数字钟

常州机电职业技术学院

毕业设计（论文）

作者：彭孝辉学号：41440218

院部：电气工程学院

专业：电气自动化技术

题目：基于单片机和PLC的控制数字钟设计

校内指导教师:赵文兵

企业指导教师:

评阅者：

2016年7月

毕业设计（论文）中文摘要

数字钟是日常生活中常见的电子产品，比较广泛应用于学校、医院、广场、银行等公共场合，更重要的还应用在航天领域。本设计采用 AT89C51 单片机和PLC，制作数码管显示 24 小时的数字钟 ,上电后系统自动进入时间显示，从初始值开始计时。用计数器构成60进制计数，构成秒计时；用计数器构成60进制计数，构成分计时；用计数器构成24进制计数，构成时计时；

关键词：PLC；AT89C51单片机；仿真界面; 软件设计; 汇编语言。

目录

1 引言......................................... 错误！未定义书签。

2 单片机和PLC的简介........................... 错误！未定义书签。

2.1 PLC的特点..................................... 错误！未定义书签。

2.2单片机的特点................................... 错误！未定义书签。

3 硬件电路设计................................. 错误！未定义书签。

3.1 Proteus软件................................... 错误！未定义书签。

3.2 主控芯片AT89C51单片机简介..................... 错误！未定义书签。

3.3 键盘电路设计................................... 错误！未定义书签。

3.4 LCD显示电路................................... 错误！未定义书签。

3.5 报警提示电路................................... 错误！未定义书签。

4 软件程序设计................................. 错误！未定义书签。

4.1 Keil软件简介.................................. 错误！未定义书签。

4.2 系统程序....................................... 错误！未定义书签。

结论........................................... 错误！未定义书签。

致谢 (7)

参考文献 (8)

１引言

钟表的发展历史，大致可以分为３个演变阶段：第一类，机械钟，这种钟表采用全机械结构，通过发条提供动力以维持钟表运转，需要随时上发条，相对电子钟而言，体积大、随身携带不方便且走时不精确．第二类，半机械钟，这种钟表用电池代替了发条提供动力，由石英晶体电路提供时间，相比机械钟走时更准确，不需要上发条，体积也大大减小，日常生活中所见到的腕表都属于这种．第三类，电子表，这种钟表采用全电子结构，采用电子电路或软件程序提供时间，精确度大大提高，同时体积也大大减小，而且用数字显示代替了指针显示，更直观，同时具有闹钟、日期或温度显示功能等.

在自动控制中．PI，c、单片机、承担着重要角色，是实现控制功能的重要载体，二者在功能上即有交叉又有不同，在其他方面又各有千秋，这样在应用上三者就会出现相同与不同之处，不同的方案就会有不同的最佳选用方法。

2 单片机和PLC的简介

2.1PLC的特点。

PLC又称可编程序控制器，是随着工业现场控制要求的提高不断发展起来的，是在继电器控制系统基础上：发展起来的有很强的下业化色彩，同时也是单片机控制系统的一个产品制而不断发展，通过组合不同的模块，完成各种各样的功能，如模拟量输入输出，伺服控制，上位机通讯晶屏等等，特点主要有：

(1)可以完成基本的继电器逻辑电路控制系统，且具有体大、具有无触点开关等特点，完全可以代替现有继电器系统，实现直接对电气元件的控制。

(2)故障率低，坚同耐用。由于PLC是由集成电路及微型继电器等构成的，结构紧凑且相对封闭，产品定型后自身一般不易发生故障，坚固耐用。

(3)故障查找容易，电路更改简单。PLC的各输入输出口的状态均由发光二极管加以指示，在调试或查找故障时，可以通过状态指示灯查找外围电路的故障，而在与上位机联机后，使得故障查找(包括外围及内部电路)更加容易，对电路进行更改时，仅通过编程就可以实现，简单方便。

(4)功能强大丰富，可与上位机及触摸屏等进行联机通讯。PLC发展到现在，基本可以实现其他控制手段中的大部分功能，通过安装相应的模块例如通讯模块、模拟量模块、定位模块等完成许多功能，并且拥有各种与上位机通讯的功

能，以保证互联互通，延伸出可视化功能。

（5）使用简单，对操作人员要求低。一般来说，PLC仅通过按钮或触摸键就可以进行控制，操作简便。

(6)编程简单，开发周期短，通用性好，生产成本较高。PLC程序设计一般使用语句表和梯形图，较为简单，通过改变程序可以适用于不同的应用场合，但PLC整机及模块价格较高。

2.2单片机系统的特点。

单片机系统。是嵌入式控制系统的主要组成部分，单片机系统由不同的硬件和软件系统组成。其主要特点有：

(1)控制功能更加强大，通过芯片级进行扩展．可以完成几乎所有现场控制功能。由于单片机已属于计算机系列，通过硬件设计和件设计和软件编程使得工业现场检测与控制更加灵活，更加实用，能够完成更加复杂的功能随着单片机在自身硬件设计和件设计和指令上的进步，单片机会应用到更加广泛的智能化设备中。

(2)体积小，占用空间小，易于嵌入。由于单片机硬件是由集成电路板(PCB)和芯片等构成，体积小，在仪器、仪表、便携式装置中应用广泛；由于在设计或改造设备时嵌入便利，又在大中型设备的自动化控制中拥有很强的竞争力。

(3)实时性好，运行速度快。单片机系统一般采用汇编语言或C语言进行编程，代码执行速度快，效率高。

(4)使用简单，一般可以通过按键来进行操作，显示方式则有数码管或液晶屏等。

5)生产成本低，通用性差，设计难度大，开发周期长。从片机硬件组成来说是由各种芯片、分立元件和PCB板组成的，成本较低。但是在硬件和软件设计方面，又有极强的针对性，使得通用性差，且设计难度增加，开发试验周期长保证所要达到的功能，而且要求性能稳定。。

(6)故障查找较难，可维护性差。当单片机系统发生故障时，软硬件故障都较难查找。维护性差。

三、设计原理及其框图

1.数字钟的构成

数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路.由于计数的起始时间不可能与标准时间(如北京时间)一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定.通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟.图1-1所示为数字钟的一般构成框图.

1）晶体振荡器电路

晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Hz 的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路。

2）分频器电路

分频器电路将32768Hz 的高频方波信号经分频后得到1Hz 的方波信号供秒计数器进行计数，分频器实际上也就是计数器。

3）时间计数器电路

时间计数电路由秒个位和秒十位计数器，分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成，其中秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器为60进制计数器,而根据设计要求，时个位和时十位计数器为24进制计数器。

4）译码驱动电路

译码驱动电路将计数器输出的8421BCD 码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。

5）数码管

数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管，本设计提供的为LED 数码管。

2.数字钟的工作原理

图1-1 数字钟的组成框图

1)晶体振荡器电路

晶体振荡器是构成数字式时钟的核心,它保证了时钟的走时准确及稳定。

图1-2所示电路通过CMOS非门构成的输出为方波的数字式晶体振荡电路，这个电路中CMOS非门U1与晶体，电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能,将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波.输出反馈电阻R1为非门提供偏置,使电路工作于放大区域,即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容C1,C2与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能,同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络,实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。

晶体XTAL的频率选为32768HZ.该元件专为数字钟电路而设计，其频率较低,有利于减少分频器级数。

从有关手册中，可查得C1,C2均为30pF.当要求频率准确度和稳定度更高时，还可接入校正电容并采取温度补偿措施。

由于CMOS电路的输入阻抗极高，因此反馈电阻R1可选为10MΩ.较高的反馈电阻有利于提高振荡频率的稳定性。非门电路可选74HC00。

图1-2 COMS晶体振荡器

2)分频器电路

通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到1Hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。

通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级2进制计数器来实现。例如,将32768Hz的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768(215)，即实现该分频功能的计数器相当于15极2进制计数器。常用的2进制计数器有74HC393等。

图1-3 CD4046内部框图

本实验中采用CD4060来构成分频电路。CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数最高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。

CD4060计数为14级2进制计数器，可以将32768HZ的信号分频为2HZ，其内部框图如图1-3所示，,从图中可以看出，CD4060的时钟输入端两个串接的非门，因此可以直接实现振荡和分频的功能。

3)时间计数单元

时间计数单元有时计数，分计数和秒计数等几个部分。

时计数单元一般为24进制计数器计数器，其输出为两位8421BCD码形式，分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。

本课题采用2进制计数器74HC161来实现时间计数单元，其内部逻辑框图如图1-4所示。

图1-474HC161内部逻辑框图

秒个位计数单元为10进制计数器，首先需要将2进制计数器转换成10进制计数器，

秒十位计数单元为6进制计数器,需要进制转换，将2进制计数器转换为6进制

图1-5 60进制计数器转换电路

分个位和分十位计数单元电路结构分别与秒个位和秒十位计数单元完全相同。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，计数功能的电路如图1-6所示。

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图1-624进制计数器电路

4)译码驱动及显示单元

计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流,选用CD4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为显示单元电路。

四、元器件

5V电源、面包板1块、万用表、镊子1把、共阴八段数码管6个、74HC00集成块2块、74LS161集成块6块、74LS248集成块6块

致谢

光阴荏苒，日月如梭。悄然无声中我在常州机电职业技术学院已经度过了三个年头，在这最真诚的三年时光里，我体会到了最纯挚的光阴，最最美丽的生活，感恩生活让我遇见了你们，让我的大学时光变得多姿多彩。

感谢敬爱的老师们，是你们的谆谆教诲，夯实了我们的专业知识以及技能操作。带领我们走向社会，走向未来。尤其要感谢的是我的论文指导老师——赵文兵老师。毕业论文一开始从开题报告、查找资料、初稿、修改到最后，如果没有赵老师的指导，不知道何年何月才能上交在大学时光的最后答卷。我很骄傲有这样一位老师。

感谢亲爱的同学们，天南地北的我们相聚在这座城市，仿佛昨天刚刚相遇，可如今已经要挥手告别。感谢你们在这三年里给予我的帮助。感谢406宿舍的同学，感谢你们对我的包容和理解，谢谢你们。希望以后的每次相见，我们都能看到最美好的彼此。

最后我要感谢的是我的爸爸妈妈，感谢你们这22年对我的栽培，让我顺利完成学业。如今我已走向社会，我会努力工作，今后以后能给你们一个好的生活。爱你们。

临表涕零，不知所言。只希望我心心念念的你们，都能幸福。

参考文献

1 王静霞,杨宏丽，刘俐.单片机应用技术[M].电子工业出版社.2015.07

2 朱智.基于AT24C01的多功能密码控制系统的设计论文，2009.06

3 张毅刚.单片机原理及应用教程[M].高等教育出版社.2015.05

4 李广弟.单片机基础第三版[M].北京航空航天大学出版社.2007.06

5 周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京航空航天大学出版社.2011.02

6 刘文涛，赵文博.单片机语言C51程序设计[M].西安电子科技大学出版社.2007.08