韓雪松

渤海大學工學院

基于51單片機的數(shù)字時鐘設計

韓雪松

渤海大學工學院

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

單片機 數(shù)字時鐘 數(shù)碼管

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

1 電子時鐘的功能

①自動計時；

②顯示時間；

③時間校準；

④整點報時；

⑤定時鬧鐘。

2 方案設計

2.1 硬件的的選擇與設計

硬件設計的核心部分就是單片機，單片機主要應用于控制方面，它集成了計算機中的大部分功能，本次設計采用的是AT89C51：具有4K的只讀存儲器；128*8bit內(nèi)部隨機存儲器；還具有兩個優(yōu)先級別的5個中斷源；而且具有片內(nèi)振蕩器（頻率為1.2MHz-12MHz）和時鐘電路；兩個16位的計時器；1個串行I/O接口，可多機通信；擁有21個字節(jié)的特殊功能寄存器；低能耗；更突出的是它具有很強的位處理功能，更貼近這次設計的功能。

而軟件計時使用的8個LED數(shù)碼管顯示，小時與分鐘與秒之間用短線連接，非常清晰，一目了然，時鐘采用的是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。除了單片機之外的電路還包括：時鐘電路，復位電路，LED數(shù)碼顯示電路和按鍵電路。總體的設計框圖如圖1。

圖1 軟件計時LED顯示時鐘總體框圖

2.2 程序設計

程序的的設計分為匯編程序設計和C語言程序設計：匯編程序具有執(zhí)行快，功能強，指令短的特點，不管是在運算速度上還是存儲空間上，效率都很高，但是應用范圍不是很廣；C語言有所不同，在單片機的很多開發(fā)設計中都被廣泛應用，在匯編語言的功能基礎上，它還具有良好的可移植性，更強的表達能力，可以直接操作計算機硬件，所以為了設計出性能優(yōu)良的時鐘，在這次設計中選擇了C語言編程。

C語言的設計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只有兩大部分，也是兩個重點就是數(shù)碼管顯示模塊和中斷計時模塊。

圖2 主程序流程圖

顯示部分使用的是 LED數(shù)碼顯示管，本次設計采用的是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)字對應的字段碼就可以顯示字符，這樣就會更簡單方便的顯示數(shù)字，但是需要的I/O線比較多。

計數(shù)部分使用的是計數(shù)器0，如果加法計數(shù)器TL0的低5位計數(shù)滿時，就向定時加法計數(shù)器TH0進位，若TH0同樣計數(shù)滿的話，則溢出，但此時計數(shù)器并不會停止計數(shù)，而是從0開始進行加1計數(shù)，如果中斷允許，可以提出中斷請求。除此之外，還可以通過還可以通過溢出標志位TF0來判斷是否溢出。

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

而在程序設計中有一個最重要部分的就是中斷，時間的運行是通過定時中斷子程序對時鐘單元數(shù)值進行位調(diào)整來實現(xiàn)的。只有中斷源有請求而且被允許的情況下才會有中斷響應。首先，根據(jù)請求的中斷源的優(yōu)先級使觸發(fā)器置“1”，然后現(xiàn)場保護，重置初值，進入下一個定時階段，滿60秒則分加1，滿60分則小時加1，滿24個小時之后再重復循環(huán)，就形成了時鐘計時。

按鍵處理的部分設計比較人性化，時鐘調(diào)時時，K0按鍵按一次，時鐘暫停，可以調(diào)小時，再按第二次可以調(diào)分鐘，再按一次，就回到正常運行了（可以通過K1進行調(diào)時調(diào)分加1操作，通過K2進行調(diào)時調(diào)分減1操作），但是，時鐘正常運行時，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)字電子時鐘電路仿真圖

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

3 系統(tǒng)仿真

本次設計電路的仿真和程序編譯采用的軟件都是單片機設計中經(jīng)常用的protues7.8和Keil C51。protues軟件實現(xiàn)了單片機與電路仿真的結合，支持多種類型的單片機仿真，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，它可以對程序進行編譯，仿真，對C語言和匯編語言同樣適用，并且可利用的庫函數(shù)非常多，非常方便使用。仿真圖如圖4。

4 總結

通過這次的課題研究和實踐，使我能更為熟練地使用protues仿真和Keil C51對C語言的編譯，這次設計是理論與實踐的結合，對以后的學習起到了很大幫助。本次設計比較成功，基本完成了電子時鐘的功能需求，但是還有諸多不足，也會在以后的學習和實踐中逐漸積累經(jīng)驗，使自己逐漸進步。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)品的應用也會越來越廣，各種數(shù)碼商品也會在市場中逐漸成為主流，而我們作為一名當代大學生，更應該充分利用自己所學的知識，為社會發(fā)展盡自己的一份綿薄之力。

[1]謝維成，楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計（第三版）.北京:清華大學出版社，2014

[2]孫涵芳．MCS-51系列單片機原理及應用[M] ．北京航空航天大學出版社．1996-4

[3]謝維成，楊加國.單片機原理、接口及應用程序設計.北京：電子工業(yè)出版社，2011

[4]張培仁.基于C語言編程MCS-51單片機原理與應用.北京：清華大學出版社，2003