淺談數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)方法

任艷焱

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

在實(shí)際生活中數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法有許多種，比如說可以用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘的方法，也可以利用專用的電子鐘芯片配以顯示電路及其所需要的外圍電路組成電子鐘，還可以利用單片機(jī)來設(shè)計(jì)電子鐘等等.這些方法都各有各的特點(diǎn)，有些在設(shè)計(jì)上還增設(shè)了附加功能，例如校時(shí)功能、測(cè)量室內(nèi)溫度與濕度的功能等.其中，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電子鐘具有編程靈活、便于電子鐘功能的擴(kuò)充（即可用該電子鐘發(fā)出各種控制信號(hào)）、精確度高等特點(diǎn)[1].

1 基于集成電路的數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)方法

目前有一種較簡(jiǎn)單且容易操作的校時(shí)電路，它是以一種中小規(guī)模的數(shù)字芯片74LS162為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘的電路，并且附帶設(shè)置自校準(zhǔn)的時(shí)間電路，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它的時(shí)間校準(zhǔn)操作不需加入專門的校時(shí)脈沖信號(hào).這種校正電路的的基本原理是：先把正在進(jìn)行工作的計(jì)數(shù)電路工作暫時(shí)中斷，再利用人工觸發(fā)計(jì)數(shù)的方式或者在所需要校正的計(jì)數(shù)單元的輸入端加入某一頻率比較高的方波信號(hào)，從而達(dá)到人們的預(yù)制校正要求，最后再轉(zhuǎn)入到剛開始的正常的計(jì)數(shù)電路里去.

2 基于專用的電子鐘芯片的電子鐘設(shè)計(jì)方法

此設(shè)計(jì)方法的基本電路的主要構(gòu)成部分是555定時(shí)器和RC多諧振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示器、時(shí)間校準(zhǔn)電路、LED顯示器.其中標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的“秒”信號(hào)發(fā)生器由振蕩器和分頻器組成，基礎(chǔ)的計(jì)時(shí)電路由不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器、譯碼器和顯示器組成.計(jì)數(shù)器對(duì)“秒”信號(hào)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，把累加的結(jié)果以時(shí)間的基礎(chǔ)單位時(shí)、分、秒的形式用具體的數(shù)字顯示出來.“時(shí)”顯示由24進(jìn)制計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成，“分”、“秒”顯示分別由60進(jìn)制計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器構(gòu)成.用譯碼的方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械計(jì)時(shí)方法，用LED顯示表示時(shí)間的數(shù)字代替?zhèn)鹘y(tǒng)的時(shí)針、分針、秒針來指示時(shí)間的方法，從而讓時(shí)間的顯示更加精準(zhǔn).在現(xiàn)有的方法下，還可以增加整點(diǎn)報(bào)時(shí)、預(yù)制時(shí)間等許多附加功能.另外我們可以增加外圍的時(shí)間校準(zhǔn)電路來校準(zhǔn)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的誤差[2].

3 基于單片機(jī)的數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)方法

單片機(jī)又稱微控制器（MCU).其實(shí)質(zhì)就是在芯片內(nèi)部集成了ROM、RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、EEPROM等各種計(jì)算機(jī)必要的功能模塊和I/O口.它具有性能價(jià)格比高、體積小、可靠性高、控制功能強(qiáng)、功耗低等許多優(yōu)點(diǎn).

數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)電路是一個(gè)最小的的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，是一個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例.它的電路由89S51單片機(jī)、外部輸入的脈沖電路、定時(shí)/計(jì)數(shù)電路、外部存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)電路、按鍵開關(guān)和 LED顯示電路等構(gòu)成.并采用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷技術(shù)的編制程序來實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)和顯示時(shí)間的功能.其中除了51單片機(jī)是集成的IC芯片外，其余部分則須根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行自主設(shè)計(jì)[3].主要包括系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、連接各個(gè)部件、編寫驅(qū)動(dòng)程序和最后的程序調(diào)試.

在單片機(jī)的設(shè)計(jì)方法中可以利用MSP430F2xx系列微處理器來設(shè)計(jì)，這款微處理器是由美國(guó)德州儀器公司于2002年推出，是一款運(yùn)算速度快且體積小的16位RISC微處理芯片.片內(nèi)集成了8路10位以上的A/D、串行通信接口、看門狗定時(shí)器、溫度傳感器、LCD驅(qū)動(dòng)電路等外圍電路，從而降低了應(yīng)用電路的復(fù)雜度、提高了系統(tǒng)的可靠性.該芯片工作于3.3V和2.5V兩種電壓下并可處于休眠狀態(tài)，此時(shí)的頻率只有32768Hz，功耗相當(dāng)?shù)?、環(huán)境溫度范圍-40至+125攝氏度.這些優(yōu)點(diǎn)非常適合設(shè)計(jì)便攜式，且要求長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，環(huán)境溫度變化范圍寬的智能化儀器儀表.數(shù)字鐘的實(shí)現(xiàn)方案很多，以前的多用集成電路來實(shí)現(xiàn)，這種方法電路復(fù)雜，也有用專用電子鐘芯片來實(shí)現(xiàn)的，但受其制約，靈活性差[4].

其次還可以利用單片機(jī)80C51系列來設(shè)計(jì).其中以AT89S51單片機(jī)為典型代表.AT89S51單片機(jī)是ATMEL公司的標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)，是8位的單片機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括：中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器）、可編程I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口等，各個(gè)部分通過內(nèi)部總線相連.8051單片機(jī)執(zhí)行指令的時(shí)間長(zhǎng)短以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的頻率都與單片機(jī)的時(shí)鐘頻率有關(guān).單片機(jī)常采用的時(shí)鐘頻率有6MHZ和12MHZ.常采用12MHZ的晶振與外部時(shí)鐘脈沖的方式來提高波形頻率的精度，晶振的兩個(gè)引腳分別與51單片機(jī)的外接晶振引腳XTAL1和XTAL2相連.并且給波形發(fā)生器設(shè)計(jì)能讓它正常工作的復(fù)位電路.8051系列單片機(jī)的內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1.它們具有計(jì)數(shù)和定時(shí)兩種功能及方式0、方式1、方式2、方式3四種工作方式，其工作方式、定時(shí)時(shí)間、量程、啟動(dòng)方式等均可由指令確定和改變[5].在波形發(fā)生器中，利用它的定時(shí)功能，用它來確定波形的兩個(gè)采樣點(diǎn)輸出之間的延遲時(shí)間.由于方式1采用的是16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，他的最大計(jì)數(shù)值是65536.當(dāng)T0或T1開始計(jì)數(shù)后，從初值的基礎(chǔ)上開始累計(jì)加1計(jì)數(shù)，直到其最高位產(chǎn)生溢出時(shí)才向CPU申請(qǐng)中斷.因此想要精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)，首先要計(jì)算出定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值.單片機(jī)的中斷系統(tǒng)是為了響應(yīng)外部的中斷事件而設(shè)立的，它主要由幾個(gè)與中斷有關(guān)的特殊功能寄存器和順序查詢邏輯電路等組成，是單片機(jī)不可或缺的重要組成部分.中斷是指當(dāng)中央處理器CPU正在執(zhí)行主程序時(shí)外界發(fā)生了緊急事件請(qǐng)求，有必要盡快終止當(dāng)前程序的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行形影的緊急事件的處理程序.在波形發(fā)生器中，只有當(dāng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器達(dá)到它的最大計(jì)數(shù)值從而溢出時(shí)才產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，即在51單片機(jī)輸出一個(gè)波形采樣點(diǎn)信號(hào)后，啟動(dòng)定時(shí)器，在定時(shí)器未產(chǎn)生溢出中斷之前，51單片機(jī)等待工作.直到定時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束后才申請(qǐng)中斷請(qǐng)求，此時(shí)51單片機(jī)轉(zhuǎn)去響應(yīng)中斷請(qǐng)求，接著輸出下一個(gè)采樣點(diǎn)信號(hào)，依次循環(huán)產(chǎn)生所需要的信號(hào)波形.

利用51單片機(jī)制作的的數(shù)字鐘具體應(yīng)用了單片機(jī)的中斷技術(shù)、定時(shí)技術(shù)以及LED的顯示技術(shù)，通過調(diào)整鍵、加1鍵、減1鍵、確定鍵四個(gè)按鍵，用8位數(shù)碼管設(shè)計(jì)制作了一個(gè)可以調(diào)整時(shí)間的數(shù)字鐘，實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的數(shù)字顯示[5].基于51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字電子鐘在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要著手解決下面的幾個(gè)方面的問題：一是LED顯示器的直流驅(qū)動(dòng)和編程，二是定時(shí)/計(jì)數(shù)器的選擇及使用，三是利用外部中斷的方式來實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能和運(yùn)行模式的相互轉(zhuǎn)化.

解決這幾個(gè)方面相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：a、LED顯示器的顯示和驅(qū)動(dòng).主要是設(shè)計(jì)LED數(shù)碼管的共陰極或者是共陽極的接線方式、是靜態(tài)顯示方式還是動(dòng)態(tài)顯示方式；還需設(shè)計(jì)單片機(jī)的外圍接口電路，以及利用單片機(jī)對(duì)LED數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和顯示的操作；在顯示方式上，靜態(tài)顯示電路的顯示方式操作簡(jiǎn)單，不需要頻繁地掃描顯示電路，也不需要加顯示延時(shí)，但是每一個(gè)數(shù)碼管都需要一片74HC164，在位數(shù)較多時(shí)，字符更新速度慢，電路比較復(fù)雜，成本也比較高，因而在實(shí)際應(yīng)用中常采用動(dòng)態(tài)顯示方式.LED動(dòng)態(tài)顯示方式的特點(diǎn)是將所有位數(shù)數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效，選亮數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，從而大大簡(jiǎn)化了硬件電路.在單片機(jī)的外圍接口電路上，由于89S51單片機(jī)可以方便地與8255直接相連，不需要加任何外接邏輯電路，故采用8255作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展的I/O口，占用片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間.其中A口用作字形輸出，C口用作為位選掃描輸出，其余作其它用處.采用8段共陰極數(shù)碼管，字形驅(qū)動(dòng)采用8路三態(tài)同相緩沖器74HC244，位選驅(qū)動(dòng)使用ULN2803反向驅(qū)動(dòng)芯.8255應(yīng)該按硬件設(shè)計(jì)要求輸出相應(yīng)的字形碼和位選掃描電平，所以發(fā)光時(shí)字形驅(qū)動(dòng)輸出1有效，位選驅(qū)動(dòng)輸出1有效.工作時(shí)，C口6路位選信號(hào)每次僅有一路輸出是1電平（其余為0），同時(shí)A口輸出與選通的數(shù)碼管所對(duì)應(yīng)的的字形碼信號(hào)，即C口掃描輸出位選信號(hào)，A口輸出字形信號(hào).由于8路段選線同由A口控制，所以每個(gè)要顯示的字符都會(huì)同時(shí)加到這6個(gè)數(shù)碼管上，要想讓每位顯示不同的字符就必須要采用如下的掃描工作方式：分時(shí)輪流選通數(shù)碼管的公共端，使得各個(gè)數(shù)碼管輪流導(dǎo)通，即各數(shù)碼管是由脈沖電流導(dǎo)電的.當(dāng)所有數(shù)碼管依次顯示一遍后，軟件控制循環(huán)，使得每位顯示器分時(shí)點(diǎn)亮.

b、單片機(jī)中定時(shí)器的晶振選擇、工作方式的選擇方法和怎樣啟動(dòng)其工作的方法；假設(shè)利用T1定時(shí)來完成數(shù)字時(shí)鐘的秒、分、時(shí)的定時(shí)，且選擇單片機(jī)的晶振為12MHZ，要想達(dá)到上述要求，首先要完成1S的定時(shí)，在這個(gè)基礎(chǔ)上，每計(jì)滿60S，分鐘加1，而每計(jì)滿60min，時(shí)鐘的時(shí)加1，計(jì)滿24h，時(shí)鐘清零，從零時(shí)開始繼續(xù)上述循環(huán).因此要完成時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，首先要解決1s的定時(shí)問題.因51單片機(jī)在工作方式1下定時(shí)時(shí)間最長(zhǎng)，且其最大定時(shí)時(shí)間為65.536ms，顯然不能滿足1s的定時(shí)時(shí)間要求，所以需要設(shè)置一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器.對(duì)分、時(shí)的計(jì)數(shù)同樣要通過軟件計(jì)數(shù)來完成.因此需在片內(nèi)采用4個(gè)單元地址分別進(jìn)行秒、分、時(shí)以及24h的計(jì)數(shù)[6].

c、單片機(jī)中斷系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置、響應(yīng)中斷的時(shí)機(jī)及其編程技巧.

中斷技術(shù)方式是CPU等待外部設(shè)備請(qǐng)求服務(wù)的一種I/O方式，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中一項(xiàng)很重要的技術(shù).首先設(shè)置滿足CPU響應(yīng)中斷的條件即設(shè)置中斷請(qǐng)求且CPU開中斷、申請(qǐng)中斷的中斷源開中斷.其次單片機(jī)一旦響應(yīng)中斷，先要置位相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)有效觸發(fā)器，然后執(zhí)行一個(gè)硬件子程序調(diào)用，把斷點(diǎn)地址壓入堆棧保護(hù)，然后將對(duì)應(yīng)的中斷入口地址裝入程序計(jì)數(shù)器PC，使程序轉(zhuǎn)向該中斷入口地址，以執(zhí)行中斷服務(wù)程序.在執(zhí)行中斷返回指令RETI前應(yīng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)[7].

4 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)有的數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，總結(jié)出了各個(gè)方法典型特點(diǎn)，可以為其他人設(shè)計(jì)數(shù)字電子鐘起到很好的啟示作用.

〔1〕黃紅飛，陳亦兵.基于74LS162數(shù)字鐘設(shè)計(jì)及時(shí)間校準(zhǔn)研究.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（11）.

〔2〕李瑞，等.基于計(jì)數(shù)器的數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì).山西電子技術(shù)，2011（4）.

〔3〕王振宇.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

〔4〕譚會(huì)生，張昌凡.EDA技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

〔5〕張迎新.單片機(jī)（微控制器）原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2009.

〔6〕何橋.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.12.

〔7〕何立民.MSC-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.