【文章內容簡介】 3。 18 參考文獻 45 瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 設計任務分析 1 第一章 設計任務分析 課題背景 單片機自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS48 開始，迄今已有二十多年了。由于單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗低、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生 活的方方面面，單片機的應用領域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費產(chǎn)品、辦公自動化、汽車電子、 PC 機外圍以及網(wǎng)絡通訊等廣大領域。 單片機有兩種基本結構：一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器共用一個存儲器空間的結構，稱為“馮 諾依曼”（ Von Neumann）結構。另一種是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，分別尋址的結構，稱為“哈佛”（ Harvard）結構，目前的單片機采用此種結構為多。 本文討論的單片機多功能時鐘系統(tǒng)的核心是目前應用極為廣泛的 51 系列單片機，配置了 外圍設備，構成了一個可編程的計時定時系統(tǒng)，具有體積小，可靠性高，功能多等特點。不僅能滿足所需要求而且還有很多功能可供擴展，有著廣泛的應用領域。 設計任務 課題意義 在日常生活和工作中，我們常常用到定時控制，如擴印過程中的曝光定時等。早期常用的一些時間控制單元都使用模擬電路設計制作的，其定時準確性和重復精度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字技術的新一代產(chǎn)品，隨著單片機性價比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應用也越來越廣泛。大則可以構成復雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，完成復雜的控制功能；小則可以用于家電控制 ，甚至可以用于兒童電子玩具。它功能強大、體積小、質量輕、靈活好用，配以適當?shù)慕涌谛酒?，可瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 設計任務分析 2 以構成各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。 隨著電子技術的飛速發(fā)展，家用電器和辦公電子設備逐漸增多，不同的設備都有自己的控制器，使用起來很不方便。這些具有人們所需要的智能化特性的產(chǎn)品減輕了人的勞動，擴大了數(shù)字化的范圍，為家庭數(shù)字化提供了可能。 根據(jù)這種實際情況，設計了一個單片機多功能時鐘系統(tǒng)，它有基本的時間功能，還有定時功能，既可作為鬧鈴，也可擴展為定時對家電等電氣產(chǎn)品的自動控制，可以避免多種控制器的混淆，利用一個控制器對多 路電器進行控制；可增加溫度傳感器，進行實時溫度顯示，進一步擴展為利用不同的溫度某些電氣產(chǎn)品進行自動控制；也可增加濕度傳感器，進行實時濕度顯示，以便對濕度進行控制，方便人們的生活。 本章小節(jié) 本章主要介紹了課題背景、設計任務和課題意義，對單片機的優(yōu)點及結構作了簡要敘述，也對本系統(tǒng)的應用及概況進行了說明。 瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)功能及操作 3 第二章 系統(tǒng)功能及操作 系統(tǒng)功能的確定 基本功能 系統(tǒng)具有時間、日期、三路定時功能，并可以對時間、日期、定時進行設定，有定時提示音。要求計時精度盡量提高。顯示格式為： 時間：“時 ”（第 2 位）、“分”（第 4 位）、“秒”（第 6 位）； 日期：“年”（第 2 位，如 2020 年顯示為 07）、“月”（第 4 位）、“日” （第 6 位）； 定時：“時”（第 2 位）、“分”（第 4 位）、“狀態(tài)標志”（第 6 位）。 鍵盤及數(shù)碼管排列如圖 21 所示。 擴展功能 該系統(tǒng)可以增加溫度傳感器，實現(xiàn)溫度測量，以實時顯示溫度，用 2 位數(shù)碼管顯示；還可以增加濕度傳感器，實現(xiàn)濕度測量，以實時顯示濕度，用 6 位數(shù)碼管顯示。 多路定時器功能也可擴展為對多種家電等電氣產(chǎn)品的自動控制，比 如電飯煲等；也可利用溫度對某些電氣產(chǎn)品進行自動控制，比如空調等；還可利用濕度傳感器對濕度進行調節(jié)。如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)功能圖 瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)功能及操作 4 系統(tǒng)操作說明 （ 1）按 K1 鍵顯示日期， 3 秒后自動返回時間顯示， 3 秒內按 K2 鍵進入日期設置，此時年位閃爍，按 K1 鍵進行年位加 1 或連續(xù)加 1 調整。按 K2 鍵依次切換到月位、日位，分別按 K1 鍵進行月位、日位調整，日位設置好后，再按K2 鍵保存日期設定值，并返回顯示時間。 （ 2）按 K2 鍵大于 1 秒進入時間設置，此時小時位閃爍，秒位自動清零，按 K1 鍵進行小時調整，按 K2 鍵切換到 分鐘位，按 K1 鍵進行分鐘調整，分位設置好后，再按 K2 鍵保存時間設定值，并返回顯示時間，按所設定的時間值進行計時。 （ 3）連續(xù)按 K3 鍵顯示 3 路定時及其開關狀態(tài)，當顯示某一路定時時， 3 秒后自動返回時間顯示， 3 秒內按 K2 鍵進入定時設置，設置同日期（ 6 位顯示00 為當路定時關，顯示 01 為當路定時開）。當路定時設置完后按 K2 鍵保存定時設定值并返回時間顯示。 （ 4）按 K4 鍵顯示實時溫度和濕度， 5 秒后自動返回時間顯示。 本章小節(jié) 本章主要對本系統(tǒng)的基本功能和擴展功能進行了說明，也對本系統(tǒng)的系統(tǒng)的顯示情況及操作作 了詳細說明。瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)軟件設計 5 3 系統(tǒng)硬件設計 — 實驗板介紹 芯片的選擇 本設計選用 AT89S52 芯片，它是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K（ 0000H～ 1FFFH）在線系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。片上 Flash 允許程序存儲器在線編程，也適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在線系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供靈活、高效的解決方案。 AT89S52 具有以下標準功能： 8K（ 0000H～ 1FFFH） Flash， 256 字節(jié)（ 00H～FFH）數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 64K（ 0000H～ FFFFH）程序存儲器（ ROM）， 32位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2 級中斷結構，全雙工串行口內晶振及時鐘電路。 其中，數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）用于存放各種運算的中間結果，作緩存和數(shù)據(jù)暫存，以及設置特征標志等。 AT89S52 的片內數(shù)據(jù)存儲器用位尋址方式，最大尋址范圍為 256 字節(jié)（ 00H～ FFH）。按使用情況不同可分成低 128 字節(jié)（ 00H～ 7FH）和高 128 字節(jié)（ 80H～ FFH）。其中低 128 字節(jié)為真正的 RAM 存儲器，高 128 字節(jié)為特殊功能寄 存器（ SFR）區(qū)，如累加器 ACC、程序狀態(tài)字 PSW、數(shù)據(jù)指針DPTR、程序計數(shù)器 PC 等。整個片內 RAM 區(qū)分布如圖 31 所示。 圖 31 片內 RAM 區(qū) 瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)軟件設計 6 實驗板電路原理圖 實驗板電路結構框圖如圖 32 所示，原理電路圖（只有本設計所需部分）見附錄 A。 圖 32 實驗板結構框圖 功能電路分析 時鐘電路 實驗板的時鐘振蕩源電路如圖 33 所示。其中 JT 為 的晶振，改變兩電容 CB 的值即可對此晶振頻率進行調節(jié)。該電路提供單片機工作所需的振蕩頻率，計算定時器初值即需此 晶振頻率，在通信時也需知道晶振頻率，以對波特率進行計算。 圖 33 時鐘電路 復位電路 如圖 34 所示為實驗板的復位電路，當 RESET 信號為低電平時，實驗板為工作狀態(tài)，當 RESET 信號為高電平時，實驗板為復位或下載程序狀態(tài)。由于AT89S52 具有 ISP 的功能，即可以通過并口線直接將程序下載到單片機內，因此， AT89S52 具有兩種狀態(tài)，下載程序狀態(tài)和運行狀態(tài)。該復位電路能實現(xiàn)上電自動復位，也能手動復位，一般復位時 RESET 應保持 20 毫秒以上高電平，此復位時間由接地電容控制。 瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)軟件設計 7 圖 34 復位電路 鍵盤電路 如圖 35 所示為陣列按鍵電路，各設置及轉換信號由此電路輸入，實驗板提供了 16 個按鍵，由 P1 口經(jīng) SN74F244（驅動芯片）輸出擴展成 4 4 的陣列按鍵， ～ 為行線， ～ 為列線。 SN74F244 有一片選信號線 G ，當此口線為低電平時， A1～ A4 與 Y1～ Y4 接通，反之， A1～ A4 與 Y1～ Y4 斷開。 此鍵盤用掃描工作方式，若有鍵按下，則相應位端口被拉低為低電平，由于本系統(tǒng)只用了 4 個按鍵，所以只需對 4 個按鍵進行掃描。掃描時，先置 口為高電平，向 P1 口送 0EFH（ MOV P1， 0EFH），再置 口為低電平，讀P1 口（ MOV A， P1），最后判斷 P1 口低 4 位哪位是低電平，若某位為低電平，則相應按鍵被按下，如 為低電平（ =0），則 K1 鍵被按下。 圖 35 陣列按鍵 數(shù)碼顯示電路 如圖 36 所示為數(shù)碼顯示電路，實驗板使用了 6 個共陽數(shù)碼管， P0 口為段碼信號線， B1～ B6 為位控線，是 P1 口經(jīng) SN74F573（反向驅動芯片，即輸入為高電平，則輸出為低電平，反之則輸出 為高電平，該芯片也有一片選信號 C，當瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)軟件設計 8 此信號為高電平時有效）反向得到，再由 B1～ B6 控制晶體管 Q1～ Q6，以達到控制每位數(shù)碼管的目的。 系統(tǒng)采用動態(tài)顯示，先向 P0 口送第一位數(shù)碼管需要顯示的段碼值，再給 P1口送 0FEH，延時 1 毫秒使第一位數(shù)碼管顯示，又向 P0 口送第二位數(shù)碼管需要顯示的段碼值， P1 口送 0FDH，延時 1 毫秒，使第二位數(shù)碼管顯示。依次遞推，直到最后一位數(shù)碼管，然后再循環(huán)。改變延時時長可以調節(jié)數(shù)碼管顯示的亮度，由于單片機執(zhí)行速度很快（微秒級），所以看上去數(shù)碼管一直亮著。 圖 36 數(shù)碼顯示電路 蜂鳴器電路 其硬件原理圖如圖 37 所示。此電路用于定時時發(fā)出提示音。 SPEAKER 與 口相連，當 SPEAKER 輸出高電平時蜂鳴器不響，而 SPEAKER 輸出低電平時蜂鳴器發(fā)出響聲。只需控制 SPEAKER 輸出高低電平的時間和變化頻率，就可以讓蜂鳴器發(fā)出不同的聲音。此電路用于產(chǎn)生定時器提示音。 圖 37 蜂鳴器電路 本章小節(jié) 本章主要對芯片作了介紹，對其內存單元作了詳細說明，并對系統(tǒng)硬件（實驗板）的結構框圖和各功能電路作了說明，以及這些電路在本設計中的用途。 瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)軟件設計 9 4 系統(tǒng)軟件設計 數(shù)據(jù)單元分配 數(shù)據(jù)存儲單元分配 數(shù)據(jù)存儲單元分配如下表所示： 項目 秒 分 時 日 月 年 存儲單元 30H 31H 32H 33H 34H 35H 項目 定時 1：開關 定時 1：分 定時 1：時 定時 2：開關 定時 2：分 定時 2：時 存儲單元 36H 37H 38H 39H 3AH 3BH 項目 定時 3：開關 定時 3：分 定時 3：時 存顯示首地址 堆棧起始單元 存儲單元 3CH 3DH 3EH 3FH 50H 標志位單元分配 標志位單元（ 20H）分配如下表所示： 位單元 項目 位單元 項目 01H 2 位數(shù)碼管閃爍標志位 08H 定時 1 顯示標志位 02H 09H 定時 2 顯示標志位 03H 4 位數(shù)碼管閃爍標志位 0AH 定時 3 顯示標志位 04H 0BH 定時 1 響鈴標志位 05H 6 位數(shù)碼管顯示標志位 0CH 定時 2 響鈴標志位 06H 0DH 定時 3 響鈴標志位 07H 日期顯示標志位 0EH 總響鈴標志位 計時時鐘實現(xiàn)的基本方法 時鐘的最小計時單位是秒，使用定時器的方式 1，最大的定時時間也只能達到 131 毫秒。可把定時器的定時時間定為 50 毫秒，這樣，計數(shù)溢出 20 次即可得到時鐘的最小計時單位 ─ 秒。計數(shù) 20 次可以用軟件實現(xiàn)，對定時器溢出次數(shù)進行計數(shù)，計滿 20 次即為 1 秒。從秒到分，從分到時，以及日、月、年都是通過軟件累加并進行比較的方法實現(xiàn)的。 瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)軟件設計 10 實現(xiàn)時鐘程序設計步驟 系統(tǒng)采用模塊化結構，主程序只需調用各個子程序模塊即可實現(xiàn)相應功能。其模塊結構圖如圖 41 所示。 圖 41 程序各模塊方框圖 主程序模塊設計 整個程序進行模塊化設計，主程序只需調用相應的程序即可。主程序流程如圖 42 所示。 圖 42 主程序流程圖 瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)軟件設計 11 計時子程序模塊的實現(xiàn) 當 T0 中斷時，執(zhí)行本程序，因 T0 設為 50 毫秒中斷，故中斷 20 次為 1 秒。中斷程序分別有 20 次計數(shù)（ 1 秒）， 60 次計數(shù)（ 1 分）， 60 次計數(shù)（ 1 小時）， 24次計數(shù)（ 1 天）， 2 2 31 次計數(shù)（ 1 個月）， 12 次計數(shù)（ 1 年）。當前位到設定數(shù)值時寫 0 或 1，下一位加 1。由于本世紀是 21 世紀，年位前兩位是 4的倍數(shù)，故判斷閏年時只需對年的后兩位進行計算，能被 4 整除為閏年，否則為平年，年位只進行加 1，大于 99 時又重新開始。計時中斷流程圖如圖 43 所示。 圖 43 計時子程序流程圖 圖 44 顯示子程序流程圖 瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)軟件設計 12 顯示子程序模塊的實現(xiàn) 顯示原理在 節(jié)已給予了說明，流程圖如圖 44 所示。 時鐘設定子程序模塊的實現(xiàn) 當設定時間時，斷開 T0 中斷，秒單元清 0，進入時、分單元設定。設定好后重裝 T0 初值，開 T0 中斷。流程圖如圖 46 所示。 圖 46 時鐘設定子程流程圖 日期、定時設定子程序模塊的實現(xiàn) 日期、定時的設定同時鐘設定。定時設定時，把時鐘的秒位換成定時標志位，“ 00”為當路定時關，“ 01”為當路定時開，流程圖與時鐘設定 程序相似。 程序說明 定時器初值計算 因定時器工作于方式 1，需要 50ms 的中斷，所以計數(shù)初值 : χ =216 t fosc／ 12=65536 50 103 106／ 12=19456 表示成十六進制為 χ =4C00H，故（ TH0） =4CH，（ TL0） =00H。 程序初始化 程序初始化時，清相應內存單元（ 20H～ 4FH 共 48 個單元），送時間（ 00時 00 分 00 秒）、日期（ 07 年 10 月 01 日）初值，送定時器 T0、 T1 初值， TH0= TH1=4CH， TL0= TL1=00H，特殊寄存器（ SP=50H、 TMOD=11H）值等。 瀘州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系統(tǒng)軟件設計 13 誤差分析及校正 當 T0 中斷時，需重裝定時初值，且要加上從斷開 T0 中斷到允許 T0 中斷共有 13 個周期，以減小誤差，故理論重裝定時初值為（ TH0） =4CH，（ TL0） =13H。但該外接晶振電