【正文】 ........................................................................ XIX 6 控制系統(tǒng)的軟件 設(shè)計(jì) .......................................................................................... XXI 7 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試 ................................................................................... XXVIII 系統(tǒng)仿真 ............................................................................................ XXVIII I 1 引 言 數(shù)字電子鐘具有走時(shí)準(zhǔn)確，一鐘多用等特點(diǎn)，在生活中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上已有現(xiàn)成 的電子鐘集成電路芯片，價(jià)格便宜、使用也方便，但是人們對(duì)電子產(chǎn)品的應(yīng)用要求越來(lái)越高，數(shù)字鐘不但可以顯示當(dāng)前的時(shí)間，而且可以顯示期、農(nóng)歷 、以及星期等，給人們的生活帶來(lái)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(jī)具有體積小、功能強(qiáng)可靠性高、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，不僅已成為工業(yè)測(cè)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(gè)角落，有力地推動(dòng)了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，應(yīng)用前景廣闊。 時(shí)鐘電路在計(jì)算機(jī)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(chǔ)。在一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，時(shí)鐘有兩方面的含義：一是指為保障系統(tǒng)正常工作的基準(zhǔn)振蕩定時(shí)信號(hào)，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(jī)系統(tǒng)工作的快慢；二是指系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)時(shí)鐘，即定時(shí)時(shí)間，它通常有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一是用軟件實(shí)現(xiàn)，即用單片機(jī)內(nèi)部的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但誤差很大，主要用在對(duì)時(shí)間精度要求不高的場(chǎng)合；二是用專門的時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)，在對(duì)時(shí)間精度要求很高的情況下，通常采用這種方法，典型的時(shí)鐘芯片有： DS1302， DS12887， X1203 等都可以滿足高精度的要求。 AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) 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(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 AT89S51 具有如下特點(diǎn)： 40個(gè)引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì) 此外， AT89S51 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM定時(shí)計(jì)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(fù)位。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn) 品的需求。 本文主要介紹用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí) /計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)電子時(shí)鐘的方法，本設(shè)計(jì)由單片機(jī) 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(gè)單片機(jī)電子時(shí)鐘。 電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì) 2 關(guān)于電子時(shí)鐘 電子時(shí)鐘簡(jiǎn)介 1957 年 ,Ventura 發(fā)明了世界上第一個(gè)電子表，從而奠定了電子時(shí)鐘的基礎(chǔ)，電子時(shí)鐘開(kāi)始迅速發(fā)展起來(lái)?，F(xiàn)代的電子時(shí)鐘是基于單片機(jī)的一種計(jì)時(shí)工具，采用延時(shí)程序產(chǎn)生一定的時(shí)間中 斷，用于一秒的定義，通過(guò)計(jì)數(shù)方式進(jìn)行滿六十秒分鐘進(jìn)一，滿六十分小時(shí)進(jìn)一，滿二十四小時(shí)小時(shí)清零。從而達(dá)到計(jì)時(shí)的功能，是人民日常生活補(bǔ)課缺少的工具。 電 子時(shí)鐘的基本特點(diǎn) 現(xiàn)在高精度的計(jì)時(shí)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(shí)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(jì)時(shí)時(shí)，譯碼代替機(jī)械式傳動(dòng)，用 LED 顯示器代替指針顯示進(jìn)而顯示時(shí)間，減小了計(jì)時(shí)誤差，這種 表具有時(shí)、分、秒顯示時(shí)間的功能，還可以進(jìn)行時(shí)和分的校對(duì)，片選的靈活性好 。 電子時(shí)鐘的原理 該電子時(shí)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(dòng)電路，由延時(shí)程序和循環(huán)程序產(chǎn)生的一秒定時(shí)，達(dá)到時(shí)分秒的計(jì)時(shí)，六十秒為一分鐘，六十分鐘為一小時(shí)，滿二十四小時(shí)為一天。而電路中唯一的一個(gè)控制鍵卻擁有多種不同的功能，按下又松開(kāi)，可以實(shí)現(xiàn)屏蔽數(shù)碼管顯示的功能，達(dá)到省電的目的；直接按下不松開(kāi)，則可以通過(guò)按鍵實(shí)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(shí)現(xiàn)小時(shí)的調(diào)節(jié)，同樣每按一次小時(shí)加一。 電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì) 3 關(guān)于單片機(jī) 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)全稱為單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microsoftputer)。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，單片機(jī)主要用來(lái)控制，所以又稱為微控制器（ Microcontroller Unit）或嵌入式控制器。單片機(jī)是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)。 單片機(jī)的發(fā)展史 4 位單片機(jī) 1975 年，美國(guó)德克薩斯儀器公司首次推出 4 位單片機(jī) TMS1000；此后，各個(gè)計(jì)算機(jī)公司競(jìng)相推出四位單片機(jī)。日本松下公司的 MN1400 系列，美國(guó)洛克威爾公司的 PPS/1 系列等。四位單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有： PC 機(jī)的輸入裝置，電池充電器，運(yùn)動(dòng)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(jì)算器，多功能電話等。 8 位單片機(jī) 1972 年，美國(guó) 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(jī)。在這以后， 8 位單片機(jī)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(jī)相繼問(wèn)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(jī)的尋址能力達(dá) 64KB，片內(nèi) ROM 容量達(dá) 48KB，片內(nèi)除帶有并行 I\O電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì) 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(jī)由于功能強(qiáng)，被廣泛用于自動(dòng)化裝置、智能儀器儀表、智能接口、過(guò)程控制、通信、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 16 位單片機(jī) 1983 年以后，集成電路的集成度可達(dá)幾十萬(wàn)只管 /片，各系列 16 位單片機(jī)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的 HPC16040， NEC 公司推出的 783XX 系列等。16位單片機(jī)主要用于工業(yè)控制，智能儀器儀表，便攜式設(shè)備等場(chǎng)合。 32 位單片機(jī) 隨著高新技術(shù)只智能機(jī)器人，光盤驅(qū)動(dòng)器，激光打印機(jī)，圖像與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，復(fù)雜實(shí)時(shí) 控制，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展， 20 世紀(jì) 80 年代末推出了 32位單片機(jī)，如 Motorlora 公司的 MC683XX 系列， Intel 的 80960 系列，以及近年來(lái)流行的ARM系列單片機(jī)。 32 位單片機(jī)是單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著技術(shù)的發(fā)展及開(kāi)發(fā)成本和產(chǎn)品價(jià)格的下降，將會(huì)與 8位單片機(jī)并駕齊驅(qū)。 64 位單片機(jī) 近年來(lái)， 64位單片機(jī)在引擎控制，智能機(jī)器人，磁盤控制，語(yǔ)音圖像通信， 算法密集的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合已有應(yīng)用，如英國(guó) Inmos 公司的 Transputer T800 是高性能的64位單片機(jī)。 單片機(jī)的 特點(diǎn) ○ 1 單片機(jī)的存儲(chǔ)器 ROM 和 RAM 時(shí)嚴(yán)格區(qū)分的。 ROM 稱為程序存儲(chǔ)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(chǔ)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(jī)有更強(qiáng)的邏輯控制能電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì) 力， 特別是單片機(jī)具有很強(qiáng)的位處理能力。 ○ 3 單片機(jī)的 I/O 口通常時(shí)多功能的。由于單片機(jī)芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實(shí)際引腳數(shù)和需要的信號(hào)線的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用的方法，引腳處于何種功能，可由指令來(lái)設(shè)置或由機(jī)器狀態(tài)來(lái)區(qū)分。 ○ 4 單片機(jī)的外部擴(kuò)展能力很強(qiáng)。在內(nèi)部的各種功能部件不能滿足應(yīng)用的需求時(shí)，均可在外部進(jìn)行擴(kuò)展，與許多通用的微機(jī)接口芯片 兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的方便。 電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì) 4 方 案論證與比較 數(shù)字時(shí)鐘方案 數(shù)字時(shí)鐘是本設(shè)計(jì)的最主要的部分。根據(jù)需要，可利用兩種方案實(shí)現(xiàn)。 方案一：本方案采用 Dallas 公司的專用時(shí)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(shí)鐘鬧鐘功能，因此，可直接對(duì)其以用于顯示或設(shè)置，使得軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單。為保證時(shí)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(dāng)電網(wǎng)電壓不足或突然掉電時(shí)，系 統(tǒng)自動(dòng)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(shí)，鋰電池也能保證芯片的正常運(yùn)行，以備隨時(shí)提供正確的時(shí)間。 方案二：本方案完全用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘。原理為：在單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器設(shè)三個(gè)字節(jié)分別存放時(shí)鐘的時(shí)、分、秒信息。利用定時(shí)器與軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn) 1秒定時(shí)中斷，每產(chǎn)生一次中斷，存儲(chǔ)器內(nèi)相應(yīng)的秒值加 1；若秒值達(dá)到 60，則將其清零，并將相應(yīng)的分字節(jié)值加 1；若分值達(dá)到 60，則清零分字節(jié)，并將時(shí)字節(jié)值加 1；若時(shí)值達(dá)到 24，則將十字節(jié)清零。該方案具有硬件電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但由于每次執(zhí)行程序時(shí)，定時(shí)器都要重新賦初值，所 以該時(shí)鐘精度不高。而且，由于是軟件實(shí)現(xiàn)，當(dāng)單片機(jī)不上電，程序不執(zhí)行時(shí)，時(shí)鐘將不工作。 基于硬件電路的考慮，本設(shè)計(jì)采用方案二完成數(shù)字時(shí)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(dāng)顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止。該方式每一位都需要一個(gè) 8 位輸出口控制。靜態(tài)顯示時(shí)較小的電流能獲得較高的亮度，且字符不閃爍。但當(dāng)所顯示的位數(shù)較多時(shí)，靜態(tài)顯示所需的 I/O口太多，造成了資源的浪費(fèi)。 方案二：動(dòng)態(tài)顯示。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位的輪流點(diǎn)亮各個(gè)位，對(duì)于顯示器的每一位來(lái)說(shuō) ，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺(jué)暫留功能可以看到整個(gè)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(dǎo)通電流有關(guān)，也于電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì) 點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高穩(wěn)定度的顯示。動(dòng)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(shè)計(jì)采用方案二。 電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì) 5 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 計(jì)時(shí)方案 利用 AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí) /計(jì)數(shù)