【文章內(nèi)容簡介】 片機(jī)系統(tǒng) 的電子鐘 設(shè)計(jì)與仿真的實(shí)現(xiàn)方法。該方法既能準(zhǔn)確驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否滿足技術(shù)要求 ,又能提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量 ,降低開發(fā)成本 ,具有推廣價(jià)值。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，以及移動通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，單片機(jī)從 4位、 8 位、 16位到 32 位，其發(fā)展歷程一直受到廣大電子愛好者的極大關(guān)注。單片機(jī)功能越來越強(qiáng)大，價(jià)格卻不斷下降的優(yōu)勢無疑成為嵌入式系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的首選，同時(shí)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大也使得更多人加入到基于單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)行列中，推動著單片機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)步。 然而傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)除了需要購置諸如仿真器、編程器、示波器等價(jià)格不菲的電子設(shè)備外，開發(fā)過程也較繁瑣。來自英國 Labcenter Electronics 公司的Proteus 軟件很好地詮釋了利用現(xiàn)代 EDA 工具方便快捷開發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢。它包括 PROTEUS VSM（ Virtual System Modelling）、 PROTEUS PCB DESIGN 兩大組成部分，在 PC機(jī)上就能實(shí)現(xiàn)原理圖電路設(shè)計(jì)、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼級調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗(yàn)證以及形成 PCB文件的完整嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)過程。 單片機(jī)系統(tǒng)作為一種典型的嵌入式系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)兩個(gè)方面 , 其調(diào)試過程一般分為軟件調(diào)試、硬件測試、系統(tǒng)調(diào)試 3個(gè)過程。如果采用單片機(jī)系統(tǒng)的虛擬仿真軟件 —— Proteus，則不用制作具體的電路板也能夠完成以上工作。 8 Proteus 軟件簡介 PROTEUS 軟件由 Labcenter 公司開發(fā)，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真和 PCB設(shè)計(jì)等功能，是目前唯一能夠?qū)Ω鞣N處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、調(diào)試與測試的 EDA 工具。微控制器系統(tǒng)相關(guān)的仿真需建立編譯和調(diào)試環(huán)境，可選擇 Keil C51uVision2 軟件。該軟件支持眾多不同公司的芯片，集編輯、編譯和程序仿真等于一體，同時(shí)還支持 PLM、匯編和C語言的程序設(shè)計(jì)。它的界面友好易學(xué)，在調(diào)試程序 、軟件仿真方面有很強(qiáng)大的功能。 其革命性的功能是：將電路仿真和微處理器仿真進(jìn)行協(xié)同，直接在基于原理圖的虛擬原型上進(jìn)行處理器編程調(diào)試，并進(jìn)行功能驗(yàn)證，通過動態(tài)器件如電機(jī)、 LED、 LCD、開關(guān)等，實(shí)時(shí)看到運(yùn)行后的輸入、輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等， Proteus 為我們建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。 第二章 單片機(jī)的相關(guān)知識 單片機(jī)簡介 單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式 微控制器 （ Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫 MCU 表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由 芯片 內(nèi)僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU集成在 一個(gè)芯片中，使 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。 INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。 9 單片機(jī)的發(fā)展史 4 位單片機(jī) 1975 年，美國德克薩斯儀器 公司首次推出 4位單片機(jī) TMS1000；此后，各個(gè)計(jì)算機(jī)公司競相推出四位單片機(jī)。日本松下公司的 MN1400 系列，美國洛克威爾公司的 PPS/1 系列等。四位單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有： PC 機(jī)的輸入裝置，電池充電器，運(yùn)動器材，帶液晶顯示的音 /視頻產(chǎn)品控制器，一般家用電器的控制及遙控器，電子玩具，鐘表，計(jì)算器，多功能電話等。 8 位單片機(jī) 1972 年，美國 Intel 公司首先推出 8位微處理器 8008，并于 1976 年 9月率先推出 MCS48系列單片機(jī)。在這以后， 8位單片機(jī)紛紛面市。例如，莫斯特克和仙童公司合作生產(chǎn)的 3870 系列，摩托羅拉公司生產(chǎn)的 6801 系列等。隨著集成電路工藝水平的提高，一些高性能的 8 位單片機(jī)相繼問世。例如， 1978 年摩托羅拉公司的 MC6801 系列及齊洛格公司的 Z8 系列， 1979 年 NEC 公司的 UPD78XX系列。這類單片機(jī)的尋址能力達(dá) 64KB，片內(nèi) ROM 容量達(dá) 48KB，片內(nèi)除帶有并行 I\O口外，還有串行 I\O 口，甚至還有 A\D 轉(zhuǎn)化器功能。 8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)，被廣泛用于自動化裝置、智能儀器儀表、智能接口、過程控制、通信、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 16 位單片機(jī) 1983 年以后，集成電路的集成度可達(dá)幾十萬只管 /片，各系列 16 位單片機(jī)紛紛面市。這一階段的代表產(chǎn)品有 1983 年 Intel 公司推出的 MCS96系列， 1987年 Intel 推出了 80C96，美國國家半導(dǎo)體公司推出的 HPC16040， NEC公司推出的783XX 系列等。 16 位單片機(jī)主要用于工業(yè)控制，智能儀器儀表，便攜式設(shè)備等場合。 10 32 位單片機(jī) 隨著高新技術(shù)只智能機(jī)器人，光盤驅(qū)動器，激光打印機(jī)，圖像與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，復(fù)雜實(shí)時(shí)控制，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展， 20 世紀(jì) 80年代末推出了 32 位單片機(jī)，如 Motorlora公司的 MC683XX 系列， Intel 的 80960 系列，以及近年來流行的 ARM 系列單片機(jī)。 32 位單片機(jī)是單片機(jī)的發(fā)展趨勢，隨著技術(shù)的發(fā)展及開發(fā)成本和產(chǎn)品價(jià)格的下降，將會與 8位單片機(jī)并駕齊驅(qū)。 64 位單片機(jī) 近年來， 64位單片機(jī)在引擎控制，智能機(jī)器人，磁盤控制，語音圖像通信，算法密集的實(shí)時(shí)控制場合已有應(yīng)用，如英國 Inmos 公司的 Transputer T800 是高性能 的 64 位單片機(jī)。 單片機(jī)的特點(diǎn) 1 . 單片機(jī)的存儲器 ROM 和 RAM 時(shí)嚴(yán)格區(qū)分的。 ROM 稱為程序存儲器，只存放程序，固定常數(shù)，及數(shù)據(jù)表格。 RAM 則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。 2 . 采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制需要，單片機(jī)有更強(qiáng)的邏輯控制能力，特別是單片機(jī)具有很強(qiáng)的位處理能力。 3 . 單片機(jī)的 I/O 口通常時(shí)多功能的。由于單片機(jī)芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實(shí)際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳 功能復(fù)用的方法，引腳處于何種功能，可由指令來設(shè)置或由機(jī)器狀態(tài)來區(qū)分。 4 . 單片機(jī)的外部擴(kuò)展能力很強(qiáng)。在內(nèi)部的各種功能部件不能滿足應(yīng)用的需求時(shí)，均可在外部進(jìn)行擴(kuò)展，與許多通用的微機(jī)接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。 11 AT89C51 單片機(jī)介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ 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)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(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和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 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。 AT89C51 單片機(jī) 主 要特性 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位 12 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 管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口 ： P0口為一個(gè) 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 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門電流。 P1口管腳寫入 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 門電流 ，當(dāng) P2 口被寫 “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)用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(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，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(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和控制信號。 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 門電流。當(dāng) P3 口寫入 “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： 13 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 /WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 /RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 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)訪問外部存儲器時(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，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對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)存儲器時(shí)，將跳過一個(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，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。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：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性 : 14 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)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對外部時(shí)鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度 。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 電子 鐘系統(tǒng)硬件組成 電子鐘系統(tǒng)硬件主要由 AT89C51 單片機(jī)、時(shí)鐘芯片 DS130數(shù)碼管顯示驅(qū)動芯片 MAX7219 等元器件組成。 AT89C51 是一 種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī) DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)。 MAX7219 是 MAXIM 公司 生產(chǎn)的串行輸入 /輸出共陰極 數(shù)碼管顯示 驅(qū)動芯片。 單 片 機(jī) 晶 振 電 路單 片 機(jī) 復(fù) 位 電 路A T 8 9 C 5 1單 片 機(jī)時(shí) 鐘 芯 片D S 1 3 0 28 位 L E D 顯 示數(shù) 碼 管 顯 示 驅(qū)動 芯 片M A X 7 2 1 9按 鍵 電 路蜂 鳴 器 電子鐘系統(tǒng)硬件電路組成框圖 15 電子時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 P r o t e l D X P 與 P r o t e u s電 路 設(shè) 計(jì)源 程 序 設(shè) 計(jì)生 成 目 標(biāo) 代 碼基 于 P r o t e u s 仿 真 。 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu) MCS52單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8052單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲器 (R