简易数字钟的设计

第三单元简易数字钟的设计数字钟是一种用数字显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无需机械传动等优点。

因而得到了广泛的应用。

小到人们日常生活中的电子手表，大到车站、码头、机场等公共场所的大型数字电子钟,数字钟到处可见。

在数字电路的学习中，已经学习过用计数器芯片搭建数字钟。

51单片机内部集成了定时器/计数器，这为构建数字钟带来了方便。

在本单元中，学习如何用51单片机来构建一个功能数字钟。

【任务要求】➢在6个数码管上显示时、分、秒，共6位数字。

➢通过单片机内部定时器控制走时，走时准确。

➢系统有四个按键，功能分别是调整时间，加，减，确定。

在按下调整键时候，显示“时”的两位数码管以1 Hz 频率闪烁。

如果再次按下调整键，则“分”开始闪烁，“时”恢复正常显示，依次循环，直到按下确定键，恢复正常的显示。

在数码管闪烁的时候，按下加或者减键可以调整相应的显示内容。

按键支持短按和长按，即短按时，所修改的数字每次增加1或者减小1，长按时候以一定速率连续增加或者减少10。

【学习知识点】➢数码管的原理，驱动程序的实现。

➢51单片机内部定时器的原理及应用➢独立按键的原理及程序的实现。

【内容安排】第一节：数码管显示原理及应用实现第二节：独立按键检测原理及应用实现第三节：计时的原理及实现第四节：基于定时器的程序改进第五节：数字钟的构建第一节数码管显示原理及应用实现1.1 数码管显示原理数字钟要把时间显示到数字显示装置上，常用的数字显示装置有数码管、液晶、LED、CRT显示器等。

在单片机系统设计中，LED数码管是最基本的显示装置。

在数字钟的设计中我们用数码管对中的小时、分和表来进行显示。

LED数码管能显示各种数字或符号，由于它具有显示清晰、亮度高、寿命长、价格低廉等特点，因此使用非常广泛。

图1.1是几个数码管的图片：a图为单位数码管， b图为双位数码管，c图为四位数码管。

a 单位数码管b 双位数码管c 四位数码管图1.1 数码管图片那么数码管是如何的工作呢？还记得我们小时候玩过的“火柴棒游戏”吗，几根火柴组合起来，可以拼成各种各样的图形，数码管实际上就是利用这个原理做成的。

图1.2 单个数码管引脚标号，共阴和共阳的内部连接图单个数码管由8个发光二极管组成，其中7个长条形的发光管排列成一个“日”字形，我们称之为“段”，另一个圆点形的发光管在数码管的右下角作为小数点用，图1.2中的a 图是数码管的段标号以及外接引脚排列图，由图可以看出，单个数码管共有10个引脚，其中8个发光二极管的一端分别与数码管的8八个引脚相接，8个发光二极管的另外一端汇集在一起，称之为公共端，与数码管上下排引脚当中的那个引脚相连，称之为“公共端”。

公共端既可以接地,也可以接高电平。

公共端接地的数码管，是将发光二极管的阴极连接在一起接地，点亮数码管，各段需加高电平，称之为“共阴极数码管”；公共端接高电平的数码管，是将发光二极管的阳极连接在一起接高电平，点亮数码管，各段需加低电平，称之为“共阴极数码管”；图1.2中的b图和c图分别是共阴极数码管和共阳极数码管内部原理图。

1.2 单个数码管的控制我们以共阴极的数码管为例，先介绍如何控制一个8段数码管显示“0”－“F”16个数字或数字。

例1.1 单个数码管显示“0”－“F”1）硬件电路设计图1..4 单个LED数码管控制电路图1.3 单个数码管显示控制电路由于51单片机I/O高电平驱动能力有限，故在数码管与单片机之间串入锁存器74HC573，增加段的驱动能力,段限流电阻330Ω。

2）软件设计为了获得“0”－“F”16个不同字符，数码管各段所加的电平不同，因此I/O口输出的编码也不同。

因此首先要建立一个编码表，见表3.1。

表3.1 LED数码管字型字段编码表有了字型段码对照表，就可以用软件的方式进行8段码的译码。

如要显示字型“1”，P0输出值为0x06；显示字型“2”，P0口输出值为0x5B。

#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define port_seg P1uchar code seg_7[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//0-F的字码放在数组中，数组名前面的code表示把数组的元素放在Flash中，而不是//RAM，这样可以节省RAM的空间。

//************************************************************************ // ms延时子函数//************************************************************************ void delayms(uint xms)//1ms的延时函数{uint i,j;for(i=0;i<112;i++)for(j=0;j<xms;j++);}//************************************************************************ // 主函数//************************************************************************ void main(void){uchar count;while(1) //定义循环变量{for(count=0;count<16;count++) //16次循环{port_seg=seg_7[count]; //从数组中取段码值赋给P1口delayms(1000); //间隔1s}}}讨论区：（1）限流电阻可以像图1.4那样接么？在图1.4中，限流电阻接在数码管和地之间，而不是接在锁存器与数码管之间，合理的选取电阻的阻值，可以实现数码管的点亮，而且只用了一个电阻，节省了电路的成本。

看起来是完美的方案，但是在实际调试的时候，我们会发现显示不同的数值，数码管的段亮度不同。

比喻说：显示”8”，亮度较低，显示”1”。

亮度较高，这是为什么呢？原因在于，只接一只电阻，各段电流和是一定的，当数码管段显示”8”的时候，7段全亮，那么每一段的电流就只有总电流的图1.3 只接一只电阻1/7，而如果显示”1”，那么每一段的电流为总电流的1/2，显示不同数字或者字符，段电流不相等，所以亮度也不同。

所以这种电阻的接入方法是不合理的。

（2）如何来识别数码管的引脚1.3 多位数码管的显示一个LED数码管只能显示一位数字，一般在系统中经常使用多个LED数码管，如要显示时间、温度、转速等等。

在上面一位数码管控制显示的简单例子中，我们可以看到，一个数码管要使用51单片机的8个I/O口来输出段码，当使用多个数码管的时候，显然采用这种控制方式有些问题，因为51单片机不能提供太多的I/O控制引脚。

多个数码管的显示驱动系统的实现，有多种不同的方式可以采用，而且在硬件和合软件的设计上也是不同的。

多个LED数码管显示电路按驱动方式可分为静态显示和动态显示两种方法。

采用静态方式显示时，除了在改变显示数据的时间外，所有的数码管都处于通电发光状态，每个数码管通电占空比为100%，静态显示的优点：显示稳定，亮度高，程序设计简单，MCU负担小，缺点是：占用硬件多（如I/O口、锁存电路等），耗电量大。

图2.19 是4个共阳极数数码管静态显示时的连接方式与显示状态，当单片机系统中使用静态数码管显示时，需要在每一个数码管上添加一个锁存器，当需要某个数码管显示其他内容时，只需要修改与其相连的锁存器的值即可。

而所谓动态显示方式，就是一位一位地轮流点亮各个数码管。

对于每一位数码管而言，每隔一定时间点亮一次，所以当扫描的时间间隔足够小时，观察者就不会感觉到数码管在闪烁，看到的现象就是所有数码管在一起发光（同看电影的道理是一样的）。

在动态显示中，数码管的将不仅仅由导通时电流的大小决定，而且还跟每一位点亮的时间和扫描周期这两个因素有关。

动态显示的优点：占用硬件资源小，耗电量小。

缺点是：显示稳定性不够好，亮度低，程序设计相对复杂，MCU负担过重。

为了减轻MCU的负担和编程的复杂性，同时简化外围电路，还可以使用专用的数码管控制器件。

图2.20 4个共阴极数码管动态显示时的连接方式与显示状态1. 使用串行传送数据的静态显示。

(1)硬件设计在静态显示的描述中，每位数码管都需要接一个锁存器，MCU把要显示的数据送给锁存器，锁存器锁存器之后再送给数码管，这里采用了移位寄存器74HC595来驱动8位静态数码管，74HC595末级带有锁存器，同时可以实现数据的串行传输，节省了I/O口。

图式串行传送数据的硬件电路图。

图设计中将八片八位串行输入/并行输出移位寄存器74HC595依次串接，第一片74HC595的DS端接到MCU的数据输出端P2^7，其他的74HC595的DS端分别接前一片的Q7’端，所有的74HC595的sTcp和sHcp分别相接到一起与MCU的P2^6和P2^5相连（sTcp是数据的移位脉冲，sHcp是存储器使能端）。

在经过sTcp时钟线64个脉冲后，要显示的8个字符并没有在8个数码管上显示，而是存储在移位寄存器内部的存储器中，然后再经过一个sHcp的脉冲，数据才会在8个数码管上显示，最先发送的显示字符段码将显示在最右边。

在这个电路中，硬件上使用了8片8位串行输入/并行输出移位寄存器74HC595串接，占用了MCU的3个I/O口，，硬件开销大，软件的实现比较简单，MCU只需把显示的内容一次性输出即可，如果显示内容没有变化时，MCU是不需要对显示部分进行任何操作的。

（2）软件设计#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ds=P2^7;sbit sh_cp=P2^6;sbit st_cp=P2^5;uchar code table[]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6}; //共阴数码管段码void seg595(uchar num){ uchar i,seg_num;seg_num=table[num];for(i=0;i<8;i++){ sh_cp=0;ds=seg_num&0x01;sh_cp=1;seg_num=seg_num>>1;}}void main(void){st_cp=0;seg595(1);seg595(2);seg595(3);seg595(4);seg595(5);seg595(6);seg595(7);seg595(8);sh_cp=1;while(1);}2. 数码管动态显示设计（一）采用数码管动态扫描显示方式，可以节省硬件电路，但软件设计相对复杂。