【文章內容簡介】 機技術飛速發(fā)展，其應用滲透到了各行各業(yè)。以單片機、嵌入式處理器、數字信號處理器（ DSP）為核心的計算機系統(tǒng)，以其軟硬件可裁剪、高度的實時性、高度的可靠性、功能齊全、低功耗、適應面廣等諸多 優(yōu)點而得到極為廣泛的應用 。目前計算機硬件技術向巨型化、微型化和單片機化三個方向告訴發(fā)展 [1]。 自 1975 年美國德州儀器公司（ Texas Instruments）第一塊微型計算機芯片 TMS1000 問世以來，在短短的 20 年間，單片機技術已發(fā)展成為計算機領域一個非常有前途的分之，它有自己的技術特征、規(guī)范和應用領域。單片機是自動控制系統(tǒng)的核心部件，主要用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器中。它具有體 積小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指標大大優(yōu)于通用微機中央處理器）、 價格低廉等 一系列優(yōu)點 ，應用領域不斷擴大，除 了工業(yè)控制、智能化儀表、通信、家用電器外，在智能化高檔電子玩具產品中也大量采用單片機芯片作為核心控制部件 ，已經滲入到人們工作和生活的各個角落，有力地推動了各行業(yè)的技術改造和產品的更新?lián)Q代，前景廣闊 。數字鐘具備單片機最小系統(tǒng)的基本組成，對于我們了解單片機有很大的幫助 [2]。 設計的目的及意義 本 設計 通過用對一個能實現定時，時鐘顯示功能的時間系統(tǒng)的設計學習，詳細介紹了 51 單片機應用中的數據轉換顯示，數碼管顯示原理， 靜 態(tài)掃描顯示原理，單片機的定時中斷原理 等， 從而達到學習 、 了解單片機相關指令在各方面的應用 。 對于單片機學習者而言，這個程序基本上是一道門檻，掌握了電子鐘程序，基本上就可以說把 51 單片機掌握了 80%。 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 2 頁 第 2 章 數字鐘的功能實現與設計方案 數字鐘的功能及設計要求 （ 1） 可以實現時 /分 /秒 /百分秒的顯示，可以調整時 /分 （ 2） 使用 LED顯示 （ 3） 有表示時鐘正常工作的裝置 （ 4） 能穩(wěn)定工作，可控制時鐘的啟動復位 （ 5） 有實現鬧鈴功能 數字鐘的實現形式 數字鐘既可 以通過純硬件實現，也可以通過軟硬結合實現，根據電子時鐘的核心部件 —— 秒信號的產生原理，通常有三鐘形式： （ 1） 用 NE555 時基電路的形 式 采用 NE555 時基電路或其他震蕩電路產生秒脈沖信號，作為秒加法電路的時鐘信號或微處理器的外部中斷輸入信號，可構成電子時鐘。由 555 構成的秒脈沖發(fā)生器電路如圖11 所示。輸出的脈沖信號 V0的頻率 F=（ RA+2RB） C,可通過調節(jié)這 3 個參數 ,使輸 V0的頻率為精確的 1Hz[3]。 圖 21 基于 555 的秒脈沖發(fā)生器 （ 2） 采用石英鐘專用芯片的實現形式 采用石英鐘專用計時芯片實現的電子鐘，具有實現簡單、計時精度高的特點。石英計時芯片（簡稱“機芯”）比較多，常見的有 STP5512F、 SM5546A 和 D60400 等 [4]?，F基 于電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 3 頁 5512F 的 2 秒輸出信號作為秒加法電路的計時脈沖，可實現電子時鐘。 5512F 的引腳如圖 12 所示。 其中，引腳 8 為外接晶振及振蕩電路，引腳 1 接電源正極，電源為 伏，引腳 4 原為指針用步進電機線圈的輸出驅動端，這里可用 3 腳作為脈沖輸出，頻率決定于外接晶振的頻率。 （ 3） 采用基于單片機的實現形式 利用單片機的智能性，可方便的實現具有智能數字鐘的設計。而且，微處理系統(tǒng)具有時鐘振 蕩系統(tǒng)，利用系統(tǒng)時鐘并借助微處理器的定時 /計數器功能可以實現數字鐘的功能。本設計采用 AT89C2051 單片機設計。 方案的確定 可以從以下幾個方面來確定電子鬧鐘的設計方案。 微處理器 采用 ATMEL 的 AT89C2051 微處理器，是基于以下幾個因素： ①內含 Flash 存儲器 ,這在系統(tǒng)的開發(fā)過程中 ,可隨意進行程序修改 ,既便錯誤編程之后仍可以重新編程 ,故不存在廢品且大大縮短了程序的開發(fā)周期 。同時在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數據信息。②采用靜態(tài)時鐘方式 ,節(jié)省電能 ,這對于降低便攜式產品的功耗十分 有利。③由于它是以 8031 核構成的 ,所以它與 MCS251 系列單片機是兼容的 ④AT89C2051為 51內核，仿真調試軟硬件資源豐富； ⑤ 性價比高，貨源充足； ⑥ DIP20封裝，體積小，便于產品小型化； ⑦ 為 E2PROM程序存儲介質， 1000次以上擦 /寫周期，便于變成調試； ⑧ 具有 IDLE和 POWERDOWN兩種工作模式，便于進行低功耗設計； ⑨ 工作電壓范圍寬： ～ 6V，便于交直流供電 [5]。 顯示電路 就時鐘而言，通?？刹捎靡壕э@示或數碼管顯示。對于一般的段式液晶屏，需要專門的驅動電路，而且也經顯 示作為一種被動顯示，可視性相對較差；對于具有驅動電路1 2 3 4 8 7 6 5 圖 22 5512F引腳圖 V+ SC AK SC1 M0 BP M1 GND 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 4 頁 和微處理器接口的液晶顯示模塊（字符或點陣），一般多采用并行機接口，對于微處理器的接口要求較高，占用資源多。另外， 89C2051 本身沒有專門的液晶驅動接口，因此，本時鐘設計采用了數碼管顯示方式。數碼管作為一種主動顯示器件，具有亮度高、價格便宜等優(yōu)點，而且市場上也有專門的時鐘顯示組合數碼管。 按鍵電路 考慮到對時和設定鬧鈴時間這兩種操作的使用頻率不是很高，為了精簡系統(tǒng) 和節(jié)省成本，本時鐘系統(tǒng)只設兩個按鍵： （ 1） SET 鍵，對應系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，具有三個 功能： ● 在復位后的待機狀態(tài)下，用于啟動設定時間參數（對時和定鬧）； ● 在設定時間參數狀態(tài)而且不是設定最低位（即分個位）的狀態(tài)下，用于結束當前位的設定，當前設定為下移； ● 在設定 最低位（分個位）的狀態(tài)下，用于結束本次時間設定。 （ 2） +1 鍵，用于對當前設定位（編輯位）進行加 1 操作，根據 12/24 小時工作模式和正在編輯的當前位的含義（時十位、時各位、分十位、分個位）自動進行 數據的上限和下限判斷。例如，對 12 小時制，小時的十位只能是 0、 1，如果當前值為 0，則按 +1鍵后為 1，再按 +1 鍵后為 0。 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 5 頁 第 3 章 數字鐘的硬件系統(tǒng)設計 電子時鐘硬件部分的設計應包括秒信號發(fā)生器、時間顯示電路、按鍵電路、供電電路，以及鬧鈴指示電路等幾部分。 數字時鐘的硬件系統(tǒng)框架 電子時鐘的系統(tǒng)框架入圖 31 所示。 數字時鐘的主機電路設計 數字時鐘的主電路指的是圖 1 中框內部分，主要涉及到微處理器電路和按鍵縣按鈕電路。主機的設計具體地說有：（ 1）系統(tǒng)控制芯片的選擇（ 2）系統(tǒng)時鐘電路設計；（ 3）系統(tǒng)復位電路設計；（ 4）按鍵與按鈕電路 設計；（ 5）鬧鈴聲光指示電路設計。 系統(tǒng)控制芯片 CPU（ AT89C2051） 的選擇 AT89C 系列單片機是 Atmel 公司 1993 年開始研制生產的，優(yōu)越的性能價格比使其成為頗受歡迎的 8 位單片機。 AT89C 系列與 MCS51 系列單片機相比有兩大優(yōu)勢：第一，片內程序存儲器采用閃速存儲器，使程序的寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片（ AT89C2051/1051），使整個電路的體積更小 [6]。 （ 1） AT89C2051 主要性能： AT89C2051 是 Atmel 公司生產的戴 2KB 閃速可編程可擦除只讀 存儲器（ PEROM）的 8 位單片機，它具有如下主要特征： CPU 按鍵電路 復位等輔助電路 電源系統(tǒng) 數碼管顯示電路 鬧鈴聲光指示電路 圖 31 數字鐘的系統(tǒng)框架 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 6 頁 ○ 1 AT89C2051 為 51 內核； ○ 2 內部帶 2KB 可編程閃速存儲器（ E2PROM），壽命為 1000 次擦 /寫循環(huán)，據保留時間為 10 年； ○ 3 DIP20 封裝，體積小 ○ 4 工作電壓范圍為 ～ 6V； ○ 5 全靜態(tài)工作頻率為 0Hz～ 24Hz； ○ 6 兩極程序存儲器鎖定； ○ 7 8128? 位內部 RAM； ○ 8 15 條可編程 I/O 線；、 ○ 9 2 個 16 位定時器 /計數器； ○10 5 個兩級終端源； ○11 可編程全雙工串行 UART 通道； ○12 直接對 LED 驅動輸出 ○13 片內精確的模擬比較器； ○14 片內振蕩器和時鐘電路； ○15 低功耗的休眠和掉電模式； （ 2） AT89C2051 內部結構及引腳描述 AT89C2051 單片機的內部與 8051 單片機的內部結構基本一致，區(qū)別只是增加了一個模擬比較器 [7]，減少了兩個對外的端口（ P0、 P2 口），輸出端口 P P3 有獨特的功能。 AT89C2051 減少了兩個外部端口，因而芯片的外部引腳可以大大減少，芯片尺寸可以很小，其引腳配置如圖 32 所示。 圖 32 AT89c2051 引腳配置 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 7 頁 它是一個有 20 個引腳排列直插式的芯片，其引腳描述如下： VCC：電源電壓； GND：接地； RST：復位輸入。當 RST 變?yōu)楦唠娖讲⒈３?2 個機器周期時，所有 I/O 引腳復位至高阻狀態(tài)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩放大器的輸出。 P1 口： 8 位雙向 I/O 口，引腳 和 需要外部上拉，可用作片內精確模擬比較器的正向輸入（ AIN0）和反向輸入（ AIN1） [8]。 P1 口輸出緩沖器能接收 20mA 電流，并能直接驅動 LED 顯示器； P1 口引腳寫入“ 1”后，可用作輸入。在閃速編程和編程校驗期間， P1 口也可接收編碼數據。 P3 口：引腳 ～ 與 為 7 個帶內部上拉的雙向 I/O 引腳。 在內部已與片內比較器輸出相連，不能作為通用 I/O 引腳訪問。 P3 口的輸出緩沖器能接收 20Ma電流； P3 寫入“ 1”后，內部上啦，可用作輸入。 P3 口也可用作特殊功能口，其功能見表 31。 P3 口同時也可為閃速存儲器編程和編程校驗接收控制信號 [9]。 表 31 P3 口引腳的特殊功能 P3口引腳 特殊功能 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（定時器 0 外部輸入） T1（定時器 1 外部輸入） 從上述引腳說明看出， AT89C2051沒有提供外部擴展存儲器與 I/O設備所需的地址、數據、控制信號，因此利用 AT89C2051 構成的單片及應用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴展存儲器或 I/O 設備，也即 AT89C2051 本身即構成了最小的單片機系統(tǒng)。 （ 3） 振蕩器 振蕩器特征： XTAL1和 XTAL2分別構成片內振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，如圖 33 所示?？刹捎檬⒕w或陶瓷振蕩器組成振蕩器。要從外部時鐘源驅動AT89C2051，則 XTAL2 應懸空，而 XTAL1 的驅動如圖 34 所示。由于輸入到內部時鐘電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 8 頁 電路經過一個二分頻觸發(fā)器，故不需要對外部時鐘信號的工作周期提出特殊要求，但它必須遵守最小和最大電壓高低電平的時間規(guī)范。 圖 33 振蕩的外部連接方法 圖 34 外部時鐘驅動結構 （ 4） 特殊功能寄存器 SFR 與 8051 單片機特殊功能寄存器相對應， AT89C2051 片內設置了 19 個特殊功能寄存器，統(tǒng)稱為特殊功能寄存器塊 SFR，它們的地址散布在 80H～ 0F0H 區(qū)域內。 （ 5） 低功耗工作模式 AT89C2051 優(yōu)良中低功耗工作模式 ：待機方式與掉電方式。 ○ 1 待機方式（休眠方式） 當利用軟件使待機方式位 ADL（ ） =0 時，單片機進入空閑方式。此時，CPU處于休眠狀態(tài)，而片內所有其它外圍設備都保持工作狀態(tài)，片內 RAM 和所有特殊功能寄存器內容保持不變。 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 9 頁 在待機方式下，當晶振 fosc=12MHz，電源電壓 VCC=6V 時，電源電流 ICC從 20Ma降至 5Ma；而 VCC由 降至 1mA。 中斷或硬件復位可以終止待機方式。 當待機方式由硬件復為終止時， CPU 要從休眠處恢復程序的執(zhí)行，執(zhí)行 2 的周期后，內部 復位電路才起作用。此時，硬件禁止訪問內部 RAM，但允許訪問端口引腳。為了防止休眠被復位終止時對端口以外寫入的可能性，在生成待機方式的指令后不應緊跟對端口引腳的寫指令。 如果不采用外部上拉， 和 應置“ 1”。 ○ 2 掉電方式 掉電方式由掉電方式位 PD()=1 攝制。此時振蕩器停止工作，設置掉電方式的指令成為最后執(zhí)行的一條指令，片內 RAM 和特殊功能寄存器內容保持不變。 在掉電模式下， VCcmin=2V。當 VCC=6V 時， ICCmax=100μ A；當 VCC=3時， ICcmax=20μ A。 退出掉電方式的唯一方式是硬件復位。 硬件復位將重新定義特殊功能寄存器，但不影響片內 RAM。復位的保持時間應足夠長，以便振蕩器能重新開始工作并穩(wěn)定下來。在 VCC 沒有恢復得到正常工作電壓之前，不應進行復位。 如果不采用外部上拉， 和 應置“ 0”，否則置“ 1”。 （ 6） 閃速存儲器的編程 AT89C2051 單片機內部有 2KB 的閃速存儲器陣列，一片新的 AT89C2051，其存儲陣列處于擦除狀態(tài)（ FFH），此時可對其編程，存儲陣列一次編程 1 字節(jié)，若編程任何非空字節(jié)時，需對整個存儲 陣列進行片擦除 [10]。 編程時， AT89C2051 利用內部存儲器地址計數器提供尋址存儲器的地址信號， RST上升沿將該地址計數器復位至 000H，引腳 XTAL1 所施加的正向脈沖使地址計數器不斷加 1。 [11]RST 上出現 12V（編程電源 VPP）高壓時，預示著 1 字節(jié)的編程操作開始，這時 P3 口提供編程所需的控制與狀態(tài)信號， P1 口為數據通道。 （ 7） 在線編程 AT89C2051 編程時需要利用 RST、 XTAL P1 口、 P3 口提供控制信號與加載編程數據，而這一 要求又常與用戶系統(tǒng)對這些引腳的要求或操作沖突。因此，在線編程不能直接在用戶工作電路中進行，而要通過特殊電路處理才能實現。例如圖 35 所示為在線編程的示例，其采用 2 選 1 的方法實現連接線路的切換，達到在線編程的目的。利用微動開關電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 10 頁 SW 來選擇 XTAL1 的加載，產生選擇控制信號 Select，其它線路的切換用 2 選 1 器件74LS157 與三態(tài)緩沖器 74LS244 實現。當 AT89C2051 正常工作時，選擇控制信號（ Selecg=0）控制所有的 74LS157 輸入 A 端與輸出 Y 接通，且 74LS2441 輸出有效，74LS2442 三態(tài)輸出，使得 AT89C2051 可以對用戶電路進行控制操作；當 AT89C2051需要編程時，選擇控制信號 (Select=1)控制所有的 74ALS157 輸入 B 端與輸出 Y 端接通，且 74LS2441 三態(tài)輸出， 74LS2442 輸出有效，使得 AT89C2051 可以接受編程電路的控制，實現編程操作。 系統(tǒng)時鐘電路設計 系統(tǒng)利用晶體振蕩器作為時鐘電路，根據晶振的不同使用要求及特點，通常分為以下幾類：普通晶振、溫補晶振、壓控晶振、溫控 晶振等。安裝晶振時，應根據其引腳功能標識與應用電路應連接，避免電源引線與輸出引腳相接輸出。 在測試和使用時所供直流電源應沒有足以影響其準確度的紋波含量，交流電壓應無瞬變過程 [12]。 測試儀器應有足夠的精度，連線合理布置，將測試及外圍電路對晶振指標的影響降至最低。 （ 1） 普通晶振（ PXO）：是一種沒有采取溫度補償措施的晶體振蕩器，在整個溫度范圍內，晶振的頻率穩(wěn)定度取決于其內部所用晶體的性能，頻率穩(wěn)定度在 105量級，一般用于普通場所作為本振源或中間信號，是晶振中最廉價的產品。 （ 2） 溫補晶振（ TCXO） ：是在晶振內部采取了對晶體頻率溫度特性進行補償，以達到在寬溫溫度范圍內滿足穩(wěn)定度要求的晶體振蕩器。 （ 3） 恒溫晶振（ OCXO）：采用精密