单片机的数字钟设计
目 录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 数字时钟的发展现状 1
1.3 课题研究的意义 2
1.4 本课题研究内容 3
2 系统设计 3
2.1 系统构成 3
2.2 方案的选择 3
3 硬件设计 5
3.1 单片机模块的设计 5
3.2 时钟电路模块的设计 10
3.3 温度传感器电路设计 13
3.4 按键模块设计 16
3.5 显示模块的设计 16
4 软件设计 17
4.1 主流程图 18
4.2 温度程序流程图 18
4.3 DS1302时钟程序流程图 19
4.4 LCD显示程序流程图 20
5 系统仿真与调试 21
5.1 软件简介 21
5.2 仿真结果 25
5.3 实物图 25
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
1 引言
从古至今，人类一直在不断追随时间的脚步。从依靠日阴的日晷到机械运转的钟表，再到如今功能多样的电子时钟，人们通过不断地努力一再地改进记录时间的工具。数字钟的发展取得了多元化和高精度的进步。
1.1 课题背景
20世纪末，电子技术发展加速，推动电子产品市场向多领域扩散，大大提高了社会生产力和信息化程度，在追求产品性能提高的同时，也加速了淘汰节奏。钟表在陪伴人类发展的漫长历史中不断更新，尤其在电子钟的出现后，为了跟随科技的脚步，电子钟不断进行革新来满足 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
现代文明的需求。多功能数字钟在外表和功能上都发生了飞跃的变化，基于数字集成电路和石英技术，数字钟的精确度大大高于过去的钟表，更加好的服务于人们的工作和生活[1]。
定时功能在工作和生活里随处可见，比如摄影中的定时拍照。早些时候的时间控制采用模拟电路来实现，定时的准度和精度并不是很高，现在被采用数字技术的新产品取代。单片机性价比的提升不断扩大产品的市场，大到参与繁复的工业流程控制，小到渗透于家用电器之中，为电器带来新的功能。它性能优秀，体积小，重量轻，灵敏度高，接上合适的接口芯片，可与多种电子产品相融合[2]。
数字钟采用数字电路进行计时工作，相较于机械钟，它时间准确、易于读取、无机械传动。随着人们对高生活质量的不断追求，数字钟开始出现在越来越多的公共场合，如车站、公园、商场，抬眼可见。但当前许多数字钟采用全硬件的设计，结构较为复杂，功耗大，因此要对其进行改进，采取软硬件相结合的方式。
1.2 数字时钟的发展现状
几种常用数字时钟设计方案：
a) 基于微机系统的数字时钟设计
由定时/计数器8253的通道0来实现计时。软硬件相结合，通过8253产生相应的时钟信号，采用软件程序计数，最终实现24小时制的定时。8253定时完成时发出中断信号，在中断服务程序中8253进行时、分、秒的叠加。
运用动态扫描，在6个LED数码管上进行时、分、秒的显示。
时间校准和闹钟的输入方式为键盘输入产生单脉冲。键盘有校时键、闹铃键、加减键等。
闹铃采用蜂鸣器发声，将其接入8255一端口来对其进行控制。
硬件电路主要有键盘、单脉冲产生单元、8253定时计数器、8255并行接口单元、8259中断控制器、LED显示电路和蜂鸣器电路。
b) 基于VHDL的数字时钟设计
基于VHDL自顶向下一一设计。
无进位六进制计数器控制数码管的显示结果，循环扫描，六选一选择器挑选相应信号来产生数送到七段译码器。K4模块为复位模块，重置时间，输出报时信号和时，分，秒。
分为四个模块单元，数码管模块、信号选择模块、译码模块和复位设置模块。
c) 基于单片机数字时钟设计
单片机作为控制模块，控制时钟芯片、温度传感器芯片等，最后将数据输出到显示模块。
8051系列单片机产品繁多，已经占据主流市场。多年运用表明，80C51系列单片机内部构成合理且各方面功能已经非常稳定，单片机以嵌入式优点成功的与时钟进行结合。作为数字钟的控制中心，单片机运用时钟信号来计时，又输出数据，在显示器上显示时间。采用键盘完成定时、校时的时间输入。输出可用液晶显示和数码管显示。
基于单片机的数字时钟实现了完美的结合，顺应了电子科技的发展潮流，市场前景较好，值得我们进行深入的探究。
1.3 课题研究的意义
二十一世纪，数字化技术迅猛前进，而单片机在其中占有一席重地。作为原始计时工具，数字钟便不可或缺，且价格便宜、时间准确、功能多样，外表美观时尚，因此成为人们重要的生活用品。科技和文明在不断的前进之中，人们对于美好生活的追求从未停止，因此数字钟不能仅此停止不前，要在基于单片机的基础上发展出符合需求的新功能。在当下，时钟的数字化、多功能化成为了探究的主要方向[3]。此外数字钟电路具有数字电路的重要组成，进行数字钟的设计是对于单片机的另一种学习，为以后数字钟的研究打下基础。
1.4 本课题研究内容
本课题主要研究基于单片机的集时间和温度显示为一体的多功能数字时钟。要求我们通过查阅资料和调查研究，掌握单片机电路的设计，进行软硬件设计，焊接硬件，调试软件，最后能够实现数字中的相应功能。要求达到数字钟的基本功能，可以实现时间的显示、温度的采集和显示、闹铃的设置。利用键盘对时间和闹铃进行调整，利用温度传感器实现温度采集和显示。
2 系统设计
2.1 系统构成
以单片机为核心，设计数字时钟和温度检测器，并显示。模块规划：本设计由温度模块、时钟模块、显示模块、按键模块和闹铃模块5个模块构成。如下图2.1所示。
图2.1 系统框图
2.2 方案的选择
方案一：
图2.2 方案一
采用AT89C51单片机作为核心，作为经典的单片机系列能够满足基本功能，资料丰富易于掌握，但是进行程序烧录时需要专门的烧录器，价格较高。
时钟方面用单片机内部的定时计数器提供基准信号，通过程序来实现年、月、日、星期、时、分、秒的计时，此方案能够减少元件的使用，节约成本，但是精确度并不是很高。
温度采集使用热敏电阻，精确很高，但是价格昂贵，需要进行模数转换来得到数据，且电路较为复杂。
按键输入采用矩阵键盘，有九个按键可以直接键入数据，但需要CPU对其进行持续扫描。
显示模块运用LED数码管，价格便宜，但是所用个数较多，焊接麻烦且电路复杂。闹钟采用蜂鸣器进行发声，电路简单。
P3.4 T0（定时/计时器0外部输入）
P3.5 T1（定时/计时器1外部输入）
P3.6 WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 RD（外部数据存储器读选通）
RST：复位输入。当振荡器进行复位时，RST需要维持高电平的状态两个机器周期及以上。WDT溢出时，RST输出高电平。
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 数字时钟的发展现状 1
1.3 课题研究的意义 2
1.4 本课题研究内容 3
2 系统设计 3
2.1 系统构成 3
2.2 方案的选择 3
3 硬件设计 5
3.1 单片机模块的设计 5
3.2 时钟电路模块的设计 10
3.3 温度传感器电路设计 13
3.4 按键模块设计 16
3.5 显示模块的设计 16
4 软件设计 17
4.1 主流程图 18
4.2 温度程序流程图 18
4.3 DS1302时钟程序流程图 19
4.4 LCD显示程序流程图 20
5 系统仿真与调试 21
5.1 软件简介 21
5.2 仿真结果 25
5.3 实物图 25
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
1 引言
从古至今，人类一直在不断追随时间的脚步。从依靠日阴的日晷到机械运转的钟表，再到如今功能多样的电子时钟，人们通过不断地努力一再地改进记录时间的工具。数字钟的发展取得了多元化和高精度的进步。
1.1 课题背景
20世纪末，电子技术发展加速，推动电子产品市场向多领域扩散，大大提高了社会生产力和信息化程度，在追求产品性能提高的同时，也加速了淘汰节奏。钟表在陪伴人类发展的漫长历史中不断更新，尤其在电子钟的出现后，为了跟随科技的脚步，电子钟不断进行革新来满足 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
现代文明的需求。多功能数字钟在外表和功能上都发生了飞跃的变化，基于数字集成电路和石英技术，数字钟的精确度大大高于过去的钟表，更加好的服务于人们的工作和生活[1]。
定时功能在工作和生活里随处可见，比如摄影中的定时拍照。早些时候的时间控制采用模拟电路来实现，定时的准度和精度并不是很高，现在被采用数字技术的新产品取代。单片机性价比的提升不断扩大产品的市场，大到参与繁复的工业流程控制，小到渗透于家用电器之中，为电器带来新的功能。它性能优秀，体积小，重量轻，灵敏度高，接上合适的接口芯片，可与多种电子产品相融合[2]。
数字钟采用数字电路进行计时工作，相较于机械钟，它时间准确、易于读取、无机械传动。随着人们对高生活质量的不断追求，数字钟开始出现在越来越多的公共场合，如车站、公园、商场，抬眼可见。但当前许多数字钟采用全硬件的设计，结构较为复杂，功耗大，因此要对其进行改进，采取软硬件相结合的方式。
1.2 数字时钟的发展现状
几种常用数字时钟设计方案：
a) 基于微机系统的数字时钟设计
由定时/计数器8253的通道0来实现计时。软硬件相结合，通过8253产生相应的时钟信号，采用软件程序计数，最终实现24小时制的定时。8253定时完成时发出中断信号，在中断服务程序中8253进行时、分、秒的叠加。
运用动态扫描，在6个LED数码管上进行时、分、秒的显示。
时间校准和闹钟的输入方式为键盘输入产生单脉冲。键盘有校时键、闹铃键、加减键等。
闹铃采用蜂鸣器发声，将其接入8255一端口来对其进行控制。
硬件电路主要有键盘、单脉冲产生单元、8253定时计数器、8255并行接口单元、8259中断控制器、LED显示电路和蜂鸣器电路。
b) 基于VHDL的数字时钟设计
基于VHDL自顶向下一一设计。
无进位六进制计数器控制数码管的显示结果，循环扫描，六选一选择器挑选相应信号来产生数送到七段译码器。K4模块为复位模块，重置时间，输出报时信号和时，分，秒。
分为四个模块单元，数码管模块、信号选择模块、译码模块和复位设置模块。
c) 基于单片机数字时钟设计
单片机作为控制模块，控制时钟芯片、温度传感器芯片等，最后将数据输出到显示模块。
8051系列单片机产品繁多，已经占据主流市场。多年运用表明，80C51系列单片机内部构成合理且各方面功能已经非常稳定，单片机以嵌入式优点成功的与时钟进行结合。作为数字钟的控制中心，单片机运用时钟信号来计时，又输出数据，在显示器上显示时间。采用键盘完成定时、校时的时间输入。输出可用液晶显示和数码管显示。
基于单片机的数字时钟实现了完美的结合，顺应了电子科技的发展潮流，市场前景较好，值得我们进行深入的探究。
1.3 课题研究的意义
二十一世纪，数字化技术迅猛前进，而单片机在其中占有一席重地。作为原始计时工具，数字钟便不可或缺，且价格便宜、时间准确、功能多样，外表美观时尚，因此成为人们重要的生活用品。科技和文明在不断的前进之中，人们对于美好生活的追求从未停止，因此数字钟不能仅此停止不前，要在基于单片机的基础上发展出符合需求的新功能。在当下，时钟的数字化、多功能化成为了探究的主要方向[3]。此外数字钟电路具有数字电路的重要组成，进行数字钟的设计是对于单片机的另一种学习，为以后数字钟的研究打下基础。
1.4 本课题研究内容
本课题主要研究基于单片机的集时间和温度显示为一体的多功能数字时钟。要求我们通过查阅资料和调查研究，掌握单片机电路的设计，进行软硬件设计，焊接硬件，调试软件，最后能够实现数字中的相应功能。要求达到数字钟的基本功能，可以实现时间的显示、温度的采集和显示、闹铃的设置。利用键盘对时间和闹铃进行调整，利用温度传感器实现温度采集和显示。
2 系统设计
2.1 系统构成
以单片机为核心，设计数字时钟和温度检测器，并显示。模块规划：本设计由温度模块、时钟模块、显示模块、按键模块和闹铃模块5个模块构成。如下图2.1所示。
图2.1 系统框图
2.2 方案的选择
方案一：
图2.2 方案一
采用AT89C51单片机作为核心，作为经典的单片机系列能够满足基本功能，资料丰富易于掌握，但是进行程序烧录时需要专门的烧录器，价格较高。
时钟方面用单片机内部的定时计数器提供基准信号，通过程序来实现年、月、日、星期、时、分、秒的计时，此方案能够减少元件的使用，节约成本，但是精确度并不是很高。
温度采集使用热敏电阻，精确很高，但是价格昂贵，需要进行模数转换来得到数据，且电路较为复杂。
按键输入采用矩阵键盘，有九个按键可以直接键入数据，但需要CPU对其进行持续扫描。
显示模块运用LED数码管，价格便宜，但是所用个数较多，焊接麻烦且电路复杂。闹钟采用蜂鸣器进行发声，电路简单。
P3.4 T0（定时/计时器0外部输入）
P3.5 T1（定时/计时器1外部输入）
P3.6 WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 RD（外部数据存储器读选通）
RST：复位输入。当振荡器进行复位时，RST需要维持高电平的状态两个机器周期及以上。WDT溢出时，RST输出高电平。
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