金士豪

(湖南科技學院 智能制造學院，湖南 永州 425199)

1 背景及意義

單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上[1]。單片機相當于一個微型計算機，與計算機相比，它只缺少了I/O設(shè)備。一塊芯片就構(gòu)成了一臺計算機。單片機的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜，為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件[2]。單片機的使用領(lǐng)域十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通信設(shè)備、導航系統(tǒng)、家用電器等。在各種產(chǎn)品中集成單片機，能夠起到使產(chǎn)品升級換代的作用。人們常在這些產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機等[3]。

電子鐘是一種利用數(shù)字電路顯示時間的計時裝置。石英鐘是一種利用石英振蕩器所產(chǎn)生的振蕩頻率驅(qū)動時鐘的3針顯示秒、分、時的計時裝置。電子鐘與機械時鐘相比，直觀性為其主要特點，因非機械驅(qū)動具有更長的使用壽命，相較石英鐘的石英機芯驅(qū)動，其更具準確性。它的特點可歸結(jié)為“兩強一弱”：電子鐘比機械鐘強在觀看時顯著，比石英鐘強在走時準確，它的弱點是顯時較為單調(diào)。電子鐘更為方便、快捷和實用。由于電子鐘的數(shù)字集成電路構(gòu)成方式，使電子鐘具有走時準確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點。電子鐘也可用于定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制等[4]。

2 設(shè)計方案

本文設(shè)計的數(shù)字電子時鐘系統(tǒng)需要考慮數(shù)碼管的掃描復用方式。采用函數(shù)進行調(diào)用時，注意函數(shù)的參數(shù)應直接設(shè)置為小時、分鐘和秒，此過程還需要設(shè)置一個參數(shù)進行鬧鐘模式的切換。自動顯示功能需要考慮設(shè)置若干個全局變量，使其在定時中斷時不斷被調(diào)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自增。另外，在LCD部分，一定要加上LCD驅(qū)動。系統(tǒng)的具體組成如圖1所示。該數(shù)字電子鐘系統(tǒng)可以分為主控制單元、復位電路、晶振電路、鍵盤電路和顯示電路等。

圖1 系統(tǒng)組成

3 各功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)

本設(shè)計利用KEIL5軟件實現(xiàn)程序設(shè)計。C語言是硬件設(shè)計時常用的編程語言之一。除匯編語言外，最接近硬件的編程語言是C語言。很多操作系統(tǒng)軟件的底層部分和驅(qū)動代碼都是用C語言編寫，由C語言負責將應用層用戶的指令轉(zhuǎn)化為具體的硬件驅(qū)動指令進行驅(qū)動。現(xiàn)在常見的Unix，Linux和Windows操作系統(tǒng)，工業(yè)控制和嵌入式領(lǐng)域常見的RTOS系統(tǒng)都是由標準的C語言開發(fā)而來?，F(xiàn)在手機端火熱的安卓系統(tǒng)也是在封裝Linux內(nèi)核的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對底層硬件的驅(qū)動和控制。

3.1 各功能模塊說明

3.1.1 晶振電路

數(shù)字電路需要各種高頻率開關(guān)信號使計數(shù)器正常計數(shù)，使各種數(shù)字模塊能夠同步，因此，需要一個高頻率電子振蕩電路產(chǎn)生振蕩信號。這個振蕩電路最重要的一個元件就是晶振，它生成的振蕩信號頻率可以達到幾兆甚至十幾兆，再經(jīng)過分頻器或倍頻器，得到各種不同的頻率信號。在某些通信系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，通常通過電子調(diào)頻的方式保持同步。在本文設(shè)計的電子時鐘中，為了讓各個部分保持同步，該電子時鐘共用一個晶振，利用該晶振提供基本的時鐘信號。

3.1.2 復位電路

復位電路等同于電腦的重啟部分。電腦在使用中出現(xiàn)死機，按下重啟按鈕后，電腦內(nèi)的程序從頭開始執(zhí)行。單片機也一樣，單片機系統(tǒng)在運行中受到環(huán)境干擾程序時，按下復位按鈕，內(nèi)部的程序可自動從頭開始執(zhí)行，即把一些寄存器及存儲設(shè)備恢復到出廠時的狀態(tài)。

3.1.3 鍵盤電路

根據(jù)4×4矩陣鍵盤，它是用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每個交叉點上設(shè)置一個按鍵。因此，鍵盤上按鍵的個數(shù)為4×4個。采用此方法設(shè)計的鍵盤電路結(jié)構(gòu)可以大大提高電子時鐘中I/O口的利用率。本文設(shè)計實現(xiàn)了按鍵控制鬧鐘和按鍵設(shè)置時間的功能。

在按鍵內(nèi)部設(shè)置兩個觸點，首先將電路中的一條線路截斷，然后將兩個斷線分別連接到按鍵的兩個觸點上。當按下按鍵或按下按鍵不放，按鍵內(nèi)部的觸點結(jié)合在一起，該條線路導通；再按下按鍵或者松開按鍵，觸點釋放，線路斷開。

3.1.4 顯示電路

采用4位共陰極數(shù)碼管驅(qū)動方式，P2口連接相應的位置，即選擇要顯示的數(shù)碼管位，P0口連接相應的位置，即顯示相應的數(shù)碼管段，從而負責顯示時鐘的時和分。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

電子時鐘的硬件部分主要包括控制芯片、時鐘芯片、按鍵、顯示屏等幾個部分?？刂菩酒?，也就是單片機，可以采用ST/STC/ALTER等8位單片機或者根據(jù)需求采用PCI或更高級的ARM等進行控制以及對時鐘芯片的操作等。時鐘芯片，采用DS12C887，DS1302等時鐘芯片，通過單片機對時鐘芯片進行配置、操作、讀取、設(shè)置等。按鍵，外部按鍵可以對時鐘芯片進行外部設(shè)置，比如設(shè)置初始時間等，按鍵的采集可以用并行、串行、模擬AD采集等方式。如果單片機的I/O口足夠，可采用并行采集；如果I/O口有限，則可采用為不同按鍵分配不同阻值的電阻，掛在同一數(shù)據(jù)線上通過串行AD進行采集，再通過單片機分析采集到的電壓值判斷按鍵。顯示屏可以采用點陣顯示屏或者彩色TFT(8Bit/16Bit/24Bit)模擬/數(shù)字屏，如果只是一般的應用，采用一般的單行或多行點陣顯示屏即可。

本文使用了Produce軟件進行硬件原理圖的仿真設(shè)計。主控電路采用80C51單片機。80C51單片機的內(nèi)振蕩電路是一種高增益逆變放大器。導線xtal1和xtal2分別是逆變器振蕩放大器的輸入、內(nèi)部時鐘工作電路的輸入和逆變器振蕩器的輸出。本文將逆變器放大器配置為片上振蕩器。由電容器進行充電，RST可以在通電后的一段時間內(nèi)保持在高水平，以實現(xiàn)通電復位操作。通電復位是復位電路使用的主要方法。此方法不僅能使單片機復位，還能使單片機的外圍設(shè)備同時復位。程序出現(xiàn)錯誤時，可以隨時使電路復位。鍵盤電路的設(shè)計主要考慮如何實現(xiàn)按下同一個鍵時，可以執(zhí)行不同的功能程序。每個鍵以一對多的方式對應多個功能程序。在按下某個鍵時，該鍵對應的引腳被拉低，系統(tǒng)進行一次掃描，返回鍵值，執(zhí)行當下鍵值對應的功能程序。顯示電路主要是由數(shù)碼管顯示數(shù)字電子鐘的時和分。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

主函數(shù)的流程設(shè)計過程首先進行初始化設(shè)定初值，然后執(zhí)行相關(guān)子程序的調(diào)用。具體流程如圖2所示。

調(diào)用中斷服務子程序，循環(huán)次數(shù)自增，因為定時時長為50 ms，所以循環(huán)次數(shù)為20時，循環(huán)次數(shù)清0，秒自增；秒為60時，分自增，秒清0；分為60時，時自增，分清0；時為24時，時清0，中斷返回。

先確認彈簧消抖是否有鍵按下，接著判斷掃描按鍵，不同的按鍵觸發(fā)不同功能。

其中，控制鬧鐘的核心代碼如下。

void almkozi(){

if((hour1==hour)&&(minit1==minit)&&(second<4)){

speaker=0; //鬧鐘時間到，蜂鳴器響

}

if(minit==0&&second<4){

//整點報時，蜂鳴器響

speaker=0;

}

if(second>4) {//控制蜂鳴器響的時長

speaker=1; //關(guān)閉蜂鳴器

}

}

數(shù)碼管的核心代碼如下。

void show(int){

P0=tc[h/10];

P2=0xCD;

retardation();P2=0xCE; //片選關(guān)

P0=tc[h%10]; //p0口送數(shù)據(jù)，拆數(shù)顯示，時的個位

P2=0xCF; //P2.1

retardation(); P2=0xDC;

P0=tc[m/10]; //p0口送數(shù)據(jù)，拆數(shù)顯示，分的十位

P2=0xDE; //P2.2

retardation();

P2=0xEF;

P0=tc[m%10]; //p0口送數(shù)據(jù)，拆數(shù)顯示，分的個位

P2=0XD9; //P2.3

retardation();

P2=0xEE;

}

4 結(jié)語

本文設(shè)計的電子時鐘，顯示屏清晰，可顯示基本的時、分和秒，還可通過按鍵調(diào)整時間、設(shè)置鬧鐘和提醒。其鬧鐘一天內(nèi)可設(shè)置3次且音量可調(diào)節(jié)。該電子時鐘功能基本齊全，能夠滿足人們生活的基本需求。但因為本次設(shè)計還有部分智能功能未實現(xiàn)，有待在后期設(shè)計和實現(xiàn)中進行擴展。

圖2 程序總體流程