基于51單片機(jī)的時(shí)鐘跑表設(shè)計(jì)方案

一、引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)以其高效、靈活、可靠的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電子控制系統(tǒng)中。時(shí)鐘跑表作為一種計(jì)時(shí)工具，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如體育比賽計(jì)時(shí)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)等。本設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為核心，結(jié)合實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片和數(shù)碼管顯示模塊，設(shè)計(jì)了一款功能豐富的時(shí)鐘跑表，能夠顯示年、月、日、時(shí)、分、秒，并具有倒計(jì)時(shí)功能。

二、主控芯片型號(hào)及其作用

1. 主控芯片型號(hào)

本設(shè)計(jì)采用的主控芯片是STC89C52單片機(jī)。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有40個(gè)引腳，內(nèi)置8K字節(jié)Flash可重復(fù)編程存儲(chǔ)器。STC89C52單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：

• 高性能：采用CMOS工藝，功耗低，速度快。

• 可編程：內(nèi)置Flash存儲(chǔ)器，支持ISP（在系統(tǒng)編程）和IAP（在應(yīng)用編程）。

• 豐富的資源：具有32個(gè)I/O口，2個(gè)外部中斷，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工串行通信口。

• 可靠性高：抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境。

2. 主控芯片在設(shè)計(jì)中的作用

STC89C52單片機(jī)在本設(shè)計(jì)中作為核心控制器，負(fù)責(zé)接收和處理各種輸入信號(hào)，控制整個(gè)時(shí)鐘跑表的運(yùn)行。具體作用如下：

• 時(shí)鐘控制：通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的初始化和控制，獲取準(zhǔn)確的時(shí)間信息。

• 顯示控制：控制數(shù)碼管顯示模塊，實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息的直觀顯示。

• 按鍵處理：接收按鍵輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間設(shè)置、倒計(jì)時(shí)設(shè)置等功能。

• 中斷處理：利用中斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于51單片機(jī)的時(shí)鐘跑表主要由以下幾個(gè)模塊組成：

• 單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊：以STC89C52單片機(jī)為核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

• 時(shí)鐘模塊：采用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息。

• 顯示模塊：采用數(shù)碼管顯示模塊，實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息的直觀顯示。

• 按鍵控制模塊：采用獨(dú)立式按鍵，實(shí)現(xiàn)時(shí)間設(shè)置、倒計(jì)時(shí)設(shè)置等功能。

• 電源模塊：為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

2. 各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊

STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器，通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的初始化和控制。單片機(jī)采用12MHz的晶振，提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。復(fù)位電路采用上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式，確保單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)能夠處于確定的初始狀態(tài)。

2.2 時(shí)鐘模塊

DS1302是一款高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有能計(jì)算2100年之前的秒、分、時(shí)、日、周、月、年的能力。它采用SPI三線接口與單片機(jī)通信，僅需三根通信線：復(fù)位（RES）、I/O數(shù)據(jù)線、串行時(shí)鐘（SCLK）。DS1302內(nèi)部自帶鋰電池，能夠在單片機(jī)掉電后保持時(shí)間信息長(zhǎng)達(dá)十年之久。

單片機(jī)通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)DS1302的初始化和控制，獲取準(zhǔn)確的時(shí)間信息。時(shí)間信息通過數(shù)碼管顯示模塊進(jìn)行直觀顯示，用戶可以隨時(shí)查看當(dāng)前時(shí)間。系統(tǒng)還支持時(shí)間校準(zhǔn)等功能，方便用戶對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

2.3 顯示模塊

顯示模塊采用數(shù)碼管顯示模塊，通過動(dòng)態(tài)掃描方式顯示時(shí)間信息。數(shù)碼管有兩種接法：共陽(yáng)極接法和共陰極接法。本設(shè)計(jì)采用共陰極數(shù)碼管，其中6位顯示“時(shí)”、“分”、“秒”，剩下兩位顯示“-”或其他信息。數(shù)碼管的段選和位選分別連接到單片機(jī)的P0端口和P2端口。

單片機(jī)通過編程控制數(shù)碼管的顯示，實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息的直觀顯示。在顯示過程中，采用動(dòng)態(tài)掃描方式，依次點(diǎn)亮數(shù)碼管的每一位，從而節(jié)省I/O口資源。

2.4 按鍵控制模塊

按鍵控制模塊采用獨(dú)立式按鍵，實(shí)現(xiàn)時(shí)間設(shè)置、倒計(jì)時(shí)設(shè)置等功能。獨(dú)立式按鍵具有電路配置靈活、軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)占用時(shí)間少等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用8個(gè)獨(dú)立式按鍵，分別連接到單片機(jī)的P1端口和P3端口的某些引腳。

單片機(jī)通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的掃描和處理，根據(jù)按鍵的不同輸入信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的功能。例如，按下某個(gè)按鍵可以進(jìn)入時(shí)間設(shè)置界面，通過其他按鍵可以調(diào)整時(shí)間信息；按下另一個(gè)按鍵可以進(jìn)入倒計(jì)時(shí)設(shè)置界面，通過其他按鍵可以設(shè)置倒計(jì)時(shí)時(shí)間。

2.5 電源模塊

電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。本設(shè)計(jì)采用5V直流電源供電，通過穩(wěn)壓電路將電源電壓穩(wěn)定在5V左右，確保系統(tǒng)能夠正常工作。

四、軟件設(shè)計(jì)

1. 程序設(shè)計(jì)思路

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)軟件分成若干功能模塊，每個(gè)模塊完成特定的功能。程序設(shè)計(jì)思路如下：

1. 初始化：對(duì)單片機(jī)、DS1302、數(shù)碼管等模塊進(jìn)行初始化設(shè)置。

2. 主循環(huán)：在主循環(huán)中，不斷掃描按鍵輸入信號(hào)，根據(jù)按鍵的不同輸入信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的功能。

3. 中斷處理：利用單片機(jī)的中斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。

2. 程序流程圖

程序流程圖如圖4-1所示。

（注：由于篇幅限制，無法在此處繪制程序流程圖。）

3. 關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)

以下是部分關(guān)鍵代碼的實(shí)現(xiàn)：

#include <reg52.h>  



// 定義DS1302的寄存器地址  

#define DS1302_SEC     0x80  // 秒寄存器  

#define DS1302_MIN     0x82  // 分寄存器  

#define DS1302_HOUR    0x84  // 時(shí)寄存器  

#define DS1302_DATE    0x86  // 日寄存器  

#define DS1302_MONTH   0x88  // 月寄存器  

#define DS1302_DAY     0x8A  // 星期寄存器  

#define DS1302_YEAR    0x8C  // 年寄存器  



// 定義數(shù)碼管顯示編碼  

unsigned char code digit_code[] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07};



// 聲明函數(shù)  

void DS1302_Write(unsigned char addr, unsigned char dat);

unsigned char DS1302_Read(unsigned char addr);

void Display_Time(unsigned char *time);

void Delay(unsigned int ms);



// 主函數(shù)  

void main() {

unsigned char time[7];  // 存儲(chǔ)時(shí)間信息  



// 初始化DS1302  

DS1302_Write(DS1302_SEC, 0x00);

DS1302_Write(DS1302_MIN, 0x00);

DS1302_Write(DS1302_HOUR, 0x12);  // 設(shè)置為12:00:00  

DS1302_Write(DS1302_DATE, 0x01);

DS1302_Write(DS1302_MONTH, 0x01);

DS1302_Write(DS1302_YEAR, 0x12);  // 設(shè)置為2012年  



while (1) {

// 讀取時(shí)間信息  

time[0] = DS1302_Read(DS1302_SEC) & 0x7f;

time[1] = DS1302_Read(DS1302_MIN) & 0x7f;

time[2] = DS1302_Read(DS1302_HOUR) & 0x3f;

time[3] = DS1302_Read(DS1302_DATE) & 0x3f;

time[4] = DS1302_Read(DS1302_MONTH) & 0x1f;

time[5] = DS1302_Read(DS1302_YEAR) & 0xff;

time[6] = DS1302_Read(DS1302_DAY) & 0x07;



// 顯示時(shí)間信息  

Display_Time(time);



// 延時(shí)一段時(shí)間  

Delay(1000);

}

}



// DS1302寫操作  

void DS1302_Write(unsigned char addr, unsigned char dat) {

// ...（省略具體實(shí)現(xiàn)）  

}



// DS1302讀操作  

unsigned char DS1302_Read(unsigned char addr) {

// ...（省略具體實(shí)現(xiàn)）  

}

五、中斷處理與按鍵掃描

1. 中斷處理

在51單片機(jī)中，中斷系統(tǒng)是一個(gè)非常重要的功能，它可以使單片機(jī)在執(zhí)行主程序的同時(shí)，響應(yīng)外部或內(nèi)部的事件，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。在本設(shè)計(jì)中，我們主要使用定時(shí)器中斷來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的更新和顯示刷新。

首先，我們需要配置定時(shí)器中斷。在STC89C52單片機(jī)中，有兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T0和T1），它們都可以配置為定時(shí)模式或計(jì)數(shù)模式。在本設(shè)計(jì)中，我們選擇定時(shí)器T0，并將其配置為定時(shí)模式。

定時(shí)器的初值可以根據(jù)所需的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)我們想要每秒鐘更新一次時(shí)間顯示，那么定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間就應(yīng)該為1秒。由于STC89C52單片機(jī)的機(jī)器周期為12個(gè)時(shí)鐘周期（在12MHz晶振下），所以1秒的定時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的定時(shí)器初值為：

#define TIMER0_RELOAD_HIGH (65536 - (12000000 / 12 / 2)) / 256  // 高8位初值  

#define TIMER0_RELOAD_LOW  (65536 - (12000000 / 12 / 2)) % 256  // 低8位初值

然后，在中斷服務(wù)程序中，我們需要對(duì)定時(shí)器進(jìn)行重裝載，并更新時(shí)間信息。同時(shí)，為了防止在按鍵掃描或時(shí)間更新過程中發(fā)生中斷，我們需要在進(jìn)入這些函數(shù)前關(guān)閉中斷，在退出時(shí)重新開啟中斷。

以下是定時(shí)器T0的中斷服務(wù)程序示例：

void Timer0_ISR(void) interrupt 1 {

TH0 = TIMER0_RELOAD_HIGH;  // 重裝載定時(shí)器初值高8位  

TL0 = TIMER0_RELOAD_LOW;   // 重裝載定時(shí)器初值低8位  



// 更新時(shí)間信息（這里只是示例，實(shí)際需要根據(jù)DS1302的讀取結(jié)果進(jìn)行更新）  

// ...  



// 刷新顯示（這里只是示例，實(shí)際需要根據(jù)數(shù)碼管的顯示方式進(jìn)行刷新）  

// ...  

}

在主函數(shù)中，我們需要初始化定時(shí)器T0，并開啟中斷：碼

void Timer0_Init(void) {

TMOD |= 0x01;  // 設(shè)置定時(shí)器T0為模式1（16位定時(shí)器）  

TH0 = TIMER0_RELOAD_HIGH;

TL0 = TIMER0_RELOAD_LOW;

ET0 = 1;       // 使能定時(shí)器T0中斷  

EA = 1;        // 使能全局中斷  

TR0 = 1;       // 啟動(dòng)定時(shí)器T0  

}

2. 按鍵掃描

按鍵掃描是另一個(gè)重要的功能，它用于檢測(cè)用戶輸入的按鍵信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的操作。在本設(shè)計(jì)中，我們采用輪詢的方式來掃描按鍵。

首先，我們需要定義按鍵的引腳和狀態(tài)。然后，在主循環(huán)中不斷地掃描這些引腳的狀態(tài)，如果檢測(cè)到某個(gè)按鍵被按下（即引腳狀態(tài)發(fā)生變化），則執(zhí)行相應(yīng)的操作。

為了避免按鍵抖動(dòng)帶來的誤判，我們需要在檢測(cè)到按鍵被按下后，延時(shí)一段時(shí)間（通常稱為消抖延時(shí)），然后再次檢測(cè)按鍵狀態(tài)。如果此時(shí)按鍵仍然被按下，則認(rèn)為按鍵有效。

以下是按鍵掃描的示例代碼：

#define KEY1 P3_0  // 假設(shè)按鍵1連接到P3.0引腳  

#define KEY2 P3_1  // 假設(shè)按鍵2連接到P3.1引腳  

// ...（其他按鍵定義）  



void Delay_ms(unsigned int ms) {

// 簡(jiǎn)單的延時(shí)函數(shù)，用于消抖和延時(shí)  

unsigned int i, j;

for (i = 0; i < ms; i++) {

for (j = 0; j < 120; j++);  // 大約1ms的延時(shí)（具體值根據(jù)晶振頻率調(diào)整）  

}

}



unsigned char Scan_Keys(void) {

unsigned char key = 0;



if (!KEY1) {  // 檢測(cè)按鍵1是否被按下  

Delay_ms(10);  // 消抖延時(shí)  

if (!KEY1) {

key = 1;  // 按鍵1有效  

while (!KEY1);  // 等待按鍵釋放  

}

}

// ...（其他按鍵的檢測(cè)）  



return key;

}

在主循環(huán)中，我們可以調(diào)用Scan_Keys函數(shù)來掃描按鍵，并根據(jù)返回值執(zhí)行相應(yīng)的操作：

void main(void) {

// ...（初始化代碼）  



while (1) {

// ...（其他代碼）  



unsigned char key = Scan_Keys();  // 掃描按鍵  

if (key == 1) {  // 如果按鍵1被按下  

// 執(zhí)行按鍵1對(duì)應(yīng)的操作  

// ...  

}

// ...（其他按鍵的處理）  

}

}

六、總結(jié)與展望

本設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)，結(jié)合DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片和數(shù)碼管顯示模塊，實(shí)現(xiàn)了一款功能豐富的時(shí)鐘跑表。通過編程實(shí)現(xiàn)了時(shí)間的準(zhǔn)確獲取、顯示刷新、按鍵掃描等功能。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展功能，如增加鬧鐘功能、秒表功能等。

未來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以考慮采用更高性能的單片機(jī)和更先進(jìn)的顯示技術(shù)（如LCD液晶顯示屏）來替代當(dāng)前的方案，從而提高系統(tǒng)的性能和用戶體驗(yàn)。同時(shí)，也可以考慮將系統(tǒng)集成到智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)更加便捷和智能化的時(shí)間管理功能。