基于AT89C51单片机的数字时钟电路设计与实践

景维斌

（江苏省徐州医药高等职业学校，江苏徐州，221116）

1 基于AT89C51单片机的数字时钟电路的设计与制作

1.1 AT89C51单片机构成数字时钟的逻辑电路及其仿真

图1是利用AT89C51单片机构成数字时钟的逻辑电路及其仿真图。图中数码管为共阳极结构，共阳极接高电平，段码低电平驱动。4位一体八段数码管高两位显示分，低两位显示秒。4个显示位的8个相同段（A、B、C、D、E、F、G、DP）并联接入同一位I/O口（P01～P07），各位的共阳极分别接入不同的I/O（P24～P27）口形成各位的分时选通。由于位电流较大，而单片机输出电流有限，故加一级反相器。欲显示哪一位，则其位选线应为高电平，即反相器输出高电平，输入低电平，也即单片机对应的I/O口输出低电平。段码及位选线均由程序适时提供有效电平。欲调节时间，可通过按键进行，也是利用程序控制。

图1 AT89C51单片机构成数字时钟的逻辑电路及仿真

可见，同样可实现显示60分60秒和时间的调整。AT89C51单片机构成的数字时钟电路比传统数字时钟电路需要的元器件少得多，电路结构简单得多。加上蜂鸣器，还可以实现报时功能。

1.2 基于AT89C51单片机数字时钟电路主要硬件电路设计

（1）硬件电路的原理框图

AT89C51时钟电路的构成框图如图2所示。

图2 AT89C51单片机时钟电路的功能模块图

（2）单片机的选择

单片机是整个电路的核心，主要用于对显示、声音等电路进行控制。采用AT89C51作为系统控制器的CPU方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域得到广泛应用。

（3）显示模块的选择与连接

图3 AT89C51单片机时钟电路的系统硬件原理总图

显示模块用于显示时间。笔者使用八段数码管显示（小数点算为一段），通常，显示方法一般包括两种：一种是静态显示，一种是动态显示。其中，静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少。在本设计中根据实际情况采用动态显示方法。4位八段数码管显示电路如图4所示。

图4 AT89C51单片机时钟电路的显示模块图

图中数码管采用的是4位一体八段共阳数码管，其中a～g段以及dp分别接到单片机的P0口，由单片机输出的P0口数据来决定段码值，位选码分别接到单片机的P2.4～P2.7，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。图中电阻R1～R8，连接在P0口上，用作P0口的上拉电阻，保证P0口没有数据输出时候处于高电平状态。

通过查表法，将当前时间在数码管上显示出来，其中P0口为字型码输入端，P2口的4位为字选段输入端。在这里通过查表将字型码送给八段数码管显示的数字。图中的三极管Q1～Q4组成反相器，目的是提高驱动能力。其基极通过R13～R16接至P2.4～P2.7，射极接电源，集电极输出分别接到数码管的共阳极D4～D1端，作为位码。当P2.4～P2.7中哪一端输出低电平，则三极管集电极输出高电平，对应的位选码有效，于是该位在段码作用下显示相应的字型。

（4）时钟频率电路的设计

单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定频率的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。

一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容C1、C2的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。

（5）复位电路的设计

单片机的第9脚Reset为硬件复位端，只要将该端持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路如图5所示，其中R18和S1实现手动复位。

（6）报时电路

利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或“低”电平，接上蜂鸣器就能发出声音，若再利用延时程序控制“高”电平或“低”电平的持续时间，就能改变蜂鸣器鸣叫的时间。如图6所示。图中利用单片机的I/O端口P2.0，单片机通过设定该端口的高、低电平使蜂鸣器发声，可以实现整时报时或其他报警。

图5 复位电路

图6 报时电路

2 基于AT89C51单片机数字时钟电路的软件程序流程图

模拟计时器（采用正计时方式），4位数码管分别显示“分”和“秒”。流程图如图7所示。

图7 60分60秒程序流程图

3 结束语

电子线路的设计、制作与调试是一个极其复杂、综合性很强的过程，涉及到本专业的各门学科，应用到很多新的知识与技能，包含单片机、Protel DXP和Multisim、Proteus仿真软件等等。在设计、制作与调试过程中，理论联系实际，将所学知识综合运用，这是提高自身的专业技能与各种能力、积累经验、为今后的工作打下扎实基础的重要途径。