基于電子科學(xué)與技術(shù)的數(shù)字電子鐘的研究

劉圓圓 趙磊 張澤楠

【摘 ?要】隨著社會科技發(fā)展，社會我們已經(jīng)邁入了科技智能化時代。電子科學(xué)與技術(shù)與大眾生活關(guān)系密切，開始融入到社會工作、生活中的方方面面，不僅豐富了人們的日常生活也提升了工作效率，有力的推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高。

【關(guān)鍵詞】電子科學(xué)與技術(shù);數(shù)字電子鐘;單片機

引言

本文主要探討電子時鐘與單片機的工作機理，以數(shù)碼管為顯示器的數(shù)字電子鐘表現(xiàn)出了更大的優(yōu)勢，采用LED數(shù)碼管顯示時、分、秒。單片機在智能儀器、電子科學(xué)與技術(shù)方面的應(yīng)用十分廣泛，它集成度高、體積小、具有較強的控制功能與較高的靈活性。

1.數(shù)字電子鐘的工作原理

一個基本的數(shù)字電子鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”、“分”、“秒”計數(shù)器、校時電路、報時電路和振蕩器組成。主電路系統(tǒng)由秒信號發(fā)生器、時、分、秒計數(shù)器、譯碼器及顯示器、校時電路、整點報時電路組成。秒信號產(chǎn)生器是整個系統(tǒng)的時基信號，通常用石英晶體振蕩器加分頻器來實現(xiàn)其功能。

將標準秒信號送入“秒計數(shù)器”，“秒計數(shù)器”采用60進制計數(shù)器，每累計60秒發(fā)出一個“分脈沖”信號，該信號就作為“分計數(shù)器”的時鐘脈沖。“分計數(shù)器”每累計60分鐘，就會發(fā)出一個“時脈沖”信號，該信號將被送到“時計數(shù)器”。“時計數(shù)器”采用24進制，譯碼顯示電路將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出狀態(tài)用七段顯示譯碼器譯碼，通過七段顯示器顯示出來，方便人們計時使用。

下圖為其工作電路圖。

2.單片機

2.1單片機的組成

單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整的微型計算機系統(tǒng)。具體來說就是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（有時還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)。

單片機就是一個微型電腦，它是靠程序工作的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能。單片機的功能部分由CPU、內(nèi)存、外圍功能等部分組成。將單片機比作人的話，CPU則是負責思考的大腦，內(nèi)存是用來接收和記憶指令的，外圍功能相當于視覺的感官系統(tǒng)。但是CPU并不能像人的大腦一樣有意識、自發(fā)的思考，只能依次讀取并執(zhí)行事先儲存在內(nèi)存中的指令，再將依次讀取的指令完成。

CPU讀取指令時需要知道要執(zhí)行的指令保存在內(nèi)存的什么位置，即地址，程序計數(shù)器（PC）就是存儲地址的寄存器。通常，它是按1遞增設(shè)計的，當CPU執(zhí)行了0000地址中的指令后，PC會自動加1變?yōu)?001地址，依次遞增，也就是說，PC決定了程序執(zhí)行的順序，也就是讀取指令的順序。

指令讀取完畢，又會有多種電路配合完成操作。指令解碼電路是解讀從內(nèi)存中讀取的指令的含義，運算電路是根據(jù)讀取結(jié)果操作的，電路結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，進一步來說，指令解碼電路的工作原理就是從被符號化的指令中還原指令。運算電路也稱為ALU，是完成運算的電路。能進行加法、乘法等算術(shù)運算、也能進行AND、OR、BIT-SHIFT等邏輯運算。運算是在指令解碼電路的控制下進行的，其運算電路比較復(fù)雜，需要更多指令的配合。

CPU內(nèi)部寄存器是臨時儲存信息的場所。有存儲運算值和運算結(jié)果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器。運算電路進行運算時，并不是在內(nèi)存中直接運算的，而是將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀取到通用寄存器，在通用寄存器中進行運算的。下面我們通過一個具體的例子（3+4）來說明演示CPU的操作過程。

3.使用單片機的優(yōu)點

為什么很多電器設(shè)備都要使用單片機呢？下面用一個點亮LED的電路為例。

不使用單片機的電路是一個由LED，開關(guān)和電阻構(gòu)成的簡單電路。如果希望LED在按下開關(guān)后，經(jīng)過一段時間再點亮或熄滅，只需更改單片機中的程序就可以了，并不需更改原電路。但是對于沒有單片機的電路來說，就必須在元電路中加入定時器IC，或者用IC和FPGA構(gòu)成邏輯電路才能實現(xiàn)這個功能。也就是說，在更改和添加新功能時，帶有單片機的電路顯然更加容易實現(xiàn)。這正是電器設(shè)備使用單片機的原因，單片機使得電路的功能更加完善。

4.單片機的用途

（1）智能儀器

單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、角度、元素、壓力等物理量的測量。

（2）工業(yè)控制

用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)。

（3）網(wǎng)絡(luò)和通信

現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制。

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作者簡介：

劉圓圓，性別：女，出生年月：1998年4月17日，民族：漢，籍貫：河北省衡水市故城縣，學(xué)歷：大學(xué)本科，學(xué)校：華北理工大學(xué)，郵編：063210，專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)，

（作者單位：華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院）