原標題：基于AT89C2051單片機自制倒計時器設計方案

基于AT89C2051單片機自制倒計時器設計方案

倒計時器在日常生活中應用廣泛，無論是廚房計時、運動計時、學習提醒，還是工業控制中的延時操作，都離不開精確的計時功能。隨著微控制器技術的飛速發展，利用單片機設計倒計時器已成為一種主流且高效的方案。在眾多單片機型號中，AT89C2051以其高性價比、易用性、豐富的片內外設和成熟的開發環境，成為個人愛好者和初學者進行電子設計實踐的理想選擇。本文將詳細闡述基于AT89C2051單片機設計自制倒計時器的完整方案，包括系統架構、硬件設計、軟件編程、元器件選型與作用分析，旨在提供一份詳盡且可操作的設計指南。

1. 設計目標與功能需求

本設計方案旨在實現一個功能完善、操作簡便的倒計時器。具體功能需求包括：

• 計時范圍廣： 能夠設置從1秒到99分鐘59秒的倒計時。

• 顯示直觀： 采用LED數碼管顯示剩余時間，清晰易讀。

• 操作便捷： 具備時間設置（分鐘、秒）、啟動/暫停、復位等功能按鍵。

• 計時精確： 確保倒計時時間的準確性。

• 多種提醒方式： 倒計時結束時能夠發出聲光報警。

• 低功耗： 在空閑狀態下盡可能降低功耗。

• 掉電保存（可選）： 具有倒計時設置值掉電保存功能，方便下次使用（本方案暫不實現，但可作為后續擴展）。

2. 系統整體架構

基于AT89C2051單片機的倒計時器系統主要由以下幾個核心模塊構成：

• 主控制器模塊： 以AT89C2051單片機為核心，負責整個系統的協調與控制，包括時間計算、顯示驅動、按鍵檢測、報警控制等。

• 時鐘模塊： 為單片機提供精確的時鐘信號，確保計時準確性。

• 顯示模塊： 采用多位共陽極或共陰極LED數碼管顯示倒計時時間。

• 按鍵輸入模塊： 用于用戶設置時間、啟動、暫停和復位操作。

• 報警輸出模塊： 倒計時結束時發出聲音和/或光線提示。

• 電源模塊： 為整個系統提供穩定可靠的直流電源。

系統框圖如下：

       +-------------------+
       |                   |
       |  電源模塊         |
       |  (穩壓、濾波)     |
       |                   |
       +---------+---------+
                 |
                 V
       +-------------------+
       |                   |
       |  AT89C2051        |
       |  主控制器         |
       |  (CPU, 定時器, I/O)|
       |                   |
       +---------+---------+
                 |
       +---------+---------+
       |         |         |
       V         V         V
+----------+ +----------+ +----------+
|          | |          | |          |
| 時鐘模塊 | | 顯示模塊 | | 按鍵模塊 |
| (晶振)   | | (數碼管) | | (按鍵)   |
|          | |          | |          |
+----------+ +----------+ +----------+
                 |
                 V
       +-------------------+
       |                   |
       |  報警輸出模塊     |
       |  (蜂鳴器, LED)    |
       |                   |
       +-------------------+

3. 核心元器件選型與作用分析

3.1 微控制器：AT89C2051

選型理由： AT89C2051是一款高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器，具備2KB的Flash可編程和可擦除只讀存儲器（PEROM）。其主要優點包括：

• 體積小巧： 20引腳PDIP封裝，占用PCB空間小，適合小型化產品設計。

• 功能集成度高： 內部集成了CPU、FLASH存儲器、RAM、定時器/計數器、串行口、并行I/O口等，無需太多外部元件即可構建完整系統。

• 兼容性強： 與MCS-51指令集完全兼容，方便開發者移植現有代碼或利用成熟的開發工具。

• 性價比高： 價格低廉，適合個人項目或小批量生產。

• 功耗低： 特別適合電池供電的應用場景。

• 定時器/計數器資源： 擁有2個16位定時器/計數器（Timer0和Timer1），為實現精確計時提供了硬件支持。

元器件功能：

• CPU： 執行程序指令，控制整個系統的運行。

• FLASH存儲器： 存儲用戶程序代碼和數據。

• RAM： 提供運行時的數據存儲空間。

• I/O端口： P1和P3端口，用于連接按鍵、數碼管、蜂鳴器等外部設備，實現輸入輸出控制。

• 定時器/計數器（Timer0/Timer1）： 在本設計中主要用于產生精確的時間基準，例如1毫秒或1秒的定時中斷，以驅動倒計時更新和數碼管動態掃描。

• 中斷系統： 響應定時器中斷和外部中斷（如按鍵中斷），確保程序的實時性。

3.2 時鐘晶振：12MHz 晶體振蕩器

選型理由： 晶體振蕩器是單片機正常工作所需的時鐘源。選擇12MHz是因為：

• 易于計算： 對于MCS-51系列單片機，一個機器周期通常是12個振蕩周期。使用12MHz晶振，一個機器周期就是1微秒（1us），方便進行精確的時間計算和定時器設置。例如，設置1ms的定時器中斷，只需將定時器重裝載值設置為(65536 - 1000)即可。

• 穩定性好： 晶體振蕩器提供非常穩定的頻率，確保計時精度。

• 常見標準： 12MHz是51系列單片機最常用的晶振頻率之一，易于獲取。

元器件功能：

• 提供時鐘脈沖： 為AT89C2051提供穩定的時鐘信號，驅動單片機內部所有操作的時序。

• 決定指令執行速度： 晶振頻率越高，單片機執行指令的速度越快。

配套元件： 兩個20pF~33pF的瓷片電容（型號如22pF，耐壓值大于電源電壓）與晶振并聯接地，用于濾除噪聲和穩定振蕩。為啥選擇20pF~33pF瓷片電容： 這些電容作為負載電容，與晶振構成諧振電路，用于精確調節晶振的振蕩頻率，并提供穩定的振蕩波形。它們的具體容值通常由晶振制造商推薦，在此范圍內選擇是為了確保晶振能穩定起振并工作在其標稱頻率上。

3.3 顯示器件：4位共陽極LED數碼管（如CL5641AH）

選型理由：

• 顯示直觀： 數字顯示清晰明了，符合倒計時器的使用習慣。

• 成本低廉： 數碼管相對于LCD等顯示器件成本更低。

• 驅動簡單： 通過單片機I/O口直接驅動或通過譯碼器/驅動芯片驅動。本設計采用單片機I/O口進行動態掃描驅動，節省成本和PCB空間。

• 易于編程控制： 通過查表法或位操作即可實現數字顯示。

• 共陽極（或共陰極）選擇： 共陽極數碼管需要高電平（1）熄滅，低電平（0）點亮相應段；共陰極數碼管則相反。本設計選擇共陽極，因為51單片機的P0口需要外接上拉電阻才能輸出高電平，但P1、P3口可以直接輸出高低電平。如果使用P0口作為段選，則可以考慮共陰極；如果使用P1/P3口作為段選，共陽極更方便驅動（低電平點亮）。鑒于AT89C2051的I/O口數量有限，可能需要將P1和部分P3口用于段選和位選，因此選擇共陽極或共陰極都可以，但要對應好驅動方式。為了簡化電路，本設計假設采用共陽極，通過P1口作為段碼輸出，P3口作為位選輸出。

元器件功能：

• 顯示數字： 由7個筆段（a-g）和一個小數點（DP）組成，通過點亮不同筆段來顯示0-9及其他字符。

• 顯示時間： 四位數碼管可以分別顯示分鐘的十位、個位和秒的十位、個位。

配套元件：

• 限流電阻： 每個數碼管的段碼輸入端都需要串聯一個限流電阻（如220歐姆~1K歐姆，具體取決于數碼管的導通電壓和單片機的輸出能力，一般選用220歐姆~330歐姆）來限制流過LED的電流，防止LED燒毀，并使發光亮度均勻。為啥選擇限流電阻： LED是電流型器件，通過的電流必須限制在一個安全范圍內，否則會因為過電流而損壞。同時，限流電阻也能確保各個段的亮度一致。

• 三極管（如S8050 NPN型）或ULN2003達林頓管陣列： 用于驅動數碼管的位選。由于單片機的I/O口驅動能力有限，無法直接驅動整個數碼管，需要通過三極管或ULN2003進行電流放大。對于共陽極數碼管，位選信號是低電平有效，因此需要NPN型三極管作為開關，當基極接收到單片機輸出的低電平信號時，三極管導通，使得數碼管的公共陽極接地（或通過三極管連接到地），從而點亮相應的數碼管。通常選擇S8050（NPN）或S8550（PNP）等常見小功率三極管。為啥選擇S8050： S8050是一種通用NPN型晶體管，其集電極電流（Ic）可達500mA，完全能夠滿足驅動一位數碼管所需的電流。其開關特性良好，飽和壓降低，適合作為開關管使用。使用多個S8050可以獨立控制每個數碼管的亮滅，配合單片機的動態掃描實現多位數碼管顯示。

3.4 按鍵輸入：輕觸按鍵（如KSC系列）

選型理由：

• 手感好： 輕觸按鍵操作舒適，回彈迅速。

• 成本低： 價格便宜，廣泛應用于各類電子產品。

• 體積小： 占用空間小，方便布局。

• 易于連接： 直接與單片機I/O口連接即可。

元器件功能：

• 輸入控制信號： 用于設置時間（分鐘加、秒加）、啟動/暫停計時、復位計時等操作。

配套元件：

• 上拉電阻： 一般每個按鍵都需外接一個10K歐姆的上拉電阻到VCC。為啥選擇上拉電阻： 當按鍵未按下時，按鍵所在的I/O口通過上拉電阻被拉到高電平（VCC），確保輸入信號的確定性。當按鍵按下時，按鍵將I/O口直接連接到地，使I/O口變為低電平。這樣單片機就能 reliably 地檢測到按鍵的按下狀態，避免了I/O口懸空時產生的不確定狀態。

3.5 報警輸出：無源蜂鳴器或有源蜂鳴器、LED指示燈

選型理由：

• 蜂鳴器： 提供聲音報警，提醒用戶倒計時結束。

• 無源蜂鳴器： 需要單片機提供一定頻率的方波信號來驅動發聲，可以發出不同音調的聲音，編程靈活性高。

• 有源蜂鳴器： 內部集成振蕩電路，只需提供直流電壓即可發聲，使用簡單。本設計推薦使用無源蜂鳴器： 雖然需要額外編程驅動，但可以控制發聲頻率和時長，實現更豐富的報警效果，例如短促的“滴滴”聲或連續的報警聲。

• LED指示燈： 提供視覺報警，與聲音報警互補，尤其在嘈雜環境下更有效。紅色或綠色LED都可以。

元器件功能：

• 蜂鳴器： 倒計時結束時發出聲音報警。

• LED指示燈： 倒計時結束時閃爍或常亮，提供視覺報警。

配套元件：

• 三極管（如S8050 NPN型）： 如果單片機I/O口驅動能力不足以直接驅動蜂鳴器或LED（尤其是蜂鳴器，需要較大電流），則需要通過三極管進行電流放大。蜂鳴器通常需要通過三極管驅動。LED指示燈通常直接串聯一個限流電阻（如220歐姆~1K歐姆）連接到單片機I/O口即可。為啥選擇S8050： 與驅動數碼管位選類似，S8050可以作為開關，當單片機輸出信號時，驅動蜂鳴器或LED。

• 續流二極管（對于蜂鳴器）： 對于無源蜂鳴器，當驅動蜂鳴器的三極管關閉時，蜂鳴器線圈中儲存的能量會產生反向電動勢，可能會損壞三極管。并聯一個快速恢復二極管（如1N4148或1N4007）在蜂鳴器兩端，可以為反向電動勢提供一個通路，保護三極管。

3.6 電源模塊：AMS1117-3.3/5.0V穩壓芯片、電解電容、瓷片電容

選型理由：

• AT89C2051工作電壓： AT89C2051的工作電壓范圍較寬，通常為2.7V至6V。為了方便兼容其他5V邏輯器件，并獲得更好的穩定性，通常選擇5V作為系統電源。

• 穩壓： 電池供電或適配器供電時，電壓可能不穩定或高于單片機所需電壓，需要穩壓芯片提供穩定的5V或3.3V直流電源。

• AMS1117系列： 是一種常見的低壓差線性穩壓器，有多種輸出電壓型號，如AMS1117-5.0V（輸出5V）和AMS1117-3.3V（輸出3.3V）。由于AT89C2051可以工作在5V，且大部分數字邏輯器件也兼容5V，所以選擇AMS1117-5.0V作為首選。其優點是壓差小，封裝緊湊，易于使用。

元器件功能：

• 提供穩定電壓： 將外部輸入的較高或不穩定的直流電壓（如9V電池或5V USB供電）轉換為AT89C2051及其外設所需的穩定直流電壓（通常為5V）。

• 濾波： 輸入和輸出端的電解電容和瓷片電容用于濾波，去除電源噪聲，使電源更純凈。

配套元件：

• 輸入電解電容： （如10uF-100uF，耐壓值高于輸入電壓）用于平滑輸入電壓波動。

• 輸出電解電容： （如10uF-100uF，耐壓值高于輸出電壓）用于穩定輸出電壓，抑制紋波。

• 輸入/輸出瓷片電容： （如0.1uF，耐壓值高于輸入/輸出電壓）用于濾除高頻噪聲。為啥選擇這些電容： 大容量電解電容用于低頻濾波和儲能，補償瞬間電流變化；小容量瓷片電容則用于高頻濾波，吸收高頻噪聲，防止其進入芯片，確保電源的純凈和芯片的穩定工作。

4. 硬件電路設計

4.1 單片機最小系統

AT89C2051單片機最小系統包括：

• AT89C2051芯片： 核心處理器。

• 晶振電路： 12MHz晶振和兩個22pF瓷片電容。晶振連接到P1.0和P1.1（Xtal1和Xtal2）引腳。

• 復位電路： RC復位電路或按鍵復位。通常采用一個10uF電解電容和10K歐姆電阻組成上電復位，同時并聯一個復位按鍵到RST引腳，使RST引腳與VCC通過電阻相連，與地通過電容和按鍵相連。按鍵按下時，電容放電，RST為低電平；松開按鍵后，電容充電，RST為高電平，完成復位。

Code snippet

graph TD
    A[VCC] --> R1(10KΩ)
    R1 --> RST(AT89C2051 RST引腳)
    RST --> C1(10μF)
    C1 --> G1(GND)
    RST -- 按鍵 --> G2(GND)

    XTAL1(AT89C2051 XTAL1) --> X1(12MHz 晶振)
    XTAL2(AT89C2051 XTAL2) --> X1
    XTAL1 --> C2(22pF)
    C2 --> G3(GND)
    XTAL2 --> C3(22pF)
    C3 --> G4(GND)

4.2 數碼管顯示電路

本設計采用4位共陽極LED數碼管，通過單片機進行動態掃描驅動。

• 段碼線： 將數碼管的a、b、c、d、e、f、g、DP段連接到AT89C2051的P1口（P1.0-P1.7）。每個段碼線串聯一個220歐姆限流電阻。

• 位選線： 將4位數碼管的公共陽極連接到4個S8050三極管的集電極。S8050的發射極接地。S8050的基極分別通過限流電阻（如1K歐姆）連接到AT89C2051的P3口（P3.0-P3.3）。

工作原理： 單片機通過P1口輸出對應數字的段碼（低電平點亮）。同時，通過P3口控制S8050三極管的導通，每次只使一個數碼管的位選線有效（基極輸出低電平使NPN三極管導通）。通過快速輪流點亮每位數碼管，利用人眼的視覺暫留效應，實現多位數碼管同時顯示的效果。

Code snippet

graph TD
    A[AT89C2051 P1.0-P1.7 (段碼)] --> R_Seg(220Ω 限流電阻) --> Seg_A_G_DP(數碼管 段 A-G, DP)

    AT89C2051_P3_0[P3.0 (位選1)] --> R_Base1(1KΩ) --> B1[S8050 基極]
    AT89C2051_P3_1[P3.1 (位選2)] --> R_Base2(1KΩ) --> B2[S8050 基極]
    AT89C2051_P3_2[P3.2 (位選3)] --> R_Base3(1KΩ) --> B3[S8050 基極]
    AT89C2051_P3_3[P3.3 (位選4)] --> R_Base4(1KΩ) --> B4[S8050 基極]

    Num_1_Common[數碼管1 公共陽極] --> S8050_C1(S8050 集電極)
    Num_2_Common[數碼管2 公共陽極] --> S8050_C2(S8050 集電極)
    Num_3_Common[數碼管3 公共陽極] --> S8050_C3(S8050 集電極)
    Num_4_Common[數碼管4 公共陽極] --> S8050_C4(S8050 集電極)

    S8050_E1(S8050 發射極) --> G_S8050_E1(GND)
    S8050_E2(S8050 發射極) --> G_S8050_E2(GND)
    S8050_E3(S8050 發射極) --> G_S8050_E3(GND)
    S8050_E4(S8050 發射極) --> G_S8050_E4(GND)

4.3 按鍵輸入電路

設置3-4個按鍵：

• S1（SET_MIN）： 分鐘加按鍵。連接到AT89C2051的一個I/O口（如P3.4），上拉電阻到VCC。

• S2（SET_SEC）： 秒加按鍵。連接到AT89C2051的一個I/O口（如P3.5），上拉電阻到VCC。

• S3（START/PAUSE）： 啟動/暫停按鍵。連接到AT89C2051的一個I/O口（如P3.6），上拉電阻到VCC。

• S4（RESET）： 復位按鍵。連接到AT89C2051的一個I/O口（如P3.7），上拉電阻到VCC。

工作原理： 當按鍵按下時，I/O口被拉低；當按鍵釋放時，I/O口通過上拉電阻恢復高電平。單片機通過檢測I/O口的高低電平變化來判斷按鍵狀態。為避免按鍵抖動，軟件中需進行消抖處理。

Code snippet

graph TD
    A[VCC] --> R_PullUp1(10KΩ) --> P_IO1(AT89C2051 P3.4)
    P_IO1 --> S1(SET_MIN 按鍵) --> G1(GND)

    VCC --> R_PullUp2(10KΩ) --> P_IO2(AT89C2051 P3.5)
    P_IO2 --> S2(SET_SEC 按鍵) --> G2(GND)

    VCC --> R_PullUp3(10KΩ) --> P_IO3(AT89C2051 P3.6)
    P_IO3 --> S3(START/PAUSE 按鍵) --> G3(GND)

    VCC --> R_PullUp4(10KΩ) --> P_IO4(AT89C2051 P3.7)
    P_IO4 --> S4(RESET 按鍵) --> G4(GND)

4.4 報警輸出電路

• 無源蜂鳴器： 將無源蜂鳴器的一端連接到S8050三極管的集電極，另一端連接到VCC。S8050的發射極接地。S8050的基極通過限流電阻（如1K歐姆）連接到AT89C2051的一個I/O口（如P1.7，如果P1口有空閑）。蜂鳴器兩端并聯一個1N4148續流二極管。

• LED指示燈： 將LED的正極通過220歐姆限流電阻連接到VCC，負極連接到AT89C2051的一個I/O口（如P3.0，如果P3口有空閑）。倒計時結束時，單片機將該I/O口拉低即可點亮LED。或者，正極通過限流電阻連接到單片機I/O口，負極接地，單片機拉高點亮。為了節省I/O口，也可以復用數碼管的位選口作為報警LED的驅動口。

Code snippet

graph TD
    AT89C2051_P_Buzzer[P1.7 (蜂鳴器控制)] --> R_Base_Buzzer(1KΩ) --> B_Buzzer[S8050 基極]
    Buzzer_P[蜂鳴器 +] --> VCC_Buzzer(VCC)
    Buzzer_N[蜂鳴器 -] --> S8050_C_Buzzer(S8050 集電極)
    S8050_E_Buzzer(S8050 發射極) --> G_Buzzer(GND)
    Buzzer_N -- D_Buzzer(1N4148 續流二極管) --> VCC_Buzzer

    AT89C2051_P_LED[P3.0 (LED控制)] --> R_LED(220Ω) --> LED_P(LED 正極)
    LED_N(LED 負極) --> G_LED(GND)

4.5 電源電路

• 外部輸入： 可以是DC 9V適配器（如果使用AMS1117-5.0V），或者直接使用5V USB供電。

• AMS1117-5.0V穩壓： 輸入端接10uF電解電容和0.1uF瓷片電容，輸出端接10uF電解電容和0.1uF瓷片電容。AMS1117的GND引腳接地。

Code snippet

graph TD
    DC_IN[DC_INPUT (如9V)] --> C_IN_E(10μF 電解電容) --> AMS1117_IN(AMS1117-5.0V IN)
    C_IN_P(0.1μF 瓷片電容) --> AMS1117_IN
    AMS1117_GND(AMS1117 GND) --> GND_Power(GND)
    AMS1117_OUT(AMS1117-5.0V OUT) --> C_OUT_E(10μF 電解電容) --> VCC_System(VCC_5V)
    AMS1117_OUT --> C_OUT_P(0.1μF 瓷片電容) --> VCC_System

5. 軟件編程設計

軟件設計是實現倒計時器功能的關鍵。采用C語言進行編程，結構化、模塊化設計，提高代碼可讀性和可維護性。

5.1 開發環境

• IDE： Keil uVision

• 編譯器： Keil C51 Compiler

• 燒錄工具： STC-ISP（或其他支持AT89C2051的燒錄器）

5.2 軟件模塊劃分

• 主函數（main.c）： 初始化系統，進入主循環，處理按鍵事件，調度顯示和計時任務。

• 定時器中斷服務程序（timer.c）： 用于實現精確計時和數碼管動態掃描。

• 按鍵處理模塊（key.c）： 讀取按鍵狀態，進行消抖，并根據按鍵事件執行相應操作。

• 顯示模塊（display.c）： 負責數碼管的段碼轉換和位選控制，實現數字顯示。

• 報警模塊（alarm.c）： 控制蜂鳴器和LED的報警輸出。

• 全局變量定義（globals.h）： 定義時間變量、標志位等。

5.3 關鍵算法與實現

5.3.1 定時器配置與中斷

利用AT89C2051的Timer0或Timer1，配置為16位定時器模式，每隔一定時間（如1毫秒或10毫秒）觸發一次中斷。

以Timer0為例，配置為模式1（16位定時器）：

// 假設晶振為12MHz，機器周期為1us
// 定時1ms，則計數器需計數1000個機器周期
// 定時器初值 = 65536 - 定時時間 / 機器周期
// 定時1ms，初值 = 65536 - 1000 = 64536 (0xFC18)

void Timer0_Init() {
    TMOD |= 0x01;  // Timer0工作在模式1 (16位定時器)
    TH0 = 0xFC;    // 定時器初值高8位
    TL0 = 0x18;    // 定時器初值低8位
    EA = 1;        // 開總中斷
    ET0 = 1;       // 允許Timer0中斷
    TR0 = 1;       // 啟動Timer0
}

unsigned int ms_count = 0; // 毫秒計數器
unsigned int sec_count = 0; // 秒計數器
unsigned char min_display = 0; // 分鐘顯示值
unsigned char sec_display = 0; // 秒顯示值
bit timer_running = 0; // 計時器運行標志
bit alarm_on = 0; // 報警標志

void Timer0_ISR() interrupt 1 { // Timer0中斷服務程序
    TH0 = 0xFC;    // 重新裝載定時器初值
    TL0 = 0x18;

    // 毫秒計數，用于動態掃描和精確計時
    ms_count++;

    // 每10ms進行一次數碼管掃描（假設掃描頻率100Hz）
    // 或者更高頻率，如每1ms掃描一次，提高亮度均勻性
    DisplayScan(); // 數碼管動態掃描函數

    if (ms_count >= 1000) { // 每1000ms（即1秒）
        ms_count = 0;
        if (timer_running) { // 如果計時器正在運行
            if (sec_display > 0) {
                sec_display--;
            } else {
                if (min_display > 0) {
                    min_display--;
                    sec_display = 59;
                } else {
                    // 倒計時結束
                    timer_running = 0; // 停止計時
                    alarm_on = 1;      // 啟動報警
                }
            }
        }
    }

    // 報警處理（例如蜂鳴器每500ms響一次，持續2秒）
    if (alarm_on) {
        sec_count++; // 報警持續時間計數
        if (sec_count % 500 == 0) { // 每500ms翻轉蜂鳴器狀態
            BUZZER_PIN = ~BUZZER_PIN; // 翻轉蜂鳴器IO口狀態
        }
        if (sec_count >= 2000) { // 報警持續2秒
            alarm_on = 0;
            sec_count = 0;
            BUZZER_PIN = 1; // 關閉蜂鳴器 (假設高電平關閉)
        }
    }
}

5.3.2 按鍵處理與消抖

采用查詢方式讀取按鍵狀態，并加入軟件消抖。

#define KEY_SET_MIN P3_4
#define KEY_SET_SEC P3_5
#define KEY_START_PAUSE P3_6
#define KEY_RESET P3_7

// 按鍵狀態變量
unsigned char key_state_min = 0;
unsigned char key_state_sec = 0;
unsigned char key_state_start_pause = 0;
unsigned char key_state_reset = 0;

// 按鍵消抖函數，在主循環中周期性調用
void KeyScan() {
    // SET_MIN 按鍵
    if (KEY_SET_MIN == 0) { // 按鍵按下
        delay_ms(10);       // 延時消抖
        if (KEY_SET_MIN == 0) {
            if (key_state_min == 0) { // 首次按下
                key_state_min = 1;
                // 執行分鐘加操作
                if (!timer_running) { // 只有在非計時狀態下才能設置時間
                    min_display++;
                    if (min_display > 99) min_display = 0;
                }
            }
        }
    } else { // 按鍵釋放
        key_state_min = 0;
    }

    // SET_SEC 按鍵
    if (KEY_SET_SEC == 0) {
        delay_ms(10);
        if (KEY_SET_SEC == 0) {
            if (key_state_sec == 0) {
                key_state_sec = 1;
                // 執行秒加操作
                if (!timer_running) {
                    sec_display++;
                    if (sec_display > 59) sec_display = 0;
                }
            }
        }
    } else {
        key_state_sec = 0;
    }

    // START/PAUSE 按鍵
    if (KEY_START_PAUSE == 0) {
        delay_ms(10);
        if (KEY_START_PAUSE == 0) {
            if (key_state_start_pause == 0) {
                key_state_start_pause = 1;
                // 切換計時狀態
                timer_running = ~timer_running;
                alarm_on = 0; // 暫停或啟動時關閉報警
                BUZZER_PIN = 1; // 關閉蜂鳴器
            }
        }
    } else {
        key_state_start_pause = 0;
    }

    // RESET 按鍵
    if (KEY_RESET == 0) {
        delay_ms(10);
        if (KEY_RESET == 0) {
            if (key_state_reset == 0) {
                key_state_reset = 1;
                // 復位倒計時
                min_display = 0;
                sec_display = 0;
                timer_running = 0;
                alarm_on = 0;
                BUZZER_PIN = 1; // 關閉蜂鳴器
            }
        }
    } else {
        key_state_reset = 0;
    }
}

// 簡單延時函數 (實際應用中應避免在中斷中調用，或使用更精確的延時)
void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++) {
        for (j = 0; j < 1200; j++); // 12MHz晶振，約1ms延時
    }
}

5.3.3 數碼管動態掃描顯示

在定時器中斷中調用顯示掃描函數，以實現穩定和亮度均勻的顯示。

// 段碼表 (共陽極，低電平點亮)
unsigned char code_table[] = {
    0xC0, // 0
    0xF9, // 1
    0xA4, // 2
    0xB0, // 3
    0x99, // 4
    0x92, // 5
    0x82, // 6
    0xF8, // 7
    0x80, // 8
    0x90, // 9
    0xFF  // 熄滅
};

// 位選控制引腳 (假設共陽極，低電平使能位選三極管)
sbit DIG1_EN = P3^0; // 數碼管1 (分鐘十位)
sbit DIG2_EN = P3^1; // 數碼管2 (分鐘個位)
sbit DIG3_EN = P3^2; // 數碼管3 (秒十位)
sbit DIG4_EN = P3^3; // 數碼管4 (秒個位)

// 顯示緩存
unsigned char display_buffer[4]; // 存儲分鐘十位，分鐘個位，秒十位，秒個位

void UpdateDisplayBuffer() {
    display_buffer[0] = min_display / 10;
    display_buffer[1] = min_display % 10;
    display_buffer[2] = sec_display / 10;
    display_buffer[3] = sec_display % 10;
}

unsigned char current_digit = 0; // 當前掃描的位數

void DisplayScan() {
    // 先關閉所有位選，防止重影
    DIG1_EN = 1;
    DIG2_EN = 1;
    DIG3_EN = 1;
    DIG4_EN = 1;

    // 更新顯示數據
    UpdateDisplayBuffer();

    switch (current_digit) {
        case 0: // 顯示分鐘十位
            P1 = code_table[display_buffer[0]];
            DIG1_EN = 0;
            break;
        case 1: // 顯示分鐘個位
            // 如果是分鐘個位，并且秒位不是0且未計時，則點亮小數點作為分隔符
            if (sec_display != 0 && !timer_running) {
                P1 = code_table[display_buffer[1]] & 0x7F; // 0x7F表示點亮小數點
            } else {
                P1 = code_table[display_buffer[1]];
            }
            DIG2_EN = 0;
            break;
        case 2: // 顯示秒十位
            P1 = code_table[display_buffer[2]];
            DIG3_EN = 0;
            break;
        case 3: // 顯示秒個位
            P1 = code_table[display_buffer[3]];
            DIG4_EN = 0;
            break;
    }

    current_digit++;
    if (current_digit >= 4) {
        current_digit = 0;
    }
}

5.3.4 主函數邏輯

#include <reg51.h> // 包含51單片機頭文件

// 定義I/O口別名 (根據實際電路連接修改)
sbit BUZZER_PIN = P1^7; // 蜂鳴器控制引腳

// 全局變量聲明 (在globals.h中聲明，這里為了完整性再次列出)
extern unsigned char min_display;
extern unsigned char sec_display;
extern bit timer_running;
extern bit alarm_on;

// 函數聲明
void Timer0_Init();
void KeyScan();
void DisplayScan();
void UpdateDisplayBuffer();
void delay_ms(unsigned int ms);


void main() {
    // 初始化系統
    min_display = 0;
    sec_display = 0;
    timer_running = 0;
    alarm_on = 0;
    BUZZER_PIN = 1; // 默認關閉蜂鳴器

    Timer0_Init(); // 初始化定時器0

    while (1) {
        KeyScan(); // 掃描按鍵

        // 可以在這里添加其他不要求嚴格實時性的任務
        // 例如：低功耗模式切換 (如果需要)
        // CheckPowerMode();
    }
}

5.4 軟件注意事項

• 中斷優先級： 本設計中定時器中斷是核心，通常設置為高優先級。按鍵處理可以放在主循環中。

• 按鍵消抖： 軟件消抖是必須的，防止一個按鍵按下被識別多次。

• 資源限制： AT89C2051的RAM和FLASH資源有限，編寫代碼時要盡量精簡，避免使用過于復雜的算法和過多的全局變量。

• 端口復用： AT89C2051的P1口和P3口是復用的，設計時要合理分配I/O口資源，避免沖突。例如，P1.0/P1.1用于晶振，P3.0/P3.1是RXD/TXD，P3.2/P3.3是INT0/INT1。

• 低功耗： 如果是電池供電，可以考慮在空閑時進入單片機掉電模式，通過按鍵喚醒。但本設計為簡化，暫未實現此功能。

6. 調試與測試

在完成硬件搭建和軟件編程后，需要進行充分的調試和測試，確保倒計時器功能正常。

• 分模塊測試：

• 電源模塊測試： 上電后測量AMS1117的輸出電壓是否穩定在5V。

• 最小系統測試： 編寫一個簡單的跑馬燈程序，測試單片機是否正常工作，晶振是否起振。

• 數碼管顯示測試： 編寫程序，讓數碼管循環顯示0-9，檢查所有段和位是否正常點亮，亮度是否均勻。

• 按鍵測試： 編寫程序，按下按鍵時點亮一個LED，測試按鍵是否能被正確識別，并觀察消抖效果。

• 蜂鳴器測試： 編寫程序，讓蜂鳴器發出聲音，測試報警功能。

• 聯調： 將各模塊整合，運行完整的倒計時程序。

• 計時精度測試： 使用秒表校準倒計時器的計時精度，如果偏差大，可能需要微調定時器初值或檢查晶振。

• 按鍵功能測試： 逐一測試分鐘加、秒加、啟動/暫停、復位等按鍵功能是否符合預期。

• 報警功能測試： 倒計時結束時，測試聲光報警是否正常觸發。

• 穩定性測試： 長時間運行倒計時器，觀察是否有異常現象，如死機、顯示錯亂等。

7. 擴展與改進

在完成基本功能后，可以考慮以下擴展和改進，提升倒計時器的實用性和用戶體驗：

• 掉電保存功能： 使用EEPROM（如24C02）或AT89C2051內部的Flash存儲，保存設置的倒計時時間，在下次上電時自動恢復。

• 低功耗模式： 引入單片機睡眠模式，在沒有計時或操作時進入低功耗狀態，延長電池壽命。通過按鍵中斷喚醒。

• 更多的功能模式：

• 正計時模式： 增加秒表功能。

• 多組預設時間： 允許用戶存儲幾組常用時間，方便快速調用。

• 循環計時： 實現計時結束后自動復位并開始下一輪計時。

• 顯示升級：

• 液晶顯示器（LCD）： 如果預算和I/O口允許，可以使用1602或12864LCD顯示更多信息，如當前狀態、模式等。

• 更亮的數碼管： 選擇更高亮度的數碼管，或者調整限流電阻值（在安全電流范圍內）。

• 更強大的報警： 增加震動電機，實現無聲震動提醒。

• 外觀設計： 設計一個美觀的外殼，提升產品整體質感。

• 溫度補償晶振： 對于對計時精度要求非常高的應用，可以考慮使用TCXO（溫度補償晶體振蕩器）來進一步提高精度。

8. 總結

基于AT89C2051單片機設計自制倒計時器是一個非常適合初學者和電子愛好者的實踐項目。通過本方案的詳細闡述，從設計目標、系統架構、元器件選型到硬件電路和軟件編程，希望能夠為讀者提供清晰的指導。在實際操作中，理解每個元器件的作用、合理規劃電路、細致編寫代碼以及耐心調試是成功的關鍵。通過這個項目，不僅能掌握AT89C2051單片機的基本應用，還能深入理解數字電路、C語言編程和嵌入式系統開發的基礎知識，為今后更復雜的電子設計打下堅實的基礎。