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1、中国海洋大学 数字时钟设计目录第一章 绪论11.1 课题的背景11.2 课题任务和意义11.3主要问题及技术要求11.4 设计的主要工作内容1第二章 设计简介及方案论述22.1 设计简介22.2方案论证22.3芯片选择22.4扩展功能3第三章 硬件系统设计43.1系统总体架构43.2 振荡器53.3 分频器63.4 计数器63.5 LED显示的设计63.6 时间调整电路的设计63.7时钟工作原理6第四章 软件系统设计84.1程序流程图84.2程序开发工具的介绍8第五章 设计结果及分析85.1 运行调试结果8总 结9致 谢10参考文献11附录12第一章 绪论1.1 课题的背景计算机尤其是以微细加
2、工技术支持的微型计算机技术飞速发展，其应用渗透到了各行各业。以单片机、嵌入式处理器、数字信号处理器（DSP）为核心的计算机系统，以其软硬件可裁剪、高度的实时性、高度的可靠性、功能齐全、低功耗、适应面广等诸多优点而得到极为广泛的应用。目前计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片机化三个方向告诉发展。自1975年美国德州仪器公司（Texas Instruments）第一块微型计算机芯片TMS-1000问世以来，在短短的20年间，单片机技术已发展成为计算机领域一个非常有前途的分之，它有自己的技术特征、规范和应用领域。单片机是自动控制系统的核心部件，主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积
3、小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器）、价格低廉等一系列优点，应用领域不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通信、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件，已经渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，前景广阔。数字钟具备单片机最小系统的基本组成，对于我们了解单片机有很大的帮助。掌握微处理器及其接口的工作原理和应用技术，已成为当代开发微型计算机必不可少的基本技能。在学习了数字逻辑，单片机，嵌入式，微机原理，计算机接口技术等有关硬件知识后。要求我们应将机器语言与系统联系起来，这就要用到汇编语言。汇编
4、语言是接近于计算机语言的一种语言，这种语言是面向机器的，能够直接被计算机识别和执行。汇编语言与机器语言相比编程简单，便于交流，并且保留了机器语言与机器联系密切的优点；与高级语言相比，虽然表面上汇编语言显得复杂，凌乱和可读性差，但就速度而言，汇编语言最快。因此我们必须掌握汇编语言程序设的计的基本技能。1.2课题任务和意义任务：用汇编语言设计数字时钟，要求能显示、修改系统时间。（较高要求：能进行定时、计时）意义：人们对时间计量的精度要求越来越高。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、石晶表、石英钟都采用了石英技术, 因此走时精确度高, 稳定性好, 使用方便, 不需要经常调校.
5、 数字式电子钟用集成电路计时时, 译码代替机械式传动, 用LED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、分、秒的校对。片选的灵活性好。通过本次毕业设计，增强对系统硬件知识的掌握。通过用汇编语言编写应用程序，使自己对所学的理论知识有更深的理解，同时提高分析问题和解决问题的能力。1.3主要问题及技术要求主要问题：如何调用中断，中断返回；怎样显示系统时间，怎样修改时间。技术要求：数据转换显示，数码管显示原理，静态扫描显示原理，设置按键功能。第二章 设计简介及方案论述2.1 设计简介用汇编语言设计数字时钟，本文设计的数字时钟主要实现以下功
6、能：数字时钟显示时间，范围00：00：0023：59：59。设置按键功能，对数字时钟进行调节，按键定义如下，其中开关K1用于切换时间设置（调节时钟）和时钟运行（正常运行）状态；开关K2用于切换修改时、分、秒数值；开关K3用于使相应数值加1调节；开关K4用于减1调节。LED数码管即时显示所设时间，设置完成后数码管显示最终时间。2.2 方案论证方案一1计数部分采用异步2-5-10进制计数器7490，计时用的“秒”脉冲信号可用实验板中提供的800Hz分频产生。800Hz信号同时作为动态扫描显示电路的时钟信号。2时、分校时控制，当校时按钮按下时，可对时、分计数器CP端输入秒脉冲来加速计数速度来达到校时
7、目的。方案二1.用单片机定时器中断原理实现数码管动态10ms循环扫描，同时完成计数功能，并经过多次中断产生“秒”信号。2.可控制按键实现时，分，秒加一，减一功能。考虑到设计硬件简单原则，利用单片机实现的数字时钟具有编程灵活，便于功能的扩充等优点，故本设计采用方案二。2.3 芯片选择鉴于以上方面的分析，本论文选取Philips公司生产的一款80C51微控制器P89V51RD2作为此单片机的主芯片，此芯片包含64KB Flash和1024字节的数据RAM。P89V51RD2的典型特性是它的X2方式选项。利用该特性，设计者可使应用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或X2 方
8、式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行，选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半来保持特性不变，这 样可以极大地降低EMI。Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程（ISP），ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。应用固件的 产生/更新能力实现了ISP的大范围应用。 5V的工作电压，操作频率为040MHz。P89V51RD2的特性： 80C51 核心处理单元； 5V 的工作电压，操作频率为040MHz； 16/32/64kB 的片内Flash 程序存储器，具有ISP
9、（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能； 通过软件或ISP 选择支持12 时钟（默认）或6 时钟模式； SPI（串行外围接口）和增强型UART； PCA（可编程计数器阵列），具有PWM 和捕获/比较功能； 4 个8 位I/O 口，含有3 个高电流P1 口（每个I/O 口的电流为16mA）； 3 个16 位定时器/计数器； 可编程看门狗定时器（WDT）； 8 个中断源，4 个中断优先级； 2 个DPTR 寄存器；
10、低EMI 方式（ALE 禁能）； 兼容TTL 和CMOS 逻辑电平； 掉电检测； 低功耗模式 掉电模式，外部中断唤醒； 空闲模式； DIP40，PLCC44 和TQFP44 的封装； P89V51RD2的功能框图：图2.1 P89V51RD2功能框图P89V51RD2的管脚配置：图2.2 PLCC44管脚配置此外，在本设计中还用到了专门用于串行通信的芯片MAX232。MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。MAX232内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵
11、电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OU
12、T、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。MAX232管脚图：图2.3 MAX232管脚图MAX232主要特点：1、单5V电源工作2、 LinBiCMOSTM工艺技术3、 两个驱动器及两个接收器4、 30V输入电平5、低电源电流：典型值是8mA6、符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.287、ESD保护大于MIL-STD-883（方 法3015）标准的2000VMAX232的芯片图如下：图2.4 MAX232芯片图2.3 扩展功能本次设计只是实现了显示，修改时间的功能，但此芯片之后还可有如下功能的扩展：1. 实现秒表的功能2.
13、实现倒计时功能3. 实现闹钟定时功能第三章 硬件系统设计3.1 系统总体构架系统总体架构图如下：CPU主机键盘控制数码管显示数码管显示开关控制数码管显示形式 图3.1数字钟系统结构框图 数字电子钟的原理框图如下所示：图3.2 数字钟逻辑框图3.2 振荡器振荡器是数字钟的核心,振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度.通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。如下图所示为电子手表集成电路中的晶体振荡器电路。 图3.3 石英晶体振荡电路该电路由F0=32768Hz的石英晶体和一个反向器构成稳定性好、精确度高的时间标准信号源。利用石英晶体来控制振荡频率,
14、 电阻为反馈元件, 电容C 防止寄生振荡，调节可变电容C1可以对振荡器的频率进行微调，再通过反向器输出频率为32768Hz的方波脉冲信号。3.3 分频器石英晶体振荡器产生较高的32768Hz 的频率, 而电子钟需要秒脉冲, 故可采用分频电路实现,分频器的功能主要有两个：（1）产生标准秒脉冲信号。（2）提供功能扩展电路所需要的信号。如仿电台报时用的1KHz的高音频信号和500Hz的低音频信号，它可由74LS393所组成，其电路图为图3.4所示： 图3.4 分频电路 对于单个二进制计数器而言，周期信号从CP端输入，则可以从Q0、Q1、Q2和Q3端分别得到2分频、4分频、8分频和16分频的信号。本电
15、路中石英晶体振荡器产生的32768Hz的方波脉冲信号经74LS393的三次16分频和一次8分频成为1Hz的信号即秒信号。前三个16分频计数器从Q3脚输出。因而不需要清零复位。第四个8分频计数器从Q2脚输出，需要在输出的同时让计数器复位清零即构成三位二进制计数器。因此将第二个74LS393的2Q2与2CR引脚相连。第2Q2脚的输出就是秒信号，又是计数器的复位脉冲信号。3.4 计数器计数器实现方案选择：方案一、采用异步电路，数据选择器将时钟信号输给秒模块，秒模块的进位输给分模块，分模块进位输入给时模块，切换的时候使用2选1数据选择器进行切换，电路框图如下：显示切换秒钟分钟小时控制1Hz脉冲信号图3.5 异步电路图该方案的优点是模块内部简单，基本不需要额外的电路，但缺点也很明显，该方案结构不清晰，模块间关系混乱，模块外还需使用较多门电路，不利于功能扩充，且使用了异步电路，计数在59的时候，高一级马上进位，故本次设计不采用此方案。方案二、采用同步电路，总线结构时钟信号分别加到各个模块，各个模块功能相对独立，框图如下：小时分钟秒钟显示控制显示总线控
