基于C51單片機的多功能電子鐘系統設計與仿真

王瀚增，姜欣欣

（延邊大學 工學院，吉林 延吉 133002）

0 引 言

隨著電子技術行業的迅猛發展，電子產品的市場需求量增多，許多傳統產品受到前所未有的沖擊。電子鐘是日常生活中的必需品，但傳統電子鐘功能單一，不能很好地滿足人們日常的需求。多功能電子鐘解決了這些問題，不僅擁有傳統電子鐘的功能，還擁有顯示日期、溫度測試、電子鬧鐘等常用功能，大大滿足了人們的需求。

多功能電子鐘不僅制作成本低廉，而且具有廣闊的市場前景。它的成本低廉主要體現在元器件價格較低，其中C51單片機不僅價格低廉，而且編程簡單、功能強大。

1 AT89C51單片機簡介

ATMEL公司開發的AT89C51單片機是一款具有低電壓、高性能指標的CMOS8位單片機[1]。片內集成有4 kB的Flash存儲器和128 B的數據存儲器，具有速度快、可靠性高、實時性好等特點，被廣泛應用于電子領域。

AT89C51擁有40個引腳，其中包括4個8位并行I/O端口（P0口、P1口、P2口、P3口）、5個中斷源、3個程序加密鎖、2個16位可編程定時器/計數器中斷、1個全雙工的異步串行口、1個看門狗定時器和26個特殊功能寄存器[2]。

2 硬件電路設計

2.1 實現的功能

（1）顯時。切換按鍵，使四個七段數碼管顯示時間、日期以及溫度等信息。

（2）測溫。利用DS18B20測量溫度。

（3）調時?？衫冒存I，任意調整時間和日期。（4）報時。分為鬧鐘報時和整點報時，可使用對應的按鍵開啟。

2.2 系統框架設計

本設計將系統的硬件分成7個模塊：主控模塊（AT89C51）、直流電源模塊、七段顯示器顯示模塊、按鍵電路、時鐘電路（DS1302）、數字溫度傳感器（DS18B20）和蜂鳴器報時模塊，具體系統設計如圖1所示。

圖1 系統框架

主控模塊是系統的核心，通過DS18B20收集、測量室內的溫度；按鍵進行電路控制，時鐘電路接收主控模塊的命令，調整時間，并將獲取的時間信息送至主控模塊；主控模塊將信息送至七段數碼管顯示；一旦到鬧鐘或者整點時位，蜂鳴器模塊啟動報時功能。

3 主要電路模塊設計

3.1 時鐘芯片DS1302模塊

DS1302是由美國DALLAS開發研制，具有時間調節、日期調節等相關功能，其中12個寄存器與之相關。DS1302模塊與C51單片機之間通過串行時鐘、I/O、復位三根線實現連接。如果向該模塊輸入正確的數據，需要在時鐘脈沖信號上升沿到來前確認輸入數據是否正確。當脈沖信號上升沿到達時，將數據寫進DS1302內（由最低位到最高位依次寫入）[3]。若要讀出DS1302數據，則需要等到時鐘脈沖信號下降沿到來時讀出（由最低位到最高位依次讀出）[2]。如表1所示，為DS1302的控制字。寫入數據時，控制字的最高位置1；第6位置1時表示存取RAM中的數據，置0時表示存取日歷時鐘數據；第5位到第1位（A4～A0），表示相關寄存器的地址；第0位表示進行讀寫操作。

表1 DS1302控制字

3.2 數字溫度傳感器DS18B20模塊

DS18B20是一種性能穩定、反應快的數字溫度傳感器，測溫范圍為-55～+125℃，具有可編程9～12位A/D轉換精度。相比于傳統的溫度傳感器，DS18B20本身攜帶A/D轉換功能，可以直接通過總線與單片機P3.4口相連，實現將數字量輸入到單片機中的功能。DS18B20進行溫度轉化必須經過初始化（復位脈沖）、發送ROM指令、發送存儲器指令的過程。

3.3 按鍵接口S1、S2模塊

按鍵模塊采用S1與S2組合按鍵形式。按住復位按鍵可實現返回時間顯示主界面的功能，按動S2鍵切換調節的對象（溫度、時間、年、月、日）配合S1的調節（增1操作），在增1的過程中達到數值最大值時歸0。實驗結果顯示，兩者配合達到預期效果，具體操作如表2所示。

表2 按鍵操作效果

4 軟件設計及仿真

4.1 軟件流程

本實驗程序含有主程序、延時子程序、DS18B20讀取溫度子程序、DS1302時鐘子程序、數碼管顯示子程序、切換調解模式程序、調節設置（時間調整）程序和蜂鳴器報時子程序。各個程序相互協調，執行相應功能，并完成系統所要求的各項功能。具體程序設計流程如圖2所示。

下面是I/O接口定義以及相關變量定義的代碼：

#include ＜reg52.h＞

#define uint unsignedint

#define uchar unsigned char

sbit DS1302_CLK=P3^5;//設置DS1302相應接口

sbit DS1302_IO=P3^6;

sbit DS1302_RST=P3^7;

sbit ACC0=ACC^0;//內部累加器賦值

sbit ACC7=ACC^7;

sbit S2=P1^0;//設置按鍵S2

sbit S1=P1^1;//設置按鍵S1

sbitbz=P1^7;//設置蜂鳴器接口

sbit DQ=P3^4;//定義DS18B20總線接口

unsigned char sec,min,hour,week,day,mon,year,nz_min=0,nz_hour=8,zdn_hour=10,zdf_hour=23;

bit flag_xianshi;//定義所需變量

char mode;

bit show;

uchar last;

uintwendu;

bitflag_nz=1;

bitflag_zd;

bitnz_ok;

4.2 仿真圖及結果

由Lab center Electronics公司推出的Proteus軟件，可以專門對單片機系統進行仿真[4]。本實驗調用Proteus中元件庫中的元器件，設計完系統后，調整元器件的位置并連線。修改元器件的屬性及名稱，使之符合設計要求。最后，核實電路圖是否正確。

將生成的hex類型的文件載入AT89C51單片機，點擊Proteus軟件左下角的運行鍵，即可進行仿真，結果如圖3所示。

5 結 論

本實驗以AT89C51單片機為核心，通過對多功能電子鐘內部結構的分析，利用C51語言對所要實現的功能進行編程。利用Proteus軟件進行仿真，設計可以實現顯時、調時、測溫、報時功能于一體的多功能電子鐘，成功實現了預期功能。設計的多功能電子鐘具有廣闊的市場前景，但在使用便利性方面還有較大提升空間，后續將會將繼續研究，以不斷給予完善和優化。

圖3 Proteus仿真結果

參考文獻：

[1] 易麗華，黃 俊.基于AT89C51單片機與DS18B20的溫度測量系統[J].電子與封裝，2009，9（5）：39-43.

[2] 張毅剛.單片機原理及接口技術（C51編程）[M].第2版.北京：人民郵電出版社，2016.

[3] 祝鳳蓮.基于DS1302的數字鐘設計[J].科技廣場，2012，（7）：126-128.

[4] 李世瑾.基于單片機的智能電子時鐘的設計與應用[J].信息通信，2016，（6）：90-92.