51单片机初学3-从零开始制作一款电子时钟

今天我们用STC89C52制作一款简单的单片机作品：电子时钟。除了基本的走时功能，还能手动调节时间，设置闹钟，待机唤醒。

本文包括硬件与软件设计。

我认为电子时钟需要考虑的两点：一是计时准确，误差小；二是省电，使其能在移动电源供电下超长待机。

硬件设计：

首先我们需要构思好系统框架：

基本的时钟电路与复位电路不用多说，我们用八位数码管来作为时间显示方式（显示样式为：12-00-00），其中P0口控制其段，P2口控制其位；以八个点动按钮作为键盘输入；蜂鸣器、LED分别作为提示音和指示灯。

接下来就可以设计原理图：

可以看到数码管的接线较复杂，其原理暂不多说（可参考文章51单片机初学2-数码管动态扫描_#liufenges#的博客-CSDN博客_数码管动态扫描），可以看到两个数码管的1、2、3、4、5、7、10、11是分别连起来的，然后引出来连接到P0口；两个数码管的6、8、9、12共8个脚与P2口连接。

需要注意，数码管位控制与P2口之间加入了一个锁存器74HC373，其作用是在待机时方便关闭数码管。其11脚是地址锁存端口，将其接高电平时，锁存器为透明模式，输入与输出完全相同，这里我直接接入VCC；1脚为输出锁存，高电平时无输出，低电平才有输出，这里我们用P3.6来控制其输出。下图是74HC373引脚图及其功能。

为了简化电路，蜂鸣器与LED共用一个I/O口；

单片机的数据串口引出来接到排针上，方便程序烧录。

需要注意，为了防止数码管烧坏，在P0口应串联470欧姆的限流电阻（原理图中未画出）。

所以得到所需材料：

STC89C52芯片（1块），40P底座（1只），面包板（2片），3461BS数码管（2只），点动按钮（9只），LED灯（1只），74HC373锁存芯片（1片），10K 9P排阻（4只），470欧电阻（15只），12M晶振（1只），30pF瓷片电容（两个），排针（15针），led灯，有源蜂鸣器一只（关于有源与无源蜂鸣器的区别可在网上查阅），PNP型三极管一只。

最后我们按照原理图焊接元件。以下为成品图片可供参考

为了使作品看起来简洁，我们采用双主板设计，上层为数码管、键盘，下层为单片机最小系统，两层主板使用小螺栓固定。

由于定做PCB时间较长，所以我使用洞洞板来制作电路板（若是不擅长电子焊接，最好是制作PCB），可以看到飞线很多，两块主板之间有较多的连接线（为了防止焊点受力而脱落，可以将线绕在洞洞之间）。注意焊接单片机底座时，不要把单片机装在底座上，以免焊接时烧坏单片机芯片；同样，焊接晶振时，要尽可能快，避免长时间给晶振加热而损坏晶振；安插单片机芯片时要注意对齐引脚，以免折断或者接触不良，插好后可以用万用表测量一遍所有引脚是否与底座导通；排阻公共端判断方法：在排阻最左边或者最右边会有个白色小点，有白点的一端为公共端；点动按钮有四个引脚（一组常开触点，一组常闭触点），可按照原理图所示将两个引脚接入。

单片机程序开发常用 keil软件（这里我们以Keil uVision3为例）：

首先新建工程（点击project→new→选择一个文件地址后保存），然后选择CPU型号。

STC89C52是完全兼容AT89C52的（因为STC是国产芯片，keil中没有STC芯片，只能用其他芯片代替），所以我们选择AT89C52即可（首先点Atmel，下拉之后，可以找到AT89C52）。

之后会弹出询问窗口：Copy standard 8051 Startup code to Project Folder and Add File to project？（是否复制8051启动编码到工程文件夹？），点击确认即可。若点击取消，在创建文件时也会自动添加。

可以看到创建了一个Target1的工程文件，下拉时候还有一个Source Group1的文件夹。这个文件夹里有个STARTUP.A51的文件，这就是刚才复制的8051启动编码，里面包含51单片机的寄存器、I/O口等地址的分配，这些都是软件自动生成的，一般不需要去更改。

之后添加C程序文件：File→new。然后会创建一个text1的空白文件。然后我们点击保存（或者Ctrl+S），选择保存地址（保存在一个容易找到的地方，后面需要用到），输入文件名，注意文件名要加后缀.c保存为C文件。如果是用汇编语言写程序，则加后缀.ASM。

接着右击Source Group1，在菜单中找到Add Files To Group ‘Source Group1’点击（这个选项在菜单中有加粗显示）。然后将刚才的c程序文件添加至工程，关闭对话框。可以看到Source Group1下多了之前的C文件。

然后就可以写程序了。

程序编写：

定义单片机C程序的头文件#include

为了方便后面写程序时，搞混I/O口，我们可以先定义一些功能引脚。例如蜂鸣器，我们查看原理图可以看到，蜂鸣器是由P3.1控制的，所以我们定义P3.1为蜂鸣器：sbit fm=P3^1；（‘sbit’是单片机用于定义引脚的关键字，在C语言中是没有这个关键字的；P3.1之间的点在程序中要用‘^’表示），这样，在之后的程序中，如果我们要用到蜂鸣器，只要让fm等于0或者等于1，就可以控制蜂鸣器的工作了，而不再需要使用P3^1了。

然后我们还要对数码管进行编码，数码管需要显示的字符较多，我们可以使用一个数组来定义：

char codeduan[]={0xc0,0xcf,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x7f,0xbf,0xff,0x89};

（char数据类型：在单片机中，char数据类型所占空间最少，只有1个字节（八位二进制），但他的范围为 -128~127 (signed有符号型)，unsigned为0~255。所以如果该变量数据范围不大，一般用char类型，这样做可以节省单片机空间） 。

接着定义全局变量 sec,min,hour.之所以定义为全局变量，是为了让这三个量所有函数中都是能使用的。

在本作品中，延时函数必不可少，比如数码管扫描，走时都需要延时函数（常用的方法还有定时器中断）。关于延时函数的计算问题可自行百度，为了方便，我们可以直接使用STC-IPS软件自动生成，只要输入需要延时的时间，软件可以自动生成一个延时函数，直接复制粘贴就可以（最小时间为1us）。   由于我们需要多种时间的延时，所以我们可以先把需要的延时函数先写在前面，方便之后的调用。

定义好需要的变量，我们就可以开始写主函数了。这里我们把数码管扫描与计时作为主程序，数码管扫描与计时同时进行。

接着编写调时子函数，闹钟子函数。在主程序插入判定条件，以此调用子函数。

为了添加更多花样，还添加了一个开机‘动画’  motos（）；（详情看后面的程序）

需要注意的是，子函数应置于主函数前面，否则编译时会提示 未定义子函数 。

再说说键盘的处理。键盘排列与键位设置如下。

K1、K2控制光标的左右移动，K3、K4控制数字加减，K5为确定键，K6为调时（长按4秒进入），K7设置闹钟，K8待机模式。

其他细节暂不多说，看程序即可。

完整程序如下：

/*电子时钟程序：基本电子时钟功能，能调节时间，能设置闹钟（已删减），有待机模式（已删减）*/
/*LED数码管显示器设定;
P0.0---P0.7段控线，接LED的显示段a,b,c,d,e,f,g,dp.
P2.0---P2.7位控线,从左至右

************键位设置*******************
 	            W3（+）  
  
  W1(光标左移)  W5（确认）   W2（光标右移）  	 W6（调时）      W7（闹铃）      W8 （唤醒） 
                
		        W4（-）           
**************************************/
#include
#include    //定义单片机的头文件
sbit fm=P3^1;          //定义单片机蜂鸣器
sbit plays=P3^6;	     //定义73HC373输出控制位
		 //    0    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10  11   12   13   //
char codeduan[]={0xc0,0xcf,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x7f,0xbf,0xff,0x89};	   //数码管段编码
            //    0    1    2    3    4    5    6    7    8    9    dp   -    空	H   //
char codebite[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0x00};				   //数码管位编码
char sec=0,min=0,hour=0;
void Delay1ms()		//@12.000MHz,1ms延时函数，用于数码管动态输出
{
	unsigned char i, j;
	i = 2;j = 239;
	do
	{
		while (--j);
	} while (--i);
}
void Delay50ms()		//@12.000MHz,用于蜂鸣器提示音,30ms
{
	unsigned char i, j, k;
	i = 2;j = 95;k = 43;
	do
	{	do
		{   while (--k);
		} while (--j);
	} while (--i);
}
void adjust()			     //时间调整模式子程序
{
   int H=0,cursor=3;
   char ks,twi,temps[8],K[8];
   temps[2]=11;
   temps[5]=11;
   fm=0;Delay50ms();fm=1;  //蜂鸣器响一声提示进入时间调整模式
   while(P1!=0xef)		    //如果没有按下K8，则执行循环
      {
	 if(H<180)	    {twi=0;}  	    //进入调整模式后，光标闪烁
	 if(H>180)	    {twi=1;}  
    	 if(H==360)     {H=0;}  
       for(ks=0;ks<8;ks++)
           {
	      if(cursor==1&&twi==0)
		  {
		  temps[0]=12;temps[1]=12;
		   }
		else
		   {temps[0]=sec%10;         //求余计算秒个位
                temps[1]=sec/10;}         //求商计算秒十位
	     
	      if(cursor==2&&twi==0)
		  {
		  temps[3]=12;temps[4]=12;
		   }
		else
		   {temps[3]=min%10;         //求余计算分个位
                temps[4]=min/10;}         //求商计算分十位
		    
		if(cursor==3&&twi==0)
		  {
		  temps[6]=12;temps[7]=12;
		   }
		else				   
		   {temps[6]=hour%10;	       //求余计算时个位
		    temps[7]=hour/10;}      	 //求余计算时十位		        
	      P2=codebite[ks];	      //数码管输出选位，从第0位开始//
	      P0=codeduan[temps[ks]]; //输出段，输出要显示的数字//
	      Delay1ms();			//延时1ms，防止数码管串码
		H++;
	      P0=codeduan[12];
		}
       if(P1==0xfe)	   			  /*按下‘左’键，将光标左移 */
	         { K[1]=1;}
       if(K[1]==1&&P1!=0xfe)
		   {K[1]=0;   cursor++;}
		
	 if(P1==0xfd)			   	   /*按下‘右’键，将光标右移 */
		   { K[2]=1;}
       if(K[2]==1&&P1!=0xfd)
		   {K[2]=0;   cursor--;}
	 if(cursor<1) { cursor=3;}		  
	 if(cursor>3) { cursor=1;}
		   		
	 if(P1==0xfb)			 	  /*按下‘上’键，将数字加一 */
               { K[3]=1;}
       if(K[3]==1&&P1!=0xfb)
		   { K[3]=0;   
		     switch(cursor)
		       {
			  case 1:sec++;break;
			  case 2:min++;break;
			  case 3:hour++;break;
			  default:break;
		        }
		   }		    
	 if(P1==0xf7)			 	  /*按下‘下’键，将数字减一 */
               { K[4]=1;}
       if(K[4]==1&&P1!=0xf7)
		   { K[4]=0;   
		     switch(cursor)
		       {
			  case 1:sec--;break;
			  case 2:min--;break;
			  case 3:hour--;break;
			  default:break;
		        }
		   }
	if(sec>59) {sec=0; }			     /*对时，分，秒范围进行限制 */
	if(sec<0)  {sec=59;}
	if(min>59) {min=0; }
	if(min<0)  {min=59;}	   		   		
   	if(hour>23){hour=0; }
	if(hour<0) {hour=23;}	   		
	 }
       return;					    //如果检测到K8按下，则跳出循环，返回主函数
} 
 /*开机动画子程序*/
void motos()
{
 int mot=0;
 char m;
 char motobit[8]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};
 char motoduan[8]={0xcf,0xa4,0xc0,0xa4,0x8e,0xc7,0xbf,0xbf}; /*编码显示“--LF2021” */
 while(mot<1800)
 {
  for(m=0;m<8;m++)
      { 
	 P2=motobit[m];	      //数码管输出选位，从第0位开始//
	 P0=motoduan[m];   //输出段，输出要显示的数字//
       Delay1ms();			//延时1ms，防止数码管串码
	 P0=codeduan[12];
	 mot++;
	 }
  }
  fm=0;Delay50ms();fm=1;Delay50ms();fm=0;Delay50ms();fm=1;
  return;
} 

 
  /*主程序，包含数码管显示以及计时*/
void main()
 {  int num=0,ks=0;
    char k,temp[8],moto=1;
    plays=0;	     /*打开锁存器74HC373使能端 */
    motos();	     /*调用开机动画 */
    temp[2]=11;
    temp[5]=11;
    while(1)
      {
       for(k=0;k<8;k++)
           {	  		     
	      temp[0]=sec%10;         //求余计算秒个位
            temp[1]=sec/10;         //求商计算秒十位
            temp[3]=min%10;         //求余计算分个位
            temp[4]=min/10;         //求商计算分十位
            temp[6]=hour%10;        //求余计算时个位
            temp[7]=hour/10;        //求商计算时十位
	      P2=codebite[k];	      //数码管输出选位，从第0位开始//
	      P0=codeduan[temp[k]];   //输出段，输出要显示的数字//
	      num++;
		Delay1ms();			//延时1ms，防止数码管串码
	      P0=codeduan[12];
		if(P1==0xdf)		//每次循环判断是否按下K1键
		   { 
		    if(num%10==0&&P1==0xdf)		//每10次循环，10ms，判断K1是否仍然按下
		       { 
		            ks++;		//如果每10次循环K1均按下，ks则自加一次
			      if(ks==300)	//如果KS记到300，表明k1已经连续按下4s，则进入时间调整模式,并将Ks清零
			          {
			           ks=0;
				     adjust();
			           } 
		        }		      //如果K1仍然按下，则将KS+1
		    }
            else{ks=0;}			//如果K1不再按下，则清零ks   
		if(num==865)		//经过与电脑时钟对比，找到最合适的值,以下为计时程序
		     {
		      sec++;
                  num=0;	      
                  if (sec==60)
                     {
                      sec=0;
                      min++;
                      if (min==60)
                           {
                            min=0;
                            hour++;
                            if (hour==24)
                               {hour=0;}
                            }
                      }			 	
	           }
	     }
      }   	
}

程序烧录：

由于单片机不能直接运行C语言或者汇编语言程序，必须将程序编译成hex文件才能写入单片机。写好程序后，若是首次编译，通常不会自动生成hex文件，需要进行如下设置：点击图中1处按钮“Option for Target”，在弹出的窗口中点击“Output”，然后勾选“Create HEX file”。点击确定后，点击序号4处的编译按钮，即可编译程序。

如果编译无误，则会显示0错误，0警告。并提示‘creating hex file from“#工程名#”’，说明HEX文件已经创建成功。

篇幅有限，这里暂不展示proteus仿真过程，可自行按照原理图构建电路并验证程序。

这里直接将程序写入单片机产品中。

我们需要用到软件STC—IPS，这是专门用于STC系列单片机的程序烧录软件，也附带一些辅助功能，比如定时器函数、上文提到的延时函数自动生成。下图是其窗口界面。

烧录之前，我们需要使用USB-TTL将电脑与单片机连接。连接方式如下图所示。

我们先要选择对应的单片机型号，连接单片机之后，若提示“串口打开失败”，则点击“扫描”，电脑会自动找到对应的串口。

接着，我们点击“打开程序文件”，选择刚才生成的hex文件，然后点击“下载/编程”即可将程序下载到单片机。若点击下载之后无反应，则关闭单片机电源重新打开，程序便可写入单片机。

这样，整个作品就算完成了。以下是其写入程序后的成品图。

总结：

♦功耗计算（暂时找不到标准的5V、3V电源）：

充电宝供电：电压5.15V，电流30~40mA，功耗5.15X(30~40)=154.5mW~206mW;

三节镍氢电池：电压3.91V，电流20mA左右，功耗3.91X20=78.2mW。

总的来说，功耗还是偏高，经过测试，主要的功率都消耗在数码管。单片机的功耗不超过10mW，所以待机时将数码管关闭能有效减小功耗。

♦误差问题：本时钟经过实测，还是有可见的误差。

可调的误差：运行程序需要占用很多机器时间，总时间=延时函数的时间+其他程序执行时间。而其他程序执行时间是很难计算的，只能经过对比调试来压缩延时函数的时间。

欲尽可能减小误差，需要与标准时钟(电脑或者手机的网络时间)进行对比，计算出误差，然后调节延时函数的时间。

比如：我们延时函数刚开始设置为1000ms，经过与标准时间对比1小时发现，我的时钟慢了1S，说明我时钟的误差为1/3600=0.0002778s=0.2778ms=277.8us（为了更精确计算出误差，我们可以提高对比时间，时间越长，误差越好计算）。这样，我们就可以把延时函数的时间减小278us，那延时函数就要设置为1000000-278us=999722us.为了调节的方便，我们可以使用两级级延时，一级延时函数以ms为单位，二级延时函数以us为单位，这样就很方便调试。

不可调的误差是晶振的温漂问题，晶振的震荡频率是按照25℃环境制作的，如果温度偏大或者偏小，其震荡频率都会有略微变化，进而影响CPU执行速度，造成走时不准。

更为先进的办法是使用wifi模块esp8266从网络获取时间，再将时间送给单片机，这样，走时不准的问题就能得到彻底的解决。还能使用LCD1602或者LCD12864作为显示器，这样可以显示更多的内容，就可以加入更多的花样（以后会专门介绍这两款显示器）。

关于esp8266的用法，稍微复杂些，以后再做介绍。

本文仅供参考，如有不足，还请指出。