电子闹钟

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2024年1月13日发(作者：)

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计

第一章 绪论

1.1 课题背景

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。例如，许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏。注射后，一般等待5分钟，一旦超时，所作的皮试试验就会无效。手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。所以，要制作一个定时系统。随时提醒这些容易忘记时间的人。 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。

1.2 单片机的发展历程

单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

在MCS-51系列单片机中，有两个子系列：51子系列和52子系列。每个子系列有诺干中型号, 其中51系列有8051、8751和8031三个型号，后来经过改进产生了80c51、87c51、80c31三个型号；52系列有5021、8752、8032三个型号，改进后的型号是80c52/87c52、80c32。改进后的型号更加省电。52系列比对应的51系列增加了定时器T2并将内部程序存贮器增加到8KB。Inter公司停止生产MCS-51系列单片机之后将生产权转让给了许多其他公司，于是出现了许多与Mcs-51兼容的单片机。现在生产mcs-51兼容单片机的公司对其进行了不同程度的改进和提高。我们现在使用比较的多的是AT89C51/AT89s51等。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。

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第二章 设计方案

2.1设计目的及要求

1.设计目的

1.熟悉STC89C52单片机的应用与编程，并学习单片机的工作原理及开发。

2.学会制作实际电路板的基本过程与方法。

3.通过单片机来实现闹钟的控制。

2.设计任务

本次课程设计需要完成对智能电子闹钟的控制，首先要显示时钟的计时，计时为24小时制，通过按键控制对时间设定一个时间，当时钟到达设定的时间，蜂鸣器立刻发出报警。

图2-1 系统框图

3.设计要求

1、绘制交通灯控制器的电路原理图，掌握各个部分电路的原理、功能和应用方法；

2、根据课程设计任务，编程实现系统要求的基本功能；

3、根据电路原理图制作电路板；

4、对系统进行实际调试；

5、编写课程设计说明书；

2.2 方案设计

AT89S5l内部定时/计数器T0和Tl设置为定时器模式l工作方式．作为电子时钟及电

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子秒表的计时基准。定时器T0产生10 ms的中断信号，每经过1t30次中断，时钟秒位加一，秒位经60次加一后向时位进位，当时问为23时59分59秒时，秒位再加一后变为00时00分00秒．当按键切换为电子秒表功能时，T0每产生一次中断，十毫秒单元加一，十毫秒单元经过l0次加一后，百毫秒单元加一。依次进位可实现最长为9小时59分59秒990毫秒的秒表计时，可达到分辩10 ms的计时精度。

利用K1～K4按键可对时钟进行对时当首次按下K1按键时，显示数码管第一位闪烁，继续按键时，下一位闪烁。当某一位闪烁时，按下K2按键可使闪烁位加一。在正常时钟显示方式下按下K2键时，转为年、月、日显示．按下K3键，可进入秒表状态，按下K4键可显示闹钟定时时间。

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第三章 硬件电路设计

3.1 STC89C52单片机

89C52简介

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及STC89C52引脚结构,功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其引脚如图3-1所示；

图3-1 STC89C52单片机引脚图

STC89C52具有如下特点：40个引脚,8k Bytes Flash片内程序存储器,32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

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此外, STC89C52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下,模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。

89C52主要功能如表3-1所示：

表3-1 STC89C52主要功能特性

兼容MCS51指令系统；

内带2K字节EEPROM存储空间；

3个16位可编程定时/计数器中断；

2个串行中断；

2个外部中断源；

2个读写中断口线；

低功耗空闲和掉电模式；

8K字节程序存储空间；

8K可反复擦写Flash ROM；

512字节数据存储空间；

时钟频率0-24MHz；

可编程UART串行通道；

共6个中断源；

3级加密位；

软件设置睡眠和唤醒功能；

可直接使用串口下载；

3.2时针电路设计

STC89C52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件所以实际构成的振荡时钟电路。对接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和温度的稳定性。晶体频率可在1.2MHZ～12MHZ之间任选，电容C1和C2的典型值在20PF～100PF之间选择，考虑到本系统对于外接晶体的频率稳定性要求不高，所以采取比较廉价的12MHZ晶体振荡器。时钟电路图如图3-2所示，其晶体振荡器的作用是将XTAL1和XTAL2分别作为反向放大器的输入或输出，其引脚两侧外接定时元件就能构成时针电路，电容C1和C2主要起频率微调作用。

图3-2 时针电路图

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3.3 复位电路设计

复位电路如图3-3所示，其采用上电加上按钮电平复位的方式，在RST输入端高电平时实现复位和初始化。其电容选用22pF的瓷片电容2个和22µF电解电容1个。瓷片电容的基本特性为：电气性能最稳定，基本上不随温度、时间、电压的改变而改变，适用于稳定性、可靠性要求比较严格的场合，由于电气性能稳定，高频特性好，可很好的工作在高频、特高频、甚高频频段。

电解电容的基本构造是在相对的两片金属物夹着绝缘物的物品，换言之是由正箔和负箔两张金属电极板间夹着电解纸（绝缘物）的物品。此为电解电容器的基本构造，对电容印加直流电压，可在电极的两边各蓄存等量的正负电荷。

图3-3 复位电路图

3.4 电源电路设计

为使系统稳定工作，须有可靠电源。采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。电源电路如图3-4所示，整个系统采用+5V电压。用变压器将端电压转换为交流电，再通过整流桥转化为直流电最后再由LM7805将电压稳定在+5V输出。

图3-4 电源电路图

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3.5 时钟芯片选择

方案一：采用单片机内部定时器实现时钟，不需要外接芯片，成本较低，但是时间精度不高，时间掉电会丢失，只适合一般场合使用；

方案二：使用时钟芯片DS1302作为时钟源，该芯片断电后需要通过外接电池或者电容供电，因此电路相对比较复杂，成本也较高。

结合我们应用的实际情况，我们一般要求时钟精度不是很高，只用于一般使用，故选择成本较低的方案一实现。

图3-5 DS1302引脚图

DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。

DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。

3.6 数码管显示

数码显示部分采用八块共阳极八段数码显示管分别对时，分，秒进行显示。将第三块和第六块显示横杠,可以使时间显示更美观.显示部分采用刷新显示方案.具体如下:

当p2口输出11111110第一块的三极管导通,u1数码管被选中,然后p0口输出数字的数码管编码。如p0口输出00111111时u1数码管就输出数字0。当11111110循环右移一位是u2被选通显示。依次类推u1-u8数码管显示完成，再循环显示。由于单片机的刷新速度很快所以8个数码管看起来就像同时显示的一样。

时个位计数单元电路结构仍与秒或个位计数单元相同，但是要求，整个时计数单元应为24进制计数器，不是10的整数倍，因此需将个位和十位计数单元合并为一个整体才能进行24进制转换。

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图3-6 数码管实物图

3.7按键控制电路

本设计用到的键盘有4个独立按键，分别为时间调整按键、闹钟调整按键和两个时间加减按键。以此控制时间的调整和闹钟时间的调整。

图3-7 按键电路图

3.8报警电路

此模块采用无源蜂鸣器实现，通过编写相应的程序，当满足要求时，给蜂鸣器提供不同频率的方波，使其发出不同频率的声音，把不同频率的声音按一定的时序输出，从而发出音乐。

图3-8 报警电路

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第四章 软件设计

4.1 中断系统

单片机本身不具备自主开发能力，即使在单片机应用系统的设计完成以后用户也不能直接对程序进行修改。单片机应用系统的开发必须借助一套开发工具和软件环境才能进行。本节介绍一种单片机模拟调试软件的使用。模拟调试软件不仅可以在程序下载到单片机芯片之前验证它的正确性，而且模拟调试软件也可以用来辅助学习单片机的基本知识。

图4-1 中断流程图

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4.2 DS1302程序设计

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5～5.5V。

typedef unsigned char uint8;

typedef unsigned int uint16;

sbit DSCK = P3^2; //时钟

sbit DSDA = P3^4; //数据

sbit DRST = P3^5; //DS1302复位(片选)

#define DS1302_W_ADDR 0xBE

#define DS1302_R_ADDR 0xBF

//uint8 time[7]={50,59,23,15,8,7,10};//秒分时日月周年10-08-15 23:59:50

4.3 软件开发环境

Keil单片机模拟调试软件是目前获得广泛应用的一种开发MCS51系列兼容单片机的软件。该软件可以从Keil公司中国代理处购买，也可以从Keil公司的网站（http：//www.

）上下载它的免费评估（Eval）版本。

下载获得的Keil单片机模拟调试软件是一个压缩包，解压后执行其中的程序就可以安装这个软件。软件的安装过程与一般的Windows应用软件类似，只要按照安装提示操作即可，这里不作详细介绍，仅需要注意的是，安装方式要选择Eval Vision安装。Keil单片机模拟调试软件安装完成以后，计算机桌面上将产生一个标注有“Keil

μVision2”的图标，双击这个图标就可以进入Keil单片机模拟调试软件的集成开发环境。集成开发环境的界面如图5.1所示，初次进入的集成开发环境界面中只包括空的工程管理窗口和输出窗口。

图4-2 Keil单片机模拟调试软件的集成开发环境

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第5章 元器件的安装、焊接系统

5.1 元器件的安装与焊接

对于本次设计还有最重要的一环，那就是实物焊接。在所有电子产品的制作过程中，元器件的安装与焊接非常重要。安装与焊接质量直接影响到电子产品的性能（如准确度、灵敏度、稳定性、可靠性等），有时因为虚焊、焊点脱落等原因造成电子产品无法正常、稳定工作。大批量工业生产中一般采用自动安装与焊接，实验、试制以及小批量生产时往往采用手工安装与焊接。手工安装与焊接技术是电子工作者必须掌握的基本技术，需要多多练习、熟练掌握。

下面简单介绍手工安装与焊接技术。

1.手动安装

① 安装元件时应注意与印制线路板上的印刷符号一一对应，不能错位；

② 在没有特别指明的情况下，元件必须从线路板正面装入（有丝印的元件面），在线路板的另一面将元件焊接在焊盘上；

③ 有极性的元件和器件要注意安装方向；

④ 电阻立式安装时，将电阻本体紧靠线路板，引线上弯半径≤1mm，引线不要过高，表示第一位有效数字的色环朝上。卧式安装时，电阻离开线路板1mm左右，引线折弯时不要折直弯。

2.手工焊接

① 电烙铁使用前要上锡，具体方法是：将电烙铁烧热，待刚刚能熔化焊锡时，涂上助焊剂，再用焊锡均匀地涂在烙铁头上，使烙铁头均匀地吃上一层锡。

② 焊接方法，把焊盘和元件的引脚用细砂纸打磨干净，涂上助焊剂。用烙铁头沾取适量焊锡，接触焊点，待焊点上的焊锡全部熔化并浸没元件引线头后，电烙铁头沿着元器件的引脚轻轻往上一提离开焊点。

③ 对于较新的印刷线路板和元器件，因焊盘和引线上无氧化层，一般不采用上述方法。可直接用焊锡丝焊接。

④ 焊接时间不宜过长，否则容易烫坏元件和焊盘，必要时可用镊子夹住管脚帮助散热。在不得已情况下需长时间焊接时，要间歇加热，待冷却后，再反复加热，以免焊盘脱落。

⑤ 烙铁尖和焊锡丝的配合：先将烙铁尖放在引线和焊盘的夹角处若干时间，对引线和焊盘完成加热后，跟进焊锡丝；焊锡熔化适量后，先离开焊锡丝，后离开烙铁尖。

⑥ 焊接完成后，要用酒精把线路板上残余的助焊剂清洗干净，以防炭化后的助焊

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剂影响电路正常工作。

⑦ 集成电路焊接时，电烙铁要可靠接地，或断电后利用余热焊接。或者使用集成电路专用插座，焊好插座后再把集成电路插上去。

⑧ 电烙铁应放在烙铁架上，注意避免电烙铁烫到自己、他人或导线和其它物品，长时间不焊接时应断电。焊接时注意防护眼睛，不要将焊锡放入口中（焊锡中含铅和有害物质），手工焊接后须洗干净双手，焊接现场保持通风。

5.2 系统调试

1.静态调试

根据硬件电路图核对了元器件的型号、极性，安装是否正确，检查硬件电路连线是否与电路原理图一致，检查电路元器件是否都已经连接好，用万用表一一测试。再检查严原理是否正确，各个线路的电平是否正常。经检测，未出现短路现象以及各个电平都正常。

2.通电调试

① 关掉交流电源开关，用万用表直流电压档测量稳压输出电压，测量结果只有4.2V，用5V电源直接接入输入端，测量输出电压达到4.99V。经检查分析为稳压芯片输入端电容没有接入，输入电压变化太大，造成无法稳压。经处理问题解决。

② 检查系统是否正常工作，用万用表直流电压档测量到电压若为5V左右，则视为正常工作。

③ 检查复位电路是否正常工作。

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结 论

通过这次设计实习，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧（特别是汇编语言）的掌握方面都能向前迈了一大步。系统采用MSC-51系列的STC89C52单片机为中心器件来设计交通灯控制器，实现了交通灯的实际功能，红绿灯循环点亮，倒计时剩3秒时黄灯闪烁警示。

本次设计让我更加明白了在生产实际中，理论与实践相结合是非常重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践结合起来，从理论中得出结论，才能真正的为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力，在今后我会更加努力地学习和锻炼自己。

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致 谢

本次设计是在老师的悉心指导下完成的。因此首先要感谢老师，老师在繁忙的教学工作中抽出时间指导我们的设计，她严谨的治学态度，求实的科研作风，和蔼的待人态度给我们很深的影响。而我也通过这次设计，巩固了基础知识，受益匪浅，在这个过程中不断的发现、分析、解决问题，我学到了不少知识，提高了理论与实践相结合的本领。

本次设计的成功，离不开同学的帮助，在设计当中同学共同讨论分析问题开阔了我的思路同时也加深了我们之间的友谊，在此对他们表示诚挚的谢意。

最后，感谢本次设计学习，它很好的锻炼了我理论结合实际的能力，无论是对专业软件的应用还是办公软件的运用都有了一定得提高,它使我学会遇到困难要有不能退缩，一定攻克的进取心，要不断的去学习,向别人请教,这样才能做到更好。

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参考文献

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