引言：單片機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品、各類儀器儀表、家用電器及各種物理量的前端模塊之中，時(shí)鐘電路是保證電子時(shí)鐘系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。本文首先介紹了電子時(shí)鐘的運(yùn)行狀態(tài)和調(diào)整狀態(tài)功能，設(shè)計(jì)了電子時(shí)鐘的計(jì)時(shí)方案，然后概述了電子時(shí)鐘的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最后概況了電子時(shí)鐘的鍵盤設(shè)計(jì)。

前言

目前，單片機(jī)在各種領(lǐng)域都得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，尤其是在智能儀表中的應(yīng)用更是家常便飯，即引起了單片機(jī)的產(chǎn)品變革，又在很大程度上促進(jìn)了設(shè)計(jì)理念的革新。智能儀表是智能系統(tǒng)的重要組成部分之一，其正常工作的關(guān)鍵在于單片機(jī)的設(shè)計(jì)。如今，設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)逐漸成為電子設(shè)計(jì)專家和設(shè)計(jì)愛好者的關(guān)注焦點(diǎn)。

一、電子時(shí)鐘的功能

在設(shè)計(jì)電子時(shí)鐘時(shí)，對電子時(shí)鐘功能的最基本要求是電子時(shí)鐘必須具備運(yùn)行和調(diào)整兩種狀態(tài)：第一，運(yùn)行狀態(tài)。在此種狀態(tài)下，需要設(shè)計(jì)K1、K2兩個(gè)有效按鍵，在按下K1鍵時(shí)，電子時(shí)鐘可以進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)；第二，調(diào)整狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，需要設(shè)計(jì)K3、K4兩個(gè)有效按鍵，當(dāng)按K1鍵進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)后按下K3鍵能夠?qū)﹄娮訒r(shí)鐘的數(shù)字位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，按下K4將會(huì)調(diào)節(jié)鬧鐘開關(guān)并分別對時(shí)分秒數(shù)字加一，繼續(xù)按K3則離開調(diào)節(jié)狀態(tài)而進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

1.1電子時(shí)鐘的計(jì)時(shí)方案

通過計(jì)數(shù)器中斷定時(shí)或AT89C51單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)，合理結(jié)合軟件延時(shí)來對時(shí)分秒進(jìn)行計(jì)時(shí)。這種電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)方案能夠節(jié)省硬件成本，還能通過定時(shí)提醒讀者需要做的重要事情。其設(shè)計(jì)思路不僅可以刺激計(jì)數(shù)器在程序設(shè)計(jì)、使用及中斷等方面的提高，還能加深對單片機(jī)指令系統(tǒng)的掌握，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)技術(shù)的使用和推廣。雖然單片機(jī)相比現(xiàn)在的嵌入式等會(huì)略遜一籌，但其目前還是應(yīng)用最廣泛的設(shè)計(jì)芯片。

1.2電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)原理

電子時(shí)鐘的主要構(gòu)成部件是譯碼顯示器、校時(shí)電路、時(shí)分秒計(jì)數(shù)器、報(bào)時(shí)電路與振蕩器，主電路系統(tǒng)包括時(shí)分秒計(jì)數(shù)器、校時(shí)電路、顯示器、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路、譯碼器和秒信號發(fā)生器。其中，秒信號發(fā)生器作為整個(gè)系統(tǒng)時(shí)基信號，可以直接決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)精確度，通常借助分頻器和石英晶體振蕩器的相互作用來完成。把標(biāo)準(zhǔn)秒信號輸入60進(jìn)制的“秒計(jì)數(shù)器”，因而每相隔60秒就會(huì)發(fā)出“分脈沖”信號，這個(gè)信號即為“分計(jì)數(shù)器”時(shí)鐘脈沖?！皶r(shí)計(jì)數(shù)器”應(yīng)該采用24進(jìn)制的計(jì)時(shí)器，這樣就能進(jìn)行每天24小時(shí)的計(jì)時(shí)。電子時(shí)鐘通常由1601液晶、89C52組成，其驅(qū)動(dòng)電路為晶振電路。電路中的唯一控制鍵K1具有中斷電路的功能，按下K1鍵后再按設(shè)置鍵K3能夠?qū)r(shí)分秒、鬧鐘開關(guān)和時(shí)分秒位置進(jìn)行設(shè)定，繼續(xù)按調(diào)節(jié)鍵K4可以對時(shí)分秒、鬧鐘開關(guān)、鬧鐘設(shè)定的時(shí)分秒進(jìn)行加一調(diào)節(jié)[1]。

二、電子時(shí)鐘的硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1電子時(shí)鐘的硬件設(shè)計(jì)

電子時(shí)鐘的核心部分采用51系列單片機(jī)，硬件電路包括按鍵電路、AT89C51單片機(jī)、LED顯示電路、音樂報(bào)時(shí)電路。其中，按鍵電路能夠通過按鍵來切換電子秒表功能和電子時(shí)鐘，設(shè)定電子時(shí)鐘的時(shí)間對時(shí)、顯示內(nèi)容、鬧鐘定時(shí)功能，控制電子秒表計(jì)時(shí)、暫停、繼續(xù)計(jì)時(shí)、清零功能。AT89C51單片機(jī)片中置有存儲(chǔ)器為4K的E2PROM程序，不需要對程序存儲(chǔ)器進(jìn)行外擴(kuò)，在單片機(jī)外側(cè)接入上電復(fù)位電路和12MHz晶振電路。LED顯示電路選擇紅色共陽極數(shù)碼管，通過動(dòng)態(tài)掃描方式顯示數(shù)據(jù)，在段選控制處接限流電阻，在位選控制處利用三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過1m/s定時(shí)中斷服務(wù)程序動(dòng)態(tài)掃描顯示各個(gè)部位。電子時(shí)鐘的功能時(shí)顯示按照位次依次顯示星期、小時(shí)、分鐘、秒、十分之一秒、百分之一秒，并且可以通過控制按鍵切換年月日顯示[2]。音樂報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)需要選取兩個(gè)不同的HL9300E音樂集成片，便于分別進(jìn)行定時(shí)音樂報(bào)時(shí)和整點(diǎn)音樂報(bào)時(shí)。定時(shí)音樂報(bào)時(shí)和整點(diǎn)音樂報(bào)時(shí)需要接入不同的觸發(fā)控制端，二者互相切換，進(jìn)而避免兩個(gè)音樂集成芯片同步放樂的干擾。在GND與5V電源的AT89C51之間設(shè)計(jì)加入470uF的電解電容，可在其旁邊多并聯(lián)接幾個(gè)小的瓷片電容，可改善音質(zhì)。音樂集成片輸出端接揚(yáng)聲器或蜂鳴器，這樣可以有效防止因繼電器觸點(diǎn)吸合而造成的系統(tǒng)復(fù)位，從而使由按鍵清除鬧鐘定時(shí)時(shí)間的報(bào)時(shí)音樂聲。

2.2電子時(shí)鐘的軟件設(shè)計(jì)

把AT89C51內(nèi)部定時(shí)和計(jì)數(shù)器設(shè)置為定時(shí)器工作模式是電子秒表和電子時(shí)鐘的計(jì)時(shí)基準(zhǔn).時(shí)針定時(shí)器的中斷信號為10m/s，即每經(jīng)過100次中斷，時(shí)鐘秒位加一，秒位經(jīng)60次加一后向時(shí)位進(jìn)位，當(dāng)時(shí)間為23時(shí)59分59秒時(shí)，秒位再加一后變?yōu)?0時(shí)00分00秒。當(dāng)按鍵切換為電子秒表功能時(shí)，秒針定時(shí)器每產(chǎn)生一次中斷，十毫秒單元加一，其經(jīng)過10次加一后，百毫秒單元加一，依次進(jìn)位可實(shí)現(xiàn)最長為9小時(shí)59分59秒999毫秒的秒表計(jì)時(shí)，可達(dá)到分辯10m/s的計(jì)時(shí)精度。

通過K1～K4按鍵可對時(shí)鐘加以對時(shí)，當(dāng)?shù)谝淮伟聪翶1鍵時(shí)，顯示數(shù)碼管第一位閃爍，繼續(xù)按鍵時(shí)，下一位閃爍。當(dāng)某一位閃爍時(shí)，按下K2按鍵能夠使閃爍位加一。在正常時(shí)鐘顯示方式下，按下K2鍵可以轉(zhuǎn)換年、月、日的顯示。按下K3鍵能夠進(jìn)入秒表狀態(tài)，按下K4鍵能夠顯示鬧鐘定時(shí)時(shí)間[3]。

三、電子時(shí)鐘的鍵盤設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用單鍵盤的方式設(shè)計(jì)，功能較為完備，既能減少對硬盤資源的損耗，又能調(diào)節(jié)和控制時(shí)分秒，使其轉(zhuǎn)換為省電模式。在按鍵又松開后通過屏蔽數(shù)碼管顯示功能達(dá)到省電目的；在按鍵不松開時(shí)能夠累加時(shí)分秒數(shù)字，按鍵一次累加一分鐘；在連續(xù)按鍵兩次時(shí)，能夠調(diào)節(jié)時(shí)針，同樣是累加一次為一小時(shí)，在達(dá)到時(shí)間調(diào)節(jié)目的后，延緩一段時(shí)間來判斷并確保按下此鍵，然后對鍵值和處理程序進(jìn)行保存。

總結(jié)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的電子時(shí)鐘具有功能齊全、性價(jià)比高、電路簡單、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，只要接入單電源即可供電，方便于在辦公室和家庭等場所使用。簡單的時(shí)鐘設(shè)計(jì)對增強(qiáng)電子專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手能力及獨(dú)立設(shè)計(jì)思考能力都會(huì)有很大的提高，本片的設(shè)計(jì)思想可作為市場產(chǎn)品加以推廣也可作為電子專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)電子時(shí)鐘的參考，希望本文對讀者有些許幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]王丹丹，鄭寬磊.一種新的基于層次化模式實(shí)現(xiàn)的SOC時(shí)鐘設(shè)計(jì)方法[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，11（04）：89-93.

[2]陳媛媛.基于無線網(wǎng)絡(luò)的GPS時(shí)鐘同步與信息發(fā)布系統(tǒng)[J].科學(xué)中國人，2014，08（23）：2.

[3]牛國鋒，朱苗苗.基于瑞薩微控制器的LED電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，02（18）：120-124.

（作者單位：西北師范大學(xué)）

作者簡介

盧學(xué)燕（1991.5～），女，甘肅省臨夏回族自治州，西北師范大學(xué)，2011級本科生，研究方向：電子信息工程。