基于單片機的多功能時鐘設計

熊 剛，胡啟迪，陳高峰，劉 晨

（楊凌職業(yè)技術學院 機電工程分院，陜西 楊凌 712100）

基于單片機的多功能時鐘設計

熊 剛，胡啟迪，陳高峰，劉 晨

（楊凌職業(yè)技術學院 機電工程分院，陜西 楊凌 712100）

本文結合單片機技術，以AT89S52為核心控制器，通過硬件及軟件設計，制作了一款多功能數字時鐘。測試結果表明，該數字時鐘操作簡單，工作穩(wěn)定可靠，具有實時顯示、鬧鐘設置、參數調整等功能，同時還具有體積小、功耗低、性價比高、易于攜帶、經濟實惠等特點，具有較高的應用價值。

單片機；數字時鐘；數碼管；多功能

時鐘在日常生產生活中有很多的應用，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，冰箱，微波爐等都需要時鐘功能。傳統(tǒng)的時鐘大多數成本高、功能少、結構復雜，而數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)數字時鐘的設計，如數字電路、單片機等。隨著計算機技術和電子技術的發(fā)展，采用單片機開發(fā)電路則具有可靠性高、擴展性能好、經濟實惠等優(yōu)點，可以極大的降低硬件電路的復雜性。所以，本設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字時鐘。

1 硬件設計

本設計硬件部分采用模塊化設計方式，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置模塊等。

單片機采用Atmel公司生產的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用系統(tǒng)中有廣泛應用［4-6］。

在硬件電路設計中采用P0口作為6位LED數碼管的驅動接口，同時外接限流電阻，數碼管的驅動采用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個獨立式按鍵進行參數設置，分別與單片機的P1.0～P1.3連接；具體電路如圖1所示。

2 軟件設計

軟件設計采用模塊化設計方法，根據任務要求，首先把任務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、時鐘設置子程序、鬧鐘設置子程序、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、鬧鐘初始參數及初始標志及定時/計數器初始狀態(tài)的設定；調用相應的子程序進行更新顯示時間、循環(huán)掃描按鍵、根據按鍵分別進行鬧鐘和時鐘的設置管理等操作。流程圖如圖2所示。

2.2 LED顯示子程序

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

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

該子程序讀取相應地址的鍵值，鍵值為#00H則調用時鐘設置子程序，鍵值為#06H則調用鬧鐘設置子程序，若鍵值為#07H并且當前鬧鈴標志位為1則將標志位清零，否則反轉鬧鈴開關標志位，并根據開關狀態(tài)在數碼管最高位顯示0.5 s的‘N’（鬧鐘開）或‘F’（鬧鐘關），其余鍵值為則返回。

2.4 時鐘設置子程序

該子程序首先關閉定時器，“時”、“分”修改標志位均清零，調用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，則加完結果為00，若“秒”為00，則減完結果為59，完成后再次調用LED時間顯示子程序并讀取鍵值；若鍵值為01H則“時”修改標志位置1，“分”修改標志位清零，此時再次調用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，則加完結果為00，若“時”為00則減完結果為23，完成后再次調用LED時間顯示子程序并讀取鍵值［7］；若鍵值為02H則“分”修改標志位置1，“時”修改標志位清零，此時再次調用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，則加完結果為00，若“分”為00，則減完結果為59，完成后再次調用LED時間顯示子程序并讀取鍵值；若鍵值為03H則 “時”、“分”修改標志位均清零，此時再次調用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，則加完結果為 00，若“秒”為 00，則減完結果為59，完成后再次調用LED時間顯示子程序并讀取鍵值；若鍵值為#00H鍵則退出時間參數設置模式，返回至正常計時模式；若為其它鍵值則再次調用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，若開啟則將當前時間與鬧鐘設定時間進行“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據的地址單元中的數據，具體流程如圖4所示。

2.7 資源分配與程序設計

在完成各模塊流程設計后，最后根據每個細化的流程圖逐個編寫子程序模塊，再根據系統(tǒng)主程序的流程進行各功能的子程序模塊調用，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，并對相應的地址單元用EQU進行命名，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試工作的順利進行。

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

3 系統(tǒng)調試及性能分析

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

3.1 硬件調試

1）設計測試軟件，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，如果結果如上所述則說明并行端口工作正常。

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

3.2 軟件調試

1）先在主程序中屏蔽中斷及其它函數調用，只保留LED顯示函數，并在相應的存儲單元中存入測試數據，觀察是否能將測試數據正常顯示，此過程調試通過后進行下一步的調試工作。

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，觀察是否能正確進位，此步調試通過后進入下一步的調試工作。

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

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

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

3.3 系統(tǒng)性能分析

在軟、硬件調試成功后，可以將程序固化到AT89S52的Flash存儲器中，上電脫機運行，進行整體測試。將該設計的電子鐘和標準時鐘的進行時間對比，每10 min記錄一次數據，記錄時間2個小時，數據如表1所示。

表1 時間數據記錄結果Tab.1 Test result of time data record

測量數據顯示，設計的電子時鐘和標準時鐘的時間在兩個小時內有一定的偏差，最大誤差2 s，計時誤差較小，準確度較高，達到了設計要求，鬧鐘時間到達設定值時，鬧鈴正常工作。

4 結束語

本設計采用單片機作為智能控制核心，使系統(tǒng)結構大為簡化，實現(xiàn)了電子鐘的基本功能，同時也擴展了鬧鐘設置及時間校準功能。在實際測試中，計時準確度高，鬧鐘工作正常可靠，該數字時鐘具有結構簡單、體積小、功能多、性價比高、實用性強等特點，具有較高的應用價值。

［1］李娜，楊杰，牛曉飛.基于單片機的簡易數字電子鐘設計［J］.河北北方學院學報：自然科學版，2014，30（6）：15-18，33.

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

［3］王瑜.PCF8583在電子時鐘設計中的應用［J］.電子設計工程，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)設計［J］.自動化技術與應用，2014，33（12）5：109-113.

［6］王瑾，袁戰(zhàn)軍，李小斌.交通燈控制系統(tǒng)的設計與仿真［J］.海南大學學報：自然科學版，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用［J］.火箭推進，2012（1）：51-56.

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

［9］胡異丁，歐進發(fā)，鐘滔.基于LabVIEW的無線心率測量系統(tǒng)的設計［J］.電子設計工程，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)技術學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。