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Digital-Clock

基于C8051F020的电子时钟设计

2018.11

一、任务要求 利用实验板资源设计一个电脑时钟。 【基本要求】

  1. 正常情况下再数码管上显示时、分、秒。
  2. 可设置3个闹钟，闹钟到时用声光提示。
  3. 可切换时间、日期、星期三种显示模式。
  4. 整点声光提示。 二、功能特点与使用说明 ·功能特点：
  5. 该电脑时钟在正常情况下会在数码管上显示“时、分、秒”，用户可换时间、日期、星期三种显示模式。
  6. 具有整点报时功能，当计时到整点时，会有“嘀嘀嘀嘀”四声提示，并且数码管显示屏伴随报时音闪烁。用户可选择开启或关闭该功能
  7. 用户可自行设置时间、日期，当年月日设置好时，内置程序自动计算当日是星期几。
  8. 具有三个闹钟，用户可自行设置闹钟“时、分”，也可关闭闹钟。闹钟到时有声光提示，声音为短促的“嘀嘀嘀嘀”四声，用户可自行关闭。

·使用说明

  1. 该电脑时钟共有6个按键，对应板上“1”、“0”、“. ”、“=”、“F1”、“F5”、“F6”。其功能分别为“（年份）显示数减一”、“显示数加一”、“切换到下一位”、“开关整点报时”、“关闹钟”、“切换显示模式”、“切换设置模式”。
  2. 切换显示模式： 正常时间显示模式如下，如12时27分45秒显示为：

在正常时间显示模式下，按一下F5，切换至星期显示模式，如周一显示为：

再按一下F5，进入日期显示模式：如2018年11月11日显示为：

再按一下F5，回到时间显示模式。出厂日期默认为2018年1月1日星期一，0时0分0秒。

  1. 年月日设置：在显示模式下，按一下F6，进入日期设置模式，计时暂停。首先是“年”的设置：按一下“0”，年份加一，按一下“1”，年份减一；按一下“. ”，跳转至月份设置：按一下“0”，月份加一，当月份为“12”时，再按“0”自动回到1月；按一下“. ” 跳转至日期设置：按一下“0”，日期加一，当日期为当月最后一天时，再按“0”自动回到1日。若再按“. ”，回到年份设置模式，如此往复。在年月日设置模式下按F6，进入时间设置模式。

  2. 时间设置：在年月日设置模式下，按一下F6，进入时间设置模式。首先是“秒”的设置：按一下“0”，秒加一，当秒数为“59”时，再按“0”自动回到“00”；按一下“. ”，跳转至“分”的设置：按一下“0”，分加一，当分数为“59”时，再按“0”自动回到“00”；按一下“. ”，跳转至“时”的设置：按一下“0”，时加一，当时数为“23”时，再按“0”自动回到“00”。若再按“. ”，回到秒数设置，如此往复。在时间设置模式下按F6，进入闹钟设置模式，时钟开始计时。

  3. 闹钟设置：该电脑时钟共有三个闹钟可供用户设置，闹钟可设置到某时某分，在该时该分0秒时有声光提示。在时间设置模式下，按F6进入闹钟1设置模式，如设置闹钟1为9点整，显示如下：

按一下“0”，分加一，其余设置同时间设置。闹钟1设置好后按F6进入闹钟2设置模式，再按F6进入闹钟3设置模式，再按F6，回到显示模式。闹钟2和闹钟3的设置方式与显示方式与闹钟1相似，设置闹钟2时会显示“A2”，设置闹钟3时会显示“A3”。设置某一闹钟时，其余闹钟到点不会响。当闹钟时为23时再按“0”，显示“Ax OFF”，x为对应闹钟号，表示闹钟关闭。

  1. 整点报时：当计时到整点（某时0分0秒）时，会有“嘀嘀嘀嘀”四声提示，并且数码管显示屏伴随报时音闪烁。用户无需进行任何操作。根据用户需求，用户按“=”键可开启或关闭整点报时，关闭后最左边的数码管显示“. ”字符，标识整点报时已关闭。

  2. 闹钟提示：当计时到达用户设置的任意一个闹钟时间（某时某分0秒）时，会有“嘀嘀嘀嘀”四声短促提示，默认提示30次。用户在闹钟响时按F1，可关闭闹钟。若闹钟设置为整点，则到点闹钟响，整点报时不再提示。 三、方案设计 ·设计思路 根据任务要求，电脑时钟应当具有以下模块：计时模块、显示模块、整点报时模块、闹钟模块、功能切换模块、数值输入（设置）模块，而后两者都是通过键盘来实现的。在用程序实现功能的过程中，我共设计了如下模块：

  3. 计时模块与计时器0模块： 该模块使用T0计时器的模式1。计算25ms延时所对应的初值为4C00H，然后执行40次即为一秒。此处分别设置如下变量：(unsigned int简写为uint，unsigned char简写为uchar) uchar toki：作为定时器执行次数的标志。 uchar sec：作为“秒”，toki=40时，计满一秒，toki置0，sec自增。 uchar min：作为“分”，sec=60时，计满一分，sec置0，min自增。 uchar hour：作为“时”，min=60时，计满一小时，min置0，hour自增。 sec, min, hour的进位关系通过time( )函数实现。

uchar day：作为“日”。 uchar month：作为“月”。 uchar year：作为“月”。 day, month, year根据实际的进位规则来进位，即“1，3，5，7，8，10，12月有31天；4，6，9，11月有30天；平年2月28天，闰年2月29天；非整百年份能被4整除的为闰年，整百年份能被400整除的为平年”。通过ymd( )函数实现。

uchar wkday作为“一周中的某一天”。给定年月日的情况下，这一天是周几，可以用Zeller公式计算。 ·Zeller公式：w = (y + [y/4] + [c/4] - 2c + [26(m+1) /10] + d – 1) mod 7，其中y为年的低2位，c为年的高2位，m为月份（当月份为1或2时，需要修正为前一年的“13”，“14”月），d为日，“[ ]”为取整运算符，“mod”为取余数运算符。 由Zeller公式计算星期，需要引入如下变量： uchar monz：作为Zeller公式下的“m”，即修正后的月份。 uchar decade：作为Zeller公式下的“y”，即年的低二位。 uchar century：作为Zeller公式下的“c”，即年的高二位。 而“d”（日期）可直接使用全局变量day来充当。 引入这些变量后，wkday=((decade+(decade/4)+(century/4)-2century+(13(monz+1)/5)+day+69)%7)即为特定日期所对应的星期。这里在原来的Zeller公式模7前加了70，用来对2000、2100这样的年份进行修正。因为wkday是无符号变量，如果运算结果小于0，结果会出错。 特别需要注意的是，Zeller公式在未经修正的前提下只能用来计算格里高利历下（即公元1582年10月15日后）的星期。考虑电脑时钟使用的实际情况，使用时会设置成实际的年月日，不会设置到1582年以前，因此不设计对Zeller公式进行修正的程序。

  1. 显示模块 C8051F020实验板上有8个8段LED数码管，其连接电路如下：

数码管的段选（每一段亮或灭）通过P2.0—P2.7端口控制，数码管的位选通过P3.0，P3.1和P3.2控制。为了让8个数码管在视觉上为“同时”显示，必须给予扫描式的段选信号，且扫描频率不能太低，扫描周期应远小于人眼的视觉暂留时间（50ms），否则会出现明显的闪烁 常见的段选扫描有顺序结构与循环结构。采用顺序结构时，由于扫描最后一位后会去执行其他代码，这样必然导致扫描的最后一位数码管亮度大于其他数码管；而循环结构中每一位数码管显示时间可以认为相同，亮度也会相同，因此在设计时，采用循环结构，通过for循环嵌套switch-case语句实现。而该语句的执行时间远远高于人眼视觉暂留效应的要求，因此可以较好地用来完成扫描功能。 根据不同程序的显示要求，共设计四个函数来实现显示功能： void display1( )：时间显示函数。 void display2( )：星期显示函数。 void display3( )：日期显示函数。 void display4( uchar k )：闹钟设置显示函数，其中k作为闹钟1-3的标志位。

3.键盘模块 C8051F020实验板采用4×5的矩阵式键盘，共有20个按键，示意如下： 7 8 9 F4 F8 4 5 6 F3 F7 1 2 3 F2 F6 0 . = F1 F5

键盘连接电路如下：

由电路图可见，键盘的“行”信号由移位寄存器74HCT164来控制，列信号由P4.0—P4.3来控制。与显示器原理相同，如果想在调用键盘的时刻按任意键都有效，则必须对键盘进行“扫描”。键盘扫描用到如下函数： void _74HCT164( )：功能是输入一个参数，然后把这个参数的值赋给移位寄存器的8个端口。 uchar keyscan( )：功能是判断有无按键按下，若有按键按下，返回键值0-19（分别对应20个按键）进行后续操作，若无按键按下，返回20。

键盘扫描设计思路如下： 首先把0000 0000（0x00）送入移位寄存器，即“行电位”全部为0。如果没有键盘按下，行上的电位不能传递到P4端口，因此P4端口低四位应全为1。让P4与1111 0000（0xf0）做按位或运算，若结果为1111 1111（0xff），说明P4.0—P4.3全为1，即无键按下。此时键值变量为20，示意无按键按下。 若结果不为1111 1111（0xff），此时应延时去抖动，防止误判或被判定为按键多次。之后再让P4与1111 0000（0xf0）做按位或运算，若仍不为0xff，说明确实有键盘被按下。此时将0001 1110（0x1e）送入移位寄存器，对键盘第一行进行扫描。若有键按下，则对应列的0电平可以传送到P4的对应端口。此时再让P4与1111 0000做按位或运算，就可识别0电平对应的列。若扫描到第一行有按键按下，则键值变量赋值为对应按键号，等待程序执行后返回键值；若扫描到第一行无按键按下，继续扫描后续行列。 同理，依次对移位寄存器赋值0001 1101（0x1d）、0001 1011（0x1b）、0001 0111（0x17），0000 1111（0x1f），即依次对第二、三、四、五行进行扫描。若有按键按下，则键值变量赋值为对应按键号，等待程序执行后返回键值，否则键值变量赋值为20，示意无按键按下。 若有按键按下，等待按键抬起后返回键值，方法为让P4与1111 0000（0xf0）做按位或运算，直到结果为1111 1111（0xff），说明按键抬起，再返回键值变量的值，

  1. 延时模块 使用for循环的空循环进行延时。由于这里的延时不需要精确到毫秒级，因此不使用定时器完成。经过测试符合要求即可。延时函数如下： void delay( uint k )：函数内部是while循环嵌套循环100次的空for循环，k为调用时的传参，表示需要延时多少次，即延时多久。具体实现方法是while（k--），执行for循环，当k自减为0时，跳出延时程序，返回之前执行的程序。

  2. 整点报时模块 void oclock( )：该函数使用if语句判断当时间为整点（某时0分0秒）时，让P3.5端口先为1，P4 += 0x10，一段时间后为0，P4 -= 0x10，反复四次，即实现到整点时报时“嘀嘀嘀嘀”四下，并且伴随屏幕闪烁与LED小灯闪烁的功能。不直接对P4赋值是为了防止整点报时的同时有按键被按下，引起程序混乱。 整点报时模式的标志位suichi[0]默认为1，若按下“=”键，suichi[0]变为0，整点报时程序不执行，display1函数中增加显示数码管的第八位为“.”,表示整点报时关闭。再按“=”键，suichi[0]变为1，整点报时程序执行，数码管第八位的“.”不再显示。

  3. 显示模式切换模块 通过void setmod( )函数实现。 具体为switch-case语句。电脑时钟默认显示时间，标志变量state[1]为0，调用display1（）函数。按一下F5键，state[1]变为1，调用display2（）函数，进入星期显示模式，再按F5，state[0]变为2，调用display3（）函数，进入日期显示模式，再按F5，state[1]变为0，回到时间显示模式。

  4. 时间、日期、闹钟设置模块 void select( )：选择待设置的模式。按下F6，标志位state[0]变为1，进入setsequence函数。 void setsequence( )：选择设置年月日或是时分秒。标志位state[2]等于0时执行setymd函数，等于1时执行sethms函数。 void setymd( )：设置年月日的函数，当state[0]=1，state[2]=0时执行。首先进行年份的设置，标志位state[4]置0。执行年份设置时首先扫描键盘，由于年份不存在“轮回”，在设置时除了能增加之外还应该能减少，故设置“0”键用来使年份加一，设置“1”键来使年份减一。若设置年份时按“. ”键，跳转至月份设置，state[4]置1；月份加至12时再加一则回到1。设置月份时按“. ”键，跳转至日期设置，state[4]置2。日期的进位校正由correctymd( )函数控制。 void sethms( )：设置时分秒的函数。设置年月日的界面下按F6，进入时分秒设置，state[2]置1。state[3]为0时设置秒，为1时设置分，为2时设置时，通过“. ”键切换，具体设置方式同上。 void correctymd( )：设置年月日时用来校正特定月份对应日期进位的函数。 void selectalarm( )：选择设置闹钟1-3。设置时分秒的界面下按F6，进入闹钟1设置。设置闹钟时默认关闭整点报时和闹钟提示功能，具体方式是先令state[10]=suichi[0]，记住整点报时的状态，然后suichi[0]、suichi[1]置0，关闭整点报时和闹钟提示。待闹钟设置完毕后，进行开关置位：suichi[1]=1,suichi[0]=state[10]，开启闹钟，整点报时恢复初态。 void stalm1( )——void stalm3( )：设置闹钟1-3的函数。state[6]为0、1、2时对应闹钟1、2、3的设置。闹钟时、分的设置、切换，闹钟顺序的切换与日期、时间设置类似，设置闹钟时数时，若时为23，再按一下“. ”，时数变为24，标志闹钟关闭，此时屏幕上显示Ax OFF（x为闹钟号）；再按一下“. ”，时数变为0，恢复正常的显示。用全局变量alarm[3][2]作为设置闹钟的变量。

  5. 闹钟提示模块 void alarm( )：闹钟到时用来提示的模块。使用if语句判断，当闹钟开关打开（即suichi[1]=1），且时、分到达闹钟设定的时间，秒为0时，闹钟响。让P3.5端口先为1，极短时间后时间后为0，反复30次。程序中执行键盘扫描，若在响铃时按F1键，跳出程序，实现“手动关闹钟”的功能。

  6. 主程序 主程序主要包括初始化程序Init_Device( )，对外部晶振频率、定时器初值进行设置。接下来设置crossbar、P3推挽输出、TR0=1开定时器，最后是一个while（1）空循环，等待定时器0、3发中断执行程序。

  7. 定时器3模块 定时器3为一自动装填的定时器，将其初值设置为0x90，用来作为除了时间、日期以外程序的控制时钟。

·资源分配 主要介绍硬件端口分配，中断分配与数组功能。

  1. 硬件端口分配 P2：LED数码管段选信号控制。 P3.0-P3.2：LED数码管位选信号控制。 P3.5：蜂鸣器控制。 P4.0-P4.3：键盘列信号控制。 P4.4-P4.5：橘色与绿色LED灯控制。 74HCT164：8位移位寄存器，利用其中5位来进行键盘行信号控制。

  2. 中断分配 interrupt 0：定时器0中断。 interrupt 14：定时器3中断。

  3. 数组功能 uchar num[17] = {0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0xee,0x3e,0x9c,0x7a,0x9e,0x8e}：“0”到“F”的字模。 uchar alarm[3][2]：设置闹钟时用来记录闹钟时、分的数组。alarm[x][0]为分，alarm[x][1]为时，x为闹钟序号。 uchar state[11]：标志位。 state[0]：设置选择标志位。 state[1]：显示模式标志位。 state[2]：时间、日期设置标志位。 state[3]：时间设置中“时、分、秒”的标志位。 state[4]：日期设置中“年、月、日”的标志位。 state[5]：是否开启整点报时的状态标志位。 state[6]：闹钟设置标志位。 state[7]：闹钟1设置中“时、分“的标志位。 state[8]：闹钟2设置中“时、分“的标志位。 state[9]：闹钟3设置中“时、分“的标志位。 state[10]：用来记忆整点报时工作状态suichi[0]的变量。

uchar suichi[2]：整点报时与闹钟提示使能标志位 suichi[0]：为1时整点报时开启，为0时整点报时关闭。 suichi[1]：为1时整点报时开启，为0时整点报时关闭。