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1、引 言现在是一个知识爆炸的新时代。新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变我们的生活，改变着我们的世界。在这快速发展的年代，时间对人们来说是越来越宝贵，在快节奏的生活时，人们往往忘记了时间，一旦遇到重要的事情而忘记了时间，这将会带来很大的损失。因此我们需要一个定时系统来提醒这些忙碌的人。数字化的钟表给人们带来了极大的方便。近些年，随着科技的发展和社会的进步，人们对数字钟的要求也越来越高，传统的时钟已不能满足人们的需求。多功能数字钟不管在性能还是在样式上都发生了质的变化，有电子闹钟、数字闹钟等等。单片机在多功能数字钟中的
2、应用已是非常普遍的，人们对数字钟的功能及工作顺序都非常熟悉。但是却很少知道它的内部结构以及工作原理。由单片机作为数字钟的核心控制器，可以通过它的时钟信号进行计时实现计时功能，将其时间数据经单片机输出，利用显示器显示出来。通过键盘可以进行定时、校时功能。输出设备显示器可以用液晶显示技术和数码管显示技术。在当今社会中，数字钟已发展到具有环境检测等多功能时钟。它为人们在生产、生活中提供了很大的帮助。因此我们要好好利用单片机来研究设计功能更强的数字闹钟。第1章 概 述时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，人们对它的功能又提出了新的要求，怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让它焕发青
3、春呢？这就要求人们不断设计出新型时钟。1.1 数字钟的发展背景及实现形式 随着人们生活节奏的加快，数字钟已成为人们生活中不可缺少的物品。现代的数字钟不仅需要数字电路技术而且需要模拟电路技术和单片机技术，增加了数字钟的功能。其电路可以由实时时钟模块、环境温度检测模块、人机接口模块、报警模块等部分组成。利用软件编程尽量做到硬件电路简单稳定，减小电磁干扰和其他环境干扰，充分发挥软件编程的优点，减小因元器件精度不够引起的误差，但是数字钟还是可以改进和提高如选用更精密的元器件。但与机械式时钟相比已经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。目前市场销售的数字钟品种较多，如用数字电路、单
4、片机等技术实现。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。但是在单片机技术日趋成熟的今天，其灵活的硬件电路的设计和软件的设计，让单片机得到了广泛的应用，几乎是从小的电子产品，到大的工业控制，单片机都起到了举足轻重的作用。单片机小的系统结构几乎是所有具有可编程硬件的一个缩影，单片机的学习和研究是对微机系统学习和研究的简捷途径。用单片机技术实现具有基本数字钟功能，还能在各种恶劣环境下工作。可充分挖掘了单片机的资源和运算控制能力，具有功能多、显示全、成本低的特点。数字闹钟既可以通过纯硬件实现，也可以通
5、过软硬件结合实现，根据数字闹钟的核心部件秒信号的产生原理，通常采用NE555时基电路、石英钟专用芯片、基于微处理器的三种实现形式。1.1.1 采用NE555时基电路的实现形式图1-1 基于555的秒脉冲发生器采用NE555时基电路或其他振荡电路产生秒脉冲信号，作为秒加法电路的时钟信号或微处理器的外部中断输入信号，可构成数字钟。由555构成的秒脉冲发生器电路见图1-1所示。输出的脉冲信号V的频率F1.443（RA2RB）C，可通过调节这3个参数，使输出V的频率为精确的1Hz。1.1.2 采用石英钟专用芯片的实现形式采用石英钟专用计时芯片实现的数字钟，具有实现简单、计时精度高的特点。石英计时芯片（
6、简称“机芯”）比较多，常见型号的有STP5512F、SM5546A和D60400等。现结合康巴丝石英钟常用的5512F型为例作简单介绍。利用5512F的秒输出信号作为秒加法电路的计数脉冲，可实现数字钟。STP5512F的引脚图如图1-所示.12345678V+AKM0M1GNDBPSC1SC0图1-2 5512F的引脚图其中，引脚7、8为外接晶振及振荡电路，引脚1接电源正极，电源为1.5V，引脚3、4原为指针用步进电机线圈的输出驱动，这里可用3脚作为脉冲输出，频率决定于外接晶振的频率。其连接图如图1-3所示.图1-3 基于5512F的秒脉冲发生电路1.1.3 采用基于微处理器的实现形式利用微处
7、理器的智能性，可方便实现具有智能的数字闹钟。由于微处理器均具有时钟振荡系统，利用系统时钟借助微处理器的定时计数器可实现数字钟功能。也可以使用外部时钟芯片进行计时，再通过微处理器传送到显示器显示。在本次设计中采用的就是这种实现形式。1.2 系统方案的确定单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备微机CPU的数值计算功能外，还具有灵活强大的控制功能，以便实时检测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至腐蚀性气体，在太空中工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力，因而决定了单片机CPU与通用微机CPU具有不同的技术特征和
8、发展方向：(1)抗干扰性强，工作温度范围宽。(2)可靠性高。(3)控制功能往往很强，数值计算能力较差。(4)指令系统比通用微机系统简单。(5)更新换代速度比通用微处理器慢得多。因此在本次设计中采用单片机技术来实现数字钟的功能。方案的设计可以从以下几个方面来确定：1.微处理器AT89S51、52是2003年ATMEL推出的新型品种，除了完全兼容8051外，还多了ISP编程和看门狗功能。但是AT89S52的存储器容量比AT89S51的大。在本次设计中采用AT89S52单片机。2.显示电路就时钟而言，通常可采用液晶显示或数码管显示。随着科技的发展，液晶显示的使用越来越方便，已被普遍的使用。由于液晶显
9、示与驱动都集成在一个芯片上，因此使用起来很方便。在这里采用液晶显示。3.校时和定时电路考虑到校时和设定闹铃时间这两种操作的使用频率不是很高，为了精简系统和节省成本，本时钟系统只设五个按键，用它们来校时和定时。可以实现以下具体功能：（1）K1：校准时间键，校准后的确认键，在复位后的待机状态下，用于启动设定时间参数。（2）K2：校时键，用于对时位进行加1操作。（3）K3：校分键，用于对分位进行加1操作。（4）K4：校秒键，用于对秒位进行加1操作。 （5）K5：定时确认键，用来确定闹钟设定的时间。4.实时控制电路 实时控制电路是时钟电路的一个重要组成部分，在本次设计中采用的是一个时钟芯片，通过它进行
10、计时，然后单片机从中读取数据送到显示器上显示。从而实现数字钟的功能。还有一些其他控制电路如复位电路、时钟电路等。通过这些控制电路的连接构成了完整的电路，系统的方框图如图1-4所示。图1-4 系统的方框图由于在本次设计中采用单片机为核心控制器，下面对单片机的概况进行介绍以便使人们能更多的了解单片机的功能以及使用单片机做核心控制器的好处。1.3 单片机的介绍单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。片内含有CPU、ROM、RAM、并口I/O、定时/计算机、A/D、D/A、中断控制、系统时钟及系统总线等。它的体积
11、小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的主要区别。 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。为了适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机有多种衍生产品，每种产品的处理器内核都是一样的，知识存储器和接口的配置及封装不同。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 目前单片机渗透到我们
12、生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用；2.在工业控制中的应用；3.在家用电器中的应用；4.在计算机网络和通信领域中的应用；5.单片机在医用设备领域中的应用。 第2章 硬件电路的设计硬件电路是一个系统的重要部分，在本次设计中主要是以AT89S52为核心控制器，外加一些控制电路来实现数字钟的基本功能。下面分别介绍各个控制电路的功能及其工作原理。2.1 AT89S52的介绍2.1.1 AT89S52的性能特点单片机是微机的一个分支，在原理和结构上
13、，单片机与微型机之间不但没有根本性的差别，而且微型机的许多技术与特点都被单片机继承下来了。所以可以用微型机的眼光来看待单片机，用微型机的思路学习单片机。在本次的设计中所用的AT89S52单片机其主要性能如下：l(1)与MCS-51单片机产品兼容；l(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器；l(3)1000次擦写周期； (4)全静态操作：0Hz33Hz； (5)三级加密程序存储器；l(6)32个可编程I/O口线； (7)三个16位定时器/计数器；l(8)八个中断源； (9)全双工UART串行通道； (10)低功耗空闲和掉电模式；l(11)掉电后中断可唤醒； (12)看门狗定时器；l(13)双
14、数据指针； (14)掉电标识符；AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。它具有串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结
15、，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.1.2 AT89S52的外部引脚及功能单片机的引脚有多种，如40脚封装的双列直插式DIP结构、44脚封装的PLCC结构、44脚封装的TQFP结构，在这里使用的是40脚封装的双列直插式DIP结构的单片机，40个引脚中，正电源和地线2个引脚，外置石英震荡器的时钟线2个引脚，4组8位共32个I/O接口，中断口线与P3口线复用，控制引脚4个，其引脚图如2-1所示。下面对这些引脚的功能加以说明。图2-1 AT89S52的引脚图VCC：电源GND：地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“
