基于51单片机的数字钟的设计
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自动化专业综合设计报告
设计题目： 基于51单片机的数字钟的设计
所在实验室： 单片机仿真模拟实验室
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撰写时间： 成绩评定：
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一、设计目的
电子钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械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。电子钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧院、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大地方便。本设计主要采用AT89C2051单片机作为主控核心，
LED动态扫描显示屏显示。数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，另外应有校时功能和闹钟等附加功能。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。
AT89C2051是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128B的随机数据存储器（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，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。AT89C2051单片机电压可选用4-6V电压供电；显示器采用LED数码管来显示，数码管成本低廉，系统不但接口设计简单、便于控制，而且具有很好的人机界面，可以对当前的时间进行调整。
二、设计内容
用PROTEUS画出原理图，并完成下列任务：
⑴ 用4只LED数码管输出显示时和分。
⑵ 可通过按键设置闹钟功能，且停闹无须手工操作。
⑶ 可通过按键设置分校时。
(4) 写出详细的设计报告。
（5）给出电路的原理图、源程序，仿真实现。
三、设计步骤
利用以AT89C2051为核心的芯片来实现多功能的数字钟。本次设计的多功能数字钟采用按钮方式对时间进行控制设置，采用七段数码管显示当前的时间，且时间以24小时的计时方式，在本次设计中，电路不仅具有显示时间，还可以实现对它们的调整。
该系统是利用单片机最小系统再加上数码管、时钟芯片等电路组成。基于单片机作为主控芯片很容易控制操作，况且输入输出能很好的扩展，以便于修改更正。
1 系统主要功能
电子钟的主要功能有：整点报时；四只LED数码管显示当前时分；并且具有闹钟功能。
2 系统的硬件构成及功能
电脑钟的原理框图如图1所示。它由以下几个部件组成：单片机89C2051、电源、时分显示部件。
时分显示采用动态扫描，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。时分显示模块以及显示驱动都通过89C2051的I/O口控制。
电源部分：电源部分有二部分组成。一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压，维持系统的正常工作。 .
2．1 AT89C2051单片机及其引脚说明
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。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如图3所示。与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。
图2 AT89C2051引脚配置
AT89C2051芯片的20个引脚功能为：
VCC 电源电压。
GND 接地。
RST 复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。
XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2 来自反向振荡放大器的输出。
P1口 8位双向I/O口。引脚P1.2～P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片.
内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。
P3口 引脚P3.0～P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；
P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
2．2 时分显示部件
由于系统要显示的内容较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。LED有共阴极和共阳极两种。如图7所示。
二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。
图3 LED数码管结构原理图
众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。所谓软件译码，即由单片机软件完成从数字到显示码的转换。从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。各段码位与显示段的对应关系如表1。
表1 各段码位的对应关系
段码位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
显示段 dp g f e d c b a
需说明的是当用数据口连接LED数码管a～dp引脚时，不同的连接方法，各段码位与显示段有不同的对应关系。通常数据口的D0位与a段连接，D1位与b段连接，……D7位与dp段连接,如表1所示，表2为用于LED数码管显示的十六进制数和空白字符与P的显示段码。
字型 共阳极段码 共阴极段码 字型 共阳极段码 共阴极段码
0 C0H 3FH 9 90H 6FH .
1 F9H 06H A 88H 77H
2 A4H 5BH B 83H 7CH
3 BOH 4FH C C6H 39H
4 99H 66H D A1H 5EH
5 92H 6DH E 86H 79H
6 82H 7DH F 84H 71H
7 F8H 07H 空白 FFH 00H
8 80H 7FH P 8CH 73H
注：（1）本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。
（2）“空白”字符即没有任何显示。
根据AT89C2051单片机灌电流能力强，拉电流能力弱的特点，我们选用共阳数码管。将AT89C2051的P1.0～P1.7分别与共阳数码管的a～g及dp相连，高电平的位对应的LED数码管的段暗，低电平的位对应的LED数码管的段亮，这样，当P0口输出不同的段码，就可以控制数码管显示不同的字符。例如：当P0口输出的段码为1100 0000，数码管显示的字符为0。
数码管显示器有二种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。
为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。动态扫描显示方式需解决多位LED数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的“段控”（即要显示的段码的控制）通过P1口实现；而每一位的公共端，即LED数码管的“位控”，则由P3口控制。这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。在本系统中,字位线的选通与否是通过PNP三极管的导通与截止来控制,即三极管处于“开关”状态。
系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成，前两只用于时的显示，后两只用于分的显示。值得一提的是，在设计中需要实现时与分之间的两个闪烁点，为此，将第三只LED数码管倒置摆放，这样就形成了两个很自然的闪烁点。与此同时，为了能使两点显示能够形象的表示时钟“秒”的变化，设计时，将两个点由P1.7单独控制，每隔一秒使P1.7发送一个正脉冲，从而实现了两个点的闪烁显示，闪烁周期为一秒。
3 系统的软件构成及功能
本系统的软件系统主要可分为主程序和定时器中断程序两大模块。在程序过程中，加入了抗干扰措施。下面对部分模块作介绍。
3．1 系统主程序设计
主程序的功能是完成系统的初始化，程序流程如图4所示。
3．2 中断程序设计
中断程序(如图5所示)完成时间计数，时间调整，误差消除等功能。中断采用AT89C2051内部T0中断实现，定时时间为125ms，当时间到达125ms×8,即1分钟时，分计数缓冲器MINBUFFER增加1，到达1小时，则时计数缓冲器HOURBUFFER增加1，并将分、时的个位、十位放入显示缓冲器。当分计数缓冲器和时计数缓冲器分别到达60min、24h时，则对它们清零，以便重新计数。在中断设计中，还通过软件实现了累计误差消除功能，使整个系统时间的精确度得到保证。 .
图4 系统主程序流程图
图5 定时中断程序
四、硬件图
硬件连接图以及仿真现象图 .
