1.1 概述

时间，对人们来说是非常宝贵的，准确的掌握时间和分配时间对人们来说至关重要。因此自从时钟发明的那刻起，就成为人类的好朋友。随着时间的流逝，科学技术的不断发展和提高，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。怎样让时钟更好、更方便、更精确的显示时间，这就要求人们不断设计研发出新型的时钟。

高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校[1]。数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。

时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。在单片机的应用系统中，时钟有两个方面的含义：一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢;二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时器/计数器来实现;二是用专门的时钟芯片实现[2]。

由于51系列单片机的内部具有定时器/计数器的功能，因此采用51系列单片机里的AT89S51和LED数码管为核心，加以必要的电路，来构成了一个单片机电子时钟。

1.2 研究目的

通过利用MCS-51单片机内部的定时器/计数器功能、中断系统功能、以及外围的按键和LED显示器等部件，设计一个基于单片机的电子时钟。设计的电子时钟通过数码管显示，并能通过按键对时间进行设置。

2 单片机概述

2.1 单片机的概念

单片机(MCU)可以定义为：一种把微处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出(I/O)接口电路、定时器/计数器、串行通信接口及中断系统等部件集成在同一块芯片上的，具有完整功能的微型计算机。这块芯片就是硬件，而软件程序则存放在片内的只读存储器中。

2.2 单片机的发展史和发展趋势

2.2.1 单片机的发展历史

1974年12月，美国著名的仙童(Fairchild)公司推出了世界上第一台单片机F8。该机有两块集成电路芯片组成，具有与众不同的指令系统，结构奇特，深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此单片机开始迅速发展，应用范围也在不断扩大，现已成为微型计算机的重要分支。单片机的发展大致经历了外围集成、总线完善、功能集成、全方位发展等技术发展阶段，至今已走过了四代的历程[3]。

(1) 第一代单片机(1974 — 1976)

这是单片机的起步阶段，以Fairchild公司的F8为代表。在这个时期生产的单片机特点是，字长为四位，内部结构简单，制造工艺落后和集成度低。

(2) 第二代单片机(1976 — 1980)

这是单片机的技术成熟阶段。8位单片机已经出现，以Intel公司的MCS-48为代表。该系列的单片机在片内已经集成了8位CPU、并行I/O接口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等功能部件，但无串行I/O接口，寻址范围不大于4KB。它性能低、品种少，应用范围也不广。

(3) 第三代单片机(1980 — 1983)

这是8位单片机技术走向成熟的阶段。其技术特点是完善了外部总线，确立了单片机的基本控制功能，以Intel公司的MCS-51为代表。该阶段的单片机均带有串行I/O口，且具有多级中断处理系统，定时器/计数器为16位，片内的RAM和ROM容量相对较大，寻址范围可达64KB。这一代单片机结束了计算机单片机集成的简单形式，真正开创了单片机作为微控制器的发展道路。而这个时期的单片机由于其优良的性价比和极其广泛的应用领域，特别适合我国的国情，故在我国得到广泛的应用。

(4) 第四代单片机(1983 — 至今)

这是8位高性能单片机和16位单片机并行发展的阶段。16位单片机除了CPU为16位以外，片内的RAM和ROM容量进一步增大了。以Intel公司的MCS-96系列为代表，其片内的RAM增加为232B，ROM为8KB，且片内集成有高速I/O部件、多通道10位模/数(A/D)转换器等。

2.2.2 单片机的发展趋势

当前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展。预计，单片机将进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方向发展。

2.3 单片机的特点

根据其结构形式和所采用的半导体工艺，单片机具有以下主要特点：

(1) 性价比高。

(2) 集成度高、体积小、可靠性高。由于单片机将各个功能部件集成在一块芯片上，且内部采用总线结构，减少了各个芯片之间的连线，从而大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。

(3) 控制功能强。单片机中的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O接口的逻辑操作及位处理功能。

(4) 低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

(5) 外部总线增加了串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

(6) 单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，易于构成各种规模的应用系统。

2.4  MCS-51单片机的基本结构

2.4.1  MCS-51单片机的基本组成来源：www.lunwengs.com

MCS-51单片机的基本组成如图2.1所示。

图2.1  MCS-51单片机的基本组成

从图2.1中可以看出，MCS-51单片机内部主要包括以下几部分。

(1) 一个8位CPU

MCS-51单片机有一个8位CPU，包括运算器和控制器，并且具有面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据还可以进行位变量的处理，如位处理、查表、状态检测、中断处理等。

(2) 数据RAM和特殊功能寄存器SFR

MCS-51单片机片内具有128B的数据RAM，片外最多可以扩展到64KB。数据RAM用来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。

(3) 内部程序ROM

MCS-51单片机内部具有4KB的程序ROM，片外最多可以扩展到64KB。可以用来存储用户程序。

(4) 两个定时器/计数器

MCS-51单片机内部具有两个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。可以进行精确地计时，又可以对外部事件进行计数。

(5) 四个8位可编程的I/O并行端口

四个8位的I/O并行端口，其中P0口为双向口，P1～P3口为准双向口。

(6) 一个串行通信端口

串行口用来进行串行异步通信，与PC机或者多个单片机实现主从通信或者构成多机系统以实现更强的的功能。

(7) 中断控制系统

MCS-51单片机具有五个固定的可屏蔽中断源，三个在片内，两个在片外，它们在程序存储器中有各自的固定中断入口地址，由此可以进入中断服务程序。

(8) 内部时钟电路

单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，有两种方法可以得到时钟信号：一种是内部振荡方式;另一种是外部振荡方式。

2.4.2  AT89S51单片机的引脚

AT89S51单片机芯片采用40个引脚、双列直插封装(DIP)方式，引脚排列如图2.2所

图2.2  MCS-51单片机的引脚排列

3 系统设计

3.1 设计方法及原理

3.1.1 设计方法

(1) 电子时钟的显示为XX(时)：XX(分)：XX(秒)

(2) 电子时钟的时间可调整，且调整方法为：按下调整键(S2)的时间小于1秒时(t<1s)，关闭显示。按下调整键(S2)的时间大于0.5秒时(t>0.5s)分钟位闪亮，此时按下S2键(t<0.5s)该个位数值加1，当加到9时，再按下S2键则该个位显示0，分钟十位加1。继续按下调整键(S2)(t>0.5s)时钟位闪亮，此时按下S2键(t<0.5s)该个位数值加1，当加到9时再按下加S2键则该个位显示0，时钟十位加1。继续按下调整键(S2)(t>0.5s)，返回到正常显示状态。

3.1.2 电子时钟原理

在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器和相关软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1;若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1;若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1;若时值达到24，则将时字节清零。

3.1.3 数码管显示原理

数码管的显示采用动态显示。

动态显示就是指轮流的一位一位的点亮各个显示位，对显示器的每一位，采用每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留特点能够看到整个显示，但必须保证扫描速度够快，字符才能不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示[4]。因此采用动态显示节省了I/O口，更降低了能量的消耗。

3.2  总体设计

3.2.1 系统说明

利用单片机(AT89S51)制作电子时钟，由六个LED数码管分别显示小时的十位、小时的个位、分钟的十位、分钟的个位、秒钟的十位、秒钟的个位。6个PNP管分别控制六个数码管的亮灭，采用一个按键用于时间调整。

3.2.2 系统框图

系统框图如图3.1所示。

图3.1 系统框图

3.3 模块设计

3.3.1 电源部分

图3.2 电源部分

如图3.2所示，从外部引入4.5V的直流电，为单片机、复位电路提供电源。

3.3.2 复位电路

图3.3 复位电路

如图3.3所示，复位电路主要由1N4148型的二极管， 10UF/16V型的电解电容， 104型的瓷片电容，10K的电阻以及按键S1构成，S1接芯片的相应引脚RST，当开关按下时引脚RST为高电平1，断开时引脚为低电平0。

3.3.3 数码管的连接电路

图3.4 数码管连接电路

图3.4为LED数码管的连接电路，每位的段码线(a,b,c,d,e,f,g,dp)分别与1个8位的锁存器输出相连，由AT89S51控制组合0-9十个数据，如令其显示1则b,c引脚(即2，3引脚)送高电平，此时数码管显示1。由于各位的段码线并联，8位I/O口输出段码对各个显示位来说都是相同的。

3.3.4 控制部分

如图3.5所示。

图3.5 控制电路

4 软件设计

4.1 程序流程图

图4.1描述的是主程序的流程图，程序开始运行，首先初始化定时器的常数，设置好T0中断入口，然后进入一个循环，等待中断T0的到来。

图4.2描述的是一次T0中断的过程。进入中断，首先现场保护，然后重新设定定时器初值;然后判断本轮中断的次数是否满20次，如果不是，则还没增加到1秒，如果满20次，然后时间增加1秒，分钟和时钟的变化也按相应规则随之改变。做完上面操作之后，恢复进入中断前的现场，退出中断，到此一次中断结束。

图4.3描述的是时钟调整的程序的执行过程。这个过程，根据按键S2的时间去判断执行何种操作。

图4.3 时钟调整的程序流程图

4.2 源程序

表4.1  P1口对应段码及数值

显示

数字 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 16进制代码

dp g f e d c b a

0 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH

1 0 0 0 0 0 1 1 0 06H

2 0 1 0 1 1 0 1 1 5BH

3 0 1 0 0 1 1 1 1 4FH

4 0 1 1 0 0 1 1 0 66H

5 0 1 1 0 1 1 0 1 6DH

6 0 1 1 1 1 1 0 1 7DH

7 0 0 0 0 0 1 1 1 07H

8 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH

9 0 1 1 0 1 1 1 1 6FH