【正文】 ........................................................................ XIX 6 控制系統(tǒng)的軟件 設計 .......................................................................................... XXI 7 系統(tǒng)仿真與實驗測試 ................................................................................... XXVIII 系統(tǒng)仿真 ............................................................................................ XXVIII I 1 引 言 數(shù)字電子鐘具有走時準確，一鐘多用等特點，在生活中已經(jīng)得到廣泛的應用。雖然現(xiàn)在市場上已有現(xiàn)成 的電子鐘集成電路芯片，價格便宜、使用也方便，但是人們對電子產(chǎn)品的應用要求越來越高，數(shù)字鐘不但可以顯示當前的時間，而且可以顯示期、農(nóng)歷 、以及星期等，給人們的生活帶來了方便。另外數(shù)字鐘還具備秒表和鬧鐘的功能，且鬧鐘鈴聲可自選，使一款電子鐘具備了多媒體的色彩。 單片機具有體積小、功能強可靠性高、價格低廉等一系列優(yōu)點，不僅已成為工業(yè)測控領(lǐng)域普遍采用的智能化控制工具，而且已滲入到人們工作和和生活的各個角落，有力地推動了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，應用前景廣闊。 時鐘電路在計算機系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是保證系 統(tǒng)正常工作的基礎。在一個單片機應用系統(tǒng)中，時鐘有兩方面的含義：一是指為保障系統(tǒng)正常工作的基準振蕩定時信號，主要由晶振和外圍電路組成，晶振頻率的大小決定了單片機系統(tǒng)工作的快慢；二是指系統(tǒng)的標準定時時鐘，即定時時間，它通常有兩種實現(xiàn)方法：一是用軟件實現(xiàn)，即用單片機內(nèi)部的可編程定時 /計數(shù)器來實現(xiàn)，但誤差很大，主要用在對時間精度要求不高的場合；二是用專門的時鐘芯片實現(xiàn)，在對時間精度要求很高的情況下，通常采用這種方法，典型的時鐘芯片有： DS1302， DS12887， X1203 等都可以滿足高精度的要求。 AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S51 具有如下特點： 40個引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2個全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 電子時鐘的設計 此外， AT89S51 設計和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn) 品的需求。 本文主要介紹用單片機內(nèi)部的定時 /計數(shù)器來實現(xiàn)電子時鐘的方法，本設計由單片機 AT89S51 芯片和 LED數(shù)碼管為核心，輔以必要的電路，構(gòu)成了一個單片機電子時鐘。 電子時鐘的設計 2 關(guān)于電子時鐘 電子時鐘簡介 1957 年 ,Ventura 發(fā)明了世界上第一個電子表，從而奠定了電子時鐘的基礎，電子時鐘開始迅速發(fā)展起來。現(xiàn)代的電子時鐘是基于單片機的一種計時工具，采用延時程序產(chǎn)生一定的時間中 斷，用于一秒的定義，通過計數(shù)方式進行滿六十秒分鐘進一，滿六十分小時進一，滿二十四小時小時清零。從而達到計時的功能，是人民日常生活補課缺少的工具。 電 子時鐘的基本特點 現(xiàn)在高精度的計時工具大多數(shù)都使用了石英晶體振蕩器，由于電子鐘、石英鐘、石英表都采用了石英技術(shù)，因此走時精度高，穩(wěn)定性好，使用方便，不需要經(jīng)常調(diào)試，數(shù)字式電子鐘用集成電路計時時，譯碼代替機械式傳動，用 LED 顯示器代替指針顯示進而顯示時間，減小了計時誤差，這種 表具有時、分、秒顯示時間的功能，還可以進行時和分的校對，片選的靈活性好 。 電子時鐘的原理 該電子時鐘由 89C51， BUTTON，六段數(shù)碼管等構(gòu)成，采用晶振電路作為驅(qū)動電路，由延時程序和循環(huán)程序產(chǎn)生的一秒定時，達到時分秒的計時，六十秒為一分鐘，六十分鐘為一小時，滿二十四小時為一天。而電路中唯一的一個控制鍵卻擁有多種不同的功能，按下又松開，可以實現(xiàn)屏蔽數(shù)碼管顯示的功能，達到省電的目的；直接按下不松開，則可以通過按鍵實現(xiàn)分鐘的累加，每按一次分鐘加一 ；而連續(xù)兩次按下按鍵不放松，則可實現(xiàn)小時的調(diào)節(jié)，同樣每按一次小時加一。 電子時鐘的設計 3 關(guān)于單片機 單片機簡介 單片機全稱為單片機微型計算機（ Single Chip Microsoftputer)。從應用領(lǐng)域來看，單片機主要用來控制，所以又稱為微控制器（ Microcontroller Unit）或嵌入式控制器。單片機是將計算機的基本部件微型化并集成在一塊芯片上的微型計算機。 單片機的發(fā)展史 4 位單片機 1975 年，美國德克薩斯儀器公司首次推出 4 位單片機 TMS1000；此后，各個計算機公司競相推出四位單片機。日本松下公司的 MN1400 系列，美國洛克威爾公司的 PPS/1 系列等。四位單片機的主要應用領(lǐng)域有： PC 機的輸入裝置，電池充電器，運動器材，帶液晶顯示的音 /視頻產(chǎn)品控制器，一般家用電器的控制及遙控器，電子玩具，鐘表，計算器，多功能電話等。 8 位單片機 1972 年，美國 Intel 公司首先推出 8 位微處理器 8008，并于 1976 年 9 月率先推出 MCS48 系列單片機。在這以后， 8 位單片機紛紛面市。例如，莫斯特克和仙童公司合作生產(chǎn)的 3870 系列，摩托羅拉公司生產(chǎn)的 6801 系列等。隨著集成電路工藝水平的提高，一些高性能的 8 位單片機相繼問世。例如， 1978 年摩托羅拉公司的 MC6801 系列及齊洛格公司的 Z8 系列， 1979 年 NEC 公司的 UPD78XX 系列。這類單片機的尋址能力達 64KB，片內(nèi) ROM 容量達 48KB，片內(nèi)除帶有并行 I\O電子時鐘的設計 口外，還有串行 I\O 口，甚至還有 A\D 轉(zhuǎn)化器功能。 8 位單片機由于功能強，被廣泛用于自動化裝置、智能儀器儀表、智能接口、過程控制、通信、家用電器等各個領(lǐng)域。 16 位單片機 1983 年以后，集成電路的集成度可達幾十萬只管 /片，各系列 16 位單片機紛紛面市。這一階段的代表產(chǎn)品有 1983 年 Intel 公司推出的 MCS96系列， 1987 年 Intel推出了 80C96，美國國家半導體公司推出的 HPC16040， NEC 公司推出的 783XX 系列等。16位單片機主要用于工業(yè)控制，智能儀器儀表，便攜式設備等場合。 32 位單片機 隨著高新技術(shù)只智能機器人，光盤驅(qū)動器，激光打印機，圖像與數(shù)據(jù)實時處理，復雜實時 控制，網(wǎng)絡服務器等領(lǐng)域的應用與發(fā)展， 20 世紀 80 年代末推出了 32位單片機，如 Motorlora 公司的 MC683XX 系列， Intel 的 80960 系列，以及近年來流行的ARM系列單片機。 32 位單片機是單片機的發(fā)展趨勢，隨著技術(shù)的發(fā)展及開發(fā)成本和產(chǎn)品價格的下降，將會與 8位單片機并駕齊驅(qū)。 64 位單片機 近年來， 64位單片機在引擎控制，智能機器人，磁盤控制，語音圖像通信， 算法密集的實時控制場合已有應用，如英國 Inmos 公司的 Transputer T800 是高性能的64位單片機。 單片機的 特點 ○ 1 單片機的存儲器 ROM 和 RAM 時嚴格區(qū)分的。 ROM 稱為程序存儲器，只存放程序，固定常數(shù)，及數(shù)據(jù)表格。 RAM 則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。 ○ 2 采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制需要，單片機有更強的邏輯控制能電子時鐘的設計 力， 特別是單片機具有很強的位處理能力。 ○ 3 單片機的 I/O 口通常時多功能的。由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復用的方法，引腳處于何種功能，可由指令來設置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。 ○ 4 單片機的外部擴展能力很強。在內(nèi)部的各種功能部件不能滿足應用的需求時，均可在外部進行擴展，與許多通用的微機接口芯片 兼容，給應用系統(tǒng)設計帶來了很大的方便。 電子時鐘的設計 4 方 案論證與比較 數(shù)字時鐘方案 數(shù)字時鐘是本設計的最主要的部分。根據(jù)需要，可利用兩種方案實現(xiàn)。 方案一：本方案采用 Dallas 公司的專用時鐘芯片 DS12887A。該芯片內(nèi)部采用石英晶體振蕩器，其芯片精度不大于 10ms/年，且具有完備的時鐘鬧鐘功能，因此，可直接對其以用于顯示或設置，使得軟件編程相對簡單。為保證時鐘在電網(wǎng)電壓不足或突然掉電等突發(fā)情況下仍能正常工作，芯片內(nèi)部包含鋰電池。當電網(wǎng)電壓不足或突然掉電時，系 統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換到內(nèi)部鋰電池供電系統(tǒng)。而且即使系統(tǒng)不上電，程序不執(zhí)行時，鋰電池也能保證芯片的正常運行，以備隨時提供正確的時間。 方案二：本方案完全用軟件實現(xiàn)數(shù)字時鐘。原理為：在單片機內(nèi)部存儲器設三個字節(jié)分別存放時鐘的時、分、秒信息。利用定時器與軟件結(jié)合實現(xiàn) 1秒定時中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲器內(nèi)相應的秒值加 1；若秒值達到 60，則將其清零，并將相應的分字節(jié)值加 1；若分值達到 60，則清零分字節(jié)，并將時字節(jié)值加 1；若時值達到 24，則將十字節(jié)清零。該方案具有硬件電路簡單的特點。但由于每次執(zhí)行程序時，定時器都要重新賦初值，所 以該時鐘精度不高。而且，由于是軟件實現(xiàn)，當單片機不上電，程序不執(zhí)行時，時鐘將不工作。 基于硬件電路的考慮，本設計采用方案二完成數(shù)字時鐘的功能。 數(shù)碼管顯示方案 方案一：靜態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示某一字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止。該方式每一位都需要一個 8 位輸出口控制。靜態(tài)顯示時較小的電流能獲得較高的亮度，且字符不閃爍。但當所顯示的位數(shù)較多時，靜態(tài)顯示所需的 I/O口太多，造成了資源的浪費。 方案二：動態(tài)顯示。所謂動態(tài)顯示就是一位一位的輪流點亮各個位，對于顯示器的每一位來說 ，每隔一段時間點亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導通電流有關(guān)，也于電子時鐘的設計 點亮時間與間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整參數(shù)可以實現(xiàn)較高穩(wěn)定度的顯示。動態(tài)顯示節(jié)省了 I/O 口，降低了能耗。 從節(jié)省 I/O 口和降低能耗出發(fā)，本設計采用方案二。 電子時鐘的設計 5 系統(tǒng)設計 總體設計 計時方案 利用 AT89S51 單片機內(nèi)部的定時 /計數(shù)