基于電子科學(xué)與技術(shù)的數(shù)字電子鐘的研究

劉圓圓 趙磊 張澤楠

【摘 ?要】隨著社會(huì)科技發(fā)展，社會(huì)我們已經(jīng)邁入了科技智能化時(shí)代。電子科學(xué)與技術(shù)與大眾生活關(guān)系密切，開始融入到社會(huì)工作、生活中的方方面面，不僅豐富了人們的日常生活也提升了工作效率，有力的推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高。

【關(guān)鍵詞】電子科學(xué)與技術(shù);數(shù)字電子鐘;單片機(jī)

引言

本文主要探討電子時(shí)鐘與單片機(jī)的工作機(jī)理，以數(shù)碼管為顯示器的數(shù)字電子鐘表現(xiàn)出了更大的優(yōu)勢(shì)，采用LED數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒。單片機(jī)在智能儀器、電子科學(xué)與技術(shù)方面的應(yīng)用十分廣泛，它集成度高、體積小、具有較強(qiáng)的控制功能與較高的靈活性。

1.數(shù)字電子鐘的工作原理

一個(gè)基本的數(shù)字電子鐘電路主要由譯碼顯示器、“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器、校時(shí)電路、報(bào)時(shí)電路和振蕩器組成。主電路系統(tǒng)由秒信號(hào)發(fā)生器、時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路組成。秒信號(hào)產(chǎn)生器是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)，通常用石英晶體振蕩器加分頻器來實(shí)現(xiàn)其功能。

將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)送入“秒計(jì)數(shù)器”，“秒計(jì)數(shù)器”采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號(hào)，該信號(hào)就作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖。“分計(jì)數(shù)器”每累計(jì)60分鐘，就會(huì)發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號(hào)，該信號(hào)將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”。“時(shí)計(jì)數(shù)器”采用24進(jìn)制，譯碼顯示電路將“時(shí)”、“分”、“秒”計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)用七段顯示譯碼器譯碼，通過七段顯示器顯示出來，方便人們計(jì)時(shí)使用。

下圖為其工作電路圖。

2.單片機(jī)

2.1單片機(jī)的組成

單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。具體來說就是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（有時(shí)還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

單片機(jī)就是一個(gè)微型電腦，它是靠程序工作的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能。單片機(jī)的功能部分由CPU、內(nèi)存、外圍功能等部分組成。將單片機(jī)比作人的話，CPU則是負(fù)責(zé)思考的大腦，內(nèi)存是用來接收和記憶指令的，外圍功能相當(dāng)于視覺的感官系統(tǒng)。但是CPU并不能像人的大腦一樣有意識(shí)、自發(fā)的思考，只能依次讀取并執(zhí)行事先儲(chǔ)存在內(nèi)存中的指令，再將依次讀取的指令完成。

CPU讀取指令時(shí)需要知道要執(zhí)行的指令保存在內(nèi)存的什么位置，即地址，程序計(jì)數(shù)器（PC）就是存儲(chǔ)地址的寄存器。通常，它是按1遞增設(shè)計(jì)的，當(dāng)CPU執(zhí)行了0000地址中的指令后，PC會(huì)自動(dòng)加1變?yōu)?001地址，依次遞增，也就是說，PC決定了程序執(zhí)行的順序，也就是讀取指令的順序。

指令讀取完畢，又會(huì)有多種電路配合完成操作。指令解碼電路是解讀從內(nèi)存中讀取的指令的含義，運(yùn)算電路是根據(jù)讀取結(jié)果操作的，電路結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，進(jìn)一步來說，指令解碼電路的工作原理就是從被符號(hào)化的指令中還原指令。運(yùn)算電路也稱為ALU，是完成運(yùn)算的電路。能進(jìn)行加法、乘法等算術(shù)運(yùn)算、也能進(jìn)行AND、OR、BIT-SHIFT等邏輯運(yùn)算。運(yùn)算是在指令解碼電路的控制下進(jìn)行的，其運(yùn)算電路比較復(fù)雜，需要更多指令的配合。

CPU內(nèi)部寄存器是臨時(shí)儲(chǔ)存信息的場(chǎng)所。有存儲(chǔ)運(yùn)算值和運(yùn)算結(jié)果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器。運(yùn)算電路進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，并不是在內(nèi)存中直接運(yùn)算的，而是將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀取到通用寄存器，在通用寄存器中進(jìn)行運(yùn)算的。下面我們通過一個(gè)具體的例子（3+4）來說明演示CPU的操作過程。

3.使用單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

為什么很多電器設(shè)備都要使用單片機(jī)呢？下面用一個(gè)點(diǎn)亮LED的電路為例。

不使用單片機(jī)的電路是一個(gè)由LED，開關(guān)和電阻構(gòu)成的簡(jiǎn)單電路。如果希望LED在按下開關(guān)后，經(jīng)過一段時(shí)間再點(diǎn)亮或熄滅，只需更改單片機(jī)中的程序就可以了，并不需更改原電路。但是對(duì)于沒有單片機(jī)的電路來說，就必須在元電路中加入定時(shí)器IC，或者用IC和FPGA構(gòu)成邏輯電路才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。也就是說，在更改和添加新功能時(shí)，帶有單片機(jī)的電路顯然更加容易實(shí)現(xiàn)。這正是電器設(shè)備使用單片機(jī)的原因，單片機(jī)使得電路的功能更加完善。

4.單片機(jī)的用途

（1）智能儀器

單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、角度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。

（2）工業(yè)控制

用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、機(jī)器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)。

（3）網(wǎng)絡(luò)和通信

現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制。

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作者簡(jiǎn)介：

劉圓圓，性別：女，出生年月：1998年4月17日，民族：漢，籍貫：河北省衡水市故城縣，學(xué)歷：大學(xué)本科，學(xué)校：華北理工大學(xué)，郵編：063210，專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)，

（作者單位：華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院）