第一章 诸论1.1设计背景时钟是人们必不可少的生活用品。从古代的滴漏更鼓到近代的机械钟，从电子表到目前的数字时钟，为了准确的测量和记录时间，人们一直在努力改进计时工具。钟表的数字化，大力推动了计时的精确性和可靠性。在单片机构成的装置中，数字时钟是必不可少的部件。它的用途十分广泛，只要有计时的存在，便要用到数字时钟的原理及结构；同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱。
随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断地提高。时钟已不仅仅被看成一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。在这种趋势下，时钟的数字化、多功能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。
本次设计的数字时钟与传统的时钟相比，具有高精度、多功能、小体积、低功耗的优势，其时间采用数字显示。该设计控制器使用单片机AT89C51作为中央处理的核心，六位数码管作为时间数字的显示屏，实现了显示时间、调整时间、闹钟定时等功能，达到了设计的要求和目的。
1.2 数字温度计设计方案论证1.2.1 方案一基于FPGA的多功能数字时钟的设计方法：DCM（数字时钟管理器）。DCM使用完全数字反馈系统确保多个时钟同步，使用完全数字延线技术可以精确控制时钟的频率和相位。用户可以编程控制时钟任意倍率和分频及任意相位移动，使用非常方便可靠。
缺点：设计较为复杂，成本高，无法实现温度测量功能。
1.2.2 方案二基于VHDL的多功能数字时钟的设计利用VHDL硬件描述语言设计的多功能数字时钟的思路，在MAX+PLUSⅡK开发环境中编译和仿真了所设计的程序，并在可编程逻辑器上下载验证。
缺点：结构简单，实现功能不全面。
1.2.3 方案三基于AT89C51单片机的多功能数字时钟系统具有高精度、多功能、小体积、低功耗等特点。系统的设计是在模块化的基础上设计系统的。基于智能化和模块化的前提下设计数字时钟的，通过对设计目标的分析，分立出各个模块，然后根据各个模块的功能，选择适当的芯片进行设计的。对智能化、模块化设计具有较强的推广应用价值。
综上所述,我们可以看到,设计方案三综合性能良好、造价低廉、且简单易行。所以我选用第三种设计方案。
1.3 方案三的总体设计框图 数字时钟的电路设计总体方框图如图1.1所示,使用AT89C51单片机作为控制核心,用七段数码管来实现时间数字显示。
图1.1 总体设计方框图
第二章 主要元器件介绍2.1 AT89C51的性能介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
2.1.1 AT89C51的主要特性•与MCS-51 兼容
•4K字节可编程闪烁存储器
•寿命：1000写/擦循环
•数据保留时间：10年
•全静态工作：0Hz-24MHz
•三级程序存储器锁定
•128×8位内部RAM
•32可编程I/O线
•两个16位定时器/计数器
•5个中断源
•可编程串行通道
•低功耗的闲置和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
2.1.2 AT89C51的管脚说明图2.1.2 AT89C51管脚图
1．AT89C51的管脚图如图2.1.2所示，其说明如下：
- VCC：供电电压。
- GND：接地。
- P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
- P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
- P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接 收、输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。当P2口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
- P3口： P3口管脚是8个带有内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出 4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
- P3.0 RXD（串行输入口）；
- P3.1 TXD（串行输出口）；
- P3.2 /INT0（外部中断0）；
- P3.3 /INT1（外部中断1）；
- P3.4 T0（记时器0外部输入）；
- P3.5 T1（记时器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）；
- P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
- RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高 电平时间。
- ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
- /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每 个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
- /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
- XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
- XTAL2：来自反向振荡器的输出。
2.1.3 振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2.1.4 芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
2.2 74LS373芯片2.2.1 74LS373的基本情况74LS373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74LS373芯片。
74LS373为三态输出的八 D 透明锁存器,共有 54/74S373 和 54/74LS373 两种线路 结构型式，其主要电器特性的典型值如表2.2.1所示：
表2.2.1(注：不同厂家具体值有差别):
1．74LS373的特点：
·三态总线驱动输出
·置数全并行存取
·缓冲控制输入
·使能输入有改善抗扰度的滞后作用
2.2.2 74LS373的内部结构和性能参数74LS373的输出端 O0~O7 可直接与总线相连，当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0~O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总 线。当 OE为高电平时，O0~O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但 锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端 LE 为高电平时，O随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在 已建立的数据电平。 当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。
引出端符号：
D0～D7 数据输入端
OE 三态允许控制端（低电平有效）
LE 锁存允许端
O0~O7 输出端
1.外部引腿图：
图 2.2.2-1
2.逻辑图
图 2.2.2-2
3.真值表
表 2.2.2-3 真值表
H：高电平；
L：低电平；
×：不定；
Z：高阻态；
QO：建立稳态输入条件前Q 的电平.
2.3七段数码管的引脚图及使用在LED显示电路中，我使用共阴极的七段数码管作为LED显示电路的主要元器件。
2.3.1七段数码管的引脚图图2.3.1-1所示的是七段数码管的引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一样的。
图2.3.1-1 七段数码管的引脚图
图2.3.1-2 七段数码管的引脚图
LED数码管根据LED的接法不同分为：共阴极和共阳极。不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2.3.1-2是共阴极和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。
将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连在一起即为共阳式。以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将"b"和"c"段接上正电源，其它端接地或悬空，那么"b"和"c"段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。而将"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。其它字符的显示原理类同。
2.3.2 数码管使用条件1．数码管使用条件如下：
(1) 段及小数点上加限流电阻；
(2) 使用电压：
a.段：根据发光颜色决定；
b.小数点：根据发光颜色决定;
(3) 使用电流：
a.静态：总电流 80mA（每段 10mA）；
b.动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA
第三章 硬件设计系统整体硬件电路由中央处理单元电路（AT89C51）、振荡电路（Crystal）、复位电路（电解电容）、显示电路（七段数码管）、按键扫描电路（按钮）、闹钟电路（扬声器）这六个部分组成。各部分之间相互协作，构成一个统一的有机整体，实现多功能数字时钟的功能。各部分的硬件电路设计如下：
3.1振荡电路和复位电路1.使用晶振CRYSTAL和瓷片电容构成振荡电路。
图3.1-1振荡电路
2．使用电解电容、按钮和电阻构复位电路,单片机根据扫描到的相应端口的电平判断是否满足程序跳转条件，从而实现数字时钟的复位功能。
图3.1-2 复位电路
3．2 闹钟电路图3.2 闹钟电路
使用扬声器作为闹钟电路的主要元器件，通过接口从AT89C51单片机接受信号，实现闹钟功能。
3.3按键电路图3.3 按键电路
通过使用九个按键分别实现实际时间和闹钟时间的设置，AT89C51单片机根据扫描到的相应端口的电平判断是否满足程序跳转条件，从而实现实际时间和闹钟时间的设置。
3.4 显示电路图3.4 显示电路
通过使用7SEG-MPX6-CC、电阻和74LS373芯片构成LED显示电路，经接口从AT89C51单片机接受信号，实现数字时间显示功能。
第四章 软件设计按照设计方案的要求，在硬件电路的基础上，使用汇编语言进行软件设计，为增加程序可读性，可分为以下五个功能模块：
- 主程序,主程序流程图如图4.1所示;
- 按键扫描子程序, 按键扫描子程序流程图如图4.2所示;
- 闹钟子程序,闹钟子程序流程图如图4.3所示;
- 中断服务子程序, 中断服务子程序流程图如图4.4所示;
- 时间显示子程序, 时间显示子程序流程图如图4.5.1和图4.5.2所示。
4.1 主程序流程图主程序是先开始，然后初始化并启动定时器，在定时器启动后进行按键扫描检测，检测完后使用中断服务实现计数,最后就是显示时间。主程序流程图如图4.1所示。
图4.1 主程序流程图
4.2 按键扫描子程序流程图按键扫描子程序分为两部分:当前时间设置和闹钟时间设置。按键扫描子程序流程图如图4.2所示。
图4.2按键扫描子程序流程图
4.2.1 当前时间设置按钮扫描当前时间设置按键扫描的过程如下:
(1) 首先检测时间设置按键，如果按下，就检测时针按键；如果没有，就返回开始。
(2) 如果时针按键按下，时针就加1；如果没有，就检测分针按键。
(3) 如果分针按键按下，分针就加1；如果没有，就检测时针按键。
(4) 如果时针按键按下，时针就加1；如果没有，就把时间显示出来。
4.2.2 闹钟时间设置按键扫描闹钟时间设置按键扫描的过程如下：
(1) 首先检测查看闹钟按键，如果按下，就显示闹钟时间；如果没有，就检测闹钟设置按键。
(2)如果闹钟设置按键按下，就检测闹钟时针设置按键；如果没有，就返回开始。
(3) 如果闹钟时针设置按下，闹钟时针就加1；如果没有，就检测闹钟分针设置按键。
(4) 如果闹钟分针设置按键按下，闹钟分针就加1；如果没有，就检测闹钟完成设置按键。
(5) 如果闹钟完成设置按键按下，闹钟设置完成并显示当前时间；如果没有，就返回开始。
4.3 闹钟子程序流程图闹钟子程序的功能包括显示闹钟时间、设置闹钟时间和闹钟停止这三个功能，其流程图如图4.3所示。
图4.3闹钟子程序流程图
4.4 中断服务子程序流程图1．定时器中断时的工作过程是：
- 先将累加器A和寄存器PSW入栈;
- 然后检测1秒是否到，如果到，秒单元加1；如果没到，就检测1分钟。
- 如果1分钟到，则秒单元清零，分单元加1；如果没到，就检测1小时。
- 如果1小时到，则分单元清零，时单元加1；如果没到，就检测1天。
- 如果1天到，则时单元清零，天单元加1；如果没到，就显示时间。
图4.4 中断服务子程序流程图
4.5 显示子程序流程图显示子程序分为两个部分：当时间显示和闹钟时间显示，他们的流程图如图4.5.1和图4.5.2所示。
4.5.1 当前时间显示流程图当前时间显示子程序可实现当前时间的时、分、针显示，其流程图如下：
图4.5.1当前时间显示流程图
4.5.2 闹钟时间显示流程图闹钟时间显示子程序可实现闹钟时间的时、分显示，其流程图如下：
图4.5.2闹钟时间显示流程图
第五章 仿真软件5.1 PROTEUS仿真软件介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
Proteus软件是一款功能强大的电路设计分析软件。在利用其进行单片机的软件仿真时，仅仅是使用了其部分功能（如使用其中的ISIS智能原理图输入系统来绘制电路原理图）。因此这里主要介绍该部分的相关知识。
5.2 Proteus ISIS智能原理图输入系统1．Proteus ISIS 是Proteus软件的核心，具有以下特性：
（1）出版高质量的原理图：ISIS提供给用户图形外观，包括线宽、填充类型、字符库等的全部控制，使用户生成精美的原理图。通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用；
（2）良好的用户界面：用户只需要单击元件的引脚或者先前布好的线，就能实现布线。而且摆放、移动和删除操作能都直接用鼠标实现，无需去单击菜单或图标；
（3）自动走线：只要单击想要连接的两个引脚，就能简单地实现走线。自动走线也能在元件移动时操作，自动解决相应连线。节点能够自动布置和移除，使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间，又避免一些可能的错误；
（4）层次设计：ISIS支持层次图设计，特殊的元件能够定义为通过电路图表示的模块，能够任意设定层次。模块可画成标准元件，在使用中可放置和删除端口的子模块电路；
（5）总线支持：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；
（6）丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件。 ISIS的元件库包含8000多个元件，有标准符号、三极管、二极管、CMOS、微处理器、存储器元件、模拟IC和运算放大器等；
（7）智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件。
2.Proteus ISIS 可运行于Windows 98/2000/XP/Windows 7环境，对计算机的配置要求不是很高。在运行Proteus ISIS的执行程序后，先出现一个启动画面，随机进入Proteus ISIS的编辑环境,如图5.2所示。
图5.2 Proteus ISIS的编辑环境
5.3 Proteus ISIS的界面和功能介绍如图5.3所示，Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。
图5.3 Proteus 窗口界面图
（1）原理图编辑窗口
- 用于绘制电路原理图的，蓝色方框内为可编辑区，元件要放到它里面。注意，这个窗口是没有滚动条的，可以通过预览窗口来改变原理图的可视范围。
（2）预览窗口
- 它有两个功能：一、当从元件列表选择一个元件时，显示该元件的预览图；二、当你的鼠标箭头落在原理图编辑窗口时，显示整张原理图的缩略图，并会显示一个绿色的方框，绿色的方框里面的内容就是当前原理图窗口中显示的内容。因此，可用鼠标在它上面点击来改变绿色的方框的位置，从而改变原理图的可视范围。
（3）模型选择工具栏
① 主要模型（Main Modes）
●1 用于编辑元件参数 （默认选择的）；
●2 选择元件（components）；
●3 放置连接点；
●4 放置标签（用总线时会用到）；
●5 放置文本；
●6 用于绘制总线；
●7 用于放置子电路 。
② 配件模型（Gadgets Modes））选择工具栏
●1 终端接口（terminals） ，有 VCC、地、输出、输入等接口；
●2 器件引脚：用于绘制各种引脚；
●3 仿真图表（graph） ：用于各种分析，如 Noise Analysis；
●4 录音机；
●5 信号发生器（generators）；
●6 电压探针：使用仿真图表时要用到；
●7 电流探针：使用仿真图表时要用到；
●8 虚拟仪表：有示波器等。
③ 2D 图形
（2D Graphics）
●1 画各种直线；
●2 画各种方框；
●3 画各种圆；
●4 画各种圆弧；
●5 画各种多边形；
●6 画各种文本；
●7 画符号；
●8 画原点等。
用于挑选元件（components）终端接口（terminals）信号发生器（generators）仿真图表（graph）等。举例，当你选择“元件（components）”单击“P”按钮会打开挑选元件对话框，选择了一个元件后该元件会在元件列表中显示，以后要用到该元件时，只需在元件列表中选择即可。
（5）方向工具栏
旋转：
旋转角度只能是 90 的整数倍。成水平翻转和垂直翻转。
使用方法：先右键单击元件，再点击（左击）相应的旋转图标。
（6）仿真工具栏
仿真控制按钮
●1 运行；
●2 单步运行；
●3 暂停；
●4 停止。
第六章 仿真调试使用Proteus软件进行仿真调试
6.1 仿真原理图根据设计方案，将各部分电路进行组合，可得仿真原理图如6.1所示：
图6.1 仿真原理图
6.2 系统调试1．双击单片机出现如图6.2-1所示的画面，在Program File一栏中选择仿真项目的源程序代码文件，点击OK。
图6.2-1 加载源程序图
2.点击菜单中的“Source”—“Build All”，得到如图6.2-2所示的“Build Log” 。
图6.2-2 检查日志图
6. 3 仿真单击Play按钮，进入仿真状态，得到仿真结果如图6.3-1和图6.3-2所示：
图6.3-1 仿真结果一
图6.3-2 仿真结果二
结束语经过几周的努力，我终于完成了这一份数字时钟的设计。本次数字时钟电路采用AT89C51单片机作为控制核心，使用按钮设计控制电路，结合LED显示屏、74LS373和电阻来实现了时、分、秒的显示，采用扬声器实现闹钟功能。虽然达到了设计要求，但是还存在有待改善和提高的地方。
通过这份设计，我发现自己在编写软件程序方面的不足，也提高了我设计硬件电路和编写软件程序的能力。同时，通过这份毕业设计，让我明白：实践和理论有很大的联系，又高于理论。要把课本上所学的知识跟实际联系起来，才能把理论变成实际。本次电路的设计既巩固了我从课本上所学的知识，也使我把理论与实际结合起来，增强了学习的兴趣，考验了我们借助图书馆、互联网搜索、查阅相关资料的综合能力。
在学习过程中，要理论联系实际、学以致用，把所学的理论知识用到实际当中，通过实践把所学的理论知识进行巩固。以上，就是我在这次毕业设计中的收获，这为我以后从事电子电路设计、研制电子产品领域的工作提供了宝贵的经验。
参考文献
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[5] 高卫东，辛友顺，韩彦征. 51单片机原理与实践[M]. 北京; 北京航空航天大学出版社，2008
致 谢
这份关于数字时钟制作的毕业设计是在xxx老师的热情关怀和悉心指导下完成的。从设计的选题，相关资料的查寻，到论文的撰写这一整个过程中，xxx老师以其广博的知识、丰富的经验 、清晰的思路，为我细心指导和帮助。他严谨的治学态度，精益求精的工作作风和孜孜不倦的求学精神令我受益匪浅，在此，我对郑誉煌老师表示衷心的感谢！
在完成这份毕业设计的过程中，我也得到了许多同学的建议和帮助，在此一并致以真诚的谢意，感谢所有帮助过我的老师和同学们！
最后，感谢在百忙中抽出时间对本毕业设计（论文）进行评审并提出宝贵意见的老师们，谢谢！
附录1 元器件清单
表附录1 元器件清单
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