基于电子科学与技术的数字电子钟的研究

刘圆圆 赵磊 张泽楠

【摘  要】随着社会科技发展，社会我们已经迈入了科技智能化时代。电子科学与技术与大众生活关系密切，开始融入到社会工作、生活中的方方面面，不仅丰富了人们的日常生活也提升了工作效率，有力的推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高。

【关键词】电子科学与技术;数字电子钟;单片机

引言

本文主要探讨电子时钟与单片机的工作机理，以数码管为显示器的数字电子钟表现出了更大的优势，采用LED数码管显示时、分、秒。单片机在智能仪器、电子科学与技术方面的应用十分广泛，它集成度高、体积小、具有较强的控制功能与较高的灵活性。

1.数字电子钟的工作原理

一个基本的数字电子钟电路主要由译码显示器、“时”、“分”、“秒”计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。主电路系统由秒信号发生器、时、分、秒计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，通常用石英晶体振荡器加分频器来实现其功能。

将标准秒信号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号就作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”每累计60分钟，就会发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制，译码显示电路将“时”、“分”、“秒”计数器的输出状态用七段显示译码器译码，通过七段显示器显示出来，方便人们计时使用。

下图为其工作电路图。

2.单片机

2.1单片机的组成

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整的微型计算机系统。具体来说就是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（有时还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。

单片机就是一个微型电脑，它是靠程序工作的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能。单片机的功能部分由CPU、内存、外围功能等部分组成。将单片机比作人的话，CPU则是负责思考的大脑，内存是用来接收和记忆指令的，外围功能相当于视觉的感官系统。但是CPU并不能像人的大脑一样有意识、自发的思考，只能依次读取并执行事先储存在内存中的指令，再将依次读取的指令完成。

CPU读取指令时需要知道要执行的指令保存在内存的什么位置，即地址，程序计数器（PC）就是存储地址的寄存器。通常，它是按1递增设计的，当CPU执行了0000地址中的指令后，PC会自动加1变为0001地址，依次递增，也就是说，PC决定了程序执行的顺序，也就是读取指令的顺序。

指令读取完毕，又会有多种电路配合完成操作。指令解码电路是解读从内存中读取的指令的含义，运算电路是根据读取结果操作的，电路结构稍微复杂些，进一步来说，指令解码电路的工作原理就是从被符号化的指令中还原指令。运算电路也称为ALU，是完成运算的电路。能进行加法、乘法等算术运算、也能进行AND、OR、BIT-SHIFT等逻辑运算。运算是在指令解码电路的控制下进行的，其运算电路比较复杂，需要更多指令的配合。

CPU内部寄存器是临时储存信息的场所。有存储运算值和运算结果的通用寄存器，也有一些特殊寄存器。运算电路进行运算时，并不是在内存中直接运算的，而是将内存中的数据读取到通用寄存器，在通用寄存器中进行运算的。下面我们通过一个具体的例子（3+4）来说明演示CPU的操作过程。

3.使用单片机的优点

为什么很多电器设备都要使用单片机呢？下面用一个点亮LED的电路为例。

不使用单片机的电路是一个由LED，开关和电阻构成的简单电路。如果希望LED在按下开关后，经过一段时间再点亮或熄灭，只需更改单片机中的程序就可以了，并不需更改原电路。但是对于没有单片机的电路来说，就必须在元电路中加入定时器IC，或者用IC和FPGA构成逻辑电路才能实现这个功能。也就是说，在更改和添加新功能时，带有单片机的电路显然更加容易实现。这正是电器设备使用单片机的原因，单片机使得电路的功能更加完善。

4.单片机的用途

（1）智能仪器

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、角度、元素、压力等物理量的测量。

（2）工业控制

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。

（3）网络和通信

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，通信设备基本上都实现了单片机智能控制。

参考文献：

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[2]叶青.基于51单片机的多功能数字电子钟的设计[J].山东工业技术，2016（10）：158-160.

[3]张昌玉.数字电子钟的设计[J].科技风，2016（06）：3.

[4]姚天乐.基于单片机的智能电子时钟的设计与应用[J].湖北农机化，2019（15）：84.

作者簡介：

刘圆圆，性别：女，出生年月：1998年4月17日，民族：汉，籍贯：河北省衡水市故城县，学历：大学本科，学校：华北理工大学，邮编：063210，专业：电子科学与技术，

（作者单位：华北理工大学电气工程学院）