用 40 引脚封装，当然 2 功能多一些的单片机也有引脚比较多的，如 68 引脚，功能少的只有 10 多个或 20 多个引 脚，有的甚至只有 8 只引脚。 当然，单片机无论在速度还是容量方面都小于其他两种方案，但是在实际工作中并 不是任何需要计算机的场合都要求计算机有很高的性能。例如，控制电冰箱的控制器
9、就 不需要使用嵌入式系统，用一片 51 就可以轻松实现。所以应用的关键是看能否够用，是 否有很好的性能价格比。51 系列的单片机已经面世十多年，依然没有被淘汰，还在不断 发展中，这就说明是他有广阔的应用前景。 目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照明的情况下都是不可见的。 要知道当前的时间，必须先开灯，故较为不便。而我所设计的电子钟在晚上完全可以看 见，不用开灯就能看见。这个新颖 60 秒旋转电子钟是以单片机为核心设计的，本设计采 用的是 ATMEL 公司的 AT89C2051 芯片，美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位 单片机，片内含 2K bytes 的可
10、反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随 机存取数据存储器（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，片内置用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大。 在这里，我们设计的是一个可以设置新颖 60 旋转电子钟。 3 1 总体方案设计 1.11.1 系统框图系统框图 按照设计要求，本电子钟需要由单片机 AT89C2051、显示驱动器（上拉电阻） 、七段 数码管、60 秒旋转译码驱动电路（CD4017 和 CD4069 组成） 、电源等组成。如图 1.1 所示 图 1.1 系统框图 1.21.2
11、系统功能介绍系统功能介绍 电子钟的周边 60 只发光管顺时旋转来显示秒，中间四只 LED 数码管用于显示时间， 中下方的七只 LED 灯顺时旋转(如图 1.2)，供装饰用。 其主要功能有：整点报时；四只 LED 数码管显示当前时分；每隔一秒钟周边的 60 只 LED 发光管旋转一格，装饰用的 LED 每隔一秒旋转一次。当发生停电事件时，由后备电池 供电，系统进入低功耗状态，所有显示部件停止显示，这样即延长了电池的寿命，同时 又保证了 CPU 继续计数，不至于因停电而时钟停止运行。当恢复供电后，系统自动恢复 工作状态，不影响计时。 4 图 1.2 电子钟外表 1.31.3 计时控制方案计时控制方
12、案 利用 MCS-51 内部的定时器/计数器进行定时，配合软件延时实现到计时。该方案节 省硬件成本，切能够使读者在定时器/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提 高， 1.41.4 显示控制方案显示控制方案 单片机显示系统显示分为静态示和动态显示。静态显示由于占用较多的接口，在单 片机设计中常采用串行扩展来完成。该方案占用接口资源多，显示亮度由保证，但硬件 开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，实用于并行接口资源较少以及对显示没有要求的 场合。LED 动态显示硬件连接简单，但动态扫描的显示方式需占用 CPU 较多的时间，在该 系统中由于单片机除了扫描 AT89C2051 芯片外没有太多的实时
13、测控任务，故选用动态扫 描方式。 1.51.5 键盘控制方案键盘控制方案 键盘分为独立式键盘和行列式键盘，独立式键盘接口电路配置灵活，硬件结构简单， 工作可靠但每个按键必须占用一跟 I/O 接口线，I/O 接口线浪费较大，在单片机应用系统 中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息，可将按键直接在一根 I/O 接口线上， 故只在按键数量不多时采用。而行列式键盘每条行线与列线在交叉处不直接相通，而是 通过一个按键加以连接，当按键较多时可采用行列式键盘以节省 I/O 接口。本设计采用 三个按键，所以这里选用独立式键盘。如图 1.3 所示 5 图 1.3 独立式键盘 1.61.6 软件总体设计方案软
14、件总体设计方案 1设置闹钟时间,小时,分钟的缓冲区,把闹钟时间的缓冲区设置在 72H73H 中,小 时的缓冲区设置在 70H73H 中,分钟的缓冲区设置在 70H71H 中. 2. 要有键盘扫描子程序,当按下时间调整键后,送时间调整键处理程序到显示子程序,以 便显示.当按下闹钟设置键后,送闹钟设置键处理程序到显示子程序,以便显示. 3.要有停电检测子程序,若停电,则调用停电检测子程序,将系统进入低功耗状态,用 电池电压维持单片机计时工作,若不停电,则调用时分显示子程序. 4.要有定闹子程序，若设置闹钟时，则显示定闹的时间。 5.要有节能子程序，在白天不调用节能子程序，使数码管正常发光。到晚上调
15、用节 能子程序，使数码管变暗。 6 2 硬件设计 2.12.1 AT89C2051AT89C2051 单片机的介绍单片机的介绍 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。它是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 2K bytes 的可反复擦写的只 读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器（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，片内置用 8 位中央处 理器和 Flash 存储单元，功能强大。 AT89C2051 单片
16、机可为用户提供许多高性价比的应 用场合。 AT89C2051 单片机的主要性能参数有： 1. 与 MCS-51 产品指令系统完全兼容 2. 2k 字节可重擦写闪存速存储器 3. 1000 次擦写周期 4. 2.7V-6V 的工作电压范围 5. 全静态操作：0Hz-24MHz 6. 两级加密程序存储器 7. 128*8 字节内部 RAM 8. 15 个可编程 I/O 口线 9. 2 个 16 位定时/计数器 10.6 个中断源 11.可编程串行 UART 通道 12.可直接驱动 LED 的输出端口 13.内置一个模拟比较器 14.低功耗空闲和掉电模式 2.22.2 AT89C2051AT89C2051 单片机引脚说明单片机引脚说明 AT89C2051 如图 2.
