一、方案论证与比较
1．数字时钟
数字时钟是本设计的最主要的部分。根据需要，可利用两种方案实现。 方案一：本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将十字节清零。
该方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。而且，由于是软件实现，当单片机不上电，程序不执行时，时钟将不工作。
方案二：本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS12887A。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。
基于时钟芯片的上述优点，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。
2．数码管显示
方案一：静态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。该方式每一位都需要一个8 位输出口控制。静态显示时较小的电流能获得较高的亮度，且字符不闪烁。但当所显示的位数较多时，静态显示所需的I/O口太多，造成了资源的浪费。
方案二：动态显示。所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各个位，对于显示器的 每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。显示器的亮度既与导通电流有关，也于点亮时间与间隔时间的比例有关。调整参数可以实现较高稳定度的显示。动态显示节省了I/O口，降低了能耗。
本设计从节省I/O口和降低能耗出发，采用方案二。
二、系统设计
1．总体设计
（1）系统框图
系统框图如图1所示。
数码管显示模块 时钟芯片 温度转换模块 单 报警系统 片 键盘 状态显示 机频率采集模块
电压转换模块 电源
图1 系统框图
（2）模块说明
a. 数码管显示模块：用数码管显示时间、环境温度、电网频率及电压温
度转换模块：测量环境温度，并经过模数转换后送单片机。
b. 时钟芯片：用DS12887A时钟芯片向单片机提供时间与闹铃信息。 c. 报警系统：用蜂鸣器。当闹铃开且所设置的闹铃时刻到时，蜂鸣器报
警，当电网电压欠压或过压时，蜂鸣器也报警。当“闹铃关”键按下或有遥控器止闹时，停止报警。 d. 键盘和状态显示模块：用可编程并行I/O芯片8255接状态显示所用的
发光二极管及选择各功能的键盘。
e. 单片机控制模块：用89C51实现。是系统的主控制器，控制其它模块
协调工作。
f. 电源模块：向各用电系统提供电源。
g. 电压转换模块：测量电网电压，并经过模数转换后送单片机。
2．模块设计与参数计算
（1） 码管显示：本设计采用串行输出显示，利用一片8位移位寄存器74LS164
给所有数码管提供显示信号，且利用动态显示，节约了单片机I/O口，降低了能耗。数码管采用LG5643FH。电路如图2所示。
（2） 电源模块：由于单片机及其处围的用电模块都用5V或12V直流电源，
而电网电压为220V交流电，因此需要设计电源。利用8W的变压器将220V的电网电压变压后加在桥式整流电路的两端进行全波整流。利用三端稳压电源分别产生12V和5V的电压。三端稳压电源选择
CW7812DS和CW7805DS。原因是它们有过压保护和过流保护而使其免受高压或大电流的袭击；而且与其他三端稳压电源相比，它们更具经济性的特点。
根据该电源所带的负载知流过该电源的电压不超过I=1A。因为变压器输出大约为Uo=12V，所以电阻RUo12。因为电网电压一般I为220V ，50Hz，所以全波整流后的电压周期大约为10毫秒。又因为时间常数RE210ms,所以取E21000f。
图2 数码管显示电路
图3 电源电路
0.1pf的小电容用于滤掉电路路频率较高的部分，使电压输出更加平稳。
（3）频率采集模块：如图４所示，对电源电路中全波整流后的信号进行
判断：若电压大于＋5V，则二极管正极电压被嵌位于为5.7V，若小于5V，则为原值不变。因此形成向下的尖脉冲，经施密特触发器CD4093变为正脉冲。如图５所示。施密特触发器的输出接单片机的P1.5口。在单片机内部数1S内脉冲的个数，除以2后即为电网电压的频率。
图４ 频率采集电路
图５ 频率采集电路的波形变换
（４） 温度转换模块：用温度传感器采集环境温度将其转化成模拟量，
并将该模拟量送入DAC0809的输入端进行模数转换。最后将转换后的数字量送入单片机89C51进行处理。电路图如图6所示。
图6 测温电路
（５） 电压转换模块：因为电网电压也是模拟量，要想利用单片机对其
进行处理仍需将模拟量进行模数转换。转换电路如图７所示。它仍利用电源电路中全波整流后的信号作为输入。因为频率采集电路也以全波整流后的信号作为输入，为了防止电压转换电路的RC回路产生的稳态电压影响频率采集电路的工作，应在电压转换模块的输入端接入二极管。
图７ 电压转换电路
（６） 键盘、状态显示模块：为了使软件编程简单，本设计利用可编程
I/O芯片8255。接法如表1所示。PB口接按键，PC口则用于控制状态显示所用的发光二极管。每个按键都通过一个10K的上拉
电阻接电源+ VCC,按键的另一端接地。当有键按下时，与该键相连的PB口的相应位变为低电平，单片机检测到该变化后即转到相应的键处理程序，同时在程序中点亮相应的发光二极管。
表1 PB、PC口与键和状态的对应关系 PB.0 PB.1 PB.2 PB.3 PB.4 PB.5 PB.6 功能 设置时设置闹小时 分钟 闹铃开 闹铃关 间 铃 PC.1 PC.2 PC.3 PC.4 PC.5 PC.6 PC.7 PB口 按键 PC口 状态
（７）
时钟 温度 电压 频率 AM/PM 闹铃响 铃不响 （８）
报警系统：将蜂鸣器一端接在单片机的P1.6口上，另一端接地。当需要报警时，在口上送上高电平即可；需要关报警时，则送低电平。
红外非接触止闹系统：红外线传输稳定、可靠，不容易受外界杂散信号的干扰，信号处理简单。为了简化系统电路，我们采用了遥控电视机中经常使用红外遥控系统。遥控器直接使用电视机的遥控器，不用改装。红外信号的接收，采用红外光电二极管与放大电路一体的红外接收器，该器件只有三只引脚，使用极其简单，电路如图8所示。用接收器输出的信号送到三极管N3的基极，N3的集电极、发射极并接在“闹铃关”两端。当接收器接收到信号并输出脉冲时，三极管N3导通，相当于“闹铃关”接通按下，单片机的相应引脚被置为低电平。单片机检测到该信号，执行相应的关闹铃程序。
图 8 红外遥控止闹电路
三、软件设计
1．主程序流程图
主程序流程图如图9所示。
2. 蜂鸣器闹铃中断服务子程序
蜂鸣器闹铃中断服务子程序流图如图10所示。当数字时钟处在闹铃开状态下到达所设置的闹铃时间时，进入该中断服务子程序。此中断服务子程序的作用是当系统处在闹铃状态下时，若闹铃关键按下或有遥控止闹，则关闭蜂鸣器；蜂鸣器在32.55s之后自动停止。
四、系统测试与分析
1．测试仪器 ：
秒表 温度表 电压表 调压器 频率计
低频信号发生器
2．基本要求部分的测试与分析
(1)
按下“设置时间”键，观察到“钟表” 和“温度”的发光二极管同时点亮，此时可对时间进行设置。按下“小时”，“分钟”键，观察数码管的小时部分和分钟部分是否随相应按键的变化而变化。经测试该步可以很好的实现。调整时间完毕后，再按一下“设置时间”
开始 初始化 显示时间 读电压 Y 电压>240V? N Y 显示电压 开启报警系统 电压<200V? N 关闭报警系统 N 有键按下吗? Y 判断键值 功能 设 设 闹闹 置 置 铃铃 时闹开关 显间 钟 显显显处处 理 理 示示示示 时温频电 间 度 率 压 图9 主程序流图
进入中断子程序 保护现场 蜂鸣器响 MOV R1, #2
MOV R2,#0FFH
定时66.536毫秒
“闹铃关”键按下或有 遥控止闹 N N R2=R2-1=0? Y N R1=R1-1=0?
Y N 关闭蜂鸣器 恢复现场 返回
图10 蜂鸣器闹铃中断服务子程序
Y (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
键，即可完成对时间的设置。
按下“设置闹铃”键，观察到“电压”、“频率”二极管同时点亮；按下“小时”、“分钟”键，观察数码管的小时部分和分钟部分是否随相应按键的变化而变化，经测试该部分可很好的实现。调整好后，再按一下“设置闹铃”键，则设置完毕。
利用秒表测量数字时钟变化1分钟时的时间间隔。由测试结果知，误差范围很小，其中包括人的反映误差。若除去人的反映误差，则由电路造成的误差可忽略不计。这其中主要的原因是设计中使用了12887专用时钟芯片。
设置好闹铃时间后，按下“闹铃开”键，在所设置的闹铃时刻观察蜂鸣器是否产生闹铃报警，并观察代表闹铃响与不响的发光二极管是否点亮。经测试该部分也能很好的完成。
在系统闹铃时按下“闹铃关”键，观察闹铃是否停止，并观察代表闹铃响与不响的发光二极管是否点亮。经测试该部分也能很好的完成。
当数字时钟的小时位大于12时，观察代表AM/PM的发光二极管是否点亮。经验证，当数字时钟的小时位大于12时，发光二极管点亮。
2． 发挥部分的测试与分析
在该部分中，利用“功能”键实现各个功能之间的切换。此时“闹铃
开”键作为各个功能的“确认”键。按下功能键，选择相应的功能，然后按
下确认键即执行相应的功能。再按一下“确认”键，即可回到时钟状态。 （1）键盘切换现场环境温度显示：按“功能”键选择“温度”，将温度传感器和温度计放入不同的测试环境中进行测试，结果如表2所示。
表2 与标准温度计测量值比较表 温度计示值(摄氏度) 0.0 25.2 49.9 70.1 100.0 数字钟输出(摄氏度) 000．0 025．3 050．0 070．3 100.0 由测试知，数字钟的输出与温度计值基本上相等，误差不大于0.5度。 （2）键盘切换电网频率、电压显示：利用调压器改变电网电压，调压器输出分别接数字时钟与电压表，将它们的电压值进行比较。如表3所示。利用低频信号发生器模拟电网频率的变化，并将其输出分别接频率计和数字时钟，将所得频率值进行比较，如表4所示。
表3 电压值 电压表 220 215 200 230 235 数字时钟 220．0 214.4 200.2 231.1 235.6 表4频率值 频率计 50 48 46 52 54 数字时钟 050.0 047.8 045.8 052.1 054.8 （3）欠压、过压报警：利用调压器改变电压值，观测出当电压大于240或小于200时数字时钟具有报警功能。
（4）利用遥控器，当闹铃响时，能对其实现遥控止闹的功能。
五、设计总结：
经过小组成员的一致努力，完成了本次课题的任务，达到了预期的的。设计制作了一个具有多种功能的数字时钟。
本设计很好的完成了基本功能部分、发挥部分的功能。 1．基本要求
（1）具有时间设置（小时和分钟）、闹钟时间设置、闹钟开、闹钟关功能。 （2）数字显示小时、分钟，有AM、PM指示器，闹钟就绪灯，蜂鸣器。 （3）220V供电。
2．发挥部分
（1）键盘切换现场环境温度显示。（0～60℃1℃） （2）键盘切换电网频率、电压显示。
（3）电压欠压、过压报警（～220V10％）功能。 （4）非接触止闹功能。
六、参考资料：
1.《微型计算机控制技术》 于海生编 清华大学出版社 1999.6 2.《MCS-51系列单片机原理及应用》 孙涵芳等编 北京航空航天大学出版社 1996.4 3.《综合电子设计与实践》 黄正谨等编 东南大学出版社 2002.3 4.《电子设计竞赛赛题解析》 黄正谨等编 东南大学出版社 2003.5
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