鄭州輕工業(yè)學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目基于單片機的智能數(shù)字鐘的設(shè)計學生姓名專業(yè)班級學號院（系）電氣信息工程學院指導教師完成時間2012年12月10日基于單片機的智能數(shù)字鐘的設(shè)計摘要本設(shè)計論文介紹了用AT89C2051單片機控制的數(shù)字鐘的硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計,給出了匯編語言源程序。此數(shù)字鐘是一個將“時”、“分”、“秒”顯示于人的視覺器官的計時裝置。它的計時周期為12小時，顯示滿刻度為12時59分59秒99毫秒，另外應有校時功能。電路由時鐘脈沖發(fā)生器、時鐘計數(shù)器、譯碼驅(qū)動電路和數(shù)字顯示電路以及時間調(diào)整電路組成。用晶體振蕩器產(chǎn)生時間標準信號，這里采用石英晶體振蕩器。根據(jù)60秒為1分、60分為1小時、24小時為1天的計數(shù)周期，分別組成兩個60進制（秒、分）、一個12進制（時）的計數(shù)器。構(gòu)成秒、分、時的計數(shù)，實現(xiàn)計時的功能。顯示器件選用LED七段數(shù)碼管。在譯碼顯示電路輸出的驅(qū)動下，顯示出清晰、直觀的數(shù)字符號。針對數(shù)字鐘會產(chǎn)生走時誤差的現(xiàn)象，在電路中就設(shè)計有有校準時間功能的電路。關(guān)鍵詞單片機；AT89C2051；數(shù)字鐘；計時BASEDONSCMMULTIPURPOSEDIGITALCLOCKDESIGNABSTRACTTHEPAPERMAINLYPRESENTSTHEHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNOFTHEDIGITALCLOCKUSINGAT89C2051THESOURCEPROGRAMUSINGASSEMBLELANGUAGEISGIVENTHISDIGITALCLOCKISATIMEDEVICE,WHICHCANDISPLAY“HOUR“,“MINUTE“,“SECOND“ITSTIMEPERIODIS12HOURSANDTHEFULLSCALEOFTHEDISPLAYIS12HOURS,59MINUTES,59SECONDSAND99MILLISECONDSANDITHASTHEFUNCTIONOFTIMEADJUSTMENTTHECIRCUITCONSISTSOFTHECLOCKPULSEGENERATOR,THECLOCKCOUNTER,DECODINGDRIVECIRCUIT,DIGITALDISPLAYCIRCUITANDTHETIMEADJUSTMENTCIRCUITITGENERATESTIMESTANDARDSIGNALUSINGCRYSTALOSCILLATOR,HEREISTHEQUARTZCRYSTALOSCILLATORBECAUSE60SECONDSIS1MINUTE,60MINUTESIS1HOURAND24HOURSIS1DAY,WEUSESTWOCOUNTERSOF60PARTSANDACOUNTEROF12PARTSEPARATELYTOCONSTITUTETHECOUNTOFPERCENTAGEOFSECOND,SECOND,MINUTE,ANDHOURSOITCANREALIZETIMEFUNCTIONDISPLAYCOMPONENTSELECTSSEVENSEGMENTNUMERICALTUBELEDDRIVENBYDECODINGOUTPUTCIRCUIT,ITCANDISPLAYSHOWINGCLEARANDINTUITIVEFIGURESDUETOWALKINGERROROFDIGITALCLOCK,WEDESIGNTIMECALIBRATIONCIRCUITINTHESYSTEMKEYWORDSSINGLECHIPMICROCOMPUTERAT89C2051DIGITALCLOCKTIME目錄第1章緒論111前言112設(shè)計的目的及意義1第2章數(shù)字鐘的功能實現(xiàn)與設(shè)計方案221數(shù)字鐘的功能及設(shè)計要求222數(shù)字鐘的實現(xiàn)形式223方案的確定3231微處理器3232顯示電路3233按鍵電路4第3章數(shù)字鐘的硬件系統(tǒng)設(shè)計531數(shù)字時鐘的硬件系統(tǒng)框架532數(shù)字時鐘的主機電路設(shè)計5321系統(tǒng)控制芯片CPU（AT89C2051）的選擇5322系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計10323系統(tǒng)復位電路設(shè)計12324按鍵與按鈕電路設(shè)計13325鬧鈴聲光指示電路設(shè)計13326數(shù)字鐘的顯示電路設(shè)計1333校時電路設(shè)計17331校時原理17332國家授時中心18333窗口比較器18334校時電路電路圖1934電源設(shè)計20第4章程序設(shè)計2441主控模塊設(shè)計2442基本現(xiàn)實模塊設(shè)計2543當前編輯位閃爍功能的實現(xiàn)2644時間設(shè)定模塊設(shè)計2645脈沖發(fā)生器原理與走時處理2746鬧鈴功能的實現(xiàn)28第5章系統(tǒng)的調(diào)試及結(jié)果3051系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境3052軟件調(diào)試3053硬件調(diào)試3054調(diào)試結(jié)果30結(jié)論31致謝32參考文獻33附錄1完整的匯編語言源程序34附錄2系統(tǒng)設(shè)計原理圖57附錄3系統(tǒng)設(shè)計PCB圖58附錄4實物照片59第1章緒論11前言計算機尤其是以微細加工技術(shù)支持的微型計算機技術(shù)飛速發(fā)展，其應用滲透到了各行各業(yè)。以單片機、嵌入式處理器、數(shù)字信號處理器（DSP）為核心的計算機系統(tǒng)，以其軟硬件可裁剪、高度的實時性、高度的可靠性、功能齊全、低功耗、適應面廣等諸多優(yōu)點而得到極為廣泛的應用。目前計算機硬件技術(shù)向巨型化、微型化和單片機化三個方向告訴發(fā)展1。自1975年美國德州儀器公司（TEXASINSTRUMENTS）第一塊微型計算機芯片TMS1000問世以來，在短短的20年間，單片機技術(shù)已發(fā)展成為計算機領(lǐng)域一個非常有前途的分之，它有自己的技術(shù)特征、規(guī)范和應用領(lǐng)域。單片機是自動控制系統(tǒng)的核心部件，主要用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器中。它具有體積小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指標大大優(yōu)于通用微機中央處理器）、價格低廉等一系列優(yōu)點，應用領(lǐng)域不斷擴大，除了工業(yè)控制、智能化儀表、通信、家用電器外，在智能化高檔電子玩具產(chǎn)品中也大量采用單片機芯片作為核心控制部件，已經(jīng)滲入到人們工作和生活的各個角落，有力地推動了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，前景廣闊。數(shù)字鐘具備單片機最小系統(tǒng)的基本組成，對于我們了解單片機有很大的幫助2。12設(shè)計的目的及意義本設(shè)計通過用對一個能實現(xiàn)定時，時鐘顯示功能的時間系統(tǒng)的設(shè)計學習，詳細介紹了51單片機應用中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換顯示，數(shù)碼管顯示原理，靜態(tài)掃描顯示原理，單片機的定時中斷原理等，從而達到學習、了解單片機相關(guān)指令在各方面的應用。對于單片機學習者而言，這個程序基本上是一道門檻，掌握了電子鐘程序，基本上就可以說把51單片機掌握了80。第2章數(shù)字鐘的功能實現(xiàn)與設(shè)計方案21數(shù)字鐘的功能及設(shè)計要求（1）可以實現(xiàn)時/分/秒/百分秒的顯示，可以調(diào)整時/分（2）使用LED顯示（3）有表示時鐘正常工作的裝置（4）能穩(wěn)定工作，可控制時鐘的啟動復位（5）有實現(xiàn)鬧鈴功能22數(shù)字鐘的實現(xiàn)形式數(shù)字鐘既可以通過純硬件實現(xiàn)，也可以通過軟硬結(jié)合實現(xiàn)，根據(jù)電子時鐘的核心部件秒信號的產(chǎn)生原理，通常有三鐘形式（1）用NE555時基電路的形式采用NE555時基電路或其他震蕩電路產(chǎn)生秒脈沖信號，作為秒加法電路的時鐘信號或微處理器的外部中斷輸入信號，可構(gòu)成電子時鐘。由555構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器電路如圖11所示。輸出的脈沖信號V0的頻率F1443/（RA2RB）C,可通過調(diào)節(jié)這3個參數(shù),使輸V0的頻率為精確的1HZ3。圖21基于555的秒脈沖發(fā)生器（2）采用石英鐘專用芯片的實現(xiàn)形式采用石英鐘專用計時芯片實現(xiàn)的電子鐘，具有實現(xiàn)簡單、計時精度高的特點。石英計時芯片（簡稱“機芯”）比較多，常見的有STP5512F、SM5546A和D60400等4。現(xiàn)基于5512F的2秒輸出信號作為秒加法電路的計時脈沖，可實現(xiàn)電子時鐘。5512F的引腳如圖12所示。12348765圖225512F引腳圖VSCAKSC1M0BPM1GND其中，引腳7、8為外接晶振及振蕩電路，引腳1接電源正極，電源為15伏，引腳3、4原為指針用步進電機線圈的輸出驅(qū)動端，這里可用3腳作為脈沖輸出，頻率決定于外接晶振的頻率。（3）采用基于單片機的實現(xiàn)形式利用單片機的智能性，可方便的實現(xiàn)具有智能數(shù)字鐘的設(shè)計。而且，微處理系統(tǒng)具有時鐘振蕩系統(tǒng)，利用系統(tǒng)時鐘并借助微處理器的定時/計數(shù)器功能可以實現(xiàn)數(shù)字鐘的功能。本設(shè)計采用AT89C2051單片機設(shè)計。23方案的確定可以從以下幾個方面來確定電子鬧鐘的設(shè)計方案。231微處理器采用ATMEL的AT89C2051微處理器，是基于以下幾個因素內(nèi)含F(xiàn)LASH存儲器,這在系統(tǒng)的開發(fā)過程中,可隨意進行程序修改,既便錯誤編程之后仍可以重新編程,故不存在廢品且大大縮短了程序的開發(fā)周期同時在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息。采用靜態(tài)時鐘方式,節(jié)省電能,這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有利。由于它是以8031核構(gòu)成的,所以它與MCS251系列單片機是兼容的AT89C2051為51內(nèi)核，仿真調(diào)試軟硬件資源豐富；性價比高，貨源充足；DIP20封裝，體積小，便于產(chǎn)品小型化；為E2PROM程序存儲介質(zhì)，1000次以上擦/寫周期，便于變成調(diào)試；具有IDLE和POWERDOWN兩種工作模式，便于進行低功耗設(shè)計；工作電壓范圍寬276V，便于交直流供電5。232顯示電路就時鐘而言，通?？刹捎靡壕э@示或數(shù)碼管顯示。對于一般的段式液晶屏，需要專門的驅(qū)動電路，而且也經(jīng)顯示作為一種被動顯示，可視性相對較差；對于具有驅(qū)動電路和微處理器接口的液晶顯示模塊（字符或點陣），一般多采用并行機接口，對于微處理器的接口要求較高，占用資源多。另外，89C2051本身沒有專門的液晶驅(qū)動接口，因此，本時鐘設(shè)計采用了數(shù)碼管顯示方式。數(shù)碼管作為一種主動顯示器件，具有亮度高、價格便宜等優(yōu)點，而且市場上也有專門的時鐘顯示組合數(shù)碼管。233按鍵電路考慮到對時和設(shè)定鬧鈴時間這兩種操作的使用頻率不是很高，為了精簡系統(tǒng)和節(jié)省成本，本時鐘系統(tǒng)只設(shè)兩個按鍵（1）SET鍵，對應系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，具有三個功能在復位后的待機狀態(tài)下，用于啟動設(shè)定時間參數(shù)（對時和定鬧）；在設(shè)定時間參數(shù)狀態(tài)而且不是設(shè)定最低位（即分個位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束當前位的設(shè)定，當前設(shè)定為下移；在設(shè)定最低位（分個位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束本次時間設(shè)定。（2）1鍵，用于對當前設(shè)定位（編輯位）進行加1操作，根據(jù)12/24小時工作模式和正在編輯的當前位的含義（時十位、時各位、分十位、分個位）自動進行數(shù)據(jù)的上限和下限判斷。例如，對12小時制，小時的十位只能是0、1，如果當前值為0，則按1鍵后為1，再按1鍵后為0。第3章數(shù)字鐘的硬件系統(tǒng)設(shè)計電子時鐘硬件部分的設(shè)計應包括秒信號發(fā)生器、時間顯示電路、按鍵電路、供電電路，以及鬧鈴指示電路等幾部分。31數(shù)字時鐘的硬件系統(tǒng)框架電子時鐘的系統(tǒng)框架入圖31所示。CPU按鍵電路復位等輔助電路電源系統(tǒng)數(shù)碼管顯示電路鬧鈴聲光指示電路圖31數(shù)字鐘的系統(tǒng)框架32數(shù)字時鐘的主機電路設(shè)計數(shù)字時鐘的主電路指的是圖1中框內(nèi)部分，主要涉及到微處理器電路和按鍵縣按鈕電路。主機的設(shè)計具體地說有（1）系統(tǒng)控制芯片的選擇（2）系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計；（3）系統(tǒng)復位電路設(shè)計；（4）按鍵與按鈕電路設(shè)計；（5）鬧鈴聲光指示電路設(shè)計。321系統(tǒng)控制芯片CPU（AT89C2051）的選擇AT89C系列單片機是ATMEL公司1993年開始研制生產(chǎn)的，優(yōu)越的性能價格比使其成為頗受歡迎的8位單片機。AT89C系列與MCS51系列單片機相比有兩大優(yōu)勢第一，片內(nèi)程序存儲器采用閃速存儲器，使程序的寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片（AT89C2051/1051），使整個電路的體積更小6。（1）AT89C2051主要性能AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的戴2KB閃速可編程可擦除只讀存儲器（PEROM）的8位單片機，它具有如下主要特征AT89C2051為51內(nèi)核；1內(nèi)部帶2KB可編程閃速存儲器（E2PROM），壽命為1000次擦/寫循環(huán)，據(jù)保留時2間為10年；DIP20封裝，體積小3工作電壓范圍為276V；4全靜態(tài)工作頻率為0HZ24HZ；5兩極程序存儲器鎖定；6位內(nèi)部RAM；781215條可編程I/O線；、82個16位定時器/計數(shù)器；95個兩級終端源；10可編程全雙工串行UART通道；11直接對LED驅(qū)動輸出12片內(nèi)精確的模擬比較器；13片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；14低功耗的休眠和掉電模式；15（2）AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳描述AT89C2051單片機的內(nèi)部與8051單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，區(qū)別只是增加了一個模擬比較器7，減少了兩個對外的端口（P0、P2口），輸出端口P1、P3有獨特的功能。AT89C2051減少了兩個外部端口，因而芯片的外部引腳可以大大減少，芯片尺寸可以很小，其引腳配置如圖32所示。圖32AT89C2051引腳配置它是一個有20個引腳排列直插式的芯片，其引腳描述如下VCC電源電壓；GND接地；RST復位輸入。當RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?個機器周期時，所有I/O引腳復位至高阻狀態(tài)。XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2來自反向振蕩放大器的輸出。P1口8位雙向I/O口，引腳P11和P12需要外部上拉，可用作片內(nèi)精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）和反向輸入（AIN1）8。P1口輸出緩沖器能接收20MA電流，并能直接驅(qū)動LED顯示器；P1口引腳寫入“1”后，可用作輸入。在閃速編程和編程校驗期間，P1口也可接收編碼數(shù)據(jù)。P3口引腳P30P35與P37為7個帶內(nèi)部上拉的雙向I/O引腳。P36在內(nèi)部已與片內(nèi)比較器輸出相連，不能作為通用I/O引腳訪問。P3口的輸出緩沖器能接收20MA電流；P3寫入“1”后，內(nèi)部上啦，可用作輸入。P3口也可用作特殊功能口，其功能見表31。P3口同時也可為閃速存儲器編程和編程校驗接收控制信號9。表31P3口引腳的特殊功能P3口引腳特殊功能P30P31P32P33P34P35RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）INT0（外部中斷0）INT1（外部中斷1）T0（定時器0外部輸入）T1（定時器1外部輸入）從上述引腳說明看出，AT89C2051沒有提供外部擴展存儲器與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號，因此利用AT89C2051構(gòu)成的單片及應用系統(tǒng)不能在AT89C2051之外擴展存儲器或I/O設(shè)備，也即AT89C2051本身即構(gòu)成了最小的單片機系統(tǒng)。（3）振蕩器振蕩器特征XTAL1和XTAL2分別構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，如圖33所示?？刹捎檬⒕w或陶瓷振蕩器組成振蕩器。要從外部時鐘源驅(qū)動AT89C2051，則XTAL2應懸空，而XTAL1的驅(qū)動如圖34所示。由于輸入到內(nèi)部時鐘電路經(jīng)過一個二分頻觸發(fā)器，故不需要對外部時鐘信號的工作周期提出特殊要求，但它必須遵守最小和最大電壓高低電平的時間規(guī)范。圖33振蕩的外部連接方法圖34外部時鐘驅(qū)動結(jié)構(gòu)（4）特殊功能寄存器SFR與8051單片機特殊功能寄存器相對應，AT89C2051片內(nèi)設(shè)置了19個特殊功能寄存器，統(tǒng)稱為特殊功能寄存器塊SFR，它們的地址散布在80H0F0H區(qū)域內(nèi)。（5）低功耗工作模式AT89C2051優(yōu)良中低功耗工作模式待機方式與掉電方式。待機方式（休眠方式）1當利用軟件使待機方式位ADL（PCON0）0時，單片機進入空閑方式。此時，CPU處于休眠狀態(tài)，而片內(nèi)所有其它外圍設(shè)備都保持工作狀態(tài)，片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。在待機方式下，當晶振FOSC12MHZ，電源電壓VCC6V時，電源電流ICC從20MA降至5MA；而VCC由55MA降至1MA。中斷或硬件復位可以終止待機方式。當待機方式由硬件復為終止時，CPU要從休眠處恢復程序的執(zhí)行，執(zhí)行2的周期后，內(nèi)部復位電路才起作用。此時，硬件禁止訪問內(nèi)部RAM，但允許訪問端口引腳。為了防止休眠被復位終止時對端口以外寫入的可能性，在生成待機方式的指令后不應緊跟對端口引腳的寫指令。如果不采用外部上拉，P10和P11應置“1”。掉電方式2掉電方式由掉電方式位PDPCON11攝制。此時振蕩器停止工作，設(shè)置掉電方式的指令成為最后執(zhí)行的一條指令，片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。在掉電模式下，VCCMIN2V。當VCC6V時，ICCMAX100A；當VCC3時，ICCMAX20A。退出掉電方式的唯一方式是硬件復位。硬件復位將重新定義特殊功能寄存器，但不影響片內(nèi)RAM。復位的保持時間應足夠長，以便振蕩器能重新開始工作并穩(wěn)定下來。在VCC沒有恢復得到正常工作電壓之前，不應進行復位。如果不采用外部上拉，P10和P11應置“0”，否則置“1”。（6）閃速存儲器的編程AT89C2051單片機內(nèi)部有2KB的閃速存儲器陣列，一片新的AT89C2051，其存儲陣列處于擦除狀態(tài)（FFH），此時可對其編程，存儲陣列一次編程1字節(jié)，若編程任何非空字節(jié)時，需對整個存儲陣列進行片擦除10。編程時，AT89C2051利用內(nèi)部存儲器地址計數(shù)器提供尋址存儲器的地址信號，RST上升沿將該地址計數(shù)器復位至000H，引腳XTAL1所施加的正向脈沖使地址計數(shù)器不斷加1。11RST上出現(xiàn)12V（編程電源VPP）高壓時，預示著1字節(jié)的編程操作開始，這時P3口提供編程所需的控制與狀態(tài)信號，P1口為數(shù)據(jù)通道。（7）在線編程AT89C2051編程時需要利用RST、XTAL1、P1口、P3口提供控制信號與加載編程數(shù)據(jù)，而這一要求又常與用戶系統(tǒng)對這些引腳的要求或操作沖突。因此，在線編程不能直接在用戶工作電路中進行，而要通過特殊電路處理才能實現(xiàn)。例如圖35所示為在線編程的示例，其采用2選1的方法實現(xiàn)連接線路的切換，達到在線編程的目的。利用微動開關(guān)SW來選擇XTAL1的加載，產(chǎn)生選擇控制信號SELECT，其它線路的切換用2選1器件74LS157與三態(tài)緩沖器74LS244實現(xiàn)。當AT89C2051正常工作時，選擇控制信號（SELECG0）控制所有的74LS157輸入A端與輸出Y接通，且74LS2441輸出有效，74LS2442三態(tài)輸出，使得AT89C2051可以對用戶電路進行控制操作；當AT89C2051需要編程時，選擇控制信號SELECT1控制所有的74ALS157輸入B端與輸出Y端接通，且74LS2441三態(tài)輸出，74LS2442輸出有效，使得AT89C2051可以接受編程電路的控制，實現(xiàn)編程操作。RSTXTAL2XTAL1復位電路輸入接口輸入設(shè)備輸出接口輸出設(shè)備AT89C2051圖35在線編程示例322系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計系統(tǒng)利用晶體振蕩器作為時鐘電路，根據(jù)晶振的不同使用要求及特點，通常分為以下幾類普通晶振、溫補晶振、壓控晶振、溫控晶振等。安裝晶振時，應根據(jù)其引腳功能標識與應用電路應連接，避免電源引線與輸出引腳相接輸出。在測試和使用時所供直流電源應沒有足以影響其準確度的紋波含量，交流電壓應無瞬變過程12。測試儀器應有足夠的精度，連線合理布置，將測試及外圍電路對晶振指標的影響降至最低。（1）普通晶振（PXO）是一種沒有采取溫度補償措施的晶體振蕩器，在整個溫度范圍內(nèi)，晶振的頻率穩(wěn)定度取決于其內(nèi)部所用晶體的性能，頻率穩(wěn)定度在105量級，一般用于普通場所作為本振源或中間信號，是晶振中最廉價的產(chǎn)品。（2）溫補晶振（TCXO）是在晶振內(nèi)部采取了對晶體頻率溫度特性進行補償，以達到在寬溫溫度范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定度要求的晶體振蕩器。（3）恒溫晶振（OCXO）采用精密控溫，使電路元件及晶體工作在晶體的零溫度系數(shù)點的溫度上。中精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度為107108，高精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度在109量級以上。主要用作頻率源或標準信號。（4）壓控晶振（VCXO）是一種可通過調(diào)整外加電壓使晶振輸出頻率隨之改變的晶體振蕩器，主要用于鎖相環(huán)路或頻率微調(diào)。壓控晶振的頻率控制范圍及線性度主要取決于電路所用變?nèi)荻O管及晶體參數(shù)兩者的組合。晶體振蕩器選擇參考標準（1）總頻差在規(guī)定的時間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標稱頻率的最大頻差。（2）溫度穩(wěn)定度在標稱電源和負載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準溫度或帶隱含基準溫度的最大允許頻偏。（3）頻率穩(wěn)定預熱時間以晶體振蕩器穩(wěn)定輸出頻率為基準，從加電到輸出頻率小于規(guī)定頻率允差所需要的時間。（4）頻率老化率在恒定的環(huán)境條件下測量振蕩器頻率時，振蕩器頻率和時間之間的關(guān)系。這種長期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，可用規(guī)定時限后的最大變化率（如10PPB/天，加電72小時后），或規(guī)定的時限內(nèi)最大的總頻率變化（如1PPM/（第一年）和5PPM/（十年）來表示。（5）頻率壓控范圍將頻率控制電壓從基準電壓調(diào)到規(guī)定的終點電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。（6）頻率壓控線性與理想（直線）函數(shù)相比的輸出頻率輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分數(shù)表示整個范圍頻偏的可容許非線性度7。本系統(tǒng)時鐘電路的設(shè)計如圖36。對于實踐要求不是很高的系統(tǒng)，圖中電路設(shè)計就能使系統(tǒng)可靠起振并穩(wěn)定運行。但由于途中的C1、C2電容起著系統(tǒng)時鐘頻率微調(diào)和穩(wěn)定的作用，它對時鐘的正負走時誤差有很大影響。因此，在本系統(tǒng)的實際應用中特別注意了電容參數(shù)的選擇（），并盡量保證電路的對稱性（盡可能匹配），選PF103用正派廠家生產(chǎn)的瓷片或云母電容，條件允許的話溫度系數(shù)要盡可能低。圖36振蕩電路323系統(tǒng)復位電路設(shè)計智能系統(tǒng)一般應有手動或上電復位電路。復位電路的實現(xiàn)通常有兩種形式即專用P監(jiān)控電路和RC復位電路。前者電路實現(xiàn)簡單，成本低，但復位可靠性相對較低；后者成本較高，但復位可靠性高，尤其是高可靠重復復位。對于復位要求高，并對電源電壓進行監(jiān)視的場合，大多采用這種方式。（1）專用P監(jiān)控電路專用P監(jiān)控電路有稱為電源監(jiān)視電路，具有上電時可靠產(chǎn)生復位信號和電源電壓跌落到“門檻值”時可靠產(chǎn)生復位信號等功能17。按時效電平分，有高電平輸出、低電平輸出兩種；按功能分，有簡單的電源監(jiān)視復位電路、帶看門狗定時器（WATCHDOGTIMER，WDT）的監(jiān)控電路和WDTE2PROM的監(jiān)控電路等多種類型。（2）RC復位電路本系統(tǒng)采用的是RC復位方式。RC復位電路的實質(zhì)是一階充放電電路，如圖37圖37RC復位電路系統(tǒng)上電時該電路提供有效的復位信號RST（高電平）直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復位信號（低電平）。從理論上說，51系列單片機復位引腳只要外兩個機器周期的有效信號即可復位，即只要保證TRC2M（機器周期）便可。但在實際設(shè)計中，通常C1取值為10F以上，R1通常取值10左右。實踐發(fā)現(xiàn)，R1如果取值太小，例如1,則會導致RST信號驅(qū)動能力變差而無法使系統(tǒng)可靠復位。另外，從圖38所示的復位信號波形圖可以明顯看出，續(xù)流二極管對于改善復位性能，起到了重要作用。它的作用是在電源電壓瞬間下降時使電容迅速放電，因此一定寬度的電源毛刺（如波形中A點）也可令系統(tǒng)可靠復位。圖38加二極管前后的復位信號特性對比324按鍵與按鈕電路設(shè)計按鍵與按鈕電路的設(shè)計參見系統(tǒng)原理圖中的S1、S2和S3對應部分。按鍵與按鈕電路設(shè)計中關(guān)鍵要考慮的就是按鍵去抖動問題（簡稱“去抖”），一般由硬件去抖和軟件去抖兩種方式。硬件去抖可以采用分立元件或觸發(fā)器實現(xiàn)，目前市場上也有硬件去抖專用接口芯片，例如MAXIM公司MAX68166818，均為單電源供電，電壓為2755V，分別為單輸入、雙輸入和八輸入，輸出端具有欠壓鎖定功能19?？紤]到系統(tǒng)的硬件簡化和控制成本問題，本次設(shè)計采用軟件去抖方式。325鬧鈴聲光指示電路設(shè)計鬧鈴指示可以由聲或光亮中形式，本系統(tǒng)設(shè)計中采用聲音指示。關(guān)鍵元件是蜂鳴器。蜂鳴器有無源和有源兩種，前者屬要輸入聲音頻率信號才能正常發(fā)聲，后者則只需外加適當直流電源電壓即可；元件內(nèi)部已經(jīng)封裝了音頻振蕩電路，在得電狀態(tài)下即起振發(fā)聲。市場上的有源蜂鳴器分為3V、5V、6V等系列，以適應不同的應用要求。其電路設(shè)計見電路原理圖。其中PNV小功率三極管Q2采用9012，其最大集電極電流為800MA,完全滿足蜂鳴器驅(qū)動的需要。適當調(diào)節(jié)基極電阻可改變蜂鳴器的發(fā)聲功率（即響度）。如圖39圖39鬧鈴聲光指示電路326數(shù)字鐘的顯示電路設(shè)計（1）LED的選擇單片機I/O的應用最典型的是通過I/O口與7段LED數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路，7段LED數(shù)碼管，在一定形狀的絕緣材料上，利用單只LED組合排列成“8”字型的數(shù)碼管，分別引出它們的電極，點亮相應的點劃來顯示出09的數(shù)字。LED數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。下圖310陰和共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。圖310數(shù)碼管電路將多只LED的陰極連在一起即為共陰式，而將多只LED的陽極連在一起即為共陽式。以共陰式為例，如把陰極接地，在相應段的陽極接上正電源，該段即會發(fā)光。當然，LED的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻。假如我們將“B“和“C“段接上正電源，其它端接地或懸空，那么“B“和“C“段發(fā)光，此時，數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“1”。而將“A“、“B“、“D“、“E“和“G“段都接上正電源，其它引腳懸空，此時數(shù)碼管將顯示“2”。其它字符的顯示原理類同。用單片機驅(qū)動LED數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)（掃描）顯示，按譯碼方式可分硬件譯碼和軟件譯碼之分。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時再傳送一次新數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時間；動態(tài)顯示需要CPU時刻對顯示器件進行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時間多。這兩種顯示方式各有利弊動態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時間較多，但是用的硬件少，能節(jié)省線路板的空間。動態(tài)掃描顯示接口是單片機種應用最廣泛的一種顯示方式。其接口電路是把所有的LED顯示器的8個筆畫段AG、DP的同名端連在一起，而每一個數(shù)碼管的公共端COM是各自獨立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于COM端，而這一端由I/O控制的，可以自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的，約1MS左右，但是由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光余暉效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅(qū)動電路，使用的硬件較多，但是編程相對于動態(tài)顯示比較簡單，本設(shè)計采用的是靜態(tài)顯示方案。（2）LED的驅(qū)動和顯示單片機對LED數(shù)碼管的驅(qū)動方法可以分為串行和并行兩種，分別適用于不同的使用場合，兩者的硬件電路和程序區(qū)別也很大。并行驅(qū)動在一般情況下，單片機使用并行驅(qū)動的方式進行LED的顯示。并行驅(qū)動的結(jié)構(gòu)較簡單，并且非常適用于說明地址和數(shù)據(jù)總線復用的情況。LED并行驅(qū)動的電路原理圖如圖311所示。圖311LED并行驅(qū)動的電路原理圖中顯示的是使用8155與LED顯示器的接口，8155的PB0PB7作為段選碼口，經(jīng)過7407驅(qū)動與LED的段相連；8155的PA0PA5作為位選碼口，經(jīng)過7406驅(qū)動與LED的位相連。圖中的P27反相后作為8155的片選信號，P26接8155的IO端。這樣確定8155片內(nèi)的4個端口地址。（7407驅(qū)動門電路，提供數(shù)碼管顯示的驅(qū)動電流）本設(shè)計采用的是串行驅(qū)動方式，具體方法如下在某些情況下，可供使用的單片機并行I/O口不足8根，數(shù)據(jù)的并行輸出已不可能此時可以考慮串行輸出方法,圖312本設(shè)計采用的串行口擴展的四位LED顯示電路。圖312本設(shè)計采用的串行口擴展的四位LED顯示電路該顯示電路只使用單片機的三個端口P17、P30、P31，并配以四片串入并出移位寄存器74LS164（LED驅(qū)動）。如果再配1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317，則可調(diào)LED亮度。其中74LS164的引腳Q0Q7為8位并行輸出端；引腳A、B為串行輸入端；引腳CLK為時鐘脈沖輸入端，在CLK脈沖的上升沿作用下實現(xiàn)移位，在CLK0、清除端MR1時，74LS164保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài)；MR0時，74LS164輸出清零。其工作過程如下2051的串行口設(shè)定在方式0移位寄存器狀態(tài)下，串行數(shù)據(jù)由P30發(fā)送，移位時鐘由P31送出在移位時鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74LS164中。4片74LS164串級擴展為4個8位并行輸出口，分別連接到4個LED顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。需要指出的是，由于74LS164無并行輸出控制端，因而在串行輸出過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷變化，造成不應顯示的字段有較暗的亮度，影響了顯示的效果?？梢圆捎玫淖龇ㄊ窃?4LS164的輸出端加接4片鎖存器或三態(tài)門，使移位寄存器串行輸入數(shù)據(jù)時其輸出端的變化不反映到LED上，待串行輸出結(jié)束后再打開鎖存器或三態(tài)門；也可以采用1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317即解決此問題。LM317的3、2腳分別是電壓輸入、輸出端，LM317的1腳是電壓的調(diào)整端，在一腳與接地電阻之間并入一個NPN三極管，它的基極受P17口線控制。串行輸出時P17口線為高電平，三極管截至，LM317的腳1約為03V，腳2輸出電壓便下降到15V不足以使共陽極LED發(fā)光，故此時串行輸入的影響不會反映到LED上。串行輸入結(jié)束后P17口線為低電平，三極管截止，腳2輸出電壓便上升到20V使LED正常發(fā)光，因此不會引起顯示閃爍。增加了可調(diào)穩(wěn)壓器LM317的電路，其另一個特點是通過可調(diào)電位器P1在線調(diào)整腳2的輸出電壓，可使LED的顯示亮度均勻可調(diào)，而且省掉了大量的限流電阻。顯示采用共陽數(shù)碼管，其目的是為了簡化限流電路的設(shè)計和實現(xiàn)亮度可調(diào)的要求。從圖中可以看出，該顯示電路采用了與一般的段電流電阻限流方式不同的顯示方式，由此減少了個限流電阻，簡化了硬件系統(tǒng)。每筆畫段二極管正常發(fā)光時的電流一8般為10MA左右（電流大小還取決于數(shù)碼管是普亮、高亮還是超高亮類型的不同），其兩端壓降約為20V，也就是說，只要數(shù)碼管的公共端（COM）加20以上電壓，即可滿足每筆畫段發(fā)光二極管的發(fā)光要求，而且適當調(diào)節(jié)此電壓值即可改變發(fā)光二極管的電流，從而達到調(diào)節(jié)亮度的目的。此電壓采用三端可調(diào)穩(wěn)壓電路W1LM317來實現(xiàn)。其輸入為5V，按照圖中參數(shù)其輸出電壓由式31決定1251R4/R5R6（31）在式31中，R5為200，R6可調(diào)，R4為220，因此輸出電壓為217263V。但由于輸入輸出壓差至少為25V，因此極限電壓為25V。圖15中只畫出了一個數(shù)碼管的連接。接口P32的作用是通過LM317控制數(shù)碼管的開啟與關(guān)閉，當P32為低電平，Q1關(guān)斷，LM317的輸出電壓低于15V，不足以發(fā)光，避免了顯示數(shù)據(jù)刷新時的抖動現(xiàn)象。詳細電路圖見附錄2。上述分析表明，移位寄存器74LS164僅有串入左右沒有譯碼作用，因此，在編寫顯示驅(qū)動程序之前，首先需要計算列寫出與本程序電路相應的LED段選碼3，然后由2051的P30口送入74LS164的串行輸入端，再并行輸出到LED的段選端。需要指出的是，本電路采用TOS28106BHK型號的共陽極LED數(shù)碼管。這種穩(wěn)定的靜態(tài)顯示方式也省去了CPU的動態(tài)掃描過程，此為本電路的又一特點。33校時電路設(shè)計目前，世界上應用的校時系統(tǒng)有很多種。有利用電話網(wǎng)絡進行校時，還有利用電視信號的校時系統(tǒng)、衛(wèi)星校時系統(tǒng)、低頻（長波）導航、授時信號系統(tǒng)、高頻（短波）時號廣播系統(tǒng)、利用互聯(lián)網(wǎng)絡校時系統(tǒng)。本設(shè)計采用的校準信號是由國家授時中心提供的短波授時信號。該校時信號經(jīng)處理通過外中斷送予單片機。如果采用長波BPL校時，準確度將會非常高。但更高的精確度將使得設(shè)備很復雜。例如接收機必須使用長波接收機，一般市面上售的都是中、短波收音機，長波收音機不但南購買到，而且費用也非常高。不符合本設(shè)計的初衷。本設(shè)計的初衷是用簡單的設(shè)備，較低的費用得到較高的時鐘精確度。因此采用短波（BPM）是一種既簡單經(jīng)濟又能達到目的的方法。331校時原理授時臺發(fā)播的授時信號為音頻信號，經(jīng)窗口比較器后得到穩(wěn)定的脈沖信號，此脈沖信號做為外部中斷校時信號送與單片機進行時間較準，然后送LED顯示時間。利用短波信號進行時頻傳遞與校準是一種廉價而方便的方法，對于要求同步偏差在1MS量級的用戶特別有利。同時對于某些高準確度同步要求的用戶，作為粗（初）同步方法也是必不可少的。短波授時的基本方法是由無線電臺發(fā)播時間信號（簡稱時號），用戶用無線電接收機接收時號，然后進行本地對時。我國目前有國家授時中心的BPM，上海天文臺的XSG（每天世界時3H，9H前后發(fā)播幾分鐘，主要為附近航海者服務）以及臺北的BSF（每天世界時1H至9H發(fā)播）。332國家授時中心國家授時中心（陜西天文臺）本部地處我國中部腹地陜西臨潼，這里承擔著我國標準時間的產(chǎn)生、保持任務，并采用多種手段與國際時間保持同步，同時這里擁有一支時頻領(lǐng)域的科研隊伍。授時臺位于陜西蒲城，主要有短波和長波專用無線電標準時間標準頻率發(fā)播臺（代號分別為BPM和BPL）。國家授時中心負責確定和保持的我國原子時系統(tǒng)TANTSC和協(xié)調(diào)世界時UTCNTSC處于國際先進水平，并代表我國參加國際原子時合作。它是由一組高精度銫原子鐘通過精密比對和計算實現(xiàn)，并通過GPS共視比對、衛(wèi)星雙向法（TWSTFT）比對等手段與國際原子時間標準相聯(lián)系，對國際原子時的保持做出貢獻，目前的穩(wěn)定度為1014，準確度為1013。短波授時臺（BPM）每天24小時連續(xù)不斷地以四種頻率（25M,5M,10M