【正文】 基于單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1 第一章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 1 . 1 功能要求 本系統(tǒng)要求能 能完成電子時(shí)鐘顯示，調(diào)整，節(jié)能運(yùn)行，電子秒表記數(shù)等多種功能，由按鍵電路或遙控電路完成功能的設(shè)置， 秒表／時(shí)鐘計(jì)時(shí)器要求用六位 LED 數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒，以 24h（小時(shí)）計(jì)時(shí)方式。使用按鍵開(kāi)關(guān) 或遙控開(kāi)關(guān) 可實(shí)現(xiàn)時(shí)分調(diào)整、秒表／時(shí)鐘功能轉(zhuǎn)換、省電 (關(guān)閉顯示 )等功能。 1 . 2 方案論證 為了實(shí)現(xiàn) LED 顯示器的數(shù)字顯示，可以采用靜態(tài)顯示法和動(dòng)態(tài)顯示法。由于靜態(tài)顯示法需要數(shù)據(jù)鎖存器等硬件，接口復(fù)雜一些?？紤]時(shí)鐘顯示只有六位，且系統(tǒng)沒(méi)有其它復(fù)雜的處理任務(wù)，所以決定采用動(dòng)態(tài)掃 描法實(shí)現(xiàn) LED 的顯示。單片機(jī)采用易購(gòu)的 AT89C51系列，這 樣單 片機(jī)可 具有足 夠的 空余硬 件資源 實(shí)現(xiàn) 其它的 擴(kuò)充功能，如考慮到要使用電池供電的話，則可采用 LV 系列單片機(jī)。硬件系統(tǒng)的總體構(gòu)成框架如圖 1 所示。 圖 1 單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體框圖 1 . 3 系統(tǒng)總 體 設(shè)計(jì) 本單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng) ，采用單片機(jī)作為控制核心，具有控制靈活，簡(jiǎn)單可靠，造價(jià)便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)雖然是一個(gè)五臟俱全的計(jì)算機(jī)，但由于本身無(wú)開(kāi)發(fā)能力，必須借肋開(kāi)發(fā)工具來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件以及對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn) 行診斷。因此，我們要研制一個(gè)較完整的單片機(jī)產(chǎn)品時(shí)，必須完成以下幾步工作： 硬件電路設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試 應(yīng)用軟件的編制、調(diào)試 應(yīng)用軟件的鏈接調(diào)試、固化、脫機(jī)運(yùn)行（即脫離開(kāi)發(fā)裝置）。 本單片機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè)階段，但各階段不是絕對(duì)分開(kāi)的，有時(shí)是交叉進(jìn)行的。 基于單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上特點(diǎn)有如下所示 1） 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。因?yàn)橛布Y(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，我們考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意如用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響 應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)花的時(shí)間長(zhǎng)，而且占用 CPU 時(shí)間。因此，選擇軟件方案時(shí)，要考慮到這此因素。 2） 整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配。 3） 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。 4） 單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器或者減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。 本電路的硬件設(shè)計(jì)包括：加 1 電路、減 1 電路、復(fù)位電路、振蕩電路與驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路等。 在完成各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì) 與調(diào)試后，我們與軟件系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，且達(dá)到了一個(gè)較為理想的結(jié)果。 單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng) 總體開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的流程圖 如圖 2 所示。 基于單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 圖 2 單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng) 總體開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的流程圖 第二章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 2 . 1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題 本 單 片機(jī) 控 制的 多功 能計(jì) 時(shí) 器系 統(tǒng) 在 硬 件系 統(tǒng)設(shè) 計(jì)上 主 要考 慮 下列幾點(diǎn)： (1) 盡可能選擇典型電路 (2) 系統(tǒng)的擴(kuò)充與外圍裝置，應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求，并留一些擴(kuò)充槽，以便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。 (3) 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件一并考慮。軟件有執(zhí)行的功能盡可能由軟件來(lái)執(zhí) 行，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件執(zhí)行硬件的功能，其響應(yīng)時(shí)間比直接使用硬件要長(zhǎng)，且占用 CPU 時(shí)間。 (4) 整個(gè)系統(tǒng)器件盡可能做到性能匹配。 (5) 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)極其重要的部分，包括器件選擇、電路板布線、通道隔離等。 (6) 單片機(jī)微處理器外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠。解決辦法是增加驅(qū)動(dòng)能力，或減少 IC 功耗，降低總線負(fù)載。 2 . 2 電路各部分硬件電路介紹 1） 單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 總體框圖如圖 3 所示。 圖 3 單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體框圖 2） 控制核心采用目前較為流行的、且價(jià)格低廉的 89C51 為控制核心，主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)電路、加 1 電路、減 1 電路、復(fù)位電路、振蕩電路、數(shù)字驅(qū)動(dòng)與顯示電路 ，下面我們一一進(jìn)行闡明。 硬件電路原理圖如圖 4 所 示。 基于單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 圖 4 硬件電路原理圖 2 . 2 . 1 單片機(jī) AT89C51 及其特點(diǎn) 本系統(tǒng)以單片機(jī) AT89C51 為控制核心， AT89C51 是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 1．主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 基于單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 5 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5 個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 圖 4 89C2051 引腳排列圖和主要參數(shù) 2．管腳說(shuō)明 ： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門(mén)電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠 用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2口緩沖器可接 收，輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電 流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸入） 基于單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ) 器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 3．芯片擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“ 1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模 式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 2 . 2 . 2 振蕩器 電路 單片機(jī)振蕩器電路如圖所指示。 基于單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 7 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 如圖（５）所示： 圖（５）振蕩電路 2 . 2 . 3 復(fù)位電路 ： MCS51 單片機(jī)的復(fù)位條件是在 RST 端出現(xiàn)正脈沖，并能保持10ms 以上的高電平，其復(fù)位電路一般采用上電復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位兩種形式，本系統(tǒng)復(fù)位如圖 ６ 所示： 圖 ６ 系統(tǒng)復(fù)位電路 2 . 2 . 4 驅(qū)動(dòng) 與顯示電路 １ .緩沖器 74LS244 本系統(tǒng)為了加大驅(qū)動(dòng)顯示能力采用 74LS244 作為驅(qū)動(dòng)器， 74LS244是一種三態(tài)輸出的八緩沖器和線驅(qū)動(dòng)器。 74LS244 緩沖器主 要用于三態(tài)輸出的存儲(chǔ)地址驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和 總 線 定向 接 收器 等 。 其管 腳 圖 如圖 7 所 指示 ， 參 數(shù)表 如 表174LS244 是三態(tài)輸出的八緩沖器，由 2 組、每組四路輸入、輸出基于單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8 構(gòu)成。每組有一個(gè)控制端，由控制端的高或低電平?jīng)Q定該組數(shù)據(jù)被接通還是斷開(kāi) 。 圖 7 74LS244 管腳排列圖 ２ .２ .5 數(shù)碼管顯示電路 本系統(tǒng)數(shù)碼管顯示電路如圖 所示，采用 6 個(gè)數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳排列圖如圖所指示，在電子鐘里能分別顯示小時(shí)，分和秒，如，在電子秒表中，分別顯示，分，表和毫秒，如 . dpecdfgba. dpdee d c dp1 2 3 4 5bafg10 9 8 7 6bafg 數(shù)碼管管腳排列圖 在本系統(tǒng)中，由于用到的 LED 顯示器的位數(shù)較多時(shí)，為減少 I/O口數(shù)目，簡(jiǎn)化電路，降低成本， 我們?cè)?LED 顯示器采用動(dòng)態(tài)顯示方式 ， 如圖 8 所示。 基于單片機(jī)控制的多功能計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 9 動(dòng)態(tài) LED 顯示器接口及工作原理 動(dòng)態(tài) LED 顯