基于51单片机的时钟跑表设计方案

一、引言

随着电子技术的飞速发展，单片机以其高效、灵活、可靠的特点，广泛应用于各种电子控制系统中。时钟跑表作为一种计时工具，具有广泛的应用领域，如体育比赛计时、实验室实验计时等。本设计以51单片机为核心，结合实时时钟芯片和数码管显示模块，设计了一款功能丰富的时钟跑表，能够显示年、月、日、时、分、秒，并具有倒计时功能。

二、主控芯片型号及其作用

1. 主控芯片型号

本设计采用的主控芯片是STC89C52单片机。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有40个引脚，内置8K字节Flash可重复编程存储器。STC89C52单片机具有以下特点：

• 高性能：采用CMOS工艺，功耗低，速度快。

• 可编程：内置Flash存储器，支持ISP（在系统编程）和IAP（在应用编程）。

• 丰富的资源：具有32个I/O口，2个外部中断，2个16位定时/计数器，1个全双工串行通信口。

• 可靠性高：抗干扰能力强，适应恶劣环境。

2. 主控芯片在设计中的作用

STC89C52单片机在本设计中作为核心控制器，负责接收和处理各种输入信号，控制整个时钟跑表的运行。具体作用如下：

• 时钟控制：通过编程实现对DS1302实时时钟芯片的初始化和控制，获取准确的时间信息。

• 显示控制：控制数码管显示模块，实现时间信息的直观显示。

• 按键处理：接收按键输入信号，实现时间设置、倒计时设置等功能。

• 中断处理：利用中断系统，实现定时、计数等功能。

三、系统设计方案

1. 系统总体结构

基于51单片机的时钟跑表主要由以下几个模块组成：

• 单片机控制系统模块：以STC89C52单片机为核心，负责整个系统的控制。

• 时钟模块：采用DS1302实时时钟芯片，提供准确的时间信息。

• 显示模块：采用数码管显示模块，实现时间信息的直观显示。

• 按键控制模块：采用独立式按键，实现时间设置、倒计时设置等功能。

• 电源模块：为系统提供稳定的电源供应。

2. 各模块详细设计

2.1 单片机控制系统模块

STC89C52单片机作为系统的核心控制器，通过编程实现对各模块的初始化和控制。单片机采用12MHz的晶振，提供稳定的时钟信号。复位电路采用上电自动复位和手动复位两种方式，确保单片机在启动时能够处于确定的初始状态。

2.2 时钟模块

DS1302是一款高性能、低功耗的实时时钟芯片，具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、周、月、年的能力。它采用SPI三线接口与单片机通信，仅需三根通信线：复位（RES）、I/O数据线、串行时钟（SCLK）。DS1302内部自带锂电池，能够在单片机掉电后保持时间信息长达十年之久。

单片机通过编程实现对DS1302的初始化和控制，获取准确的时间信息。时间信息通过数码管显示模块进行直观显示，用户可以随时查看当前时间。系统还支持时间校准等功能，方便用户对时间进行调整。

2.3 显示模块

显示模块采用数码管显示模块，通过动态扫描方式显示时间信息。数码管有两种接法：共阳极接法和共阴极接法。本设计采用共阴极数码管，其中6位显示“时”、“分”、“秒”，剩下两位显示“-”或其他信息。数码管的段选和位选分别连接到单片机的P0端口和P2端口。

单片机通过编程控制数码管的显示，实现时间信息的直观显示。在显示过程中，采用动态扫描方式，依次点亮数码管的每一位，从而节省I/O口资源。

2.4 按键控制模块

按键控制模块采用独立式按键，实现时间设置、倒计时设置等功能。独立式按键具有电路配置灵活、软件结构简单、检测占用时间少等优点。本设计采用8个独立式按键，分别连接到单片机的P1端口和P3端口的某些引脚。

单片机通过编程实现对按键的扫描和处理，根据按键的不同输入信号，执行相应的功能。例如，按下某个按键可以进入时间设置界面，通过其他按键可以调整时间信息；按下另一个按键可以进入倒计时设置界面，通过其他按键可以设置倒计时时间。

2.5 电源模块

电源模块为系统提供稳定的电源供应。本设计采用5V直流电源供电，通过稳压电路将电源电压稳定在5V左右，确保系统能够正常工作。

四、软件设计

1. 程序设计思路

软件设计采用模块化程序设计方法，将整个软件分成若干功能模块，每个模块完成特定的功能。程序设计思路如下：

1. 初始化：对单片机、DS1302、数码管等模块进行初始化设置。

2. 主循环：在主循环中，不断扫描按键输入信号，根据按键的不同输入信号，执行相应的功能。

3. 中断处理：利用单片机的中断系统，实现定时、计数等功能。

2. 程序流程图

程序流程图如图4-1所示。

（注：由于篇幅限制，无法在此处绘制程序流程图。）

3. 关键代码实现

以下是部分关键代码的实现：

#include <reg52.h>  



// 定义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  // 时寄存器  

#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  



// 定义数码管显示编码  

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



// 声明函数  

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);



// 主函数  

void main() {

unsigned char time[7];  // 存储时间信息  



// 初始化DS1302  

DS1302_Write(DS1302_SEC, 0x00);

DS1302_Write(DS1302_MIN, 0x00);

DS1302_Write(DS1302_HOUR, 0x12);  // 设置为12:00:00  

DS1302_Write(DS1302_DATE, 0x01);

DS1302_Write(DS1302_MONTH, 0x01);

DS1302_Write(DS1302_YEAR, 0x12);  // 设置为2012年  



while (1) {

// 读取时间信息  

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;



// 显示时间信息  

Display_Time(time);



// 延时一段时间  

Delay(1000);

}

}



// DS1302写操作  

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

// ...（省略具体实现）  

}



// DS1302读操作  

unsigned char DS1302_Read(unsigned char addr) {

// ...（省略具体实现）  

}

五、中断处理与按键扫描

1. 中断处理

在51单片机中，中断系统是一个非常重要的功能，它可以使单片机在执行主程序的同时，响应外部或内部的事件，从而提高系统的实时性和可靠性。在本设计中，我们主要使用定时器中断来实现时间的更新和显示刷新。

首先，我们需要配置定时器中断。在STC89C52单片机中，有两个定时器/计数器（T0和T1），它们都可以配置为定时模式或计数模式。在本设计中，我们选择定时器T0，并将其配置为定时模式。

定时器的初值可以根据所需的定时时间进行计算。假设我们想要每秒钟更新一次时间显示，那么定时器的定时时间就应该为1秒。由于STC89C52单片机的机器周期为12个时钟周期（在12MHz晶振下），所以1秒的定时时间对应的定时器初值为：

#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，在中断服务程序中，我们需要对定时器进行重装载，并更新时间信息。同时，为了防止在按键扫描或时间更新过程中发生中断，我们需要在进入这些函数前关闭中断，在退出时重新开启中断。

以下是定时器T0的中断服务程序示例：

void Timer0_ISR(void) interrupt 1 {

TH0 = TIMER0_RELOAD_HIGH;  // 重装载定时器初值高8位  

TL0 = TIMER0_RELOAD_LOW;   // 重装载定时器初值低8位  



// 更新时间信息（这里只是示例，实际需要根据DS1302的读取结果进行更新）  

// ...  



// 刷新显示（这里只是示例，实际需要根据数码管的显示方式进行刷新）  

// ...  

}

在主函数中，我们需要初始化定时器T0，并开启中断：码

void Timer0_Init(void) {

TMOD |= 0x01;  // 设置定时器T0为模式1（16位定时器）  

TH0 = TIMER0_RELOAD_HIGH;

TL0 = TIMER0_RELOAD_LOW;

ET0 = 1;       // 使能定时器T0中断  

EA = 1;        // 使能全局中断  

TR0 = 1;       // 启动定时器T0  

}

2. 按键扫描

按键扫描是另一个重要的功能，它用于检测用户输入的按键信号，并根据信号执行相应的操作。在本设计中，我们采用轮询的方式来扫描按键。

首先，我们需要定义按键的引脚和状态。然后，在主循环中不断地扫描这些引脚的状态，如果检测到某个按键被按下（即引脚状态发生变化），则执行相应的操作。

为了避免按键抖动带来的误判，我们需要在检测到按键被按下后，延时一段时间（通常称为消抖延时），然后再次检测按键状态。如果此时按键仍然被按下，则认为按键有效。

以下是按键扫描的示例代码：

#define KEY1 P3_0  // 假设按键1连接到P3.0引脚  

#define KEY2 P3_1  // 假设按键2连接到P3.1引脚  

// ...（其他按键定义）  



void Delay_ms(unsigned int ms) {

// 简单的延时函数，用于消抖和延时  

unsigned int i, j;

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

for (j = 0; j < 120; j++);  // 大约1ms的延时（具体值根据晶振频率调整）  

}

}



unsigned char Scan_Keys(void) {

unsigned char key = 0;



if (!KEY1) {  // 检测按键1是否被按下  

Delay_ms(10);  // 消抖延时  

if (!KEY1) {

key = 1;  // 按键1有效  

while (!KEY1);  // 等待按键释放  

}

}

// ...（其他按键的检测）  



return key;

}

在主循环中，我们可以调用Scan_Keys函数来扫描按键，并根据返回值执行相应的操作：

void main(void) {

// ...（初始化代码）  



while (1) {

// ...（其他代码）  



unsigned char key = Scan_Keys();  // 扫描按键  

if (key == 1) {  // 如果按键1被按下  

// 执行按键1对应的操作  

// ...  

}

// ...（其他按键的处理）  

}

}

六、总结与展望

本设计基于51单片机，结合DS1302实时时钟芯片和数码管显示模块，实现了一款功能丰富的时钟跑表。通过编程实现了时间的准确获取、显示刷新、按键扫描等功能。在实际应用中，可以根据需要进一步扩展功能，如增加闹钟功能、秒表功能等。

未来，随着电子技术的不断发展，我们可以考虑采用更高性能的单片机和更先进的显示技术（如LCD液晶显示屏）来替代当前的方案，从而提高系统的性能和用户体验。同时，也可以考虑将系统集成到智能手机等移动设备上，实现更加便捷和智能化的时间管理功能。