熊 剛，胡啟迪，陳高峰，劉 晨

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程分院，陜西 楊凌 712100）

基于單片機的多功能時鐘設(shè)計

熊 剛，胡啟迪，陳高峰，劉 晨

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程分院，陜西 楊凌 712100）

本文結(jié)合單片機技術(shù)，以AT89S52為核心控制器，通過硬件及軟件設(shè)計，制作了一款多功能數(shù)字時鐘。測試結(jié)果表明，該數(shù)字時鐘操作簡單，工作穩(wěn)定可靠，具有實時顯示、鬧鐘設(shè)置、參數(shù)調(diào)整等功能，同時還具有體積小、功耗低、性價比高、易于攜帶、經(jīng)濟(jì)實惠等特點，具有較高的應(yīng)用價值。

單片機；數(shù)字時鐘；數(shù)碼管；多功能

時鐘在日常生產(chǎn)生活中有很多的應(yīng)用，例如一些智能化的儀器儀表、自動化控制系統(tǒng)以及家用的空調(diào)，冰箱，微波爐等都需要時鐘功能。傳統(tǒng)的時鐘大多數(shù)成本高、功能少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而數(shù)字電子時鐘則有體積小、重量輕、精度高等優(yōu)點，是時鐘發(fā)展的主流方向［1-3］。

目前，有很多的方式可以實現(xiàn)數(shù)字時鐘的設(shè)計，如數(shù)字電路、單片機等。隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，采用單片機開發(fā)電路則具有可靠性高、擴展性能好、經(jīng)濟(jì)實惠等優(yōu)點，可以極大的降低硬件電路的復(fù)雜性。所以，本設(shè)計采用單片機為控制核心，制作一款具有實時時鐘顯示和鬧鐘控制的多功能數(shù)字時鐘。

1 硬件設(shè)計

本設(shè)計硬件部分采用模塊化設(shè)計方式，包括單片機模塊、顯示器模塊、放大電路模塊、報警電路模塊及按鍵設(shè)置模塊等。

單片機采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52，該單片機具有8 k字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、三級加密程序存儲器、3個16位定時器/計數(shù)器、8個中斷源、看門狗定時器等功能，指令和引腳上與MCS-51單片機完全兼容，在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用［4-6］。

在硬件電路設(shè)計中采用P0口作為6位LED數(shù)碼管的驅(qū)動接口，同時外接限流電阻，數(shù)碼管的驅(qū)動采用PNP型三極管作為放大電路與單片機的P2.2～P2.7相連；通過4個獨立式按鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，分別與單片機的P1.0～P1.3連接；具體電路如圖1所示。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，根據(jù)任務(wù)要求，首先把任務(wù)劃分為相對獨立的功能模塊，系統(tǒng)模塊可以分為主程序、LED顯示子程序、查表子程序、時鐘設(shè)置子程序、鬧鐘設(shè)置子程序、定時器中斷子程序等功能模塊。

2.1 主程序

主程序完成系統(tǒng)初始化，包括I/O端口、時鐘、鬧鐘初始參數(shù)及初始標(biāo)志及定時/計數(shù)器初始狀態(tài)的設(shè)定；調(diào)用相應(yīng)的子程序進(jìn)行更新顯示時間、循環(huán)掃描按鍵、根據(jù)按鍵分別進(jìn)行鬧鐘和時鐘的設(shè)置管理等操作。流程圖如圖2所示。

2.2 LED顯示子程序

首先將顯示數(shù)據(jù)存儲單元的數(shù)據(jù)逐個的送到P0口，其中中所用到的顯示時間數(shù)據(jù)首地址均為個、十位分離后的數(shù)據(jù)首地址。同時依次選中各數(shù)碼管，實現(xiàn)6位LED的動態(tài)顯示功能，并同時進(jìn)行矩陣鍵盤掃描，若有按鍵按下，則在最后一位LED數(shù)碼管顯示完畢后再進(jìn)行一次該鍵的檢測（相當(dāng)于按鍵去抖），并存入鍵值到相應(yīng)位置。

圖1 系統(tǒng)硬件電路圖Fig.1 Circuit diagram of the hardware system

圖2 主程序流程圖Fig.2 Flow chart the main program

2.3 查鍵值子程序

該子程序讀取相應(yīng)地址的鍵值，鍵值為#00H則調(diào)用時鐘設(shè)置子程序，鍵值為#06H則調(diào)用鬧鐘設(shè)置子程序，若鍵值為#07H并且當(dāng)前鬧鈴標(biāo)志位為1則將標(biāo)志位清零，否則反轉(zhuǎn)鬧鈴開關(guān)標(biāo)志位，并根據(jù)開關(guān)狀態(tài)在數(shù)碼管最高位顯示0.5 s的‘N’（鬧鐘開）或‘F’（鬧鐘關(guān)），其余鍵值為則返回。

2.4 時鐘設(shè)置子程序

該子程序首先關(guān)閉定時器，“時”、“分”修改標(biāo)志位均清零，調(diào)用LED時間顯示子程序，然后讀取鍵值，若為04H則“秒”加1，若為05H則“秒”減1，若“秒”為59，則加完結(jié)果為00，若“秒”為00，則減完結(jié)果為59，完成后再次調(diào)用LED時間顯示子程序并讀取鍵值；若鍵值為01H則“時”修改標(biāo)志位置1，“分”修改標(biāo)志位清零，此時再次調(diào)用LED時間顯示子程序并讀取鍵值，若為04H則“時”加1，若為05H則“時”減1，若“時”為23，則加完結(jié)果為00，若“時”為00則減完結(jié)果為23，完成后再次調(diào)用LED時間顯示子程序并讀取鍵值［7］；若鍵值為02H則“分”修改標(biāo)志位置1，“時”修改標(biāo)志位清零，此時再次調(diào)用LED時間顯示子程序并讀取鍵值，若為04H則“分”加1，若為05H則“分”減1，若“分”、為59，則加完結(jié)果為00，若“分”為00，則減完結(jié)果為59，完成后再次調(diào)用LED時間顯示子程序并讀取鍵值；若鍵值為03H則 “時”、“分”修改標(biāo)志位均清零，此時再次調(diào)用LED時間顯示子程序并讀取鍵值，若為04H則“秒”加1，若為05H則“秒”減1，若“秒”為 59，則加完結(jié)果為 00，若“秒”為 00，則減完結(jié)果為59，完成后再次調(diào)用LED時間顯示子程序并讀取鍵值；若鍵值為#00H鍵則退出時間參數(shù)設(shè)置模式，返回至正常計時模式；若為其它鍵值則再次調(diào)用LED時間顯示子程序并讀取鍵值。

2.5 鬧鐘判斷子程序

該子程序首先查看鬧鐘是否開啟，若開啟則將當(dāng)前時間與鬧鐘設(shè)定時間進(jìn)行“時”、“分”、“秒”比對來判斷鬧鐘啟鬧時間是否已到，若時間到，則啟動鬧鈴，流程圖如圖3所示。

圖3 鬧鐘判斷子程序流程圖Fig.3 Subprogram flow chart of the alarm judging

2.6 定時器中斷程序

定時器中斷程序命名為 CLOCK子程序，該中斷程序每50 ms響應(yīng)一次，20個50 ms判斷為1 s到，60個1 s判斷為1分鐘到，60個1分判斷為1一個小時定時時間到，該子程序主要用于定時修改存放時鐘數(shù)據(jù)的地址單元中的數(shù)據(jù)，具體流程如圖4所示。

2.7 資源分配與程序設(shè)計

在完成各模塊流程設(shè)計后，最后根據(jù)每個細(xì)化的流程圖逐個編寫子程序模塊，再根據(jù)系統(tǒng)主程序的流程進(jìn)行各功能的子程序模塊調(diào)用，最終生成系統(tǒng)可執(zhí)行的程序。

在程序編寫前，先要對流程中涉及到的一些變量做一個合理的分配，并對相應(yīng)的地址單元用EQU進(jìn)行命名，這樣會使編程過程更為清晰，可讀性也會提高，便于后面的查錯與調(diào)試工作的順利進(jìn)行。

圖4 定時器中斷子程序Fig.4 Subprogram flow chart of the timer interrupt

3 系統(tǒng)調(diào)試及性能分析

系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分，硬件調(diào)試一般需要利用調(diào)試軟件來進(jìn)行，軟件調(diào)試也需要通過對硬件的測試和控制來進(jìn)行，因此軟、硬件調(diào)試是不可能絕對分開的。

3.1 硬件調(diào)試

1）設(shè)計測試軟件，使P1、P0口輸出55H或AAH，同時讀P2口。運行程序后，用萬用表檢查相應(yīng)端口電平是否一高一低，在仿真器中檢查讀入的P2口低2為是否為1，如果結(jié)果如上所述則說明并行端口工作正常。

2）設(shè)計一個測試LED顯示函數(shù)的程序、使所有LED全顯示“8.”的靜態(tài)顯示程序來檢驗LED的好壞［8］。如果運行測試結(jié)果與預(yù)期不符、則很容易根據(jù)故障現(xiàn)象判斷故障原因，并采取針對性措施排除故障。

3.2 軟件調(diào)試

1）先在主程序中屏蔽中斷及其它函數(shù)調(diào)用，只保留LED顯示函數(shù)，并在相應(yīng)的存儲單元中存入測試數(shù)據(jù)，觀察是否能將測試數(shù)據(jù)正常顯示，此過程調(diào)試通過后進(jìn)行下一步的調(diào)試工作。

2）打開中斷，觀察系統(tǒng)是否能從00:00:00開始正確計時，調(diào)試至正確計時后，則將計時初值改為23:58:50，在運行程序，觀察是否能正確進(jìn)位，此步調(diào)試通過后進(jìn)入下一步的調(diào)試工作。

3）打開時鐘設(shè)置子程序調(diào)用，按下按鍵，觀察系統(tǒng)是否能夠正確響應(yīng)時間設(shè)置過程中所涉及的各個按鍵，此步調(diào)試通過后進(jìn)入下一步的調(diào)試工作。

4）打開鬧鐘時鐘設(shè)置子程序調(diào)用，先看能否進(jìn)入鬧鐘時間設(shè)置模式，若能進(jìn)入則觀察系統(tǒng)是否能夠正確響應(yīng)鬧鐘時間設(shè)置過程中所涉及的各個按鍵，此步調(diào)試通過后進(jìn)入下一步的調(diào)試工作。

5）打開鬧鐘判斷子程序調(diào)用，將鬧鐘時間設(shè)定在當(dāng)前時間之后1分鐘左右，耐心等待，看鬧鈴是否會在設(shè)定時間響起，若能響起［9］，按下停止鍵#04看是否能關(guān)閉鬧鈴。

3.3 系統(tǒng)性能分析

在軟、硬件調(diào)試成功后，可以將程序固化到AT89S52的Flash存儲器中，上電脫機運行，進(jìn)行整體測試。將該設(shè)計的電子鐘和標(biāo)準(zhǔn)時鐘的進(jìn)行時間對比，每10 min記錄一次數(shù)據(jù)，記錄時間2個小時，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 時間數(shù)據(jù)記錄結(jié)果Tab.1 Test result of time data record

測量數(shù)據(jù)顯示，設(shè)計的電子時鐘和標(biāo)準(zhǔn)時鐘的時間在兩個小時內(nèi)有一定的偏差，最大誤差2 s，計時誤差較小，準(zhǔn)確度較高，達(dá)到了設(shè)計要求，鬧鐘時間到達(dá)設(shè)定值時，鬧鈴正常工作。

4 結(jié)束語

本設(shè)計采用單片機作為智能控制核心，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，實現(xiàn)了電子鐘的基本功能，同時也擴展了鬧鐘設(shè)置及時間校準(zhǔn)功能。在實際測試中，計時準(zhǔn)確度高，鬧鐘工作正?？煽浚摂?shù)字時鐘具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功能多、性價比高、實用性強等特點，具有較高的應(yīng)用價值。

［1］李娜，楊杰，牛曉飛.基于單片機的簡易數(shù)字電子鐘設(shè)計［J］.河北北方學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，30（6）：15-18，33.

［2］羅佳.基于單片機的數(shù)字電子鐘及其實現(xiàn)［J］.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010，9（2）：17-22.

［3］王瑜.PCF8583在電子時鐘設(shè)計中的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計工程，2009，17（6）：115-116.

［4］王琰，郭燕.基于C51單片機的智能循跡小車設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機電一體化，2013，8：72-76.

［5］鄭棣，徐迎春，劉雨.基于51單片機的多色點陣顯示系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33（12）5：109-113.

［6］王瑾，袁戰(zhàn)軍，李小斌.交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真［J］.海南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，32（4）：334-339.

［7］張偉，陳鋒，馬軍強，等.軌/姿控發(fā)動機脈沖后效沖量快速算法的研究及應(yīng)用［J］.火箭推進(jìn)，2012（1）：51-56.

［8］肖笑.基于BCC算法的多機系統(tǒng)PSS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計［J］.陜西電力，2012（12）：51-54.

［9］胡異丁，歐進(jìn)發(fā)，鐘滔.基于LabVIEW的無線心率測量系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2015（7）：43-45.

The design of multifunction clock based on single-chip microcomputer

XIONG Gang，HU Qi-di，CHEN Gao-feng，LIU Chen
（Department of Electromechanical，Yangling Vocational and Technical College，Yangling 712100，China）

In this paper，we made a multi-function digital clock which put AT89S52 as the core controller and combined with single-chip microcomputer technology，we also designed the hardware and software.Test results show that the operation of digital clock was simple，stable and reliable in work，it had function of real-time display，clock settings and parameter adjustment，it also had some features，such as small volume，low power dissipation，highly cost effective，easy carrying，economical and practical，it had a high application value.

single-chip microcomputer；digital clock；nixie light；multi-function1

TN409

A

1674－6236（2016）04-0164-04

2015-04-16 稿件編號：201504163

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院人文社科類研究基金項目（GJ1310）

熊 剛（1985—），男，河南信陽人，碩士，講師。研究方向：電氣自動化控制技術(shù)。