多功能時鐘的研制

沈陽市第二十中學 鮑春光

東北大學信息科學與工程學院 許 楠

多功能時鐘的研制

沈陽市第二十中學 鮑春光

東北大學信息科學與工程學院 許 楠

設計了一個基于單片機80C51的電子時鐘。時鐘系統(tǒng)通過搭建硬件平臺實現(xiàn)模塊化軟件編程，完成了中斷模塊、顯示模塊、鬧鐘模塊、時間調整等模塊的設計，具有顯時、調時、三組定時以及整點報時功能，同時電子鐘還設計了掉電保護電路，當電源斷電時能保存時鐘當前定時設計的全部數據。本系統(tǒng)通過實際運行與測試，達到設計要求。

多功能時鐘；80C51；時鐘控制；中斷程序；數碼管

單片機［1］誕生于20世紀70年代末，經歷了SCM、MCU、SOC［2］三大階段。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發(fā)展，單片機已滲透到我們生活的各個領域。

單片機中最常見的是數字鐘［3］，數字鐘是一種采用數字電路技術，通過顯示模塊，來顯示年、月、日、時、分、秒的計時裝置［4］，是人們日常生活中不可少的必需品，廣泛應用于各種場合。現(xiàn)如今，數字時鐘已經飛速發(fā)展，已不單單只滿足于簡單顯示時間，而是在數字鐘的基礎上，增加各種傳感器，實現(xiàn)定時自動報警［5］、整點報時、學校里的自動打鈴或定時自動響音樂等。所有這些，都是以鐘表數字化為基礎的。基于以上的研究基礎，設計了一種顯時、調時、定時以及具有整點報時功能的電子鐘。本文將從硬件設計、軟件設計和系統(tǒng)調試等方面詳細論述。

1　電子時鐘功能要求及實現(xiàn)方案

1.1功能要求

硬件功能設計：時鐘系統(tǒng)采用單片機80C51芯片［6］為主CPU，搭配時鐘日歷芯片DS1302及晶振電路等構成最小系統(tǒng)。系統(tǒng)由單片機80C51、晶振電路、按鍵電路、時鐘芯片DS1302電路、復位電路、數碼管顯示及驅動電路和報時電路等模塊組成。利用單片機內部的定時器/計數器編程定時方法，能夠完成的功能包括：時間實時顯示、時分秒的調整、任意時段鬧鐘定時和整點報時等。而且在硬件電路設置四個按鍵，在軟件功能上分別定義四個按鍵為SET、ALM、UP和DOWN，利用按鍵可以很方便的對時鐘和鬧鐘進行調整。

在使用調時功能時，主要利用SET 鍵、UP 鍵和DOWN 鍵進行操作。具體操作方法如下：

（1）按SET鍵一下，可以調整“時”的單元，“時”單元區(qū)域閃爍，按UP 鍵或DOWN 鍵，調整當前時間；

（2）按SET鍵兩下，調整顯示“分”的單元；按SET 鍵三下，調整顯示“秒”的單元；按SET鍵四下，調整時間結束，“時、分、秒”區(qū)域都沒有閃爍，時鐘系統(tǒng)進入正常走時程序。

利用ALM鍵、UP 鍵和DOWN 鍵來調整鬧鐘單元。調整方法與調時功能基本一致。其中ALM鍵相當于時鐘設置里的SET鍵功能。另外兩個按鍵UP 鍵和DOWN 鍵分別為加1 鍵和減1功能鍵，其中利用加1功能時，“時”單元以24 為限，“分”、“秒”單元以60 為限，調整時間時超出限值則返回數值0，從限值開始重新算起。當使用DOWN 鍵來實現(xiàn)減 1 功能時，“時”、“分”、“秒”三個單元都是以0為限，超出限值時，由于“時”單元以24小時制計數，因此減1操作低于0時返回數字23，“分”、“秒”單元則返回數字59，從限值開始重新算起。 當時間到達設置的鬧鐘時間時，蜂鳴器啟動，響聲4秒（或響起一段音樂），以起到提示作用。整點報時功能的設置是當時鐘走到整點時，蜂鳴器響2秒，以提示當前時間為整點。

1.2電子時鐘系統(tǒng)設計方案

采用基于單片機的數字時鐘設計通常有三種方法：

（1）硬件電路方式設計時鐘。

（2）采用軟件編程實現(xiàn)時鐘功能。

（3）通過單片機內部的定時器/計數器實現(xiàn)時鐘功能。三種方案詳細優(yōu)缺點對比如下表：

方 案　特 點硬件電路即采用主CPU和時鐘芯片，利用主芯片外圍的晶振電路，給時鐘系統(tǒng)提供很高精度的時基信號?？梢缘竭_精確計時，編程簡單，使用非常方便。但是硬件成本相對較高且調試參數不方便。軟件編程這種實現(xiàn)方法依靠基本的編程語言實現(xiàn)時鐘功能，硬件電路要求簡單，但僅依靠軟件編程很難控制時間精度。缺點是通過軟件延時程序實現(xiàn)秒的加1功能，占用過多的CPU 的時間。單片機定時器/計數器功能硬件電路采用普通單片機最小系統(tǒng)，利用單片機內部定時器功能，編寫中斷函數實現(xiàn)時鐘計數。特點是硬件電路比較常見，定時器函數定時精準。

綜合比較上述三種方案，本文采用第三種，即利用單片機80C51內部的定時器/計數器功能實現(xiàn)計時。不僅設置參數簡單，方案容易實現(xiàn)，而且不占用CPU 工作時間。其中定時器概念：是對單片機內部的標準時鐘脈沖進行計數。單片機定時器實現(xiàn)原理如下：單片機內部的16位定時器由高8位和低8位兩個寄存器組成，分別是T0和T1。定時器溢出后標志位TF0（或TF1）由0變1，由此引發(fā)定時器中斷。本文電路設計采用12MHz晶振，對應的脈沖周期是1微秒，計滿65536個脈沖所對應的時間就是65.536ms，因此要根據設定的時間長短，來設置相應的定時器初值。定時器的工作方式也有四種，當定時器T0（或T1）啟動后，按設定的工作方式獨立進行計數，不再占用CPU時間。當定時器計滿溢出時，TF0（或TF1）置1，向CPU發(fā)出中斷請求信號。

在具體進行程序設計時，主程序中只需對定時器/計數器初始化，時鐘的形成就在中斷服務程序中實現(xiàn)，并調用顯示子程序和控制子程序。其中顯示模塊是采用數碼管動態(tài)顯示的方法，利用三極管作為驅動電路，軟件控制段選位選信號?？刂颇K包括對按鍵和蜂鳴器的編程控制，使對時鐘的使用更加便捷。

2　系統(tǒng)硬件功能電路設計

多功能時鐘系統(tǒng)硬件電路設計包括：主芯片模塊，數碼顯示模塊、按鍵控制電路、時鐘電源模塊、蜂鳴器控制模塊等幾部分。硬件電路設計框圖如圖1所示。

圖1　硬件系統(tǒng)功能框圖

本文時鐘系統(tǒng)以單片機80C51為核心，結合時鐘日歷芯片DS1302［7］，來完成電子時鐘的主要功能。顯示模塊使用通用的8段共陰極數碼管。P0口輸出段數碼數據P2.0～P2.5口作列掃描輸出，P1.0，P1.1和P1.2口接三個按鈕開關以實現(xiàn)調時、調分功能。下面詳細介紹時鐘電路設計。

圖2　時鐘系統(tǒng)電路圖

時鐘基準電路設計：單片機工作的時間基準是由時鐘電路來完成的，本文設計的時基電路基本組成是在主芯片的XTAL1和XTAL2引腳間接一只12M晶振及兩只30pF電容，為電路提供時鐘頻率。時鐘以單位秒計時，本文程序設計時，1秒定時的實現(xiàn)方法為，首先把定時器的定時時間定為50ms，注意初始值的設置，然后采用中斷方式進行次數累計，程序循環(huán)運行20次，最后得到1秒的準確計時。

數碼顯示電路設計：數碼顯示模塊采用4位共陽極LED數碼管顯示器，與單片機P0端口相連接，即數碼管的各引腳依次連接到單片機的P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7，R是限流電阻。其中數碼管的驅動電路由V1～V4三極管組成，四個三極管的集電極分別與4位LED數碼管的共陽極引腳相連接，而三極管的基極通過限流電阻分別接在單片機P2端口的P2.0～P2.3引腳上。其驅動電路工作過程如下：P2.0輸出為低電平時，V4三極管導通，與其相連的共陽極數碼管顯示器開始工作；P2.0輸出為高電平時，V4三極管截止，與其相連的數碼管顯示器停止工作。時鐘系統(tǒng)電路如圖2所示。

3　時鐘系統(tǒng)軟件設計

本文時鐘系統(tǒng)的軟件設計主要包括：

（1）主程序設計；

（2）顯示程序設計，其中又由顯示主函數、LED顯示子程序、定時器中斷函數、鍵盤掃描程序和其他功能函數組成；

（3）系統(tǒng)子程序設計，包括：鬧鐘功能子程序設計和其他指示標志的程序設計等。

在整個軟件設計流程中，各功能模塊都采用子程序設計方法，也是為了后期軟件系統(tǒng)維護方便，增加了程序的通用性。在主函數中，先對單片機內部的各寄存器等進行初始化設置，然后根據需求循環(huán)調用各子函數。在子函數的設計中，分別編寫了按鍵處理子函數、數碼顯示子函數和定時器中斷服務子函數等。這里需要重點說明的是，在硬件電路設計時，使用按鍵操作進行時鐘和鬧鐘的調整。在編寫按鍵處理子函數時，程序通過判斷鍵盤的輸入情況調用不同的子程序功能函數，達到友好的人機交互功能。

3.1系統(tǒng)主程序設計

軟件主程序的設計流程如下：

（1）定義頭文件、主函數的相關變量和常量；

（2）初始化單片機內部的各種寄存器和定時器參數；

（3）循環(huán)程序的編寫，這里根據需要調用不同的子程序函數，如有按鍵按下或者到達整點時間時，程序就轉入相應的處理函數，實現(xiàn)相應功能。

主程序通過調用子程序，將各部分功能有機地組合到一起，并不斷循環(huán)掃描K1～K4功能鍵。在此主程序里只有K1鍵賦予了設置目前時間的功能，而其他K2～K4鍵為空鍵，預留以后使用。如果按下K1鍵，則執(zhí)行相應按鍵控制程序，按鍵控制程序執(zhí)行完畢后，仍然回到主程序循環(huán)掃描。

3.2系統(tǒng)顯示程序設計

本設計中計時采用定時器T0中斷完成，其余狀態(tài)循環(huán)調用顯示子程序函數及鍵盤掃描子函數，當端口開關按下時，轉入相應調時功能。

LED顯示子程序：利用DS1302芯片提供時間數據，通過單片機的指令調用，將時間數據送到數碼管模塊顯示，其程序實現(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3　顯示子程序流程圖

其中工作指示閃爍子程序如下：

1. LED_BL：

2. MOV R4，#6；閃爍次數

3. LE1： CPL WLED；位反向輸出

4. MOV R5，#25

5. ACALL DELAY；延時50ms

6. DJNZ R4，LE1

7. RET ；子程序返回

第2行語句是賦予閃爍次數，即每調用一次該子程序，工作指示燈閃爍6次，第3行語句位反向輸出，即原來截止，現(xiàn)在導通；原來導通，現(xiàn)在截止。第4行語句通過對R5賦值來調節(jié)DELAY的延時時間，其延時時間為50ms。第5行語句調用DELAY延時子程序使工作燈亮（或滅）后停一段時間。

定時器［8］中斷函數：本文定時器函數的設計，采用定時器/計數器T0，工作方式1，定時時間設為50ms，這里要注意初值的設定，然后程序循環(huán)在不停的對數碼管動態(tài)掃描，同時等待中斷的發(fā)生。在中斷服務程序設計中，分別對秒、分、時單元進行控制，設置初值使計數器對50ms計數，循環(huán)20次則到整秒，對秒單元加1；當秒單元累計循環(huán)60次后則對分單元加1，同時秒單元清0；分單元方法同秒單元；當時單元加到24時則對時單元清0，即為一整天計數周期。

定時器子程序由INIT_TIMER函數實現(xiàn)，它可以實現(xiàn)每隔5ms產生一次中斷信號，它是時鐘標準時間的來源和保證。下面是定時器子程序INIT_TIMER：

INIT_TIMER；定時器T0初始化

MOV TMOD，#00000000B；設置定時器T0工作模式0

MOV TLO，#（8192-5000）MOD 32；加載低字節(jié)計數初值

MOV TH0，#（8192-5000）/32；加載高字節(jié)計數初值

MOV IE， #10000010B；啟用定時器T0中斷

SETB TRO ；啟用定時器T0中斷計時

RET ；子程序返回

定時器T0設置為工作模式0狀態(tài)，定時器每隔5ms中斷一次，在晶振頻率為12MHz時，此5ms的初值為5000，但實際上程序還要作其他運算，使得時間偏長，因此此值需經實驗做些調整。

4　時鐘系統(tǒng)調試

系統(tǒng)調試主要分為硬件電路檢測和軟件程序調試兩部分。硬件電路檢測時，先從外觀查看電路板的連線是否正確，各使能端的接線是否牢固，再用萬用表測試電路板是否有短接現(xiàn)象、電源部分是否都連接正常，這些部分都檢查無誤后方可接通電源，接通電源后，如果發(fā)現(xiàn)有芯片燒毀或冒煙等現(xiàn)象要立即切斷電源進行處理，然后重新檢查硬件電路。硬件電路檢查無誤后，仍然沒有指示燈亮或者顯示時鐘不正常，再檢查軟件編程問題，多次修改后，直至時鐘電路正常工作。

在系統(tǒng)調試過程中主要遇到幾個關鍵性問題。例如檢測部分信號不穩(wěn)定，經檢查該問題與周圍的干擾有密切關系，將檢測部分的外圍電路進行了整理，使檢測信號很準確的檢測到。還有鬧鈴模塊的方案起初采用了三極管進行控制，但是這樣設計影響了控制的精度，因此改為采用單片機I/O口直接控制指示燈及開關。不僅節(jié)省了硬件資源，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

經過系統(tǒng)硬件模塊的改進和軟件的優(yōu)化后，再將程序下載到硬件電路，設置初始時間為14:28。上電后LED數碼管顯示“14：28”，之后開始走時。觀察32分鐘之后，數碼管顯示“15：00”，證明電子鐘電路系統(tǒng)正常運行。實際實物電路如圖4所示。

5　結束語

本文設計的時鐘系統(tǒng)，經過查閱大量的資料和反復的調試，到達了日常使用的標準，經過長時間的系統(tǒng)測試，數字時鐘系統(tǒng)走時準確，并且硬件成本較小，充分發(fā)揮了軟件編程的優(yōu)點。在本次設計中，也學到很多電子產品開發(fā)的基本知識和技能，提高了動手能力，也有興趣可以進一步實現(xiàn)更多功能，；例如下一步要實現(xiàn)遙控調時、校時和顯示農歷日期、節(jié)氣等功能。但局限于本人的水平，本系統(tǒng)還有需要改進和提高的地方，例如選用更高級的主芯片系統(tǒng)，增加更多的傳感器類型，而且在軟件算法上還需要做進一步的優(yōu)化與改進等。

［1］王守中，聶元銘.51單片機開發(fā)入門與典型實例［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［2］Baekseok Ko； Joowon Kim.Simplified Chip Power Modeling Methodology Without Netlist Information in Early Stage of SoC Design Process［J］.Published in： IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology，2016，99：1-9.

［3］馬慶勇，吳中明.基于單片機的多功能時鐘控制電路［J］.電子科技，2009，22（3）：56-59.

［4］魯廣英.基于單片機電子萬年歷的設計與實現(xiàn)［J］. 硅谷，2010（12）：57-57.

［5］李昊然，陳曉鈺，劉玉玲，王曉萍.基于80C51 的智能報警系統(tǒng)設計［J］.計算機技術與發(fā)展，2012，22（5）：226-228.

［6］楊金巖等.8051單片機數據傳輸接口擴展技術與應用實例［M］.人民郵電出版社，2005，（7）143-147.

［7］李偉躍.基于時鐘芯片DS1302 的萬年歷的設計［J］.科技創(chuàng)新導報，2012，9：20-21.

［8］冉秦翠，蒲利春，彭厚德，汪海軍.多功能電子時鐘［J］.物理實驗，2014，34（4）：36-40.

鮑春光（1999—），男，山東乳山人，研究方向：電子技術等。

國家自然科學基金資助項目（11273001）。