基于51單片機(jī)的時鐘跑表設(shè)計方案

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，廣泛應(yīng)用于各種電子控制系統(tǒng)中。時鐘跑表作為一種計時工具，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如體育比賽計時、實驗室實驗計時等。本設(shè)計以51單片機(jī)為核心，結(jié)合實時時鐘芯片和數(shù)碼管顯示模塊，設(shè)計了一款功能豐富的時鐘跑表，能夠顯示年、月、日、時、分、秒，并具有倒計時功能。

二、主控芯片型號及其作用

1. 主控芯片型號

本設(shè)計采用的主控芯片是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個引腳，內(nèi)置8K字節(jié)Flash可重復(fù)編程存儲器。STC89C52單片機(jī)具有以下特點：

• 高性能：采用CMOS工藝，功耗低，速度快。

• 可編程：內(nèi)置Flash存儲器，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I/O口，2個外部中斷，2個16位定時/計數(shù)器，1個全雙工串行通信口。

• 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)計中的作用

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

• 時鐘控制：通過編程實現(xiàn)對DS1302實時時鐘芯片的初始化和控制，獲取準(zhǔn)確的時間信息。

• 顯示控制：控制數(shù)碼管顯示模塊，實現(xiàn)時間信息的直觀顯示。

• 按鍵處理：接收按鍵輸入信號，實現(xiàn)時間設(shè)置、倒計時設(shè)置等功能。

• 中斷處理：利用中斷系統(tǒng)，實現(xiàn)定時、計數(shù)等功能。

三、系統(tǒng)設(shè)計方案

1. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于51單片機(jī)的時鐘跑表主要由以下幾個模塊組成：

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

• 時鐘模塊：采用DS1302實時時鐘芯片，提供準(zhǔn)確的時間信息。

• 顯示模塊：采用數(shù)碼管顯示模塊，實現(xiàn)時間信息的直觀顯示。

• 按鍵控制模塊：采用獨立式按鍵，實現(xiàn)時間設(shè)置、倒計時設(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

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，通過編程實現(xiàn)對各模塊的初始化和控制。單片機(jī)采用12MHz的晶振，提供穩(wěn)定的時鐘信號。復(fù)位電路采用上電自動復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式，確保單片機(jī)在啟動時能夠處于確定的初始狀態(tài)。

2.2 時鐘模塊

DS1302是一款高性能、低功耗的實時時鐘芯片，具有能計算2100年之前的秒、分、時、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、串行時鐘（SCLK）。DS1302內(nèi)部自帶鋰電池，能夠在單片機(jī)掉電后保持時間信息長達(dá)十年之久。

單片機(jī)通過編程實現(xiàn)對DS1302的初始化和控制，獲取準(zhǔn)確的時間信息。時間信息通過數(shù)碼管顯示模塊進(jìn)行直觀顯示，用戶可以隨時查看當(dāng)前時間。系統(tǒng)還支持時間校準(zhǔn)等功能，方便用戶對時間進(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，通過動態(tài)掃描方式顯示時間信息。數(shù)碼管有兩種接法：共陽極接法和共陰極接法。本設(shè)計采用共陰極數(shù)碼管，其中6位顯示“時”、“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，實現(xiàn)時間信息的直觀顯示。在顯示過程中，采用動態(tài)掃描方式，依次點亮數(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立式按鍵，實現(xiàn)時間設(shè)置、倒計時設(shè)置等功能。獨立式按鍵具有電路配置靈活、軟件結(jié)構(gòu)簡單、檢測占用時間少等優(yōu)點。本設(shè)計采用8個獨立式按鍵，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)通過編程實現(xiàn)對按鍵的掃描和處理，根據(jù)按鍵的不同輸入信號，執(zhí)行相應(yīng)的功能。例如，按下某個按鍵可以進(jìn)入時間設(shè)置界面，通過其他按鍵可以調(diào)整時間信息；按下另一個按鍵可以進(jìn)入倒計時設(shè)置界面，通過其他按鍵可以設(shè)置倒計時時間。

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

1. 程序設(shè)計思路

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

1. 初始化：對單片機(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，根據(jù)按鍵的不同輸入信號，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)，實現(xiàn)定時、計數(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)鍵代碼實現(xiàn)

以下是部分關(guān)鍵代碼的實現(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];  // 存儲時間信息  



// 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;



// 顯示時間信息  

Display_Time(time);



// 延時一段時間  

Delay(1000);

}

}



// DS1302寫操作  

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

// ...（省略具體實現(xiàn)）  

}



// DS1302讀操作  

unsigned char DS1302_Read(unsigned char addr) {

// ...（省略具體實現(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，響應(yīng)外部或內(nèi)部的事件，從而提高系統(tǒng)的實時性和可靠性。在本設(shè)計中，我們主要使用定時器中斷來實現(xiàn)時間的更新和顯示刷新。

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

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

#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，我們需要對定時器進(jìn)行重裝載，并更新時間信息。同時，為了防止在按鍵掃描或時間更新過程中發(fā)生中斷，我們需要在進(jìn)入這些函數(shù)前關(guān)閉中斷，在退出時重新開啟中斷。

以下是定時器T0的中斷服務(wù)程序示例：

void Timer0_ISR(void) interrupt 1 {

TH0 = TIMER0_RELOAD_HIGH;  // 重裝載定時器初值高8位  

TL0 = TIMER0_RELOAD_LOW;   // 重裝載定時器初值低8位  



// 更新時間信息（這里只是示例，實際需要根據(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器T0，并開啟中斷：碼

void Timer0_Init(void) {

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

TH0 = TIMER0_RELOAD_HIGH;

TL0 = TIMER0_RELOAD_LOW;

ET0 = 1;       // 使能定時器T0中斷  

EA = 1;        // 使能全局中斷  

TR0 = 1;       // 啟動定時器T0  

}

2. 按鍵掃描

按鍵掃描是另一個重要的功能，它用于檢測用戶輸入的按鍵信號，并根據(jù)信號執(zhí)行相應(yīng)的操作。在本設(shè)計中，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)，如果檢測到某個按鍵被按下（即引腳狀態(tài)發(fā)生變化），則執(zhí)行相應(yīng)的操作。

為了避免按鍵抖動帶來的誤判，我們需要在檢測到按鍵被按下后，延時一段時間（通常稱為消抖延時），然后再次檢測按鍵狀態(tài)。如果此時按鍵仍然被按下，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) {

// 簡單的延時函數(shù)，用于消抖和延時  

unsigned int i, j;

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

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

}

}



unsigned char Scan_Keys(void) {

unsigned char key = 0;



if (!KEY1) {  // 檢測按鍵1是否被按下  

Delay_ms(10);  // 消抖延時  

if (!KEY1) {

key = 1;  // 按鍵1有效  

while (!KEY1);  // 等待按鍵釋放  

}

}

// ...（其他按鍵的檢測）  



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對應(yīng)的操作  

// ...  

}

// ...（其他按鍵的處理）  

}

}

六、總結(jié)與展望

本設(shè)計基于51單片機(jī)，結(jié)合DS1302實時時鐘芯片和數(shù)碼管顯示模塊，實現(xiàn)了一款功能豐富的時鐘跑表。通過編程實現(xiàn)了時間的準(zhǔn)確獲取、顯示刷新、按鍵掃描等功能。在實際應(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。同時，也可以考慮將系統(tǒng)集成到智能手機(jī)等移動設(shè)備上，實現(xiàn)更加便捷和智能化的時間管理功能。