葉　青（武漢輕工大學(xué)　電氣與電子工程學(xué)院，武漢　430048）

基于51單片機(jī)的多功能數(shù)字電子鐘的設(shè)計

葉青
（武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430048）

多功能電子時鐘除了具有時鐘的功能外還可以包含對環(huán)境溫度檢測的功能。溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)。在各個行業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，對溫度的測量及控制始終占據(jù)著非常重要的地位。目前，典型的溫度檢測控制系統(tǒng)由模擬式溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路和各種單片機(jī)組成。由于模擬式溫度傳感器輸出的模擬信號必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后才能與單片機(jī)等微處理器接口進(jìn)行讀寫的操作，所以硬件電路會比較復(fù)雜，成本較高。而以DS18B20為代表的新型單線總線數(shù)字式溫度傳感器集溫度測量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，這類傳感器可以直接輸出數(shù)字量，同時與單片機(jī)接口電路結(jié)構(gòu)非常簡單，可以廣泛用于距離遠(yuǎn)、節(jié)點分布多的場合，具有較強(qiáng)推廣應(yīng)用價值。

電子時鐘；單片機(jī)；模擬信號；A/D轉(zhuǎn)換

1　引言

20世紀(jì)末，電子技術(shù)發(fā)展極為迅速，隨之現(xiàn)代電子產(chǎn)品和多種高科產(chǎn)品便在社會多個領(lǐng)域中得以應(yīng)用，這對于社會生產(chǎn)力以及信息化程度的發(fā)展與提高是非常有效的，但產(chǎn)品更新?lián)Q代的頻率也越來越快。隨著科技的發(fā)展社會的進(jìn)步和全球化競爭的日益激烈，對于數(shù)字鐘，人們有著越來越高的要求，人們已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)時鐘。多功能電子鐘在用途已經(jīng)樣式中都出現(xiàn)了極大的變化，大部分電子鐘都已具備電子鬧鐘、電子秒表、溫度檢測等功能。同時單片機(jī)在多功能數(shù)字鐘中的應(yīng)用已是非常普遍的。

我們常常會在日常生活中，以及自動控制系統(tǒng)中碰到需要實時監(jiān)控溫度以及時間的情況。這使得多種功能時鐘得到廣闊的發(fā)展市場。本文便將以單片機(jī)為基礎(chǔ)的對于帶溫度檢測電子時鐘進(jìn)行設(shè)計以及實現(xiàn)的方式進(jìn)行提供。

2　AT89S51單片機(jī)簡介

AT89S51具備的功耗較低，CMOS8位單片機(jī)具備較高性能，片內(nèi)具備4k Bytes ISP（In-system programmable）能夠?qū)lash只讀程序存儲器進(jìn)行1000次的反復(fù)擦鞋，器件選擇的是由ATMEL公司的89C51引腳結(jié)構(gòu)以及兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，其實通過非易失性存儲技術(shù)已經(jīng)高密度制造的，芯片內(nèi)對于ISP Flash存儲單元以及通用8位中央處理器進(jìn)行了集成，微型計算機(jī)AT89S51有著強(qiáng)大功能，能夠?qū)⑿詢r比非常高的解決方案向多數(shù)嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行提供。

AT89S51主要特點如下：具備引腳40個，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）128bytes片內(nèi)程序存儲器4k Bytes Flash，中斷優(yōu)先級5個2層中斷嵌套中斷，看門狗（WDT）電路，外部雙向輸入/輸出（I/O）口有32個，16位可編程定時計數(shù)器2個，片內(nèi)時鐘振蕩器以及全雙工串行通信口2個。

同時，AT89S51在設(shè)計以及配置上對于振蕩頻率可為0Hz，同時能夠借助軟件來對省電模式進(jìn)行設(shè)置。處于空閑模式中，CPU工作暫停，能夠繼續(xù)工作的有外中斷系統(tǒng)、串行口以及RAM定時計數(shù)器，掉電模式對于振蕩器進(jìn)行凍結(jié)，并對RAM數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，對于其他功能，芯片會進(jìn)行停職，知道硬件復(fù)位或者是激活外中斷。此外改芯片有三種封裝形式，一是PLCC，二是PDIP，三是TQFP，以此來對不同產(chǎn)品的需要給以滿足。

其特性主要就是可編程FLASH存儲器為4K字節(jié)，三級程序存儲器能進(jìn)行鎖定保密，MCS-51和8031CPU可兼容，工作是全靜態(tài)的，可編程I/O線有32條，中斷源有6個，內(nèi)部RAM128*8位，片內(nèi)時鐘電路和振蕩器，掉電已經(jīng)閑置模式功耗低，串行通道可編程，定時器/計數(shù)器是兩個16位的。

相較于89C51，89S51的功能主要有一下幾點增加：一是較大的提高了其性能，同時又很多功能增加，但是價格卻比89C51還要低。二是33MHz的工作頻率，89C51只具備24M的極限工作頻率，而S51的工作頻率更高，進(jìn)而對計算速度給以提升。三是ISP在線編程功能，改功能可對單片機(jī)存儲器中的程序給以改寫，卻保證芯片不被在工作環(huán)境中剝離，改功能應(yīng)用方便且非常強(qiáng)大。四是具備電源關(guān)閉標(biāo)識。五是存在雙工UART串行通道。六是具備雙數(shù)據(jù)指示器。七是具備全新加密算法，這邊無法解密89S51，這極大的增強(qiáng)了程序保密性，進(jìn)而使得知識產(chǎn)權(quán)被保密而不會受到侵犯。八是能夠向下對51全部字系列產(chǎn)品進(jìn)行兼容，如89C51等。這就是指全部網(wǎng)絡(luò)教程已經(jīng)教科書中的程序，都能夠正常運行在89S51中，這邊是向下兼容。九是看門狗計時器能夠在內(nèi)部集成，不用再對89C51進(jìn)行外接看門狗計時器單元電路。

3　硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)框架設(shè)計

系統(tǒng)框架如圖1。

3.2模塊設(shè)計

3.2.1單片機(jī)系統(tǒng)電路

AT89S51有40引腳，雙列直插（DIP）封裝，所用引腳功能如下：一是VCC—在運行中+5V。二是XTAL1是振蕩器反相放大器和其內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。三是GND—接地。四是RST-進(jìn)行復(fù)位輸入，進(jìn)行晶振工作時，RST引腳中對于具備2個機(jī)器周期以上的高電平給以作用，促進(jìn)單片機(jī)復(fù)位。該引腳會受到WDT溢出的影響將高電平進(jìn)行輸出，對SFT AUXR的DISRTO位（地址8EH）進(jìn)行設(shè)置則能夠?qū)υ摴δ芙o以關(guān)閉或是打開。DISRTO位缺省是REST輸出高電平打開。五是XTAL2，是振蕩器反相放大器輸出端。六是無自鎖開關(guān)，（S2－P3.7）開關(guān)與相應(yīng)引腳P3.7進(jìn)行連接，按下開關(guān)，引腳是低電平0，在斷開時，引腳具備高電平1。六是P1口，P2口—P1，P2是8位雙向I/O口具備內(nèi)部上拉電阻。運行過程中借助P1口對驅(qū)動電路給以控制，向數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)輸送，對于相應(yīng)段碼給以顯示，為使得功耗減少，并使得功耗減少，并對最大電流給以限制，并將一限流電阻進(jìn)行加入。P2.0—P2.7口對于數(shù)碼管位選給以控制，進(jìn)而讓數(shù)據(jù)被六個數(shù)碼管進(jìn)行輪流顯示，其為0的時候?qū)θ龢O管導(dǎo)通給以位選，為1時對三極管截止進(jìn)行位選。七是EA/VPP，片外程序存儲器對于信號是允許訪問的。如果讓CPU只對于外部程序存儲器進(jìn)行訪問，則EA必須對于低電平進(jìn)行保持，若是EA是高電平，那么CPU會對內(nèi)部程序存儲器的指令給以執(zhí)行。

3.2.2復(fù)位電路

不管是對哪種類型單片機(jī)給以應(yīng)用，其是對單片機(jī)復(fù)位電路的相關(guān)設(shè)計進(jìn)行涉及的，單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計質(zhì)量對于整個系統(tǒng)工作的可靠性有著直接影響。多數(shù)用戶在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的時候，在成功調(diào)試實驗室之后，現(xiàn)場會有“程序走飛”、“死機(jī)”等出現(xiàn)，主要原因就是單片機(jī)不可靠的復(fù)位電路設(shè)計。復(fù)位電路具備的基本功能是，系統(tǒng)進(jìn)行上電時，要對復(fù)位信號進(jìn)行提供，待電源穩(wěn)定之后，對復(fù)位信號進(jìn)行撤銷。為保證可靠性，穩(wěn)定電源之后進(jìn)行復(fù)位信號的撤銷藥經(jīng)過一定時間才可，為使得電源插頭已經(jīng)電源開關(guān)分合過程中的抖動被引起而對復(fù)位進(jìn)行影響。選定單片機(jī)復(fù)位電路參數(shù)的時候藥保證正當(dāng)穩(wěn)定之后具備大于2個機(jī)器周期的高電平持續(xù)時間。主要具備泗忠單片機(jī)復(fù)位電路類型，一是積分型復(fù)位電路；二是看門狗型復(fù)位電路；三是比較器型復(fù)位電路；四是微分型復(fù)位電路。

3.2.3晶振電路

晶振電路設(shè)計如圖2。

XTAL1對反向放大器進(jìn)行輸入，XTAL2進(jìn)行輸出。反相放大器能夠?qū)ζ瑑?nèi)振蕩器進(jìn)行配置。這在陶瓷震蕩已經(jīng)晶振蕩中都可使用。若是對外部時鐘源驅(qū)動器件進(jìn)行使用，則不用連接XTAL1。強(qiáng)有余向內(nèi)部時鐘信號進(jìn)行輸入，藥借助一個二分頻觸發(fā)器來實現(xiàn)，這就使得對外部時鐘信號的脈寬不具備要求，不過藥對于脈沖高低電平的寬度進(jìn)行保證。C1，C2在是電時幫助晶振起振。

3.2.4數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路

數(shù)碼管點亮田：段選和位選，結(jié)合圖3

圖3.3表示的是數(shù)碼管引腳圖，每位段碼線（a，b，c，d，e，f，g，dp）是與1個8位鎖村器的輸出分別連接，通過AT89S51對于0－9十個數(shù)據(jù)給以控制組合，如果其對于1進(jìn)行顯示，則b，c引腳將高電平進(jìn)行輸送，這個時候數(shù)碼管會對1進(jìn)行顯示。因為各位段碼線是并聯(lián)，相較于8 位I/O口輸出段碼，其顯示是相同的。

當(dāng)數(shù)碼管正常工作時必須接上拉電阻，數(shù)碼管點亮一般要5～10mA的電流，po輸出電流不到1mA，同時上拉電阻起到一個限流的作用。

顯示多位LED的是，是為保證電路得以簡化，并對成本進(jìn)行降低，從而對資源進(jìn)行計生，把全部N位段選碼進(jìn)行并聯(lián)，被一片74HC595進(jìn)行控制。因為全部LED段選碼都是74HC595并行來對輸出口給以控制的，所以，所有瞬間，N位LED會對相同字符進(jìn)行顯示。藥對不同字符進(jìn)行顯示，需要選擇掃描方法，也就是所有瞬間都對一位顯示字符進(jìn)行使用。此時74HC595并行出口將相應(yīng)字段符選碼給以輸出，位選對于I/O口進(jìn)行控制，在該顯示位將選通電平進(jìn)行輸送，進(jìn)而使得該位對于相應(yīng)字符進(jìn)行顯示。這樣循環(huán)，保證所有位分時對于應(yīng)顯示字符給以顯示。因為74HC595能夠進(jìn)行鎖存，所以串行輸入段選碼具備一定時間，所以不能夠進(jìn)行延時，進(jìn)而使得視覺暫留效果得以形成。

PNP型三極管集電極同數(shù)碼管公共端進(jìn)行連接，如果P2口所對應(yīng)的引腳將低電平進(jìn)行輸出時，三極管會導(dǎo)通，對應(yīng)數(shù)碼管對于數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。在處于一個時刻時，多位LED中對于字符顯示的只有選通的那1位，其他5位處于滅火的。這個時候僅需要保持下一位位選線保持選通狀態(tài)，其他個位位選線則保持關(guān)閉狀態(tài)，對藥顯示的字符段碼藥在段碼線上進(jìn)行輸出，這個時候?qū)τ谙鄳?yīng)字符僅由選通位進(jìn)行顯示，其他位是保持熄滅的。這樣進(jìn)行循環(huán)，便能夠保證對于要顯示的字符進(jìn)行顯示。這些字符雖然是出現(xiàn)在不同時刻，但是只有一位在同一時刻進(jìn)行顯示，其他位是熄滅的，不過因為存在人眼視覺暫留以及LED余暉的作用，使得每位只要對顯示間隔保證足夠短便可，進(jìn)而便能夠?qū)Χ辔煌瑫r亮的假象出現(xiàn)，進(jìn)而使得同時顯示被實現(xiàn)。

3.2.5定時報時電路設(shè)計

該電路使用的發(fā)聲報時聲源是無源蜂鳴器，對于P1.3口延時翻轉(zhuǎn)電平會有驅(qū)動波形產(chǎn)生，以此來驅(qū)動蜂鳴器。借助于對延時時間進(jìn)行改變來對方波占功比進(jìn)行改變，從而獲取對蜂鳴器進(jìn)行驅(qū)動的方波信號。這便使得蜂鳴器進(jìn)行報時的時候，不會存在不同音調(diào)的報時聲。

4　軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1主程序流程圖（圖4）

4.2系統(tǒng)設(shè)計的源程序

包括主程序、中斷子程序、顯示子程序、判斷按鍵和調(diào)時設(shè)置程序、等待按鍵抬起程序、報時子程序、延時子程序.

用單片機(jī)AT89C51設(shè)計一個多功能電子時鐘能實現(xiàn)時分秒顯示，能定時報時，還有調(diào)整時間的功能。單片機(jī)AT89C51的P0口接數(shù)碼管的7段，P2口接數(shù)碼管的位選。P3.0-P3.4接按鍵，P1.3接蜂鳴，數(shù)碼管是一個八位一體共陰的，時間初始值00：00：00

#include//包含51單片機(jī)寄存器定義的頭文件

unsigned char Tab［］=｛0x3F，0x06，0x5B，0x4F，0x66，0x6D，0x7D，0x07，0x7F，0x6F，｝；//段碼共陰

unsigned char port［8］=｛0xfe，0xfd，0xfb，0xf7，0xef，0xdf，0xbf，0x7f｝；

unsigned char int_time ；//中斷次數(shù)計數(shù)變量

unsigned char second；//秒計數(shù)變量

unsigned char minute；//分鐘計數(shù)變量

unsigned char hour；//小時計數(shù)變量

unsigned char second0；//秒計數(shù)變量

unsigned char minute0；//分鐘計數(shù)變量

unsigned char hour0；

unsigned char fl ag ；

sbit k0=P3^0；

sbit k1=P3^1；

sbit k2=P3^2；

sbit k3=P3^3；

sbit k4=P3^4；

sbit ring=P1^3；

｝

5　總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，多功能電子鐘在性能、樣式、用途上都發(fā)生著重大的變化，許多電子鐘都已具備電子鬧鐘、電子秒表、溫度檢測等功能。同時單片機(jī)在多功能數(shù)字鐘中的應(yīng)用已是非常普遍的。AT89S51功耗較低，具備CMOS8位單擊片的性能較高，其片內(nèi)具備4k Bytes ISP（In-system programmable）能夠進(jìn)行1000次的反復(fù)擦寫Flash只讀程序存儲器，在多數(shù)嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中，AT89S51能夠?qū)⑿詢r比較高的解決方案進(jìn)行提供。本文中將以單片機(jī)為基礎(chǔ)的對帶溫度檢測的電子時鐘的相關(guān)設(shè)計以及實現(xiàn)進(jìn)行完成。其借助于C語言通過AT89S51單片機(jī)來實現(xiàn)編程的，其對于設(shè)計要求進(jìn)行了滿足，因為收到設(shè)計者知識水平的限制，對于該設(shè)計是能夠繼續(xù)完善和優(yōu)化的，進(jìn)而對于“智能”時鐘在根本上實現(xiàn)。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.139