基于單片機(jī)的電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)

金士豪

(湖南科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖南 永州 425199)

1 背景及意義

單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上[1]。單片機(jī)相當(dāng)于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，與計(jì)算機(jī)相比，它只缺少了I/O設(shè)備。一塊芯片就構(gòu)成了一臺計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件[2]。單片機(jī)的使用領(lǐng)域十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通信設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。在各種產(chǎn)品中集成單片機(jī)，能夠起到使產(chǎn)品升級換代的作用。人們常在這些產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機(jī)等[3]。

電子鐘是一種利用數(shù)字電路顯示時(shí)間的計(jì)時(shí)裝置。石英鐘是一種利用石英振蕩器所產(chǎn)生的振蕩頻率驅(qū)動時(shí)鐘的3針顯示秒、分、時(shí)的計(jì)時(shí)裝置。電子鐘與機(jī)械時(shí)鐘相比，直觀性為其主要特點(diǎn)，因非機(jī)械驅(qū)動具有更長的使用壽命，相較石英鐘的石英機(jī)芯驅(qū)動，其更具準(zhǔn)確性。它的特點(diǎn)可歸結(jié)為“兩強(qiáng)一弱”：電子鐘比機(jī)械鐘強(qiáng)在觀看時(shí)顯著，比石英鐘強(qiáng)在走時(shí)準(zhǔn)確，它的弱點(diǎn)是顯時(shí)較為單調(diào)。電子鐘更為方便、快捷和實(shí)用。由于電子鐘的數(shù)字集成電路構(gòu)成方式，使電子鐘具有走時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。電子鐘也可用于定時(shí)自動報(bào)警、按時(shí)自動打鈴、時(shí)間程序自動控制等[4]。

2 設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字電子時(shí)鐘系統(tǒng)需要考慮數(shù)碼管的掃描復(fù)用方式。采用函數(shù)進(jìn)行調(diào)用時(shí)，注意函數(shù)的參數(shù)應(yīng)直接設(shè)置為小時(shí)、分鐘和秒，此過程還需要設(shè)置一個(gè)參數(shù)進(jìn)行鬧鐘模式的切換。自動顯示功能需要考慮設(shè)置若干個(gè)全局變量，使其在定時(shí)中斷時(shí)不斷被調(diào)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自增。另外，在LCD部分，一定要加上LCD驅(qū)動。系統(tǒng)的具體組成如圖1所示。該數(shù)字電子鐘系統(tǒng)可以分為主控制單元、復(fù)位電路、晶振電路、鍵盤電路和顯示電路等。

圖1 系統(tǒng)組成

3 各功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)利用KEIL5軟件實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)。C語言是硬件設(shè)計(jì)時(shí)常用的編程語言之一。除匯編語言外，最接近硬件的編程語言是C語言。很多操作系統(tǒng)軟件的底層部分和驅(qū)動代碼都是用C語言編寫，由C語言負(fù)責(zé)將應(yīng)用層用戶的指令轉(zhuǎn)化為具體的硬件驅(qū)動指令進(jìn)行驅(qū)動。現(xiàn)在常見的Unix，Linux和Windows操作系統(tǒng)，工業(yè)控制和嵌入式領(lǐng)域常見的RTOS系統(tǒng)都是由標(biāo)準(zhǔn)的C語言開發(fā)而來。現(xiàn)在手機(jī)端火熱的安卓系統(tǒng)也是在封裝Linux內(nèi)核的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對底層硬件的驅(qū)動和控制。

3.1 各功能模塊說明

3.1.1 晶振電路

數(shù)字電路需要各種高頻率開關(guān)信號使計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)，使各種數(shù)字模塊能夠同步，因此，需要一個(gè)高頻率電子振蕩電路產(chǎn)生振蕩信號。這個(gè)振蕩電路最重要的一個(gè)元件就是晶振，它生成的振蕩信號頻率可以達(dá)到幾兆甚至十幾兆，再經(jīng)過分頻器或倍頻器，得到各種不同的頻率信號。在某些通信系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，通常通過電子調(diào)頻的方式保持同步。在本文設(shè)計(jì)的電子時(shí)鐘中，為了讓各個(gè)部分保持同步，該電子時(shí)鐘共用一個(gè)晶振，利用該晶振提供基本的時(shí)鐘信號。

3.1.2 復(fù)位電路

復(fù)位電路等同于電腦的重啟部分。電腦在使用中出現(xiàn)死機(jī)，按下重啟按鈕后，電腦內(nèi)的程序從頭開始執(zhí)行。單片機(jī)也一樣，單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中受到環(huán)境干擾程序時(shí)，按下復(fù)位按鈕，內(nèi)部的程序可自動從頭開始執(zhí)行，即把一些寄存器及存儲設(shè)備恢復(fù)到出廠時(shí)的狀態(tài)。

3.1.3 鍵盤電路

根據(jù)4×4矩陣鍵盤，它是用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵。因此，鍵盤上按鍵的個(gè)數(shù)為4×4個(gè)。采用此方法設(shè)計(jì)的鍵盤電路結(jié)構(gòu)可以大大提高電子時(shí)鐘中I/O口的利用率。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了按鍵控制鬧鐘和按鍵設(shè)置時(shí)間的功能。

在按鍵內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)觸點(diǎn)，首先將電路中的一條線路截?cái)?，然后將兩個(gè)斷線分別連接到按鍵的兩個(gè)觸點(diǎn)上。當(dāng)按下按鍵或按下按鍵不放，按鍵內(nèi)部的觸點(diǎn)結(jié)合在一起，該條線路導(dǎo)通；再按下按鍵或者松開按鍵，觸點(diǎn)釋放，線路斷開。

3.1.4 顯示電路

采用4位共陰極數(shù)碼管驅(qū)動方式，P2口連接相應(yīng)的位置，即選擇要顯示的數(shù)碼管位，P0口連接相應(yīng)的位置，即顯示相應(yīng)的數(shù)碼管段，從而負(fù)責(zé)顯示時(shí)鐘的時(shí)和分。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子時(shí)鐘的硬件部分主要包括控制芯片、時(shí)鐘芯片、按鍵、顯示屏等幾個(gè)部分?？刂菩酒?，也就是單片機(jī)，可以采用ST/STC/ALTER等8位單片機(jī)或者根據(jù)需求采用PCI或更高級的ARM等進(jìn)行控制以及對時(shí)鐘芯片的操作等。時(shí)鐘芯片，采用DS12C887，DS1302等時(shí)鐘芯片，通過單片機(jī)對時(shí)鐘芯片進(jìn)行配置、操作、讀取、設(shè)置等。按鍵，外部按鍵可以對時(shí)鐘芯片進(jìn)行外部設(shè)置，比如設(shè)置初始時(shí)間等，按鍵的采集可以用并行、串行、模擬AD采集等方式。如果單片機(jī)的I/O口足夠，可采用并行采集；如果I/O口有限，則可采用為不同按鍵分配不同阻值的電阻，掛在同一數(shù)據(jù)線上通過串行AD進(jìn)行采集，再通過單片機(jī)分析采集到的電壓值判斷按鍵。顯示屏可以采用點(diǎn)陣顯示屏或者彩色TFT(8Bit/16Bit/24Bit)模擬/數(shù)字屏，如果只是一般的應(yīng)用，采用一般的單行或多行點(diǎn)陣顯示屏即可。

本文使用了Produce軟件進(jìn)行硬件原理圖的仿真設(shè)計(jì)。主控電路采用80C51單片機(jī)。80C51單片機(jī)的內(nèi)振蕩電路是一種高增益逆變放大器。導(dǎo)線xtal1和xtal2分別是逆變器振蕩放大器的輸入、內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入和逆變器振蕩器的輸出。本文將逆變器放大器配置為片上振蕩器。由電容器進(jìn)行充電，RST可以在通電后的一段時(shí)間內(nèi)保持在高水平，以實(shí)現(xiàn)通電復(fù)位操作。通電復(fù)位是復(fù)位電路使用的主要方法。此方法不僅能使單片機(jī)復(fù)位，還能使單片機(jī)的外圍設(shè)備同時(shí)復(fù)位。程序出現(xiàn)錯誤時(shí)，可以隨時(shí)使電路復(fù)位。鍵盤電路的設(shè)計(jì)主要考慮如何實(shí)現(xiàn)按下同一個(gè)鍵時(shí)，可以執(zhí)行不同的功能程序。每個(gè)鍵以一對多的方式對應(yīng)多個(gè)功能程序。在按下某個(gè)鍵時(shí)，該鍵對應(yīng)的引腳被拉低，系統(tǒng)進(jìn)行一次掃描，返回鍵值，執(zhí)行當(dāng)下鍵值對應(yīng)的功能程序。顯示電路主要是由數(shù)碼管顯示數(shù)字電子鐘的時(shí)和分。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主函數(shù)的流程設(shè)計(jì)過程首先進(jìn)行初始化設(shè)定初值，然后執(zhí)行相關(guān)子程序的調(diào)用。具體流程如圖2所示。

調(diào)用中斷服務(wù)子程序，循環(huán)次數(shù)自增，因?yàn)槎〞r(shí)時(shí)長為50 ms，所以循環(huán)次數(shù)為20時(shí)，循環(huán)次數(shù)清0，秒自增；秒為60時(shí)，分自增，秒清0；分為60時(shí)，時(shí)自增，分清0；時(shí)為24時(shí)，時(shí)清0，中斷返回。

先確認(rèn)彈簧消抖是否有鍵按下，接著判斷掃描按鍵，不同的按鍵觸發(fā)不同功能。

其中，控制鬧鐘的核心代碼如下。

void almkozi(){

if((hour1==hour)&&(minit1==minit)&&(second<4)){

speaker=0; //鬧鐘時(shí)間到，蜂鳴器響

}

if(minit==0&&second<4){

//整點(diǎn)報(bào)時(shí)，蜂鳴器響

speaker=0;

}

if(second>4) {//控制蜂鳴器響的時(shí)長

speaker=1; //關(guān)閉蜂鳴器

}

}

數(shù)碼管的核心代碼如下。

void show(int){

P0=tc[h/10];

P2=0xCD;

retardation();P2=0xCE; //片選關(guān)

P0=tc[h%10]; //p0口送數(shù)據(jù)，拆數(shù)顯示，時(shí)的個(gè)位

P2=0xCF; //P2.1

retardation(); P2=0xDC;

P0=tc[m/10]; //p0口送數(shù)據(jù)，拆數(shù)顯示，分的十位

P2=0xDE; //P2.2

retardation();

P2=0xEF;

P0=tc[m%10]; //p0口送數(shù)據(jù)，拆數(shù)顯示，分的個(gè)位

P2=0XD9; //P2.3

retardation();

P2=0xEE;

}

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的電子時(shí)鐘，顯示屏清晰，可顯示基本的時(shí)、分和秒，還可通過按鍵調(diào)整時(shí)間、設(shè)置鬧鐘和提醒。其鬧鐘一天內(nèi)可設(shè)置3次且音量可調(diào)節(jié)。該電子時(shí)鐘功能基本齊全，能夠滿足人們生活的基本需求。但因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)還有部分智能功能未實(shí)現(xiàn)，有待在后期設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中進(jìn)行擴(kuò)展。

圖2 程序總體流程