多功能数字时钟
目 录
一． 方案论证与比较
二． 系统设计
三． 软件设计
四． 系统测试与分析
五． 设计总结
六． 参考资料
摘要
本设计由单片机 89C51、DS12887A 时钟芯片、DAC0809 模数转换芯片
为核心，辅以必要的电路，构成了一个具有多功能的数字时钟 。它由 220V、50Hz
交流电源供电，能够准确的显示时间、调整时间、闹钟定时，并能够对时钟所
在的环境温度、工作时的电网电压、电网频率进行显示，还具有电压欠压、过
压报警以及非接触止闹功能。
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。
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 U
o
=12V，所以电阻
��� 12
I
U
R
o
。因为电网电压一般
数码管显示模块
单
片
机
温度转换模块
频率采集模块
时钟芯片
报警系统
键盘 状态显示
电源
电压转换模块
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
10
2
��� RE
�
ms,所以取
fE
�
1000
2
�
。
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
