高鵬飛

（山東省泰安市第一中學，271000）

單片機電子時鐘設計研究

高鵬飛

（山東省泰安市第一中學，271000）

本文通過對我國常用單機片中最具有代表性的51單機片進行設計應用，使用AT89S51芯片作為產品核心來設計一臺LED電子時鐘。單片機的優(yōu)勢在于，體積較小，重量較輕，可以將其放置到一些體積小、相對精密的電子儀器當中。而且單片機穩(wěn)定性較高，適應性強，價格相對其他類似產品更加便宜，所以是非常值得推廣應用的。本文以單片機為核心提出了電子時鐘的設計方案，以期向讀者展示該設計的可行性，以及為制作者提供相關資料支持。

單片機；電子時鐘；LED；調試

在日常生活中，時鐘是一樣非常重要的事物，它的存在關乎人們所有作息安排。每天人們都會無數(shù)次的觀看時間，無論是家里、公司、學校、甚至是在街上，到處都可以看到時鐘的蹤跡。隨著信息時代的到來，人們的生活節(jié)奏不斷加快，人們對于時間的安排更為重視，所以一臺精密的時鐘對于人們日常的生活、學習、工作具有非常重要的作用。另外，隨著電子化信息時代的推進，傳統(tǒng)的機械時鐘已經開始逐漸被電子時鐘所取代。相比于傳統(tǒng)的機械時鐘，現(xiàn)代電子時鐘具有精度高、造價低、體積可以非常小等眾多優(yōu)勢。所以說，電子時鐘的產生是符合當前時代需求的，是當前時代信息化、電子化的時代產物。

圖一 電子時鐘電路框圖

本文主要通過對單片機的認識研究，以AT89S51單片機作為核心，以C語音對時鐘程序進行編程，進而設計一臺可以精準顯示時間和調整時間的LED電子時鐘。該時鐘應具備以下功能：日期的顯示，具體準確到日；時間的顯示，具體準確到秒；準點報時功能；時間調整功能；LED顯示功能；語音提升功能；鬧鐘功能。

1 時鐘電路設計

1.1 時鐘的整體硬件分析

根據(jù)本文所要設計的電子時鐘功能來說，本電子時鐘主要包含的電路有單片機電路系統(tǒng)、DS1302芯片電路系統(tǒng)、溫度傳感器DS18B20電路系統(tǒng)、顯示電路系統(tǒng)、鬧鐘電路系統(tǒng)、電源電路系統(tǒng)等主要電路模塊。該電子時鐘的電路圖詳見圖一。

本電子時鐘的核心采用AT89S51單機片；外部時鐘芯片采用DS1302時鐘芯片，通過I/O單機片端口與單機片相連接；溫度傳感器則采用DS18B20溫度傳感器。輸入電路、時間和日期的采集、溫度挑戰(zhàn)和自動時間日期調整的相關數(shù)據(jù)信息通過單機片進行轉化和處理，然后通過LED數(shù)碼管再將這些數(shù)據(jù)顯示出來。鬧鐘則通過蜂鳴器電路進行數(shù)據(jù)傳輸，開啟警報系統(tǒng)。本時鐘主要采用5V的直流電作為電源供電，其中，DS1302時鐘芯片則采用3V的直流電作為該芯片的輔助后備電源。

1.2 時鐘整體控制電路的設計

通常來說，傳統(tǒng)的電子時鐘設計方案是使用數(shù)字控制電路來實現(xiàn)電子時鐘的各項基本功能的。但是這種設計不能很好的實現(xiàn)溫度控制，容易產生內部線路由于溫度過高所導致的電路毀損現(xiàn)象。本文的設計方案主要使用的是單片機作為時鐘的控制核心，電路相對簡單，電源設計比較完善，而且穩(wěn)定性很高。同時，經過程序的編寫，可以使單片機實現(xiàn)智能化的時鐘控制效果，能夠使LED電子時鐘的功能更加完善。

1.3 單片機的電路設計

AT89S51型號的單片機作為一種常用的單片機，它實現(xiàn)了ISP功能的下載，相對于其他單片機來說，AT89S51單片機實現(xiàn)了低能耗和高性能為一體的特點。它具有32個可以進行編程的I/O口，128X8位的內部RAM，4KB的片內程序儲存器，五個中斷源，2個定時器和計數(shù)器，片內震蕩系統(tǒng)。另外，它支持1000次擦寫循環(huán)，引腳DIP封裝達到了40，能夠與MCS-51系列的單片機相關引腳系統(tǒng)和指令系統(tǒng)完美的兼容。

1.4 顯示器電路設計

本文主要使用數(shù)碼管動態(tài)顯示電路設計，所謂LED數(shù)碼管，是指由多個發(fā)光二極管（一般是紅色）組成的發(fā)光器件。而動態(tài)顯示是指一位位地輪流將各個發(fā)光點位依次點亮，點亮速度要相對較快，能夠使人體的視覺觀察下字符不發(fā)生閃爍。顯示的亮度通過電路的導通電流和數(shù)碼管的點亮頻率來控制，動態(tài)顯示的設計可以降低能耗。

1.5 時間顯示電路的控制

通過AT89S51單機片的外部晶振和C語音的軟件程序的編寫，可以實現(xiàn)時鐘的計時程序的穩(wěn)定準確，但是因為要進行精準的計時，精確到秒，所以考慮到系統(tǒng)的動態(tài)調試量，所以在時鐘內加入一塊兒DS1302外部時鐘芯片，可以實現(xiàn)對日期和時間的精準調試，此外，還具備日期的閏年和每月天數(shù)的自動調試等功能。時鐘的時間顯示可以通過手動調整選取12小時計時或者24小時計時。DS1302芯片的使用并不會影響到單片機的工作，還可以與單片機之間通過同步線路串行的方式來實現(xiàn)信息聯(lián)通，使時鐘的時間顯示更加精準。DS1302芯片和單片機的同步線路串行需要設置三個口線的數(shù)據(jù)讀寫，分別是串行時鐘口線（SCLK）、復位口線（RES）、數(shù)據(jù)線口線（I/O）。

1.6 環(huán)境溫度電路

環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)采集工作主要由本電子時鐘內置的DS18B20溫度傳感器進行，它具有價格低、體積小、穩(wěn)定性高等特點，可以監(jiān)測周圍-55度到+125度的環(huán)境溫度。關于DS18B20的電路設計，主要是通過上拉電阻將DS18B20溫度傳感器的2腳和單片機的P3.3相連，1腳接通電源地，3腳接通+5V，上拉電阻為4.7K。

1.7 鬧鐘電路

鬧鐘系統(tǒng)主要是通過P2腳和單片機來控制，方法是，將R7和PNP型的三極管相連接，當鬧鐘所設定的時間與當前的時間相同時，P2腳則輸出低電平，連通三極管，蜂鳴器就會發(fā)出鬧鐘聲了。

2 系統(tǒng)設計

2.1 主程序總體說明和設計圖

本文通過使用AT89S51單片機為核心所設計的LED電子時鐘主要由LED數(shù)碼管作為顯示秒鐘個位、秒鐘十位、分鐘個位、分鐘十位、小時個位、小時十位。六個位數(shù)主要由六個PNP數(shù)碼管器件控制，預留一個鍵位以用來做時間調整。詳見圖二。

圖二 顯示設計框圖

電子時鐘通電后，系統(tǒng)的初始時間定為2015年5月1日0時0分0秒。在LED數(shù)碼管上的顯示為“00:00:00”，在同一時刻開始計時。接通電源后，單片機的主要工作為循環(huán)調用顯示程序和按鍵程序，如果按下時間調試按鈕，則調用顯示相關的日期、時間、溫度等功能處理程序，并在LED數(shù)碼管處進行實時的顯示。

2.2 顯示模塊子程序設計

該電子時鐘的設計主要采用5V直流電的導入為時鐘的單片機工作和相關位選電路提供電源支持。詳見圖三。位選電路主要包括有點解電容、瓷片電容、電路二極管、按鍵S1、電阻器構成，按鍵S1與芯片的引腳RST相接，當按下按鍵開關后，芯片的引腳RST為1高電平，斷開電路后，芯片的引腳RST為0低電平。

數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示原理為，通過三極管的集電極鏈接數(shù)碼管的接口公共端，以P2口的引腳輸出1高電平，接通三極管。按照這種原理，在同一個時刻中，六個LED數(shù)碼管器件會有一個處于接通顯示字符狀態(tài)，其他五個器件處于熄滅狀態(tài)。在下一個時刻，下一個LED數(shù)碼管器件處于接通狀態(tài)，其他五個器件處于熄滅狀態(tài)，以此類推。

圖三 電源設計

在編寫顯示模塊的子程序時，需要提前編寫好索要顯示的數(shù)據(jù)二進制數(shù)碼，并將其按照順序輸入芯片中。主要包括日期、時間、溫度這三塊內容，這三塊又分為實時值與調整值兩類。

2.3 時鐘日歷子程序

主要是為了對DS1302芯片實現(xiàn)日期和時間的讀寫功能，首先，要對其進行初始化操作，將日期和時間的初始值寫入，然后通過對單片機采用串行的方式將DS1302芯片的數(shù)據(jù)讀取出來并且輸送到顯示屏上。同時需要以定時中斷的方式制造串行脈沖，在串行的過程中，中斷功能會關閉，

2.4 環(huán)境溫度采集子程序

DS18B20屬于單線器件，完整的數(shù)據(jù)傳輸必須要由嚴格的時序來控制，但是AT89S51并不支持單線程的傳輸，所以，需要用軟件寫入程序來模擬單線的時序協(xié)議。

2.5 鬧鐘的子程序

鬧鐘的設計是根據(jù)鬧鐘所設定的時間和當前時間如果數(shù)值一致，那么就接通鬧鐘線路，開啟鬧鐘子程序，蜂鳴器初始設定響鈴時間為1分鐘，在鬧鐘響鈴過程中，如果按下貪睡按鈕，那么就暫時關閉鬧鐘，并且將鬧鐘的數(shù)值向上增加五分鐘，當鬧鐘所設定的時間再次與當前時間一致時，再次接通鬧鐘線路，開啟鬧鐘子程序。當響鈴結束以后，自動返回到主程序。

3 設計總結

3.1 功能介紹

主要功能包括：日期顯示、時間顯示、日期調整、時間調整、整點報時、環(huán)境溫度監(jiān)測、鬧鐘功能。

3.2 電子時鐘的調試

主要包括硬件功能調試與軟件功能調試兩個部分，其中，硬件調試的項目有：單機片系統(tǒng)調試、顯示電路調試、時鐘電源線路調試、按鍵電路調試等。軟件調試的項目有：時鐘日期時間的子程序實時調試、環(huán)境溫度監(jiān)測子程序調試、鬧鐘子程序調試等。

4 結束語

本文以單片機為核心，進行了單片機電子時鐘的相關研究設計，顯示方式主要采用的是LED數(shù)碼管的靜態(tài)顯示方式。但是這種顯示方式還是具有一定的局限性，只能夠顯示數(shù)字，另外，本設計由于只重視功能，導致設計品的體積不夠精簡。所以綜合考慮可以將數(shù)碼管顯示換位液晶顯示，以及簡化相關功能。本設計基于對于單片機的認識和綜合利用，深化了對于電氣相關設備的研究，對于電子時鐘的設計以及相關研究都提供了參考。

[1]呂友懿,許建明,陳炯明.基于單片機的電子時鐘設計[J].電子世界,2016,09:31.

[2]王紅.基于51單片機的多功能電子時鐘時間校對功能的設計[J].商,2016,22:233.

[3]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,2016,06:90-92.

[4]胡彪,田亞菲.基于MSP430F149單片機的多功能電子時鐘設計[J].數(shù)字技術與應用,2015,05:180+197.

Research on electronic clock design of single chip microcomputer

Gao Pengfei
(Shandong Taian No.1 Senior High School,271000)

This article through to the commonly used single machine in the most representative of 51 single chip to design the application,Use AT89S51 chip as the core to design a product LED electronic clock. Single chip microcomputer advantage,Smaller volume,lighter weight,It can be placed in some small,relatively sophisticated electronic instruments.And single chip microcomputer high stability,strong adaptability,the price is cheaper than other similar products,so it is very worthy of popularization and application.Based on the single chip microcomputer as the core put forward the design scheme of electronic clock,in order to demonstrate the feasibility of the design to the readers,and provide related information support for the producers.

single chip microcomputer;electronic clock;LED;debugging