【正文】 近年來隨著計算機(jī)在社會領(lǐng)域的滲透和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，由于它具有功能強(qiáng)，體積小，功耗低，價格便宜，工作可靠，使用方便等特點(diǎn)，因此特別適合于與控制有關(guān)的系統(tǒng)，越來越廣泛地應(yīng)用于自動控制，智能化儀器，儀表，數(shù)據(jù)采集，軍工產(chǎn)品以及家用電器等各個領(lǐng)域，單片機(jī)往往十作為一個核心部件來使用，在根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。 而通常通過單片機(jī)設(shè)計數(shù)字時鐘有 2 種方法：一是通過單片機(jī) 內(nèi)部的定時器計數(shù)器。采用軟件編程實(shí)現(xiàn)時鐘計數(shù)，一般稱為軟時鐘，這種方法硬件線路簡單，程序比較復(fù)雜，系統(tǒng)功能一般與軟件有關(guān)。通常用于對時間精度要求不高的場合。二是采用時鐘芯片，它的功能強(qiáng)大，功能不見集成在芯片內(nèi)需，自動產(chǎn)生時鐘相關(guān)功能。硬件成本較高，軟件編程簡單，通常對時鐘精確度要求較高的場合。 因此本次設(shè)計中以單片機(jī)的發(fā)展過程和發(fā)展方向?yàn)楸尘?，介紹了單片機(jī)的輸入輸出的工作原理和操作方法，中斷的工作原理和操作方法。 74LS245 的工作原理和方法，LED 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。電路設(shè)計及調(diào)試過程，本次做的數(shù)字時鐘十以（ AT89S51）為核心，結(jié)合相關(guān)的元器件（共陰的 LED 數(shù)碼管顯示器、驅(qū)動器 74LS245），在配以相應(yīng)的軟件，達(dá)到制作簡易數(shù)字鐘的目的，其硬件部分難點(diǎn)在于元器件的選擇、布局及焊接。數(shù)字時鐘的系統(tǒng)軟件程序、有：由主程序和子程序組成，主程序包含初始化參數(shù)設(shè)置，按鍵處理，數(shù)碼管顯示模塊。在設(shè)計的時候、各個模塊都采用子程序結(jié)構(gòu)設(shè)計。在主程序調(diào)用，由于定時器計數(shù)器采用中斷方式處理，因此還用辨析定時器，中斷服務(wù)子程序，在定時器，計數(shù)器中斷服務(wù)子程序中對時鐘進(jìn)行調(diào)整。 電 子 時 鐘 的 設(shè) 計 與 制 作 2 1 AT89S51 芯片簡介： 內(nèi)部結(jié)構(gòu) AT89S51 是一個低功耗，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(biāo)準(zhǔn) MCS 51 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(qiáng)大的微型計算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S51 具有如下特點(diǎn)： 40個引腳， 4k B Flash 片內(nèi)程序存儲器 ， 128 B的隨機(jī)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。 此外， AT89S51 設(shè)計和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過軟件設(shè)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(fù)位。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三 種封 裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 主要功能特性： 兼容 MCS51指令系統(tǒng) 4 KB 可反復(fù)擦寫 (1000 次） ISP Flash ROM 32 個雙向 I/O 口 工作電壓 2 個 16位可編程定時 /計數(shù)器 時鐘頻率 033MHz 全雙工 UART 串行中斷口線 128x8bit 內(nèi)部 RAM 2 個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模 式 3 級加密位 看門狗（ WDT）電路 軟件設(shè)置空閑和省電功能 靈活的 ISP 字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 89S51 是 MCS51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代 電 子 時 鐘 的 設(shè) 計 與 制 作 3 表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。 89S51 單片機(jī)包含中央處理器，程序存儲器（ RAM），數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），定時計數(shù)器，并行接口，串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明： . 中 央處理器： 中央處理器（ CPU）是整個 單 片機(jī)的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負(fù)責(zé)控制，指揮 和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。 . 數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）： 89S51 內(nèi)部有 128 個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，擁護(hù)只能訪問，而不能用于存放蠅虎數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶 定義 的字型表。 89S51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖一 1. 程序存儲器（ ROM）： 89S51 共有 4096 個 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格。 2. 定時 /計數(shù)器（ ROM）： 89S51 有兩個 16 位的可編程定時、計算器，以實(shí)現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。 3. 并行輸入輸出（ I/O）口： 89S51 時鐘 程序存儲器 數(shù)據(jù)存儲器 定時計數(shù)器 并行 I/O 口 串行通信口 中斷系統(tǒng) 電 子 時 鐘 的 設(shè) 計 與 制 作 4 89S51 共有 8 位 I/O 口（ p0、 p p p3），用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 4. 全雙工串行口： 89S51 內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異 步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 5. 中斷系統(tǒng)： 8051 具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時 /計數(shù)器和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 個級的優(yōu)先級別的選擇。 6. 時鐘電路： 8051 內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHZ 的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時序，但 8951 單片機(jī)需外置振蕩電容。 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈弗（ Harvard）結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機(jī)廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓（ Princeton）結(jié)構(gòu)。 INTEL 的 AT89S51 系列單片機(jī)采用的是哈弗結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品 16 位的 MCS96 系列單片機(jī)則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。 89S51 的引腳說明： AT89S51 系列單片機(jī)中的 8951 采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)， 下 圖是他們的引腳配置， 40 個引腳，正電源個地線兩根，外置適應(yīng)振蕩器的時鐘線兩根， 4組 8 位 32 個 I/O 口，中斷口線與 p3 口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明： 電 子 時 鐘 的 設(shè) 計 與 制 作 5 圖二 . Pin9： RESET/Vpd 復(fù)位信號復(fù)用腳： 當(dāng) 8951 通電，時鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個小時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器 PC 指向 0000H， p0p3 輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入 0BH，其它專用寄存器被清零。 RESET 由高電平下降為底電平后，系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。然而，初復(fù)位步改變 RAM(包括工作寄存器 R0R7)的狀態(tài)， 8951 的初始態(tài)。 8951 的復(fù)位方式可以是自動復(fù)位，也可以是手動復(fù)位，此外 RESET/Vpd 還是一復(fù)用腳， Vcc 掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù) 步丟失。 . Pin30： ALE/PROG 引腳： 當(dāng)訪問外部程序時， ALE（地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低字節(jié)位。而訪問內(nèi)部程序存儲器時， ALE 端將由一個 1/6 的時鐘頻率的正脈沖信號，這個脈沖信號可以用于識別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。更由一個特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲器， ALE 會跳過也個脈沖。如果單片機(jī)時 EPROM，在編程期間， PROG 將用于輸入編程脈沖。 電 子 時 鐘 的 設(shè) 計 與 制 作 6 . Pin31： EA/Vpp 引腳： 程序存儲器的內(nèi)外部選通線， 8051 和 8751 單片機(jī)，內(nèi)置由 4kB 時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過 4kB 地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如 EA 為低電平，則部管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的 8031，EA 端必須接地。在編程時， EA/Vpp 腳還需加上 21V 的編程電壓。它體積小，成本低，功能強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于智能產(chǎn)品和工業(yè)自動化上。而 51 單片機(jī)時個單片機(jī)中最為典型和最由代表的一種。這次畢業(yè)設(shè)計通過對它的學(xué)習(xí)，應(yīng)用，從而達(dá)到學(xué)習(xí)、設(shè)計、開發(fā)軟硬的能力。 電 子 時 鐘 的 設(shè) 計 與 制 作 7 2 驅(qū)動器 74LS245 簡介： 1. 74LS245 是我我們常用的芯片，用來驅(qū)動 LED 或者其它的設(shè)備，它是 8 路 同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。 2. 當(dāng) AT89S51 單片機(jī)的 P0 口總線負(fù)載達(dá)到或超過 P0 最大負(fù)載能力時，必須接入74LS245 等總線驅(qū)動器。 3. 當(dāng)片選端低電平有效時， DIR=0，信號由 B 向 A 傳輸：（接收） .DIR=1,信號由向 B 傳輸：（發(fā)送）當(dāng)片為高電平時， A、 B 均為高阻態(tài)。 4. 由于 P2 口始終輸出地址的高 8 位，接口時 74LS245 的三態(tài)控制端 /1G和 /2G接地，P2 口與驅(qū)動器輸入線對應(yīng)相連。 P0 口與 74LS245 輸入端相連 /E 端接地，保證數(shù)據(jù)暢通。 89S51 的 RD 和 PSEN 相與后接 DIR，使得 RD 或 PSEN 有效時， 74LS245輸入 DI 到 ，其它時間處于輸出 到 DI。 圖三 電 子 時 鐘 的 設(shè) 計 與 制 作 8 3 LED 數(shù)碼管簡介 LED 數(shù)碼管顯示器結(jié)構(gòu)與原理 單片機(jī)中通常用七段 LED 構(gòu)成字型 “8”，另外，還有一個小數(shù)點(diǎn)發(fā)光二極管以顯示小數(shù)位！這種顯示器有共陰和共陽兩種！發(fā)光二極管的陽極連在一起的（公共端）稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。 一位顯示器由 8 個發(fā)光二極管組成，其中， 7 個發(fā)光二極管構(gòu)成字型 “8”的各個筆劃（段） a g,另一個小數(shù)點(diǎn)為 dp 發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管上施加一定的正向電壓時 ，該段筆畫即亮；不加電壓則暗。為了保護(hù)各段 LED 不被損壞，需外加限流電阻。 共陰極 7 段 LED 顯示數(shù)字 0 ~ F、文字、符號及小數(shù)點(diǎn)的編碼（ a 段為最地位，dp 點(diǎn)為最高位） 共陰極 7 段 LED 顯示字型編碼表 顯示字符 共陰極段選碼 顯示字符 共陰極段選碼 0 3FH 5 6DH 1 06H 6 7DH 2 5BH 7 07H 3 4FH 8 7FH 4 66H 9 6FH 滅 00H 表一 LED 顯示器接口及顯 示方式 LED 顯示器有靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式兩種。靜態(tài)顯示就是當(dāng)顯示器顯示某個字符時，相應(yīng)的段恒定的導(dǎo)通或截止，直到顯示另一個字符為止。 LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極接地；若為共陽極則接 +5V電源。每位的段選線分別與一個 8 位鎖存器的輸出口相連，顯示器中的各位相互獨(dú)立，而且各位的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存的輸出將維持不變。正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯 電 子 時 鐘 的 設(shè) 計 與 制 作 9 示器的亮度較高。這種顯示方式編程容易，管理也較簡單，但占用 I/O 口線資源較多。因此，在顯示位數(shù)較多的情況下，一般都采用動態(tài)顯示方式。 由于所有 8 位段皆 由一個 I/O 口控制，因此，在每一