基于AT89C51單片機(jī)的數(shù)字時鐘電路設(shè)計與實(shí)踐

景維斌

（江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校，江蘇徐州，221116）

1 基于AT89C51單片機(jī)的數(shù)字時鐘電路的設(shè)計與制作

1.1 AT89C51單片機(jī)構(gòu)成數(shù)字時鐘的邏輯電路及其仿真

圖1是利用AT89C51單片機(jī)構(gòu)成數(shù)字時鐘的邏輯電路及其仿真圖。圖中數(shù)碼管為共陽極結(jié)構(gòu)，共陽極接高電平，段碼低電平驅(qū)動。4位一體八段數(shù)碼管高兩位顯示分，低兩位顯示秒。4個顯示位的8個相同段（A、B、C、D、E、F、G、DP）并聯(lián)接入同一位I/O口（P01～P07），各位的共陽極分別接入不同的I/O（P24～P27）口形成各位的分時選通。由于位電流較大，而單片機(jī)輸出電流有限，故加一級反相器。欲顯示哪一位，則其位選線應(yīng)為高電平，即反相器輸出高電平，輸入低電平，也即單片機(jī)對應(yīng)的I/O口輸出低電平。段碼及位選線均由程序適時提供有效電平。欲調(diào)節(jié)時間，可通過按鍵進(jìn)行，也是利用程序控制。

圖1 AT89C51單片機(jī)構(gòu)成數(shù)字時鐘的邏輯電路及仿真

可見，同樣可實(shí)現(xiàn)顯示60分60秒和時間的調(diào)整。AT89C51單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字時鐘電路比傳統(tǒng)數(shù)字時鐘電路需要的元器件少得多，電路結(jié)構(gòu)簡單得多。加上蜂鳴器，還可以實(shí)現(xiàn)報時功能。

1.2 基于AT89C51單片機(jī)數(shù)字時鐘電路主要硬件電路設(shè)計

（1）硬件電路的原理框圖

AT89C51時鐘電路的構(gòu)成框圖如圖2所示。

圖2 AT89C51單片機(jī)時鐘電路的功能模塊圖

（2）單片機(jī)的選擇

單片機(jī)是整個電路的核心，主要用于對顯示、聲音等電路進(jìn)行控制。采用AT89C51作為系統(tǒng)控制器的CPU方案。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（3）顯示模塊的選擇與連接

圖3 AT89C51單片機(jī)時鐘電路的系統(tǒng)硬件原理總圖

顯示模塊用于顯示時間。筆者使用八段數(shù)碼管顯示（小數(shù)點(diǎn)算為一段），通常，顯示方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。其中，靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動態(tài)顯示的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好，程序編寫復(fù)雜，但是相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少。在本設(shè)計中根據(jù)實(shí)際情況采用動態(tài)顯示方法。4位八段數(shù)碼管顯示電路如圖4所示。

圖4 AT89C51單片機(jī)時鐘電路的顯示模塊圖

圖中數(shù)碼管采用的是4位一體八段共陽數(shù)碼管，其中a～g段以及dp分別接到單片機(jī)的P0口，由單片機(jī)輸出的P0口數(shù)據(jù)來決定段碼值，位選碼分別接到單片機(jī)的P2.4～P2.7，由單片機(jī)來決定當(dāng)前該顯示的是哪一位。圖中電阻R1～R8，連接在P0口上，用作P0口的上拉電阻，保證P0口沒有數(shù)據(jù)輸出時候處于高電平狀態(tài)。

通過查表法，將當(dāng)前時間在數(shù)碼管上顯示出來，其中P0口為字型碼輸入端，P2口的4位為字選段輸入端。在這里通過查表將字型碼送給八段數(shù)碼管顯示的數(shù)字。圖中的三極管Q1～Q4組成反相器，目的是提高驅(qū)動能力。其基極通過R13～R16接至P2.4～P2.7，射極接電源，集電極輸出分別接到數(shù)碼管的共陽極D4～D1端，作為位碼。當(dāng)P2.4～P2.7中哪一端輸出低電平，則三極管集電極輸出高電平，對應(yīng)的位選碼有效，于是該位在段碼作用下顯示相應(yīng)的字型。

（4）時鐘頻率電路的設(shè)計

單片機(jī)必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作。在單片機(jī)內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定頻率的時鐘信號送到單片機(jī)內(nèi)部的各個單元，決定單片機(jī)的工作速度。

一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容C1、C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。

（5）復(fù)位電路的設(shè)計

單片機(jī)的第9腳Reset為硬件復(fù)位端，只要將該端持續(xù)4個機(jī)器周期的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位后單片機(jī)的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)，其電路如圖5所示，其中R18和S1實(shí)現(xiàn)手動復(fù)位。

（6）報時電路

利用程序來控制單片機(jī)某個口線的“高”電平或“低”電平，接上蜂鳴器就能發(fā)出聲音，若再利用延時程序控制“高”電平或“低”電平的持續(xù)時間，就能改變蜂鳴器鳴叫的時間。如圖6所示。圖中利用單片機(jī)的I/O端口P2.0，單片機(jī)通過設(shè)定該端口的高、低電平使蜂鳴器發(fā)聲，可以實(shí)現(xiàn)整時報時或其他報警。

圖5 復(fù)位電路

圖6 報時電路

2 基于AT89C51單片機(jī)數(shù)字時鐘電路的軟件程序流程圖

模擬計時器（采用正計時方式），4位數(shù)碼管分別顯示“分”和“秒”。流程圖如圖7所示。

圖7 60分60秒程序流程圖

3 結(jié)束語

電子線路的設(shè)計、制作與調(diào)試是一個極其復(fù)雜、綜合性很強(qiáng)的過程，涉及到本專業(yè)的各門學(xué)科，應(yīng)用到很多新的知識與技能，包含單片機(jī)、Protel DXP和Multisim、Proteus仿真軟件等等。在設(shè)計、制作與調(diào)試過程中，理論聯(lián)系實(shí)際，將所學(xué)知識綜合運(yùn)用，這是提高自身的專業(yè)技能與各種能力、積累經(jīng)驗(yàn)、為今后的工作打下扎實(shí)基礎(chǔ)的重要途徑。