基于PROTEUS的多功能数字电子钟的设计
数理与信息工程学院
2009年6月
前 言
单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，它的应用已经
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渗透到各种嵌入式系统中。可以毫不夸张地说：掌握单片机技术是电子信息类专业学生就业的一个重要条件。同时单片机技术又是一门实践性很强的学科。课程设计教学环节的设计和实施，在很大程度上决定了学生对单片机技术的掌握程度。
为了更好地完成课程设计这一重要教学环节，我们采用Proteus软件与Keil软件整合构建单片机虚拟实验平台。学生首先在PC上利用Proteus软件自己搭建硬件电路，并利用系统提供的功能完成电路分析、系统调试和输出显示的硬件设计部分；同时在Keil软件中编制程序，进行相应的编译和仿真，完成系统的软件设计部分。当系统的设计工作完成后，学生可以在PC上看到最终的运行效果。最后再通过proteus设计PCB，再完成真正硬件的调试。
采用以上方案具有以下优势：有利于促进课程和教学改革，更有利于人才的培养；从经济性、可移植性、可推广性角度讲，建立这样的课程设计平台是非常有意义的；利用仿真系统，可以节约开发时间和开发成本；利用仿真系统，具有很大的灵活性和可扩展性。
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第一章 概述
Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。本章介绍Proteus ISIS软件的工作环境和一些基本操作。
一、进入Proteus ISIS
双击桌面上的ISIS 6 Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”→“程序”→“Proteus 6 Professional” →“ISIS 6 Professional”，出现如图1-1所示屏幕，表明进入Proteus ISIS集成环境。
图1-1 启动时的屏幕
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二、工作界面
Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图1-2所示。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1-2 Proteus ISIS的工作界面
Keil C与Proteus连接调试
1、假若KeilC与Proteus均已正确安装在C:\\Program Files的目录里； 2、安装Keil C与Proteus的连接插件vdmagdi.exe；
3、进入KeilC μVision2开发集成环境，创建一个新项目(Project)，并为该项目选定合适的单片机CPU器件（如：Atmel公司的AT89C51）。并为该项目加入KeilC源程序。
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基于51单片机的数字钟的设计
一、 任务
设计一款电子钟。
二、 设计要求
（一）要求：用PROTEUS画出原理图和PCB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、PCB图和源程序。
（二）优秀要求：根据PCB图制作PCB板，并焊接元件调试
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数字电子钟
目前市场上提供的无论是机械钟还是石英钟在晚上无照明的情况下都是不可见的。要知道当前的时间，必须先开灯，故较为不便。现在市场上也出现了一些电子钟，它以六只LED数码管来显示时分秒，与传统的以指针显示秒的方式不同，违背了人们传统的习惯与理念，而且这类电子钟一般是采用大型显示器件，适用于银行、车站等公共场所，且外观设计欠美观，很少进入百姓家庭。此外，无论是机械钟、石英钟还是电子钟，都存在着共同的问题：时间误差。针对以上存在的问题，我们设计了一款采用LED显示器件显示的电子时钟，有效克服了时钟存在的误差问题。
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。
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图1 电子钟系统原理框图
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。
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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
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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 显示段 D7 dp D6 g D5 f D4 e D3 d D2 c D1 b D0 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。
表2 LED显示段码
字型 0 共阳极段C0H 共阴极段3FH 字型 9 共阳极段90H 共阴极段6FH 9
1 2 3 4 5 6 7 8 F9H A4H BOH 99H 92H 82H F8H 80H 06H 5BH 4FH 66H 6DH 7DH 07H 7FH A B C D E F 空白 P 88H 83H C6H A1H 86H 84H FFH 8CH 77H 7CH 39H 5EH 79H 71H 00H 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P0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
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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，以便从新计数。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
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图5 定时中断程序
4 结束语
上述电子钟，无论在外观上还是功能上都实现了较为完善的设计。特别值得一提的是本系统在精度上的设计，突破传统的方法，对可能产生的积累误差采用“抵消法”，从而有效地降低了时间误差。
由于计数时产生的积累误差所导致的时间误差，是所有的电子计时系统共同存在的问题。但在目前市场上的电子时钟产品，如计算机中的时钟，手机中的时钟等并没有有效的采取消除误差的措施。本系统设计的消除积累误差来减少时间误差的软件方法，并不需要任何的硬件，因此在不增加成本的情况下，可以普遍用于所有的电子时钟产品。
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电子钟基本部分参考电路原理图
P17P10P11P12P13P14P15P16R11kR21KR31KR41KR51KR61KR71KR78R15R8200200R9200R10200R11200R12200R13200R1420001+5V1K0111711PP2345671PP23456PP111111PPP11111PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPMMMOOOCC7S3C7S3P10AP10AP11BP11BHP17P10AP12CP12CGP16P11BC1P13DP13DFP12P12CU1P14EP14EEP11P13DPP10P15FP15FDP10P14E5XTAL1P1.012CP15P15F22pC2X1P1.113PP11P16GP16GPP12HP17HBP14P16GCRYSTAL14AP13H4P1.2XTAL2P1.315PP13P1.416PP14C322pP1.517PP15S17S2EI7S4E1IGHMRSTP1.618PP16S1GHHOVS7S2SMC7S4M5P1.719PP17H+MSHI622uMGE7P3.2/INT0R168P3.3/INT19P3.4/T011k11P3.5/T1P3.0/RXD2HSHIP3.7P3.1/TXD3HGEAT89C2051Q1R172002N5401BUZ1BUZZER
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电子钟基本部分参考PCB图
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电子钟基本部分参考电路器件清单
名称 数量 备注 AT89C2051 1 按扭 3 4插脚 晶振 1 6MHZ LED数码管 4 共阴 蜂鸣器 1 5V 电容 2 30pf 电容 3 104 电容 2 22uF 三极管 5 9012或5401（PNP） 电阻 4．7K 10 电阻 200 10 线路板 不定 64×77mm 主要设备：
① 单片机仿真器（带AT89C2051仿真头） ② 焊接实验工具箱一套 ③ 5V电源 ④ 制板设备
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