基于51單片機的數字時鐘設計

韓雪松

渤海大學工學院

基于51單片機的數字時鐘設計

韓雪松

渤海大學工學院

近年來，隨著科技的發展，電子產品已經應用到我們生活的很多面面，在現代生活中，尤其是時間觀念很強的現在，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，易于調試等優點，將會在生活和工作中占有很大比重。

單片機 數字時鐘 數碼管

數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內部隨機存儲器；還具有兩個優先級別的5個中斷源；而且具有片內振蕩器（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。首先要選通數碼管，然后可以給I/O線發送數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字，但是需要的I/O線比較多。

計數部分使用的是計數器0，如果加法計數器TL0的低5位計數滿時，就向定時加法計數器TH0進位，若TH0同樣計數滿的話，則溢出，但此時計數器并不會停止計數，而是從0開始進行加1計數，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的狀態，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生高電平，這時系統就會復位，當復位端變為低電平時，單片機開始執行程序。而片內的復位電路是用施密特觸發器連接，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值進行位調整來實現的。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，根據請求的中斷源的優先級使觸發器置“1”，然后現場保護，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，就形成了時鐘計時。

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

這次設計的數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，蜂鳴器發聲。

3 系統仿真

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常用的protues7.8和Keil C51。protues軟件實現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驗，使自己逐漸進步。如今，科技飛速發展，“互聯網+”的理念更加深入人心，電子產品的應用也會越來越廣，各種數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