基于51單片機的電子鐘系統設計與仿真

江海職業技術學院機電汽車學院 張麗紅 張國祥

本文圍繞51單片機設計了電子鐘控制系統，利用8位數碼管顯示“時”“分”“秒”，利用DS1302時鐘芯片、DS18B20溫度傳感器等芯片，實現了具有聲光報時、按鍵調時、鬧鐘響鈴、實時測溫的功能。本文電子鐘控制系統設計硬件結構簡單，軟件編程思路清晰明了，通過硬件的調試仿真，達到了設計要求。此電子鐘人機界面簡單、功能全，時間精準、穩定性高、性價比高，易于市場推廣。

電子鐘已是生活中很常見的必需品（https://baike.baidu.com/ite m/%E7%94%B5%E5%AD%90%E9%92%9F/5999091?fr=aladdin），與傳統時鐘相比，具有準確性、直觀性、壽命長等特點。現市場上大部分電子鐘產品都是由計數器、譯碼器等數字電路搭建而成的硬件產品。本文設計了利用廉價的51單片機作為控制器，簡化硬件結構，利用C51編程實現了軟硬件電子鐘產品。

圖1 硬件框圖

1 硬件電路設計

1.1 設計方案

此電子鐘的硬件電路，是基于每年舉行的全國藍橋杯大賽單片機設計與開發項目指定的單片機開發板搭建的電路，即CT107D單片機綜合實訓平臺。此平臺上的單片機是IAP15F2K61S2單片機，此單片機是與51系列的AT89C51單片機兼容的。其電子鐘控制系統硬件框圖如圖1所示，以IAP15F2K61S2單片機為核心控制器，外圍電路包括由共陽極8位數碼管組成的數碼管顯示模塊；由LED指示燈和揚聲器組成的聲光報時模塊；由4個獨立按鍵組成的按鍵控制模塊；由時鐘芯片DS1302和32.768KHz晶振組成的時鐘模塊；由溫度傳感器DS18B20組成的溫度測量模塊。

1.2 電路原理圖

電子鐘控制系統的電路原理圖如圖2所示，8位數碼管的段碼和位碼都接到P0口上，段碼的選通地址是P2=0xE0,位碼的選通地址是P2=0xC0；指示燈LED也由P0口提供信號，其地址是P2=0x80；揚聲器通過三極管接到P1.0口；4個獨立按鍵分別連接在P3.0、P3.1、P3.2、P3.3上；時鐘芯片DS1302的CE引腳接P1.3口，I/O引腳接P2.3口，SCLK引腳接P1.7口；溫度采集芯片DS18B20的數據DQ引腳接P1.4口。本次設計的電子鐘具有時鐘設置、鬧鐘設置、溫度顯示等功能。

2 軟件設計

圖2 電路原理圖

基于51單片機的電子鐘系統軟件程序編制采用的是C語言，遵循模塊化的編程思想（史永哲.計算機編程思想分析[J].陜西師范大學學報(自然科學版),2008,36(S1):179-181），以方便系統的調試、維護和升級，能夠保障程序的穩定性，提高程序的設計效率。編程思路如圖3所示，其中把具有獨立功能的程序段編制成一個函數，如顯示、按鍵讀取、按鍵處理等功能模塊，分別編制了顯示函數、按鍵讀取函數、按鍵處理函數，逐步編寫調試，易于閱讀修改。此程序用了T0和T1兩個定時/計數器，數碼管動態顯示、獨立按鍵的鍵值讀入、溫度的采集都用定時器T0進行定時溢出中斷掃描，數碼管1毫秒動態掃描一次，按鍵10毫秒鍵盤掃描一次，溫度100毫秒讀一次，采用中斷方式以節省CPU的時間，時鐘設置與鬧鐘設置時的0.2秒的閃爍用定時器T1實現，其它時間的定時用軟件實現，讀時鐘DS1302、讀溫度傳感器DS18B20分別用單獨的C文件實現。

3 電子鐘系統調試與仿真結果

3.1 數碼管顯示調試結果

根據電子鐘的控制系統要求，先搭建程序框架，包括初始化、定時計數器的初值設定，主函數、顯示函數等。根據電路圖，采用存儲器編程方式，數碼管的段碼地址是0xC000，位碼地址是0xE000，共陽極數碼管的段碼先存放于數組中，把要顯示的數據也放于全局緩存數組里，這樣顯示函數與其它函數的通信就可通過緩存數組實現，顯示函數就可成為一個獨立模塊。如圖4所示為數碼管顯示程序的調試結果，8位數碼管動態顯示12-00-02。

圖3 主函數流程圖

圖4 數碼管顯示調試結果

3.2 讀DS1302時鐘信號調試結果

DS1302是美國的Dallas公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片（黃明強.DS1302在單片機系統中的應用[J].保定師范專科學校學報,2004(02):30-33）。DS1302的應用比較多，廣泛地應用于各種數字時鐘中（楊陽,李華.基于DS1302芯片的數字時鐘設計[J].無線互聯科技,2017(03):77-78）。本程序根據電子鐘控制系統的要求及硬件電路，編制了讀取時鐘信號的程序，以文件的形式加入控制系統中，DS的驅動代碼可直接在網上查到，只要用它的讀寫函數。初始化的寫函數如下：

讀函數是：Read_Ds1302(0x85)；Read_Ds1302(0x83)；Read_Ds1302(0x82)；

讀DS1302時鐘信號程序調試結果如5所示，按“時”“分”“秒”顯示。

圖5 時鐘信號讀取結果

3.3 讀DS18B20溫度值調試結果

根據DS18B20的溫度寄存器格式（齊婉玉.用DS18B20進行溫度檢測的方法與技巧[A].中國儀器儀表學會.首屆信息獲取與處理學術會議論文集[C].中國儀器儀表學會,2003:2），分兩個字節，高8位和低8位。讀取數據時需放到兩個8位的變量中。實際使用時，需給DS18B20發出指令代碼（吳嘉穎.基于單片機的地鐵低壓設備觸點溫度監測系統的設計與實現[D].西南交通大學,2017），用以確定它的工作狀態，其中分ROM指令和RAM指令，如果跳過ROM，則約定代碼為0xCC；RAM指令中，溫度變換約定代碼是0x44，可啟動DS18B20進行溫度轉換，結果存入內部RAM中，讀RAM約定代碼是0xBE，可讀出RAM中的數據內容。所以讀取溫度數據的代碼如下所示。

然后在主函數里調用rd_temperature()函數，送顯示即可，如：wendu=rd_temperature()；

讀DS18B20溫度值程序調試結果如圖6所示，采集溫度值是室溫實時溫度為15攝氏度。

圖6 讀DS18B20溫度值調試結果

3.4 電子鐘控制系統調試結果

根據電子鐘的控制系統要求，先搭建了程序框架，包括初始化、定時計數器的初值設定，主函數等,然后逐步實現顯示功能、按鍵讀取功能、按鍵處理功能、時鐘讀取功能、溫度采集功能的調試，最終達到電子鐘的控制系統要求，調試結果如圖7所示，左圖是電子鐘的初始狀態，顯示0時、0分、0秒的同時，進行整點的聲光報時，右圖是通過按鍵進行調時。

圖7 基于51單片機的電子鐘調試結果

4 總結

本文設計的基于51單片機的電子鐘控制系統通過2個月的試運行，時間誤差不到20秒，達到設計要求，此控制系統硬件設計結構簡單、成本低，軟件程序設計清晰明了，此電子鐘人機界面簡單，方便鬧鐘時間的調整，功能全，系統準確、穩定性高，易于市場推廣。