基于 51 单片机的倒计时器制作

摘要： 本文详细介绍了基于 51 单片机制作倒计时器的完整过程，包括硬件设计、软件编程以及系统调试等方面。该倒计时器可应用于多种场景，如竞赛计时、定时提醒等，通过对 51 单片机的深入运用，为读者提供一个实用的电子制作范例，有助于提升单片机开发技能与实践能力。

一、引言

倒计时器在日常生活和各种竞赛活动中有着广泛的应用。基于 51 单片机制作倒计时器，不仅能深入理解单片机的定时器功能、中断处理以及 I/O 口控制，还能根据实际需求灵活定制倒计时的时长、显示方式等功能。

二、系统设计要求

1. 能够设置倒计时的初始时间，可通过按键输入设定分钟和秒钟。
2. 以数码管动态显示倒计时时间，格式为“XX:XX”，即分钟:秒钟。
3. 倒计时过程中，每秒自动减 1，当倒计时结束时，触发报警信号，如蜂鸣器发声或 LED 闪烁。

三、硬件设计

1. 单片机核心电路
2. 选用常见的 51 单片机芯片，如 AT89C51 或 STC89C52。为其搭建稳定的时钟电路，外接 11.0592MHz 或 12MHz 的晶振，通过两个电容与晶振相连，形成振荡回路，为单片机提供精确的时钟信号。同时，设计复位电路，由一个电容和一个电阻组成简单的复位电路，当系统上电时，电容充电，复位引脚电平逐渐升高，实现复位操作，确保单片机从初始状态开始运行。
3. 数码管显示电路
4. 采用四位共阳极数码管进行倒计时时间显示。将数码管的段选引脚 a – dp 分别连接到单片机的一个 I/O 口（如 P0 口），通过限流电阻与 P0 口相连，以保护数码管和单片机 I/O 口。位选引脚则连接到另一个 I/O 口（如 P2 口），通过三极管驱动电路进行控制。三极管的基极连接到 P2 口的相应引脚，发射极接地，集电极连接到数码管的位选端，当 P2 口相应引脚输出低电平时，三极管导通，对应的数码管位被选中，从而实现动态扫描显示。
5. 按键电路
6. 设置三个按键，分别为设置键、加键和减键。按键一端连接到单片机的 I/O 口（如 P1.0 – P1.2），另一端通过上拉电阻连接到电源正端。当按键未按下时，I/O 口读取到高电平；当按键按下时，I/O 口电平被拉低，单片机通过检测 I/O 口电平变化来确定按键操作。设置键用于进入和退出时间设置模式，加键和减键在设置模式下分别用于增加和减少设定的时间值。
7. 报警电路
8. 采用蜂鸣器作为报警装置。蜂鸣器一端连接到单片机的一个 I/O 口（如 P3.7），另一端通过一个限流电阻连接到电源正端。当倒计时结束时，单片机控制 P3.7 口输出一定频率的脉冲信号，驱动蜂鸣器发声，发出报警提示。也可以添加一个 LED 灯与蜂鸣器并联，当倒计时结束时，LED 灯闪烁，增强报警效果。

四、软件设计

1. 主程序设计
2. 主程序首先进行系统初始化，包括设置单片机 I/O 口的方向、初始化定时器、设置数码管初始显示等。然后进入一个无限循环，在循环中不断检测按键操作。如果检测到设置键按下，进入时间设置模式，通过加键和减键设置倒计时的初始分钟和秒钟值，并将设置好的值存储在相应的变量中。如果未处于设置模式，则启动定时器开始倒计时，每秒定时器中断一次，在定时器中断服务程序中对倒计时时间进行减 1 操作，并更新数码管显示。当倒计时结束时，触发报警信号，即控制蜂鸣器发声和 LED 灯闪烁。
3. 定时器中断服务程序
4. 定时器采用单片机内部的定时器 0 或定时器 1，设置为定时模式。例如，使用定时器 0，设置为工作模式 1（16 位定时器）。根据晶振频率计算定时器的初值，以实现 1 秒的定时。当定时器溢出时，进入中断服务程序。在中断服务程序中，先对倒计时时间变量进行减 1 操作，然后判断倒计时是否结束。如果未结束，更新数码管显示的倒计时时间；如果结束，则停止定时器，触发报警操作。计算定时器初值的公式如下（以 12MHz 晶振为例）：
   [
   \begin{align*}
   & 计数次数=(12\times10^{6})\div12\times1\
   & = 10^{6}次\
   & 定时器初值 = 65536 – 10^{6}\
   & = 55536\
   \end{align*}
   ]
   将 55536 转换为十六进制为 0xD8EF，分别装入 TH0 和 TL0 寄存器中即可启动 1 秒定时。
5. 按键处理程序
6. 编写按键扫描函数，定期检测按键是否按下。当检测到设置键按下时，切换时间设置模式的状态标志。在时间设置模式下，当检测到加键按下时，对当前设置的分钟或秒钟值进行加 1 操作，并进行边界判断，如分钟值不能超过 99，秒钟值不能超过 59。当检测到减键按下时，进行相应的减 1 操作，同样进行边界判断。为了消除按键抖动，在检测到按键按下后，可采用软件延时一段时间（一般为 10 – 20 毫秒），然后再次检测按键状态，如果仍然为按下状态，则确认按键有效，并执行相应的操作。

五、系统调试

1. 硬件调试
2. 在硬件电路搭建完成后，首先进行目视检查，查看元器件是否焊接正确、有无虚焊、短路等明显问题。然后使用万用表测量各电路节点的电压，检查电源电路是否正常工作，晶振是否起振（可通过测量晶振两端的电压波形判断），按键按下时对应 I/O 口电平是否正确变化等。对于数码管显示电路，检查段选和位选信号是否能够正常控制数码管的显示，可通过手动给相应 I/O 口赋值来观察数码管的显示情况。对于蜂鸣器和报警电路，检查单片机控制信号能否正常驱动蜂鸣器发声和 LED 灯闪烁。
3. 软件调试
4. 在 Keil 等集成开发环境中编写好软件代码后，进行编译调试。首先检查代码是否存在语法错误，如果有语法错误，根据编译器提示进行修改。在代码语法正确的基础上，通过设置断点、单步执行等调试手段，检查程序的逻辑是否正确。例如，在定时器中断服务程序中设置断点，观察倒计时时间是否正确减 1；在按键处理程序中设置断点，检查按键操作是否能够正确响应并修改相应的设置值。可以使用串口调试助手等工具输出一些调试信息，如当前的倒计时时间、按键操作状态等，以便更直观地了解程序的执行情况。如果发现程序逻辑错误，仔细分析代码，找出错误原因并进行修正。
5. 联调
6. 在硬件调试和软件调试都基本通过后，进行系统的联调。将编译好的程序下载到 51 单片机中，观察整个倒计时器的运行情况。检查时间设置功能是否正常，倒计时是否准确进行，显示是否清晰稳定，倒计时结束时报警是否及时有效等。如果在联调过程中发现问题，需要综合考虑硬件和软件两方面的因素，进行全面的故障排查和问题解决。例如，如果发现倒计时不准确，可能是定时器初值计算错误或者晶振频率不稳定；如果时间设置功能异常，可能是按键电路连接问题或者软件中按键处理逻辑错误等。

六、结论

基于 51 单片机的倒计时器制作是一个综合性较强的电子制作项目。通过合理的硬件设计和软件编程，能够实现一个功能实用的倒计时器。在制作过程中，深入了解了 51 单片机的定时器、中断、I/O 口控制等核心功能，同时掌握了数码管显示、按键处理以及报警电路的设计与实现方法。该倒计时器可以根据实际需求进一步扩展功能，如增加暂停、继续功能，多组时间设置切换等，为开发更复杂的单片机应用系统奠定了良好的基础。

作者：韦福江