孟羽佳

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040）

基于51單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子鐘設(shè)計(jì)

孟羽佳

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040）

本文以STC89C51單片機(jī)為核心控制器，在它的引腳上接上其他電子元器件以及外圍電路，設(shè)計(jì)了一個(gè)電子時(shí)鐘。這個(gè)電子鐘顯示時(shí)間是用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)的，本設(shè)計(jì)選用的數(shù)碼管是6位數(shù)碼管，以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)“時(shí)”、“分”、“秒”進(jìn)行數(shù)字顯示，它們之間的間隔用數(shù)碼管上的小數(shù)點(diǎn)來(lái)分割，采用74HC573鎖存器來(lái)驅(qū)動(dòng)六位8段數(shù)碼管,并利用石英晶振產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，并利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器計(jì)數(shù)，通過(guò)程序和外圍電路控制數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。本文提供一種簡(jiǎn)單且廉價(jià)的設(shè)計(jì)方案，廣大的電子科技愛(ài)好者可以參考并自行制作。

電子鐘；數(shù)碼管；STC89C51單片機(jī)

0 引言

電子鐘是當(dāng)前市面上十分普及的計(jì)時(shí)裝置，它成本低廉，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，而且由于其顯示裝置可以發(fā)光，因此夜間也清晰可見(jiàn)，它的性價(jià)比是比較高的，現(xiàn)在人們尤其是在青年人群中，使用電子計(jì)時(shí)裝置的人數(shù)已經(jīng)大大超過(guò)了傳統(tǒng)的上弦表。本設(shè)計(jì)采用的是目前市面上比較普遍的STC89C51單片機(jī)，它是一款8位的處理器，即數(shù)據(jù)是以8位來(lái)運(yùn)算和處理的。雖然現(xiàn)在有很多單片機(jī)比51單片機(jī)性能好，但是價(jià)格卻很昂貴，這顯然不符合我們制作電子時(shí)鐘追求高性價(jià)比的初衷，而且選用的這款STC89C51單片機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)，體積小，對(duì)于電子設(shè)計(jì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)也是比較容易的。這款單片機(jī)結(jié)合數(shù)碼管、獨(dú)立按鍵、11.0592MHz晶振、74HC573鎖存器、數(shù)碼管等器件，通過(guò)在萬(wàn)用板上的焊接，或者將元件焊在事先設(shè)計(jì)制作好的PCB板上，就完成了一個(gè)電子鐘的制作。

圖1 電子時(shí)鐘總體框圖

圖2 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)作為主控制器，外部加上74HC573驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。系統(tǒng)總體框圖如下所示。

1.1 STC89C51單片機(jī)

STC89C51單片機(jī)內(nèi)部由CPU、4KB的ROM、256B的RAM、4個(gè)8位的I/O并行端口、一個(gè)串行口、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等組成，可進(jìn)行程序存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)運(yùn)算和控制外圍電路等，因此是電子鐘的正常工作的核心。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1.2 時(shí)鐘電路原理

STC89C51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常由兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，二是外部時(shí)鐘方式。在STC89C51單片機(jī)內(nèi)部有一時(shí)鐘振蕩電路，只要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體(簡(jiǎn)稱晶振)，就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，這里選用11.0592MHz的晶振。

圖3 STC89C51內(nèi)部時(shí)鐘電路

1.3 數(shù)碼管顯示原理

數(shù)碼管是四位共陽(yáng)極數(shù)碼管，即每位數(shù)碼管上的8個(gè)8個(gè)發(fā)光二極管以共陽(yáng)極方式連接，那么數(shù)碼管的8位段選碼只要在相應(yīng)位置低電平即可使某一二極管亮，若要顯示“8.”那么段選碼應(yīng)為“0x00”，這樣才能使每位數(shù)碼管上的8個(gè)發(fā)光二極管都被點(diǎn)亮，數(shù)碼管的8個(gè)段選引腳是分別接到P0.0到P0.7引腳的，因此控制P0口的輸出信號(hào)來(lái)控制數(shù)碼管的段選。由于6位數(shù)碼管的每位的8個(gè)段選都是連在一起的，因此在段選引腳上輸入的信號(hào)會(huì)被同時(shí)送到6個(gè)數(shù)碼管上去。所以為了實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管可以顯示不同的數(shù)字，則必須要用掃描的方式使各位數(shù)碼管輪流顯示。6位數(shù)碼管有6個(gè)位選引腳，將它們分別接到單片機(jī)的P2.0到P2.5引腳上去。這樣通過(guò)控制P2口低四位的輸出電平的高低即可控制哪一位數(shù)碼管點(diǎn)亮。比如將P2.0引腳置為低電平，則顯示“分鐘的十位”的數(shù)碼管允許通入段選信號(hào)，將P2.3引腳置為低電平，則顯示“秒的個(gè)位”的數(shù)碼管允許通入段選信號(hào)。這樣通過(guò)比較快速的掃描，即可實(shí)現(xiàn)6位數(shù)碼管輪流被位選導(dǎo)通。由于人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，因此以很快的速度掃描的話，人眼會(huì)認(rèn)為是四個(gè)數(shù)碼管一起在亮。利用這個(gè)原理，我在程序中設(shè)定大約是每10us就換一個(gè)位顯示，保證人眼看到是一起亮的。6位數(shù)碼管如圖4所示。

圖4 六位數(shù)碼管引腳圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

電子鐘的硬件電路設(shè)計(jì)通過(guò)Altium Designer軟件完成，首先將需要的電子元器件所在的元件庫(kù)導(dǎo)入到工程中，然后將各元器件從器件庫(kù)中拖拽出來(lái)，然后在元器件之間用導(dǎo)線連接，在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，注意電阻和電容的大小和種類，最后進(jìn)行電氣規(guī)則檢查，以確定準(zhǔn)確無(wú)誤。

圖5 電子時(shí)鐘整體電路原理圖

2.1 復(fù)位電路

單片機(jī)在初始上電時(shí)，使CPU以及其他功能部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，需要復(fù)位，但此時(shí)是自動(dòng)復(fù)位。但是在單片機(jī)工作過(guò)程中，如果出現(xiàn)系統(tǒng)癱瘓，也有必要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，使其從程序存儲(chǔ)器的內(nèi)程序的起點(diǎn)開始工作，這是手動(dòng)復(fù)位。MCS-51的復(fù)位電路包括上電復(fù)位電路和按鍵復(fù)位電路。RST為復(fù)位引腳。復(fù)位功能為單片機(jī)上電后，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期）寬度以上的高電平，就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。本設(shè)計(jì)使用的是按鍵復(fù)位電路，按下復(fù)位按鍵，電容C被充電，RST端的電位逐漸升高為高電平，實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，按鍵釋放后，電容器經(jīng)內(nèi)部下拉電阻放電，RST端恢復(fù)低電平。復(fù)位電路如圖6所示。

圖6 按鍵復(fù)位電路

2.2 按鍵調(diào)時(shí)電路

單片機(jī)鍵盤有獨(dú)立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨(dú)立鍵盤每一個(gè)I/O 口上只接一個(gè)按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡(jiǎn)單且系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復(fù)雜，但是占用的I/O少。根據(jù)本設(shè)計(jì)，分別完成對(duì)“小時(shí)、分、秒”的加減設(shè)置，需要3個(gè)按鍵，還有一個(gè)按鍵用來(lái)進(jìn)行12/24小時(shí)制的切換，總計(jì)需要4個(gè)按鍵即可。因此這里選用了獨(dú)立式鍵盤接法，按鍵電路如圖7所示。

圖7 按鍵調(diào)時(shí)電路

2.3 電源供電電路

在整個(gè)電路設(shè)計(jì)中，有很多元器件都有接地端，這些接地端通過(guò)導(dǎo)線最終都連接到一個(gè)“公共地”端，但是由于實(shí)際需要，電子鐘不可能一直處于工作狀態(tài)，所以在本設(shè)計(jì)中，在干路里加入了一個(gè)六腳自鎖開關(guān)，同時(shí)加入電源指示燈，這樣即可通過(guò)自鎖開關(guān)的通斷來(lái)控制系統(tǒng)工作與否，同時(shí)可以通過(guò)指示燈的亮滅判斷電子鐘電源的供電狀態(tài)。電源供電電路如圖8所示。

圖8 電源供電電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)中存儲(chǔ)器中的程序是通過(guò)Keil C51軟件編寫程序，然后燒入到單片機(jī)中的，這樣在每次上電時(shí)，程序自動(dòng)從程序存儲(chǔ)器中的第一行開始運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)的引腳對(duì)外圍電路的控制。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，通過(guò)此軟件用C語(yǔ)言編寫單片機(jī)程序十分方便，本設(shè)計(jì)電子鐘的程序流程圖如圖9所示。

圖9 數(shù)字電子鐘程序流程圖

4 設(shè)計(jì)總結(jié)

本簡(jiǎn)易電子鐘是基于STC89C51單片機(jī)的一個(gè)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在完成原理電路圖的設(shè)計(jì)之后，要進(jìn)行的是焊接工作。要準(zhǔn)備焊錫在萬(wàn)用板上焊接，焊接過(guò)程中要注意防止出現(xiàn)虛焊、漏焊、錯(cuò)焊等問(wèn)題。在焊接好后，不要忙于通電，首先要檢測(cè)有沒(méi)有短路，萬(wàn)一有短路就通電，將會(huì)很麻煩，容易燒毀電路板或元器件，更容易引發(fā)安全隱患，應(yīng)確保無(wú)短路再通電。本電子鐘所需的元器件購(gòu)買的成本價(jià)很低，并且在制作過(guò)程中有助于理解51單片機(jī)的性能及應(yīng)用方法，同時(shí)用Keil C51軟件編寫程序有助于鍛煉程序編寫能力。同時(shí)設(shè)計(jì)這個(gè)簡(jiǎn)易電子時(shí)鐘使我運(yùn)用已有的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析和解決一個(gè)理論問(wèn)題或?qū)嶋H問(wèn)題，把知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的實(shí)際訓(xùn)練，培養(yǎng)了我運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

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Simple electronic clock design based on 51 single chip microcomputer

Meng Yujia
(College of mechanical and electrical engineering Northeast Forestry University, Heilongjiang Harbin,150040)

in this paper, STC89C51 microcontroller as the core controller, on its pin connected to other electronic components and peripheral circuits, the design of an electronic clock. The electronic clock display time is the realization of digital control, digital tube is used in this design is 6 digital tube, to achieve the “time”, “sub”, “seconds” digital display, the interval between them with digital tube decimal point to segmentation, using 74HC573 to drive six 8 digital tube latch, and generates a clock pulse using quartz crystal, and the use of single-chip internal timer count, through the program and control circuit in the digital tube dynamic display. This paper provides a simple and inexpensive design, the majority of electronic technology enthusiasts can refer to and make their own.

electronic clock; digital control; STC89C51 MCU

孟羽佳 (1995年)，男，黑龍江省哈爾濱人，滿族，研究方向 電子技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)。