多功能鬧鐘的設(shè)計(jì)

摘 要：電子鬧鐘是一種應(yīng)用非常廣泛的日常計(jì)時(shí)工具，數(shù)字顯示的日歷鐘已經(jīng)越來(lái)越流行，特別是適合在家庭居室、辦公室、大廳、會(huì)議室、車站和廣場(chǎng)等使用，壁掛式LED數(shù)碼管顯示的日歷鐘逐漸受到人們的歡迎。

首先介紹設(shè)計(jì)電子鬧鐘所涉及的主要硬件和特性，然后說明軟件設(shè)計(jì)的思路，程序結(jié)構(gòu)及流程，并在測(cè)試軟件上進(jìn)行調(diào)試和修改，以完成電子鬧鐘的基本要求，即可以隨意設(shè)定起始時(shí)間，有秒顯示功能，可以設(shè)定鬧鐘，停止時(shí)由電池供電等功能。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；集成電路；電子鬧鐘硬件；電子鬧鐘軟件

1 概述

電子鬧鐘在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，千家萬(wàn)戶都少不了它，所以很多家庭個(gè)人都需要有一個(gè)電子鬧鐘，為人們提供報(bào)時(shí)方便。本文給出了一種以AT89S51單片機(jī)電子鬧鐘設(shè)計(jì)方法，從而給人們帶來(lái)更為方便的工作與生活。

1.1 電子鬧鐘發(fā)展趨勢(shì)

單片機(jī)電子鬧鐘是具發(fā)前鬧鐘創(chuàng)新性的系統(tǒng)，它代表了時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)。在原材料價(jià)格不斷上漲、下游渠道商實(shí)力膨脹、價(jià)格戰(zhàn)越來(lái)越激烈、行業(yè)利潤(rùn)日趨微薄的背景下，日前，中國(guó)的電子鬧鐘在節(jié)能化、環(huán)?；?chuàng)新型轉(zhuǎn)變過程中，正進(jìn)行新一輪鬧鐘賽跑。

1.2 電子鬧鐘的重要意義

20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來(lái)越快。 時(shí)間對(duì)人們來(lái)說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人1.概述

忘記當(dāng)前的時(shí)間。鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播、定時(shí)啟閉電路、定時(shí)開關(guān)烘箱、通斷動(dòng)力設(shè)備，甚至各種定時(shí)電氣的自動(dòng)啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

1.3 本課題研究的主要內(nèi)容

首先介紹設(shè)計(jì)電子鬧鐘所涉及的主要硬件和特性，然后說明軟件設(shè)計(jì)的思路，程序結(jié)構(gòu)及流程，并在測(cè)試軟件上進(jìn)行調(diào)試修改，以完成電子鬧鐘的基本要求，即可隨意設(shè)定起始時(shí)間，有秒顯示功能，有12/24時(shí)制選擇，可設(shè)定鬧鐘，由電池供電等功能。

2 電子鬧鐘的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 AT89S51單片機(jī)的特性

Atmel公司的AT89S51芯片具有以下特性：

（1） 指令集和芯片引腳與Intel公司的8051兼容；

（2） 4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器；

（3） 時(shí)鐘頻率為0～33MHz；

（4） 128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）；

（5） 32個(gè)可編程輸入/輸出引腳；

（6） 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；

（7） 6個(gè)中斷源，2級(jí)優(yōu)先級(jí)；

（8） 全雙工串行通信接口；

（9） 監(jiān)視定時(shí)器；

（10） 2個(gè)數(shù)據(jù)指針。

單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)電路指的是它可以正常工作的最簡(jiǎn)單電路組成。AT89S51單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)電路如圖1所示，該系統(tǒng)中包含4個(gè)電路部分：供電電路、程序存儲(chǔ)器選擇電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。

2.2 電子鬧鐘的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1硬件選擇

單片機(jī)選用AT89S51型，它是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀儲(chǔ)存的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，該器件采用ATMEL高密度非易失性存儲(chǔ)器制造技術(shù)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT8951是一種高效微控制器，為很多嵌入控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價(jià)的方案。

整體系統(tǒng)選用 AT89S51單片機(jī)，時(shí)鐘芯片DS1302，數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219。共陰極數(shù)碼管8個(gè)，4511七段譯碼芯片1片， 24M晶振1個(gè)。

2.2.2系統(tǒng)組成

該數(shù)字鬧鐘包括以下幾個(gè)組成部分：（1） 顯示屏：由6個(gè)七段數(shù)碼管組成，用于顯示當(dāng)前時(shí)間（時(shí) 分 秒）或設(shè)置的鬧鐘時(shí)間；（2） KEY鍵：用于輸入新的時(shí)間或新的鬧鐘時(shí)間時(shí)，對(duì)每位輸入數(shù)字的確認(rèn)；（3） TIME（時(shí)間）鍵：用于確定新的時(shí)間設(shè)置； （4）鬧鐘鍵：用于確定新的鬧鐘時(shí)間設(shè)置，或顯示已設(shè)置的鬧鐘時(shí)間；（5） 揚(yáng)聲器：在當(dāng)前時(shí)鐘時(shí)間與鬧鐘時(shí)間相同時(shí)，發(fā)出響聲。

2.2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）控制器?？刂破魇请娮郁[鐘設(shè)計(jì)的核心部分，按設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯，以控制其他各部分的工作。由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。

（2）計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器實(shí)際上是一個(gè)異步復(fù)位、異步置位的累加器。通常情況下進(jìn)行時(shí)鐘累加計(jì)數(shù)，必要時(shí)可以置入新的時(shí)鐘值，然后從該值開始新的計(jì)數(shù)。

（3）寄存器。寄存器用于保存用戶設(shè)置的鬧鐘時(shí)間，是一個(gè)異步復(fù)位寄存器。寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部份，是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來(lái)暫存指令、數(shù)據(jù)和位址。

（4）分頻器。分頻器將高速的外部時(shí)鐘頻率分頻成每一分鐘一次的時(shí)鐘頻率，以便進(jìn)行時(shí)鐘計(jì)數(shù)。由于石英晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，要得到秒脈沖，需要用分頻電路。

（5）顯示電路。顯示器根據(jù)需要顯示當(dāng)前時(shí)間、用戶設(shè)置的鬧鐘時(shí)間或用戶通過鍵盤輸入的新時(shí)間，同時(shí)判斷當(dāng)前時(shí)間是否已到了鬧鐘時(shí)間，實(shí)際上是一個(gè)多路選擇比較器。

（6）計(jì)時(shí)器。在計(jì)時(shí)過程中，系統(tǒng)利用89S51自身的計(jì)時(shí)器T0作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，計(jì)時(shí)器中斷的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精度，因此獲取精確的定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)成為該系統(tǒng)的關(guān)鍵。AT89S51單片機(jī)內(nèi)有2個(gè)可編程的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，并工作在方式l下，晶振頻率為12MHz。

電子鬧鐘的系統(tǒng)硬件電路如圖2所示

2.3 電子鬧鐘的軟件設(shè)計(jì)

AT89S5l內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和Tl設(shè)置為定時(shí)器模式l工作方式.作為電子時(shí)鐘及電子秒表的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。定時(shí)器T0產(chǎn)生10 ms的中斷信號(hào)，每經(jīng)過1t30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)問為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)，T0每產(chǎn)生一次中斷，十毫秒單元加一，十毫秒單元經(jīng)過l0次加一后，百毫秒單元加一。軟件設(shè)計(jì)分為主程序、定時(shí)器T0和定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序及相應(yīng)的子程序。

2.3.1子程序及其功能簡(jiǎn)介

（1） 比較程序

每當(dāng)秒存儲(chǔ)單元的內(nèi)容為0時(shí)，系統(tǒng)通過調(diào)用比較子程序可判斷當(dāng)前時(shí)間是否符合鬧鈴條件，若符合，則調(diào)用發(fā)音子程序使蜂鳴器發(fā)出鬧鈴聲音。

（2） 檢測(cè)按鍵程序

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某個(gè)案件被按下時(shí)，轉(zhuǎn)到相應(yīng)子程序處理，可實(shí)現(xiàn)校時(shí)、設(shè)定鬧鈴時(shí)間的功能

（3） 顯示程序

系統(tǒng)通過調(diào)用顯示子程序，可將顯示緩沖區(qū)里的內(nèi)容通過動(dòng)態(tài)掃描方式輸出到數(shù)碼管顯示器。

（4） 時(shí)間設(shè)置程序

系統(tǒng)通過按鍵檢測(cè)，更改顯示數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前時(shí)間修改的功能。

2.3.2程序設(shè)計(jì)

我們利用芯片和軟件編程結(jié)合的思路。下面將對(duì)照程序的構(gòu)成來(lái)闡述我對(duì)簡(jiǎn)易鬧鐘的方案設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)方案如下：（一）在主程序中，填寫中斷向量表，應(yīng)用8255A的IRQ7和IRQ5端。利用8253A和8259A完成計(jì)時(shí)一秒的功能，然后通過更新時(shí)間的子程序完成時(shí)間跳變的功能，待到新的時(shí)間判斷是否到達(dá)設(shè)定的鬧鐘的時(shí)間，如果是，則啟動(dòng)揚(yáng)聲器；如果否，則繼續(xù)進(jìn)行顯示時(shí)間。（二）鬧鐘的時(shí)間是變化的，在更新時(shí)間的子程序中，首先判斷更改后的秒數(shù)是否小于10，如果是，則返回主程序；如果否，則秒的個(gè)位跳變成0，秒的十位加一；再次判斷秒的十位，過程同判斷秒的個(gè)位相同。（三）在顯示時(shí)間的子程序中，時(shí)間從0，0，0，0開始顯示。

3 系統(tǒng)的調(diào)試和性能分析

3.1 系統(tǒng)的調(diào)試方法

整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試的主要思想是：先每個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，然后整個(gè)系統(tǒng)一起調(diào)試。先軟硬件分開調(diào)試，然后一起調(diào)試。遵循先部分后整體的原則。

系統(tǒng)的在調(diào)試過程中要注意以下幾點(diǎn)：

（1）硬件電路設(shè)計(jì)完之后，在上電之前一定要先用萬(wàn)用表檢測(cè)電源和地之間是否短路。

（2）上電之后要用示波器觀察信號(hào)的在電路中變化的情況，與設(shè)計(jì)當(dāng)初的情況相比較，找出差別，并進(jìn)行分析。

（3）軟件調(diào)試過程中可以使用斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等常用的方法。

（4）軟硬件聯(lián)調(diào)時(shí)，要注意軟件部分要一個(gè)功能一個(gè)功能的調(diào)試。

3.2 系統(tǒng)的性能分析

系統(tǒng)能在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)鬧鈴，必須調(diào)用一次顯示子程序后才能再次取反，否則在發(fā)音期間不能顯示，而調(diào)用一次顯示子程序需要的時(shí)間大約為6ms（6位每位1ms），所以振蕩頻率f=1/T=1/（2*6ms）≈83Hz，顯然這個(gè)頻率過低。經(jīng)測(cè)試，其時(shí)鐘誤差約為3秒/天，這是因?yàn)閺亩〞r(shí)器向CPU發(fā)出中斷申請(qǐng)信號(hào)到重裝定時(shí)初值的過程需要一定的時(shí)間。

本系統(tǒng)通過測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：（1）按鍵輸入（2）鬧鈴聲音（3）LED顯示。

4 結(jié)論

通過這次課程設(shè)計(jì)，使的我對(duì)這門功課有了更加深刻的了解，首先從硬件的工作原理有了進(jìn)一步系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，同樣有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，光靠有理論知識(shí)是不夠的只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相互結(jié)合起來(lái)，才可以提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。其次在這次軟件設(shè)計(jì)中也有不足的地方，比如沒有實(shí)現(xiàn)鬧鈴功能，但是又不知道從哪個(gè)地方入手解決這個(gè)問題，這要求在以后的學(xué)習(xí)中，必須拓寬自己的知識(shí)面，以解決設(shè)計(jì)中得不足之處。總之，通過這次課程設(shè)計(jì)我不僅鞏固了對(duì)課本所學(xué)的基本知識(shí)，還使我具有了撰寫科研報(bào)告的初步訓(xùn)練能力，我相信這些能力在我以后的學(xué)習(xí)或者工作中一定會(huì)起到不小的作用，一切的辛苦和艱難都是值得的。

經(jīng)過不斷的努力讓電子鬧鐘能實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

能正確顯示鬧鐘的走時(shí)；

可以進(jìn)行當(dāng)前時(shí)間的設(shè)置；

可以設(shè)置鬧鐘時(shí)間，并能在時(shí)間到時(shí)發(fā)出響聲。

可是在這次設(shè)計(jì)中也遇到了許多困難的地方，例如：

單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它的內(nèi)置存儲(chǔ)器功能無(wú)法集成到芯片內(nèi)部；

在電路應(yīng)用中，在關(guān)閉電源后短時(shí)間內(nèi)再次啟動(dòng)電源，系統(tǒng)工作會(huì)不正常；

單片機(jī)與大功率LED燈共用一個(gè)電源，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)死機(jī)，程序走亂得現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

劉耀（1993-），男，漢，陜西，本科在讀，西安外事學(xué)院，學(xué)生。