基于51單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)

韓雪松

渤海大學(xué)工學(xué)院

基于51單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)

韓雪松

渤海大學(xué)工學(xué)院

近年來，隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到我們生活的很多面面，在現(xiàn)代生活中，尤其是時(shí)間觀念很強(qiáng)的現(xiàn)在，電子時(shí)鐘是我們必需的物品，雖然市面上的時(shí)鐘種類很多，功能也很多，但是數(shù)字電子時(shí)鐘更具有應(yīng)用價(jià)值，具有顯示清晰，走時(shí)準(zhǔn)確，易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)在生活和工作中占有很大比重。

單片機(jī) 數(shù)字時(shí)鐘 數(shù)碼管

數(shù)字時(shí)鐘在我們的日常生活中是必不可少的，除了家庭用的時(shí)鐘之外，還有智能的儀器和儀表也都會(huì)用到，雖然實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的方式有很多種，但最實(shí)用的，最方便的還是單片機(jī)。

1 電子時(shí)鐘的功能

①自動(dòng)計(jì)時(shí)；

②顯示時(shí)間；

③時(shí)間校準(zhǔn)；

④整點(diǎn)報(bào)時(shí)；

⑤定時(shí)鬧鐘。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件的的選擇與設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的核心部分就是單片機(jī)，單片機(jī)主要應(yīng)用于控制方面，它集成了計(jì)算機(jī)中的大部分功能，本次設(shè)計(jì)采用的是AT89C51：具有4K的只讀存儲(chǔ)器；128*8bit內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器；還具有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別的5個(gè)中斷源；而且具有片內(nèi)振蕩器（頻率為1.2MHz-12MHz）和時(shí)鐘電路；兩個(gè)16位的計(jì)時(shí)器；1個(gè)串行I/O接口，可多機(jī)通信；擁有21個(gè)字節(jié)的特殊功能寄存器；低能耗；更突出的是它具有很強(qiáng)的位處理功能，更貼近這次設(shè)計(jì)的功能。

而軟件計(jì)時(shí)使用的8個(gè)LED數(shù)碼管顯示，小時(shí)與分鐘與秒之間用短線連接，非常清晰，一目了然，時(shí)鐘采用的是12MHz的晶振，電路采用按鍵方式，方便操作。P0口作為段選碼輸出，P2口作位選碼輸出。除了單片機(jī)之外的電路還包括：時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，LED數(shù)碼顯示電路和按鍵電路。總體的設(shè)計(jì)框圖如圖1。

圖1 軟件計(jì)時(shí)LED顯示時(shí)鐘總體框圖

2.2 程序設(shè)計(jì)

程序的的設(shè)計(jì)分為匯編程序設(shè)計(jì)和C語言程序設(shè)計(jì)：匯編程序具有執(zhí)行快，功能強(qiáng)，指令短的特點(diǎn)，不管是在運(yùn)算速度上還是存儲(chǔ)空間上，效率都很高，但是應(yīng)用范圍不是很廣；C語言有所不同，在單片機(jī)的很多開發(fā)設(shè)計(jì)中都被廣泛應(yīng)用，在匯編語言的功能基礎(chǔ)上，它還具有良好的可移植性，更強(qiáng)的表達(dá)能力，可以直接操作計(jì)算機(jī)硬件，所以為了設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的時(shí)鐘，在這次設(shè)計(jì)中選擇了C語言編程。

C語言的設(shè)計(jì)包括主程序和子程序，主程序包括參數(shù)初始化，按鍵和顯示部分等（見圖2），每個(gè)模塊都用子程序，在主程序中調(diào)用。

軟件的主要程序部分其實(shí)只有兩大部分，也是兩個(gè)重點(diǎn)就是數(shù)碼管顯示模塊和中斷計(jì)時(shí)模塊。

圖2 主程序流程圖

顯示部分使用的是 LED數(shù)碼顯示管，本次設(shè)計(jì)采用的是7段式，公共端共陽極，陰極端分開控制，需要亮的的二極管的陰極端接地。首先要選通數(shù)碼管，然后可以給I/O線發(fā)送數(shù)字對(duì)應(yīng)的字段碼就可以顯示字符，這樣就會(huì)更簡(jiǎn)單方便的顯示數(shù)字，但是需要的I/O線比較多。

計(jì)數(shù)部分使用的是計(jì)數(shù)器0，如果加法計(jì)數(shù)器TL0的低5位計(jì)數(shù)滿時(shí)，就向定時(shí)加法計(jì)數(shù)器TH0進(jìn)位，若TH0同樣計(jì)數(shù)滿的話，則溢出，但此時(shí)計(jì)數(shù)器并不會(huì)停止計(jì)數(shù)，而是從0開始進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，如果中斷允許，可以提出中斷請(qǐng)求。除此之外，還可以通過還可以通過溢出標(biāo)志位TF0來判斷是否溢出。

而單片機(jī)有一個(gè)最初始化的操作就是復(fù)位，復(fù)位的作用就是使中央處理器和其他部分保持在一個(gè)比較平穩(wěn)的狀態(tài)，使單片機(jī)能正常的運(yùn)行，在單片機(jī)正常運(yùn)行之后，復(fù)位端會(huì)在外部電路的作用下產(chǎn)生高電平，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)復(fù)位，當(dāng)復(fù)位端變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，單片機(jī)開始執(zhí)行程序。而片內(nèi)的復(fù)位電路是用施密特觸發(fā)器連接，用來控制噪聲。復(fù)位還有一個(gè)作用，就是單片機(jī)的程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以通過復(fù)位重新啟動(dòng)。

而在程序設(shè)計(jì)中有一個(gè)最重要部分的就是中斷，時(shí)間的運(yùn)行是通過定時(shí)中斷子程序?qū)r(shí)鐘單元數(shù)值進(jìn)行位調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的。只有中斷源有請(qǐng)求而且被允許的情況下才會(huì)有中斷響應(yīng)。首先，根據(jù)請(qǐng)求的中斷源的優(yōu)先級(jí)使觸發(fā)器置“1”，然后現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，重置初值，進(jìn)入下一個(gè)定時(shí)階段，滿60秒則分加1，滿60分則小時(shí)加1，滿24個(gè)小時(shí)之后再重復(fù)循環(huán)，就形成了時(shí)鐘計(jì)時(shí)。

按鍵處理的部分設(shè)計(jì)比較人性化，時(shí)鐘調(diào)時(shí)時(shí)，K0按鍵按一次，時(shí)鐘暫停，可以調(diào)小時(shí)，再按第二次可以調(diào)分鐘，再按一次，就回到正常運(yùn)行了（可以通過K1進(jìn)行調(diào)時(shí)調(diào)分加1操作，通過K2進(jìn)行調(diào)時(shí)調(diào)分減1操作），但是，時(shí)鐘正常運(yùn)行時(shí)，K1、K2是不起作用的。流程圖如圖3。

圖3 按鍵處理模塊的流程

圖4 數(shù)字電子時(shí)鐘電路仿真圖

這次設(shè)計(jì)的數(shù)字電子時(shí)鐘還具有鬧鐘功能，只需在電路設(shè)計(jì)中加入蜂鳴器即可，通常使用的是電壓式蜂鳴器，在與單片機(jī)的連接中有兩種方法：一種是使用集電極開路輸出反相驅(qū)動(dòng)器7406，另一種則是使用三極管驅(qū)動(dòng)，兩種工作原理基本相同：當(dāng)輸出端口為高電平時(shí)，7406或三極管則輸出低電平，蜂鳴器發(fā)聲。

3 系統(tǒng)仿真

本次設(shè)計(jì)電路的仿真和程序編譯采用的軟件都是單片機(jī)設(shè)計(jì)中經(jīng)常用的protues7.8和Keil C51。protues軟件實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與電路仿真的結(jié)合，支持多種類型的單片機(jī)仿真，而且在仿真過程中可以看到單步的仿真情況，還支持比如Keil C51的程序編譯，功能很豐富，使用也更加方便。而與protues搭配使用的Keil C51，它可以對(duì)程序進(jìn)行編譯，仿真，對(duì)C語言和匯編語言同樣適用，并且可利用的庫(kù)函數(shù)非常多，非常方便使用。仿真圖如圖4。

4 總結(jié)

通過這次的課題研究和實(shí)踐，使我能更為熟練地使用protues仿真和Keil C51對(duì)C語言的編譯，這次設(shè)計(jì)是理論與實(shí)踐的結(jié)合，對(duì)以后的學(xué)習(xí)起到了很大幫助。本次設(shè)計(jì)比較成功，基本完成了電子時(shí)鐘的功能需求，但是還有諸多不足，也會(huì)在以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中逐漸積累經(jīng)驗(yàn)，使自己逐漸進(jìn)步。如今，科技飛速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”的理念更加深入人心，電子產(chǎn)品的應(yīng)用也會(huì)越來越廣，各種數(shù)碼商品也會(huì)在市場(chǎng)中逐漸成為主流，而我們作為一名當(dāng)代大學(xué)生，更應(yīng)該充分利用自己所學(xué)的知識(shí)，為社會(huì)發(fā)展盡自己的一份綿薄之力。

[1]謝維成，楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)（第三版）.北京:清華大學(xué)出版社，2014

[2]孫涵芳．MCS-51系列單片機(jī)原理及應(yīng)用[M] ．北京航空航天大學(xué)出版社．1996-4

[3]謝維成，楊加國(guó).單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2011

[4]張培仁.基于C語言編程MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2003