【正文】 南華大學(xué)船山學(xué)院單片機課程設(shè)計 第 1 頁 共 29 頁 引 言 數(shù)字電子時鐘，自從它 問世起 ，就 是 人 們 的 好 朋友，是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚?電子產(chǎn)品 ，廣泛用于 生活的方方面面 ，給人們的 學(xué)習(xí) 、 生活 、 工作帶來 了 極大的方便 。但隨著時間的推移，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生活節(jié)奏越來越快，競爭日益激烈，人們對時間計量的精度要求越來越高，應(yīng)用越來越廣 。 通常使用的晶振芯片設(shè)計的電子時鐘，在生活中使用是一個很不錯的選擇，然而在工業(yè)現(xiàn)場，環(huán)境惡劣，勢必會影響走時的進度，我們試想一下，大型的工業(yè)現(xiàn)場的走時如果因為環(huán)境的惡劣而不精確，導(dǎo)致的生產(chǎn)損失將有多大。而利用開關(guān)量控制的 PLC來設(shè)計的時鐘 是不會因為環(huán)境的因素而發(fā)生走時誤差，從而，在工業(yè)現(xiàn)場最好使用 PLC設(shè)計的時鐘。 本文主要介紹在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的時鐘用 PLC的設(shè)計。通過 PLC我們設(shè)計的這種走時精確的的時鐘，終究會變成產(chǎn)品走進工業(yè)現(xiàn)場。 南華大學(xué)船山學(xué)院單片機課程設(shè)計 第 2 頁 共 29 頁 1 設(shè)計的目的及意義 本設(shè)計通過用對一個能實現(xiàn)定時，時鐘顯示功能的時間系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)習(xí)，讓我們了解到了 51單片機應(yīng)用中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換顯示，數(shù)碼管顯示原理，靜態(tài)掃描顯示原理，單片機的定時中斷原理等，從而達到學(xué)習(xí)、了解單片機相關(guān)指令在各方面的應(yīng)用，讓我們學(xué)到更多關(guān)于單片機方面的知識。 2 芯片簡介 STC80C52單片機 芯片 引腳功能介紹 單片機的 40 個引腳大致可分為 4類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳。 ⒈ 電源 : ⑴ VCC 芯片電源，接 +5V； ⑵ VSS 接地端； ⒉ 時鐘 :XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 ⒊ 控制線 :控制線共有 4 根， ⑴ ALE/PROG: 地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編程脈沖 ① ALE 功能：用來鎖存 P0口送出的低 8位地址 ② PROG 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在EPROM 編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 ⑵ PSEN: 外 ROM 讀選通信號。 ⑶ RST/V PD:復(fù)位/備用電源。 ① RST （ Reset）功能：復(fù)位信號輸入端。 ② VPD 功能：在 Vcc 掉電情況下，接備用電源。 ⑷ EA/Vpp: 內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。 ① EA 功能：內(nèi)外 ROM選擇端。 ② Vpp 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 ⒋ I/O 線 80C51 共有 4個 8位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 個引腳。P3 口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。 STC89C52單片機 芯片封裝圖 STC89C52 芯片的封裝有 PLCC、 PQFP 以及 DIP— 40，本設(shè)計采用的是引腳雙列直插式封裝。其封裝形式如圖 。 圖 STC89C52 DIP40封裝 南華大學(xué)船山學(xué)院單片機課程設(shè)計 第 3 頁 共 29 頁 DS1302 芯片 功能的介紹 DS1302 是美國 Dallas 公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗、帶 RAM的實時時鐘芯片。該芯片采用 3 線串行接口方式 ,可提供年、月、日、星期、時、分、秒等時間信息 ,并可根據(jù)月份和閏年的情況自動調(diào)整月份的結(jié)束日期 ,同時可以根據(jù)用戶需要決定是采用 24 小時或 12 小時格式。 DS 1302 內(nèi)部帶有 31 個字節(jié) RAM ,用于存放臨時性數(shù)據(jù) ,同時具有可編程涓細電流充電能力 ,從而使外圍硬件電路設(shè)計得到了大大簡化。其中 X1 、 X2 為32. 768kHz 晶振端 , GND 為地 。RST 為復(fù)位端 ,高電平時允許 I/ O 端進行數(shù)據(jù)傳輸 ,低電平則禁止數(shù)據(jù)傳送且使 I/ O 端呈高阻狀態(tài) 。 I/ O 為串行數(shù)據(jù)輸入、輸出端 ,所有輸入、輸出數(shù)據(jù)的傳送順序均以最低位 LSB 打頭 , 最高位 MSB 結(jié)束 。SCL K為同步時鐘脈沖端 ,其上升沿將 I/ O 端數(shù)據(jù)按位寫入 DS1302 ,下降沿使 DS1302 按位輸出數(shù)據(jù)至 I/ O 端 。VCC2 、 VCC1 為主電源和備份電源端 ,當主電源 VCC2 大于備份電源 VCC1 +0. 2V 時 ,由 VCC2 對芯片供電 ,否則 ,由 VCC1 對芯片電。工作電壓范圍為 2. 5～ 5. 5 V ,工作電源和備份電源雙引腳輸入 ,功耗很低 ,當工作電壓為 2. 5 V時正常工作 ,所需電流不超過 300 nA 。另外 ,如果選擇了涓流充電功能 ,在正常情況下 ,主電源還可對備份電源進行慢速充電 ,有效延長了備份電源的使用壽命 ,保證了系統(tǒng)時間的連續(xù)可靠運行。 該芯片引腳分配如圖 圖 DS1302芯片引腳圖 DS1302芯片引腳功能說明如下表 。 表 DS1302芯片引腳功能說明 引腳名稱 引腳說明 X1,X2 GND 接地引腳 RST 復(fù)位引腳 I/O 數(shù)據(jù)輸入 /數(shù)據(jù)輸出 SCLK 串行時鐘 Vcc1， Vcc2 電源供電引腳 3 電路原理圖與功能說明 晶 振電路 南華大學(xué)船山學(xué)院單片機課程設(shè)計 第 4 頁 共 29 頁 晶體振蕩器在固定頻率振蕩器中能夠提供較高的精度，絕大多數(shù) RTC采用，晶體振蕩器輸出經(jīng)過分頻后會產(chǎn)生 1Hz的基準來刷新時間和日期。 RTC的精度主要取決于晶振的精度，晶體振蕩器在固定頻率振蕩器中能夠提供較高的精度，絕大多數(shù) RTC采用 ，晶體振蕩器輸出經(jīng)過分頻后會產(chǎn)生 1Hz的基準來刷新時間和日期。 RTC的精度主要取決于晶振的精度，晶振一般在特定的電容負載下，其調(diào)諧振蕩在正確的頻點，而當晶振調(diào)諧于 RTC電路中時，使用 6pF負載的晶振將會使時鐘變 快。 Dallas Semiconductor提供的所有 RTC均采用內(nèi)部偏置網(wǎng)絡(luò)，因而晶振可直接連接到 RTC的 X X2引腳，而不需要額外的元件。由于 RTC的晶振輸入電路具有很高的輸入阻抗 ，因此，它與晶振的連線猶如一個天線，很容易耦合系統(tǒng)其余電路的高頻干擾。而干擾信號被耦合到晶振引腳將導(dǎo)致時鐘數(shù)的增加或減少?？紤]到線路板上大多數(shù)信號的頻率高于 ，所以，通常會產(chǎn)生額外的時鐘脈沖計數(shù)。因此，晶振應(yīng)盡可能靠近 X X2引腳安裝，同時晶振、 X1/X2引腳的下方最好布成地平面。 晶振電路如圖 。 圖 晶振電路 復(fù)位電路 當 STC89C52 單片機的復(fù)位引腳 RST(全稱 RESET)出現(xiàn) 2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果 RST 持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。上電 或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機自動復(fù)位，并且在單片機運行期間，用開關(guān)操作也能使單片機復(fù)位。上電后，由于電容的充電和反相門的作用，使 RST 持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復(fù)位鍵 K后松開，也能使 RST 為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。 復(fù)位電路如圖 南華大學(xué)船山學(xué)院單片機課程設(shè)計 第 5 頁 共 29 頁 圖 復(fù)位電路 數(shù)碼管顯示電路 所謂數(shù)碼管就是為數(shù)碼管 顯示提供的各段狀態(tài)組合，即字形代碼。八段數(shù)碼管的段碼為八位，用一個字節(jié)即可表示。在段碼字節(jié)中代碼位與各段發(fā)光二極管的對應(yīng)關(guān)系表 。 表 段碼字節(jié)代碼位與發(fā)光二極管的關(guān)系 段碼 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 段名 dp g f e d c b a 段碼的值與數(shù)碼管公共引腳的接法有關(guān)。以八段數(shù)碼管為例，顯示十六進制的段碼值如表 。 表 十六進制段碼表 數(shù)字 共陽極段碼 共陰極段碼 數(shù)字 共陽 極段碼 共陰極段碼 0 C0H 3FH 9 90H 6FH 1 F9H 06H A 88H 77H 2 A4H 5BH B 83H 7CH 3 B0H 4FH C C6H 39H 4 99H 66H D A1H 5EH 5 92H 6DH E 86H 79H 6 82H 7DH F 8EH 71H 7 F8H 07H 滅 FFH 00H 8 80H 7FH 并排使用的多位數(shù)碼管稱為 LED 顯示器。 LED 顯示器多采用動態(tài)顯示方式，全部數(shù)碼管共用一套段碼驅(qū)動電路，各位數(shù)碼管的同段引腳短接 后在借到應(yīng)段碼的驅(qū)動線上。南華大學(xué)船山學(xué)院單片機課程設(shè)計 第 6 頁 共 29 頁 顯示時通過位控信號采用掃描的方法逐位地循環(huán)點亮各位數(shù)碼管。動態(tài)顯示雖然在任何一時刻只有一位數(shù)碼管被點亮，但是由于人眼具有的視覺殘留效應(yīng)，看起來與全部數(shù)碼管持續(xù)點亮的效果完全一樣。 LED 顯示器動態(tài)顯示需要為各位提供段碼以及相應(yīng)的位控制，此即通常所說的段控和位控。把 LED 顯示器段碼表預(yù)先存放在存儲器中，使用時通過查表就可以得到段碼。段碼輸出后送到公共段碼線上，也可稱為段控信號。而通過并行口輸出的相互獨立的為嘛則是起選通作用的，也稱位控或掃描信號，用于選擇顯示位。數(shù)碼管電路如圖 。 圖 數(shù)碼管電路圖 DS1302 電路 DS1302 所進行的一切工作必須先由 CPU 向 DS1302 發(fā)送命令字節(jié) , 命令字節(jié)格式如圖 。各位定義如下 :命令字節(jié)的最高位 7 必須為“ 1” ,否則禁止對 DS1302 進行操作。第 6 位是時鐘 / 日歷或 RAM 選擇位 , 如它為“ 1”可對內(nèi)部 RAM 讀寫 ,如它為“ 0”可對時鐘日歷操作。此處所謂日歷型數(shù)據(jù)即數(shù)據(jù)格式為壓縮型 BCD 碼 ,且數(shù)值必須在它的定義域內(nèi) 。例如 ,“月份”的定義域為 1～ 12“ , 秒”的定義域為 0～ 59 等等。所謂 RAM型數(shù)據(jù)即指一般 16 進制數(shù)據(jù)。位 5 至位 1 為 DS1302 內(nèi)部寄存器地址。 DS1302 有單字節(jié)和多字節(jié)兩種讀、寫方式。所謂單字節(jié)讀、寫方式即每次只能從 DS1302 中讀、寫 1 字節(jié)數(shù)據(jù)。所謂多字節(jié)讀、寫方式則每次可從 DS1302 中連續(xù)讀、寫若干字節(jié)數(shù)據(jù)。當位 5 至位 1 各位均為“ 1”時 ,DS1302為多字節(jié)讀、寫方式。最 低位 0 為“ 0”表示寫操作 ,否則為讀操作。命令字節(jié)的傳輸都是從最低位開始。 南華大學(xué)船山學(xué)院單片機課程設(shè)計 第 7 頁 共 29 頁 圖 DS1302時鐘芯片的控制 字 DS1302 采用串行方式與微控制器通訊。在片選信號 RST 變?yōu)楦唠娖胶?,可向芯片發(fā)送指令及讀取數(shù)據(jù)。 DS1302 的命令字的傳輸從最低位開始。當對 DS1302 進行寫數(shù) 據(jù)時 ,首先發(fā)寫控制指令 ,在控制指令字輸入后的下一個 SCL K時鐘的上升沿 ,數(shù)據(jù)被寫入DS1302 ,數(shù)據(jù)輸入從低位即位 0開始。當對 DS1302 進行讀數(shù)據(jù)時 ,首先發(fā)讀控制指令 ,在緊跟 8 位的控制指令字后的下一個 SCL K脈沖的下降沿讀出 DS1302 的數(shù)據(jù) ,讀出數(shù)據(jù)時從低位 0 位至高位 7 。注意在 SCLK為高電平期間 ,不能讀 I/ O 線 ,此期間 I/ O 端為高阻狀態(tài)。因此 ,在程序設(shè)計時應(yīng)保證在 SCLK上升沿之前讀 I/ O線 ,即可正確讀出時鐘數(shù)據(jù) [3 ] [8 ] 。在本記錄儀表系統(tǒng)中 ,實時時鐘軟件首先應(yīng)將日 歷信息初值 ——— 秒、分、時、日、月、星期、年等按序?qū)懭氲?DS1302 相關(guān)寄存器中 ,此后 ,時鐘便以此初值為基準進行計時 ,只要主電源 VCC2 和備份電源 VCC1 尚有一個工作正常 ,則計時就不會終止。初始化日歷信息程序分為三部分 :(1) 發(fā)送“解除寫保護”命令字 8EH 和內(nèi)容 00H ,以開放DS1302 寫操作。 (2) 發(fā)送“涓流充電”命令字 90H 和內(nèi)容 A7H ,以開放 DS1302 內(nèi)部充電電路。本系統(tǒng)選擇 DS1302 內(nèi)部充電電路為一只串聯(lián)二極管和 8kΩ限流電阻 ,因此常規(guī)情況下 ,主電源 VCC2 對備份電源 VCC1 之最大充電電流為 Imax = (VDD 二極管壓降 ) / 限流電阻 = (5 0. 7) 247。 8 = 0. 538mA 。 (3) 發(fā)送“多字節(jié)寫日歷型數(shù)據(jù)”或“單字節(jié)寫日歷型數(shù)據(jù)”命令字寫入日歷信息初值。上述部分屬于對 DS1302 內(nèi)部功能寄存器操作 ,因此必須以“單字節(jié)”方式進行發(fā)送 。而第 3 部分屬于對 DS1302 一般寄存器操作 ,故可以采用“多字節(jié)”方式發(fā)送 ,以便提高效率。同時 ,在儀表工作過程中需要讀取時間日歷信息時 ,可根據(jù)具體需要采用“多字節(jié)”方式或“單字節(jié)”方式。這里 ,無論采用“單字節(jié)”還 是“多字節(jié)”方式 ,能否可靠、準確地讀出這些信息 ,其技術(shù)關(guān)鍵是和硬件密切相聯(lián)的 DS1302 讀寫驅(qū)動程序的設(shè)計。該驅(qū)動程序的功能是產(chǎn)生正確的同步時鐘脈沖 ,并在同步時鐘脈沖上升沿將數(shù)據(jù)按位寫入 DS1302 或在同步時鐘脈沖的下降沿按位從DS1302 中讀出日歷型數(shù)據(jù) ,從而完成 1 字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。對于“多字節(jié)”方式 ,只需改變命令控制字和增加循環(huán)次數(shù)即可完成多字節(jié)的連續(xù)讀寫。寫了 DS1302 的讀寫程序。編寫 DS1302 驅(qū)動程序時