基于單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)

王剛

摘要： 本文設(shè)計(jì)了一款數(shù)字時(shí)鐘，通過(guò)在Keil軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，在Proteus搭建仿真電路，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)字時(shí)鐘顯示、計(jì)時(shí)、定時(shí)、鬧鈴、設(shè)置等功能。本設(shè)計(jì)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、精度較高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，對(duì)虛擬設(shè)備的教學(xué)展示及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、功能擴(kuò)展具有較大的作用。

Abstract： In this paper， a digital clock is designed. Through the Keil software program design， the simulation circuit is built in Proteus， and the system is jointly adjusted. Finally， the functions of digital clock display， timing， alarm， and setting are realized. This design has the advantages of simple circuit structure， low cost， high precision， and stable performance. The design of the digital clock plays a great role in the teaching display of virtual equipment and the design， development and function expansion of application systems.

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；Proteus；Keil；虛擬設(shè)備；功能擴(kuò)展

Key words： single chip microcomputer；Proteus；Keil；virtual device；function expansion

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）18-0242-02

0 引言

數(shù)字時(shí)鐘是利用數(shù)字電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的電子設(shè)備，它可以采用晶振、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器和電源等硬件電路實(shí)現(xiàn)。該方法設(shè)計(jì)的數(shù)字時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、穩(wěn)定性較差、體積較大，因此逐步被以單片機(jī)為核心的數(shù)字時(shí)鐘取代?；趩纹瑱C(jī)AT89S51的數(shù)字時(shí)鐘具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高，便于功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，為今后嵌入式數(shù)字時(shí)鐘的智能化發(fā)展提供了可行性的參考方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)分為五個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、顯示模塊、鬧鐘指示、鬧鐘鬧鈴、功能設(shè)置。程序設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分：時(shí)鐘顯示、時(shí)鐘調(diào)節(jié)、鬧鈴設(shè)置。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。該數(shù)字時(shí)鐘功能包括：顯示時(shí)間、手動(dòng)更改時(shí)間、手動(dòng)開(kāi)啟/關(guān)閉鬧鈴功能、手動(dòng)設(shè)置鬧鐘、時(shí)鐘鬧鈴、鬧鈴狀態(tài)指示。

2 硬件仿真設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Proteus進(jìn)行硬件仿真，該軟件能夠準(zhǔn)確展示單片機(jī)的仿真效果，是單片機(jī)開(kāi)發(fā)常用而有效的仿真軟件。仿真電路如圖2所示，包括如下幾個(gè)部分：

①單片機(jī)最小系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)能夠正常工作的最小配置。因最小系統(tǒng)模式固定，方便查閱學(xué)習(xí)，這里不再詳述。本設(shè)計(jì)中的最小系統(tǒng)硬件連接可參看圖2中單片機(jī)時(shí)鐘電路（XTAL1、XTAL2）、復(fù)位電路（RST）、存儲(chǔ)器選擇電路（EA）部分，電源電路是將單片機(jī)VCC（40#引腳）、VSS（20#引腳）分別接DC+5V，GND。本著嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)適用、夠用的原則，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，選用單片機(jī)AT89S51作為核心控制芯片，該款芯片能夠滿足本系統(tǒng)要求，運(yùn)行穩(wěn)定，性價(jià)比高。

②顯示模塊：選用八位一體的共陰極數(shù)碼管構(gòu)成（亦可采用八位一體的共陽(yáng)極數(shù)碼管），用于顯示數(shù)字時(shí)鐘當(dāng)前時(shí)間、時(shí)間調(diào)節(jié)和鬧鈴時(shí)間，顯示格式為hh-mm-ss（時(shí)-分-秒）。段選信號(hào)a～h由單片機(jī)P1.0～P1.7控制；位選信號(hào)WEI0～WEI7由P2.0～P2.7控制。具體連接方式參看圖2中數(shù)碼管及其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)部分。

③鬧鈴指示燈：采用一個(gè)發(fā)光二極管作為鬧鈴指示燈，灌電流方式。LED亮，表示鬧鈴功能開(kāi)啟；LED滅，表示鬧鈴功能關(guān)閉，由單片機(jī)P3.1引腳控制。其中200Ω電阻起到限流作用，防止因電流過(guò)大燒壞發(fā)光二極管。具體連接方式參看圖2中的發(fā)光二極管部分。

④鬧鐘鬧鈴：鬧鈴采用蜂鳴器裝置，由單片機(jī)P3.0引腳控制。當(dāng)鬧鐘時(shí)間到，蜂鳴器發(fā)出聲音。具體連接方式參看圖2中的蜂鳴器及其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。

⑤功能設(shè)置：根據(jù)系統(tǒng)功能，本數(shù)字時(shí)鐘需要5個(gè)按鍵，因此可以采用獨(dú)立式按鍵。由五個(gè)非自鎖按鍵分別與單片機(jī)P3.2～P3.6連接。按鍵定義及功能如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用C語(yǔ)言編寫(xiě)源程序。C語(yǔ)言在功能性、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，具有較強(qiáng)的可移植性。程序在Keil軟件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，編譯、調(diào)試、運(yùn)行。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，無(wú)論用C語(yǔ)言還是匯編語(yǔ)言編程，Keil方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真工具使程序調(diào)試運(yùn)行事半功倍。程序通過(guò)主函數(shù)調(diào)用子函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘的相關(guān)功能。

①主函數(shù)：主函數(shù)將定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷初始化后，無(wú)限循環(huán)時(shí)間顯示函數(shù)xianshi（）、時(shí)間調(diào)節(jié)函數(shù)tiaojie（）、鬧鈴函數(shù)naoling（）。初始化過(guò)程中，外部中斷0、1開(kāi)中斷，采用下降沿觸發(fā)方式。定時(shí)/計(jì)數(shù)器0選用工作方式1，定時(shí)時(shí)間單位為50ms。PT0置1是設(shè)置內(nèi)部定時(shí)中斷優(yōu)先級(jí)大于外部中斷優(yōu)先級(jí)。參考程序如下：

void main（ ）

{TMOD=0X01；TH0=（65536-50000）/256；TL0=（65536-50000）%256；TR0=1；ET0=1；IT1=1；

IT0=1；EX1=1；EX0=1；PT0=1；EA=1；

while（1）{xianshi（）；tiaojie（）；naoling（）；}}

②時(shí)間顯示函數(shù)：考慮單片機(jī)I/O口數(shù)量有限，數(shù)字時(shí)鐘顯示時(shí)間位數(shù)較多，與硬件連接相對(duì)應(yīng)，顯示函數(shù)采用動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示是利用人的視覺(jué)暫留效應(yīng)，按位輪流點(diǎn)亮數(shù)碼管，對(duì)于八位一體的共陰數(shù)碼管，每一位輪流顯示，如果每位LED閃動(dòng)的頻率足夠高，就可以給人一種穩(wěn)定顯示的視覺(jué)效果。程序中通過(guò)數(shù)組zixing[ ]賦值0～9的字形代碼。單片機(jī)P1口控制段選信號(hào)a～h，P2口控制位選信號(hào)，變量h、m、s分別為時(shí)計(jì)數(shù)、分計(jì)數(shù)、秒計(jì)數(shù)。時(shí)間顯示格式：hh-mm-ss。參考程序如下：

void xianshi（ ）

{unsigned char zixing[ ]={0x3f，0x06，0x5b，0x4f，0x66，0x6d，0x7d，0x07，0x7f，0x6f}；

unsigned int j； P1=zixing[s%10]； P2=0x7f；for（j=0；j<100；j++）；

P1=zixing[s/10]； P2=0xbf； for（j=0；j<100；j++）；

P1=0x40； P2=0xdf； for（j=0；j<100；j++）；

P1=zixing[m%10]； P2=0xef； for（j=0；j<100；j++）；

P1=zixing[m/10]； P2=0xf7； for（j=0；j<100；j++）；

P1=0x40； P2=0xfb； for（j=0；j<100；j++）；

P1=zixing[h%10]； P2=0xfd； for（j=0；j<100；j++）； P1=zixing[h/10]； P2=0xfe；}

③時(shí)間調(diào)節(jié)函數(shù)：判斷是否有調(diào)節(jié)時(shí)間的按鍵按下。按下INC_H的調(diào)節(jié)小時(shí)按鍵，小時(shí)加1，當(dāng)小時(shí)等于24時(shí)，顯示為0。按下INC_F的調(diào)節(jié)分鐘按鍵，分鐘加1，如果分鐘等于60時(shí)，顯示為0。參考程序如下：

void tiaojie（）

{if（INC_H==0）{ xianshi（ ）；if（INC_H==0）{if（s==23） s=0；else s++；

while（！INC_H）xianshi（ ）}}else if（INC_F==0）

{ xianshi（ ））；if（INC_F==0）{if（f==59）f=0；else f++；while（！INC_F） xianshi（ ）；}}}

④鬧鈴函數(shù)：當(dāng)程序判斷鬧鈴時(shí)間與時(shí)鐘時(shí)間的分、時(shí)一致時(shí)，數(shù)字時(shí)鐘鬧鈴20秒，參考程序如下：

void naoling（）

{if（flag_nao）{if（f==f_nao&&s;==s_nao）

{while（m<=20&&flag;_nao）{BEEP=！BEEP；xianshi（）；}}}}

4 運(yùn)行結(jié)果

仿真電路、程序設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，數(shù)字時(shí)鐘具備正確顯示當(dāng)前時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、鬧鐘鬧鈴功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。系統(tǒng)仿真運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖3。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)數(shù)字時(shí)鐘的總體設(shè)計(jì)、搭建仿真電路、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，成功設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘，最終的運(yùn)行結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。該數(shù)字時(shí)鐘具備功能可靠、性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)適合應(yīng)用于虛擬儀器的教學(xué)演示和實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)等方面，為數(shù)字時(shí)鐘的智能化發(fā)展及功能擴(kuò)展提供了可行性參考方案。

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