多功能时钟的研制

沈阳市第二十中学 鲍春光

东北大学信息科学与工程学院 许 楠

多功能时钟的研制

沈阳市第二十中学 鲍春光

东北大学信息科学与工程学院 许 楠

设计了一个基于单片机80C51的电子时钟。时钟系统通过搭建硬件平台实现模块化软件编程，完成了中断模块、显示模块、闹钟模块、时间调整等模块的设计，具有显时、调时、三组定时以及整点报时功能，同时电子钟还设计了掉电保护电路，当电源断电时能保存时钟当前定时设计的全部数据。本系统通过实际运行与测试，达到设计要求。

多功能时钟；80C51；时钟控制；中断程序；数码管

单片机［1］诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC［2］三大阶段。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，单片机已渗透到我们生活的各个领域。

单片机中最常见的是数字钟［3］，数字钟是一种采用数字电路技术，通过显示模块，来显示年、月、日、时、分、秒的计时装置［4］，是人们日常生活中不可少的必需品，广泛应用于各种场合。现如今，数字时钟已经飞速发展，已不单单只满足于简单显示时间，而是在数字钟的基础上，增加各种传感器，实现定时自动报警［5］、整点报时、学校里的自动打铃或定时自动响音乐等。所有这些，都是以钟表数字化为基础的。基于以上的研究基础，设计了一种显时、调时、定时以及具有整点报时功能的电子钟。本文将从硬件设计、软件设计和系统调试等方面详细论述。

1　电子时钟功能要求及实现方案

1.1功能要求

硬件功能设计：时钟系统采用单片机80C51芯片［6］为主CPU，搭配时钟日历芯片DS1302及晶振电路等构成最小系统。系统由单片机80C51、晶振电路、按键电路、时钟芯片DS1302电路、复位电路、数码管显示及驱动电路和报时电路等模块组成。利用单片机内部的定时器/计数器编程定时方法，能够完成的功能包括：时间实时显示、时分秒的调整、任意时段闹钟定时和整点报时等。而且在硬件电路设置四个按键，在软件功能上分别定义四个按键为SET、ALM、UP和DOWN，利用按键可以很方便的对时钟和闹钟进行调整。

在使用调时功能时，主要利用SET 键、UP 键和DOWN 键进行操作。具体操作方法如下：

（1）按SET键一下，可以调整“时”的单元，“时”单元区域闪烁，按UP 键或DOWN 键，调整当前时间；

（2）按SET键两下，调整显示“分”的单元；按SET 键三下，调整显示“秒”的单元；按SET键四下，调整时间结束，“时、分、秒”区域都没有闪烁，时钟系统进入正常走时程序。

利用ALM键、UP 键和DOWN 键来调整闹钟单元。调整方法与调时功能基本一致。其中ALM键相当于时钟设置里的SET键功能。另外两个按键UP 键和DOWN 键分别为加1 键和减1功能键，其中利用加1功能时，“时”单元以24 为限，“分”、“秒”单元以60 为限，调整时间时超出限值则返回数值0，从限值开始重新算起。当使用DOWN 键来实现减 1 功能时，“时”、“分”、“秒”三个单元都是以0为限，超出限值时，由于“时”单元以24小时制计数，因此减1操作低于0时返回数字23，“分”、“秒”单元则返回数字59，从限值开始重新算起。 当时间到达设置的闹钟时间时，蜂鸣器启动，响声4秒（或响起一段音乐），以起到提示作用。整点报时功能的设置是当时钟走到整点时，蜂鸣器响2秒，以提示当前时间为整点。

1.2电子时钟系统设计方案

采用基于单片机的数字时钟设计通常有三种方法：

（1）硬件电路方式设计时钟。

（2）采用软件编程实现时钟功能。

（3）通过单片机内部的定时器/计数器实现时钟功能。三种方案详细优缺点对比如下表：

方 案　特 点硬件电路即采用主CPU和时钟芯片，利用主芯片外围的晶振电路，给时钟系统提供很高精度的时基信号。可以到达精确计时，编程简单，使用非常方便。但是硬件成本相对较高且调试参数不方便。软件编程这种实现方法依靠基本的编程语言实现时钟功能，硬件电路要求简单，但仅依靠软件编程很难控制时间精度。缺点是通过软件延时程序实现秒的加1功能，占用过多的CPU 的时间。单片机定时器/计数器功能硬件电路采用普通单片机最小系统，利用单片机内部定时器功能，编写中断函数实现时钟计数。特点是硬件电路比较常见，定时器函数定时精准。

综合比较上述三种方案，本文采用第三种，即利用单片机80C51内部的定时器/计数器功能实现计时。不仅设置参数简单，方案容易实现，而且不占用CPU 工作时间。其中定时器概念：是对单片机内部的标准时钟脉冲进行计数。单片机定时器实现原理如下：单片机内部的16位定时器由高8位和低8位两个寄存器组成，分别是T0和T1。定时器溢出后标志位TF0（或TF1）由0变1，由此引发定时器中断。本文电路设计采用12MHz晶振，对应的脉冲周期是1微秒，计满65536个脉冲所对应的时间就是65.536ms，因此要根据设定的时间长短，来设置相应的定时器初值。定时器的工作方式也有四种，当定时器T0（或T1）启动后，按设定的工作方式独立进行计数，不再占用CPU时间。当定时器计满溢出时，TF0（或TF1）置1，向CPU发出中断请求信号。

在具体进行程序设计时，主程序中只需对定时器/计数器初始化，时钟的形成就在中断服务程序中实现，并调用显示子程序和控制子程序。其中显示模块是采用数码管动态显示的方法，利用三极管作为驱动电路，软件控制段选位选信号。控制模块包括对按键和蜂鸣器的编程控制，使对时钟的使用更加便捷。

2　系统硬件功能电路设计

多功能时钟系统硬件电路设计包括：主芯片模块，数码显示模块、按键控制电路、时钟电源模块、蜂鸣器控制模块等几部分。硬件电路设计框图如图1所示。

图1　硬件系统功能框图

本文时钟系统以单片机80C51为核心，结合时钟日历芯片DS1302［7］，来完成电子时钟的主要功能。显示模块使用通用的8段共阴极数码管。P0口输出段数码数据P2.0～P2.5口作列扫描输出，P1.0，P1.1和P1.2口接三个按钮开关以实现调时、调分功能。下面详细介绍时钟电路设计。

图2　时钟系统电路图

时钟基准电路设计：单片机工作的时间基准是由时钟电路来完成的，本文设计的时基电路基本组成是在主芯片的XTAL1和XTAL2引脚间接一只12M晶振及两只30pF电容，为电路提供时钟频率。时钟以单位秒计时，本文程序设计时，1秒定时的实现方法为，首先把定时器的定时时间定为50ms，注意初始值的设置，然后采用中断方式进行次数累计，程序循环运行20次，最后得到1秒的准确计时。

数码显示电路设计：数码显示模块采用4位共阳极LED数码管显示器，与单片机P0端口相连接，即数码管的各引脚依次连接到单片机的P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7，R是限流电阻。其中数码管的驱动电路由V1～V4三极管组成，四个三极管的集电极分别与4位LED数码管的共阳极引脚相连接，而三极管的基极通过限流电阻分别接在单片机P2端口的P2.0～P2.3引脚上。其驱动电路工作过程如下：P2.0输出为低电平时，V4三极管导通，与其相连的共阳极数码管显示器开始工作；P2.0输出为高电平时，V4三极管截止，与其相连的数码管显示器停止工作。时钟系统电路如图2所示。

3　时钟系统软件设计

本文时钟系统的软件设计主要包括：

（1）主程序设计；

（2）显示程序设计，其中又由显示主函数、LED显示子程序、定时器中断函数、键盘扫描程序和其他功能函数组成；

（3）系统子程序设计，包括：闹钟功能子程序设计和其他指示标志的程序设计等。

在整个软件设计流程中，各功能模块都采用子程序设计方法，也是为了后期软件系统维护方便，增加了程序的通用性。在主函数中，先对单片机内部的各寄存器等进行初始化设置，然后根据需求循环调用各子函数。在子函数的设计中，分别编写了按键处理子函数、数码显示子函数和定时器中断服务子函数等。这里需要重点说明的是，在硬件电路设计时，使用按键操作进行时钟和闹钟的调整。在编写按键处理子函数时，程序通过判断键盘的输入情况调用不同的子程序功能函数，达到友好的人机交互功能。

3.1系统主程序设计

软件主程序的设计流程如下：

（1）定义头文件、主函数的相关变量和常量；

（2）初始化单片机内部的各种寄存器和定时器参数；

（3）循环程序的编写，这里根据需要调用不同的子程序函数，如有按键按下或者到达整点时间时，程序就转入相应的处理函数，实现相应功能。

主程序通过调用子程序，将各部分功能有机地组合到一起，并不断循环扫描K1～K4功能键。在此主程序里只有K1键赋予了设置目前时间的功能，而其他K2～K4键为空键，预留以后使用。如果按下K1键，则执行相应按键控制程序，按键控制程序执行完毕后，仍然回到主程序循环扫描。

3.2系统显示程序设计

本设计中计时采用定时器T0中断完成，其余状态循环调用显示子程序函数及键盘扫描子函数，当端口开关按下时，转入相应调时功能。

LED显示子程序：利用DS1302芯片提供时间数据，通过单片机的指令调用，将时间数据送到数码管模块显示，其程序实现流程图如图3所示。

图3　显示子程序流程图

其中工作指示闪烁子程序如下：

1. LED_BL：

2. MOV R4，#6；闪烁次数

3. LE1： CPL WLED；位反向输出

4. MOV R5，#25

5. ACALL DELAY；延时50ms

6. DJNZ R4，LE1

7. RET ；子程序返回

第2行语句是赋予闪烁次数，即每调用一次该子程序，工作指示灯闪烁6次，第3行语句位反向输出，即原来截止，现在导通；原来导通，现在截止。第4行语句通过对R5赋值来调节DELAY的延时时间，其延时时间为50ms。第5行语句调用DELAY延时子程序使工作灯亮（或灭）后停一段时间。

定时器［8］中断函数：本文定时器函数的设计，采用定时器/计数器T0，工作方式1，定时时间设为50ms，这里要注意初值的设定，然后程序循环在不停的对数码管动态扫描，同时等待中断的发生。在中断服务程序设计中，分别对秒、分、时单元进行控制，设置初值使计数器对50ms计数，循环20次则到整秒，对秒单元加1；当秒单元累计循环60次后则对分单元加1，同时秒单元清0；分单元方法同秒单元；当时单元加到24时则对时单元清0，即为一整天计数周期。

定时器子程序由INIT_TIMER函数实现，它可以实现每隔5ms产生一次中断信号，它是时钟标准时间的来源和保证。下面是定时器子程序INIT_TIMER：

INIT_TIMER；定时器T0初始化

MOV TMOD，#00000000B；设置定时器T0工作模式0

MOV TLO，#（8192-5000）MOD 32；加载低字节计数初值

MOV TH0，#（8192-5000）/32；加载高字节计数初值

MOV IE， #10000010B；启用定时器T0中断

SETB TRO ；启用定时器T0中断计时

RET ；子程序返回

定时器T0设置为工作模式0状态，定时器每隔5ms中断一次，在晶振频率为12MHz时，此5ms的初值为5000，但实际上程序还要作其他运算，使得时间偏长，因此此值需经实验做些调整。

4　时钟系统调试

系统调试主要分为硬件电路检测和软件程序调试两部分。硬件电路检测时，先从外观查看电路板的连线是否正确，各使能端的接线是否牢固，再用万用表测试电路板是否有短接现象、电源部分是否都连接正常，这些部分都检查无误后方可接通电源，接通电源后，如果发现有芯片烧毁或冒烟等现象要立即切断电源进行处理，然后重新检查硬件电路。硬件电路检查无误后，仍然没有指示灯亮或者显示时钟不正常，再检查软件编程问题，多次修改后，直至时钟电路正常工作。

在系统调试过程中主要遇到几个关键性问题。例如检测部分信号不稳定，经检查该问题与周围的干扰有密切关系，将检测部分的外围电路进行了整理，使检测信号很准确的检测到。还有闹铃模块的方案起初采用了三极管进行控制，但是这样设计影响了控制的精度，因此改为采用单片机I/O口直接控制指示灯及开关。不仅节省了硬件资源，还提高了系统的稳定性。

经过系统硬件模块的改进和软件的优化后，再将程序下载到硬件电路，设置初始时间为14:28。上电后LED数码管显示“14：28”，之后开始走时。观察32分钟之后，数码管显示“15：00”，证明电子钟电路系统正常运行。实际实物电路如图4所示。

5　结束语

本文设计的时钟系统，经过查阅大量的资料和反复的调试，到达了日常使用的标准，经过长时间的系统测试，数字时钟系统走时准确，并且硬件成本较小，充分发挥了软件编程的优点。在本次设计中，也学到很多电子产品开发的基本知识和技能，提高了动手能力，也有兴趣可以进一步实现更多功能，；例如下一步要实现遥控调时、校时和显示农历日期、节气等功能。但局限于本人的水平，本系统还有需要改进和提高的地方，例如选用更高级的主芯片系统，增加更多的传感器类型，而且在软件算法上还需要做进一步的优化与改进等。

［1］王守中，聂元铭.51单片机开发入门与典型实例［M］.北京：人民邮电出版社，2009.

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［3］马庆勇，吴中明.基于单片机的多功能时钟控制电路［J］.电子科技，2009，22（3）：56-59.

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鲍春光（1999—），男，山东乳山人，研究方向：电子技术等。

国家自然科学基金资助项目（11273001）。