基于單片機的電子時鐘設計概述

引言：單片機廣泛應用于機電一體化產品、各類儀器儀表、家用電器及各種物理量的前端模塊之中，時鐘電路是保證電子時鐘系統正常運行的基礎。本文首先介紹了電子時鐘的運行狀態和調整狀態功能，設計了電子時鐘的計時方案，然后概述了電子時鐘的硬件設計和軟件設計，最后概況了電子時鐘的鍵盤設計。

前言

目前，單片機在各種領域都得到了廣泛的認可和應用，尤其是在智能儀表中的應用更是家常便飯，即引起了單片機的產品變革，又在很大程度上促進了設計理念的革新。智能儀表是智能系統的重要組成部分之一，其正常工作的關鍵在于單片機的設計。如今，設計單片機系統逐漸成為電子設計專家和設計愛好者的關注焦點。

一、電子時鐘的功能

在設計電子時鐘時，對電子時鐘功能的最基本要求是電子時鐘必須具備運行和調整兩種狀態：第一，運行狀態。在此種狀態下，需要設計K1、K2兩個有效按鍵，在按下K1鍵時，電子時鐘可以進入調整狀態；第二，調整狀態。在這種狀態下，需要設計K3、K4兩個有效按鍵，當按K1鍵進入調整狀態后按下K3鍵能夠對電子時鐘的數字位置進行調節，按下K4將會調節鬧鐘開關并分別對時分秒數字加一，繼續按K3則離開調節狀態而進入運行狀態。

1.1電子時鐘的計時方案

通過計數器中斷定時或AT89C51單片機內部定時，合理結合軟件延時來對時分秒進行計時。這種電子時鐘的設計方案能夠節省硬件成本，還能通過定時提醒讀者需要做的重要事情。其設計思路不僅可以刺激計數器在程序設計、使用及中斷等方面的提高，還能加深對單片機指令系統的掌握，進而實現單片機技術的使用和推廣。雖然單片機相比現在的嵌入式等會略遜一籌，但其目前還是應用最廣泛的設計芯片。

1.2電子時鐘設計原理

電子時鐘的主要構成部件是譯碼顯示器、校時電路、時分秒計數器、報時電路與振蕩器，主電路系統包括時分秒計數器、校時電路、顯示器、整點報時電路、譯碼器和秒信號發生器。其中，秒信號發生器作為整個系統時基信號，可以直接決定計時系統精確度，通常借助分頻器和石英晶體振蕩器的相互作用來完成。把標準秒信號輸入60進制的“秒計數器”，因而每相隔60秒就會發出“分脈沖”信號，這個信號即為“分計數器”時鐘脈沖。“時計數器”應該采用24進制的計時器，這樣就能進行每天24小時的計時。電子時鐘通常由1601液晶、89C52組成，其驅動電路為晶振電路。電路中的唯一控制鍵K1具有中斷電路的功能，按下K1鍵后再按設置鍵K3能夠對時分秒、鬧鐘開關和時分秒位置進行設定，繼續按調節鍵K4可以對時分秒、鬧鐘開關、鬧鐘設定的時分秒進行加一調節[1]。

二、電子時鐘的硬件與軟件設計

2.1電子時鐘的硬件設計

電子時鐘的核心部分采用51系列單片機，硬件電路包括按鍵電路、AT89C51單片機、LED顯示電路、音樂報時電路。其中，按鍵電路能夠通過按鍵來切換電子秒表功能和電子時鐘，設定電子時鐘的時間對時、顯示內容、鬧鐘定時功能，控制電子秒表計時、暫停、繼續計時、清零功能。AT89C51單片機片中置有存儲器為4K的E2PROM程序，不需要對程序存儲器進行外擴，在單片機外側接入上電復位電路和12MHz晶振電路。LED顯示電路選擇紅色共陽極數碼管，通過動態掃描方式顯示數據，在段選控制處接限流電阻，在位選控制處利用三極管進行驅動，通過1m/s定時中斷服務程序動態掃描顯示各個部位。電子時鐘的功能時顯示按照位次依次顯示星期、小時、分鐘、秒、十分之一秒、百分之一秒，并且可以通過控制按鍵切換年月日顯示[2]。音樂報時電路的設計需要選取兩個不同的HL9300E音樂集成片，便于分別進行定時音樂報時和整點音樂報時。定時音樂報時和整點音樂報時需要接入不同的觸發控制端，二者互相切換，進而避免兩個音樂集成芯片同步放樂的干擾。在GND與5V電源的AT89C51之間設計加入470uF的電解電容，可在其旁邊多并聯接幾個小的瓷片電容，可改善音質。音樂集成片輸出端接揚聲器或蜂鳴器，這樣可以有效防止因繼電器觸點吸合而造成的系統復位，從而使由按鍵清除鬧鐘定時時間的報時音樂聲。

2.2電子時鐘的軟件設計

把AT89C51內部定時和計數器設置為定時器工作模式是電子秒表和電子時鐘的計時基準.時針定時器的中斷信號為10m/s，即每經過100次中斷，時鐘秒位加一，秒位經60次加一后向時位進位，當時間為23時59分59秒時，秒位再加一后變為00時00分00秒。當按鍵切換為電子秒表功能時，秒針定時器每產生一次中斷，十毫秒單元加一，其經過10次加一后，百毫秒單元加一，依次進位可實現最長為9小時59分59秒999毫秒的秒表計時，可達到分辯10m/s的計時精度。

通過K1～K4按鍵可對時鐘加以對時，當第一次按下K1鍵時，顯示數碼管第一位閃爍，繼續按鍵時，下一位閃爍。當某一位閃爍時，按下K2按鍵能夠使閃爍位加一。在正常時鐘顯示方式下，按下K2鍵可以轉換年、月、日的顯示。按下K3鍵能夠進入秒表狀態，按下K4鍵能夠顯示鬧鐘定時時間[3]。

三、電子時鐘的鍵盤設計

本設計使用單鍵盤的方式設計，功能較為完備，既能減少對硬盤資源的損耗，又能調節和控制時分秒，使其轉換為省電模式。在按鍵又松開后通過屏蔽數碼管顯示功能達到省電目的；在按鍵不松開時能夠累加時分秒數字，按鍵一次累加一分鐘；在連續按鍵兩次時，能夠調節時針，同樣是累加一次為一小時，在達到時間調節目的后，延緩一段時間來判斷并確保按下此鍵，然后對鍵值和處理程序進行保存。

總結

綜上所述，本文設計的電子時鐘具有功能齊全、性價比高、電路簡單、制作成本低等優點，只要接入單電源即可供電，方便于在辦公室和家庭等場所使用。簡單的時鐘設計對增強電子專業學生的動手能力及獨立設計思考能力都會有很大的提高，本片的設計思想可作為市場產品加以推廣也可作為電子專業學生設計電子時鐘的參考，希望本文對讀者有些許幫助。

參考文獻

[1]王丹丹，鄭寬磊.一種新的基于層次化模式實現的SOC時鐘設計方法[J].微電子學與計算機，2011，11（04）：89-93.

[2]陳媛媛.基于無線網絡的GPS時鐘同步與信息發布系統[J].科學中國人，2014，08（23）：2.

[3]牛國鋒，朱苗苗.基于瑞薩微控制器的LED電子時鐘設計與實現[J].常熟理工學院學報，2012，02（18）：120-124.

（作者單位：西北師范大學）

作者簡介

盧學燕（1991.5～），女，甘肅省臨夏回族自治州，西北師范大學，2011級本科生，研究方向：電子信息工程。