【正文】 南華大學(xué)船山學(xué)院單片機(jī)課程設(shè)計(jì)引 言數(shù)字電子時(shí)鐘，自從它問世起，就是人們的好朋友，是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚碾娮赢a(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(shí)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(shí)間計(jì)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(jì)的電子時(shí)鐘，在生活中使用是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇，然而在工業(yè)現(xiàn)場，環(huán)境惡劣，勢必會影響走時(shí)的進(jìn)度，我們試想一下，大型的工業(yè)現(xiàn)場的走時(shí)如果因?yàn)榄h(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(jì)的時(shí)鐘是不會因?yàn)榄h(huán)境的因素而發(fā)生走時(shí)誤差，從而，在工業(yè)現(xiàn)場最好使用PLC設(shè)計(jì)的時(shí)鐘。本文主要介紹在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的時(shí)鐘用PLC的設(shè)計(jì)。通過PLC我們設(shè)計(jì)的這種走時(shí)精確的的時(shí)鐘，終究會變成產(chǎn)品走進(jìn)工業(yè)現(xiàn)場。1 設(shè)計(jì)的目的及意義本設(shè)計(jì)通過用對一個(gè)能實(shí)現(xiàn)定時(shí)，時(shí)鐘顯示功能的時(shí)間系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，讓我們了解到了51單片機(jī)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(jī)的定時(shí)中斷原理等，從而達(dá)到學(xué)習(xí)、了解單片機(jī)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(jī)方面的知識。2 芯片簡介 STC80C52單片機(jī)芯片引腳功能介紹單片機(jī)的40個(gè)引腳大致可分為4類：電源、時(shí)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(shí)鐘:XTALXTAL2 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/VPD: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(gè)8位并行I/O端口：P0、PPP3口，共32個(gè)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(jī)芯片封裝圖 STC89C52芯片的封裝有PLCC、PQFP以及DIP—40，本設(shè)計(jì)采用的是引腳雙列直插式封裝。 STC89C52 DIP40封裝 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(shí)時(shí)時(shí)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(shí)、分、秒等時(shí)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(shí)可以根據(jù)用戶需要決定是采用24 小時(shí)或12 小時(shí)格式。DS 1302 內(nèi)部帶有31 個(gè)字節(jié)RAM ,用于存放臨時(shí)性數(shù)據(jù),同時(shí)具有可編程涓細(xì)電流充電能力,從而使外圍硬件電路設(shè)計(jì)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(shí)允許I/ O 端進(jìn)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(shí)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(dāng)主電源VCC2 大于備份電源VCC1 +0. 2V 時(shí),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(dāng)工作電壓為2. 5 V時(shí)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(jìn)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(shí)間的連續(xù)可靠運(yùn)行。 DS1302芯片引腳圖。 DS1302芯片引腳功能說明引腳名稱引腳說明X1,X2GND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(shí)鐘Vcc1，Vcc2電源供電引腳3 電路原理圖與功能說明 晶振電路晶體振蕩器在固定頻率振蕩器中能夠提供較高的精度，晶體振蕩器輸出經(jīng)過分頻后會產(chǎn)生1Hz的基準(zhǔn)來刷新時(shí)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，晶體振蕩器輸出經(jīng)過分頻后會產(chǎn)生1Hz的基準(zhǔn)來刷新時(shí)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(fù)載下，其調(diào)諧振蕩在正確的頻點(diǎn)，使用6pF負(fù)載的晶振將會使時(shí)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XX2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(gè)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(shí)鐘數(shù)的增加或減少。，所以，通常會產(chǎn)生額外的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)。因此，晶振應(yīng)盡可能靠近XX2引腳安裝，同時(shí)晶振、X1/X2引腳的下方最好布成地平面。 晶振電路 復(fù)位電路當(dāng)STC89C52單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)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(shí)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(jī)自動復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開關(guān)操作也能使單片機(jī)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(shí)間的高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵K后松開，也能使RST為一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。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(gè)字節(jié)即可表示。 段碼字節(jié)代碼位與發(fā)光二極管的關(guān)系段碼D7D6D5D4D3D2D1D0段名dpgfedcba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。 十六進(jìn)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0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF8EH71H7F8H07H滅FFH00H880H7FH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。顯示時(shí)通過位控信號采用掃描的方法逐位地循環(huán)點(diǎn)亮各位數(shù)碼管。動態(tài)顯示雖然在任何一時(shí)刻只有一位數(shù)碼管被點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(dú)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)碼管電路圖 DS1302電路DS1302 所進(jìn)行的一切工作必須先由CPU 向DS1302 發(fā)送命令字節(jié), 。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(jìn)行操作。第6 位是時(shí)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(shí)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?yàn)?～12“, 秒”的定義域?yàn)?～59 等等。所謂RAM型數(shù)據(jù)即指一般16 進(jìn)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(dāng)位5 至位1 各位均為“1”時(shí),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。 DS1302時(shí)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(dāng)對DS1302 進(jìn)行寫數(shù)據(jù)時(shí),首先發(fā)寫控制指令,在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCL K時(shí)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(dāng)對DS1302 進(jìn)行讀數(shù)據(jù)時(shí),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(gè)SCL K脈沖的下降沿讀出DS1302 的數(shù)據(jù),讀出數(shù)據(jù)時(shí)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(jì)時(shí)應(yīng)保證在SCLK上升沿之前讀I/ O線,即可正確讀出時(shí)鐘數(shù)據(jù)[3 ] [8 ] 。在本記錄儀表系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)時(shí)鐘軟件首先應(yīng)將日歷信息初值———秒、分、時(shí)、日、月、星期、年等按序?qū)懭氲紻S1302 相關(guān)寄存器中,此后,時(shí)鐘便以此初值為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)時(shí),只要主電源VCC2 和備份電源VCC1 尚有一個(gè)工作正常,則計(jì)時(shí)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(hù)”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(jìn)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(shí),在儀表工作過程中需要讀取時(shí)間日歷信息時(shí),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(zhǔn)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(jì)。該驅(qū)動程序的功能是產(chǎn)生正確的同步時(shí)鐘脈沖,并在同步時(shí)鐘脈沖上升沿將數(shù)據(jù)按位寫入DS1302 或在同步時(shí)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(shí),首先應(yīng)對硬件電路使用的端口進(jìn)行定義聲明,并初始化芯片引腳及工作狀態(tài),系統(tǒng)一切就緒后執(zhí)行讀寫操作。同時(shí),DS1302 在執(zhí)行相應(yīng)操作時(shí),應(yīng)保證延時(shí)時(shí)間的選擇需滿足芯片的時(shí)序要求,并注意RTS 引腳的及時(shí)打開與關(guān)閉,以確保數(shù)據(jù)的正常讀寫和避免CPU 的長時(shí)間占用,減少干擾,提高程序的執(zhí)行效率。這里由于篇幅的原因僅給出程序設(shè)計(jì)流程,驅(qū)動程序有需要可向筆者索取。 DS1302工作流程圖 接口電路設(shè)計(jì)在溫度測量記錄儀表中,DS1302 與微處理器的接口電路如圖2 所示。該微處理器采用宏晶科技推出的STC89C516RD + 單片機(jī)作為主控芯片,該產(chǎn)品具有片內(nèi)資源豐富、超強(qiáng)抗干擾、高抗靜電、超低功耗、寬電壓、不怕電源抖動、在系統(tǒng)可編程、加密性強(qiáng)、無法解密、可降低單片機(jī)時(shí)鐘對外部電磁輻射等特點(diǎn)[7 ] ,其良好的性能保證了各個(gè)器件的協(xié)調(diào)可靠工作及