【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高，但是只能顯示數(shù)字，顯示內(nèi)容比較受到限制，又過(guò)多的占用單片機(jī)的 I/O 口。 液晶顯示器簡(jiǎn)稱 LCD，液晶是一種既具有液體的流動(dòng)性又具有光學(xué)特性的有機(jī)化合物，它的透明度和呈現(xiàn)的顏色受外加電場(chǎng)的影響，利用這一特點(diǎn)便可以做成字符顯示器。液晶顯示器最大的優(yōu)點(diǎn)是功耗極小，每平方厘米的功耗在 1uW 以下。它的工作電壓也很低，在 1V 以下仍能工作。而且顯示內(nèi)容比數(shù)碼管要豐富。因此，液晶顯示 器在電子表以及各種小型、便攜式儀器、儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。 綜上所述，本設(shè)計(jì)中選用液晶顯示器作為顯示單元器件。 設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖 23 所示。系統(tǒng)以 AT89S51 單片機(jī)為控制器，通過(guò) DS1307 來(lái)為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，單片機(jī)讀取 DS1307 時(shí)間后送液晶顯示器顯示，通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置打鈴時(shí)間。當(dāng)打鈴時(shí)間到時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蜂鳴器和 LED 燈聲光提示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 6 圖 23 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 時(shí)鐘電路 按鍵 設(shè)定打鈴時(shí)間 單片機(jī)控制 顯示電路 打鈴電路 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 7 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路圖 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，本設(shè)計(jì)硬件電路主要由時(shí)鐘電 路、按鍵設(shè)定電路、單片機(jī)電路、顯示電路和打鈴電路組成，電路原理圖見(jiàn)附錄一所示。 系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)時(shí)間由時(shí)鐘芯片 DS1307 來(lái)提供，單片機(jī)通過(guò) P3 口讀取了DS1307 的時(shí)間數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)處理得到時(shí)間顯示模式的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，并通過(guò) P2 口送液晶顯示器顯示出來(lái)。再通過(guò)掃描 P1 口是否有按鍵按下，有按鍵按下時(shí)，通過(guò)液晶顯示器顯示來(lái)設(shè)置定時(shí)時(shí)間、打鈴時(shí)間間隔，通過(guò)設(shè)定、移位、加數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)?shù)竭_(dá)打鈴時(shí)間時(shí)，單片機(jī)引腳啟動(dòng)蜂鳴器和 LED 燈電路工作以聲光形式實(shí)現(xiàn)打鈴功能。 時(shí)鐘電路 DS1307 簡(jiǎn)介 DS1307 是 I2C 總線接口的日歷時(shí)鐘芯片，片內(nèi)有 8 個(gè)特殊寄存器和 56 字節(jié)的非易失性 RAM，是一種低功耗、 BCD 碼的 8 引腳實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。它的主要特點(diǎn)： 可對(duì)秒、時(shí)、分、每月的天數(shù)、月份、每周的天數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并具有閏年補(bǔ)償功能，記年上線為 2100 年； 56 字節(jié)非易失性 RAM； 兩線串行接口； 可編程方波輸出； 自動(dòng)掉電檢測(cè)和切換電路； 在電池備份模式下，功耗小于 50nA； 工業(yè)級(jí)工作溫度： 40℃ 80℃； 8 引腳 DIP 和 SOIC 封裝。 DS1307 的引腳排列如圖 31 所示，引腳說(shuō)明如下： X X2：接入 ； VBAT： +3V 電源輸入； GND：地； SDA：數(shù)據(jù)線，輸入輸出數(shù)據(jù)，需要外接上拉電阻； SCL：時(shí)鐘線，用來(lái)同步數(shù)據(jù)； SQW/OUT：方波信號(hào)輸出端，可輸出供選擇的頻率方波， 1Hz、 4 KHz、 8K Hz、32K Hz，需外接上拉電阻。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 8 VCC： +5V 電源； 圖 31 DS1307 引腳圖 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路如圖 32 所示。時(shí)鐘芯片的 SCL 引腳和 SDA 引腳分別由單片機(jī)的 和 引腳控制，單片機(jī)只需按照 DS1307 的工作時(shí)序來(lái)控制 DS1307 即可實(shí)現(xiàn)時(shí)間的寫(xiě)入和讀取，其中 DS1307 的時(shí)鐘端與數(shù)據(jù)端需外接上拉電阻，本設(shè)計(jì)選用 5 針排阻來(lái)充當(dāng)上拉電阻。 圖 32 時(shí)鐘電路 按鍵電路 鍵盤(pán)是單片機(jī)應(yīng)用中常用的一種輸入器件，鍵盤(pán)的按鍵有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式之分，按接口原理有編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)之分。編碼鍵盤(pán)主要用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的識(shí)別，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 9 非編碼鍵盤(pán)是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)的定義與識(shí)別。常用的按鍵一般為觸點(diǎn)式按鍵，根據(jù)按鍵所連接的單片機(jī)引腳的電平高低來(lái)判斷其是否按下。按功能分，鍵盤(pán)有獨(dú)立按鍵和矩陣按鍵之分，獨(dú)立按鍵每一路按鍵就占用單片機(jī)的一個(gè)控制引 腳，單片機(jī)直接獲取其信息；矩陣按鍵將按鍵排成由行和列組成的行列式，通過(guò)確認(rèn)按鍵的行號(hào)和列號(hào)來(lái)確定每一路按鍵，利用少的單片機(jī)引腳控制更多的按鍵。 本設(shè)計(jì)中按鍵電路如圖 33 所示，由單片機(jī)的 P1 口控制按鍵電路。本設(shè)計(jì)中按鍵用于設(shè)定定時(shí)時(shí)間、打鈴時(shí)間間隔，所以只需 4 路按鍵即可實(shí)現(xiàn)所需功能，采用獨(dú)立式按鍵即可。由于按鍵是機(jī)械式觸點(diǎn)，所以在斷開(kāi)或閉合時(shí)，一般都有抖動(dòng)產(chǎn)生，雖然這個(gè)抖動(dòng)時(shí)間在我們看來(lái)非常短，但是單片機(jī)執(zhí)行指令的速度為微秒級(jí)別，很容易會(huì)讀取這個(gè)時(shí)間而將其判斷為真正的工作狀態(tài)，從而引起誤判。因此，在設(shè)計(jì)中必 須考慮到按鍵抖動(dòng)的影響。常用的去抖動(dòng)的方法有兩種：硬件方法和軟件方法。硬件方法一般是加電容或者 RS 觸發(fā)器；軟件方法是在單片機(jī)在檢測(cè)引腳所連接的按鍵的工作狀態(tài)時(shí)加一個(gè)延時(shí)程序再次確認(rèn)，通過(guò) 2 次的確認(rèn)就可以確保按鍵的工作狀態(tài)不受機(jī)械抖動(dòng)的影響了。 圖 33 按鍵電路 單片機(jī)電路 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的CPU、 RAM、 ROM、多種 I/O 口、中斷系統(tǒng)和定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器功能集成到一塊芯片上的河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 10 完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它最 早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為使更多的業(yè)內(nèi)人士、學(xué)生和愛(ài)好者學(xué)習(xí)掌握這門(mén)技術(shù)，產(chǎn)生了單片機(jī)開(kāi)發(fā)板。 早期的單片機(jī)是 8 位或 4 位的，其中最成功的是 INTEL 的 8031 單片機(jī)，因簡(jiǎn)單可靠而獲得了很大的好評(píng)。此后，在 8031 的基礎(chǔ)上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)，基于這一系統(tǒng)的單片機(jī)一直到現(xiàn)在還廣泛應(yīng)用著。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開(kāi)始出現(xiàn)了16 位的單片機(jī)，因性價(jià)比不好并未得到廣泛的應(yīng)用。 90 年代后期隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了很大的提高， 32 位機(jī)迅速代替了 16 位機(jī)進(jìn)入 主流市場(chǎng)，傳統(tǒng)的 8 位機(jī)的處理速度也提高了數(shù)百倍，而且價(jià)格也降低了很多，得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在人們生活中幾乎每個(gè)電子產(chǎn)品或機(jī)械產(chǎn)品都或多或少帶有單片機(jī)控制系統(tǒng)，智能儀器儀表、醫(yī)療器械、家用電器、兒童玩具等等，汽車電子中單片機(jī)的應(yīng)用也是非常廣泛，一般汽車上配備有接近 40 多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)。 AT89S51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能 CMOS8位微處理器。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 高密度非易失性存儲(chǔ)器制造技術(shù)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管 腳相兼容。主要特性： 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容； 4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲(chǔ)器； 1000 次擦鞋周期； 的電壓工作范圍； 全靜態(tài)工作模式： 0Hz33MHz； 三級(jí)程序加密鎖； 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM； 32 個(gè)可編程 I/O 口線（ P P P P4）； 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn) 4 種工作方式； 1 個(gè)具有 6 個(gè)中斷源、 4 個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷潛嵌套結(jié)構(gòu)； 全雙工 UART 通道； 低功耗空閑和掉電模式； 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)； 看門(mén)狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針； 掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性； 靈活的在系統(tǒng)編程（ ISP 字節(jié)或頁(yè)寫(xiě)模式）。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 11 AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部主要由 9 個(gè)部件組成： 1 個(gè) 8 位中央處理器； 4KBFlash 存儲(chǔ)器；128B 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 32 條 I/O 口線； 2 個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 1 個(gè)具有 6 個(gè)中斷源、 4 個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷嵌套結(jié)構(gòu)；用于多處理機(jī)通信、 I/O 擴(kuò)展或全雙工 UART 的串行口；特殊功能寄存器； 1 個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。 AT89S51 系列單片機(jī)完全繼承了 MCS51 的指令系統(tǒng)，共有 111 條指令，按其功能可分為五大類：數(shù)據(jù)傳送類指令、算術(shù)運(yùn)算類指令、邏輯運(yùn)算類指令、控制 轉(zhuǎn)移類指令、布爾操作。 中斷技術(shù)是計(jì)算機(jī)中的重要技術(shù)之一，它既和硬件相關(guān)，也和軟件相關(guān)，正因?yàn)橛辛恕爸袛唷辈攀沟糜?jì)算機(jī)的工作更加靈活、效率更高。所謂中斷實(shí)際是一個(gè)處理時(shí)間的過(guò)程，這一過(guò)程一般是由計(jì)算機(jī)內(nèi)部或外部某種緊急事件引起并向主機(jī)發(fā)出請(qǐng)求處理的信號(hào)，主機(jī)在允許情況下相應(yīng)請(qǐng)求，暫停正在執(zhí)行的程序，保存好“斷點(diǎn)”處的現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，處理完后自動(dòng)返回到原斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行原程序。引起中斷的原因，或是能發(fā)出中斷申請(qǐng)的來(lái)源，稱為中斷源。 AT89S51 提供 5 個(gè)中斷源，即： 外部中斷源 /INT0：由 輸入； 外部中斷源 /INT1：由 輸入， I/O 設(shè)備中斷請(qǐng)求信號(hào)，或掉電故障異常事件中斷請(qǐng)求信號(hào)都可以作為外部中斷源連 /INT0、 /INT1。 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0 溢出中斷： TF0 做標(biāo)志，由 輸出； 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T1 溢出中斷： TF1 做標(biāo)志，由 輸出； 片內(nèi)串行口產(chǎn)生的中斷： RX、 TX。 I/O 口分配： P0 口（ ～ ）為雙向 8 位三態(tài) I/O 口，當(dāng)作為 I/O 口使用時(shí)，可直接連接外部 I/O 設(shè)備。它是地址總線低 8 位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)服用口，可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址 /數(shù)據(jù)總線口 使用。 P1 口（ ～ ）的每一位都可以分別定義為輸入線和輸出線（做輸入時(shí)，鎖存器必須置 1），可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。 P1 口常用作通用 I/O 口，它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)雙向口。 P2 口（ ～ ）為 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，當(dāng)作為 I/O 口使用時(shí)，可直接連接外部I/O 設(shè)備。它是地址總線的高 8 位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載。一般作為擴(kuò)展地址總線的高 8 為使用。 P3 口（ ～ ）為 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載，能夠?qū)崿F(xiàn)第一功能，可作為通用 I/O 口。 P3 口的第二功能定義如表 31 所示： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 12 表 31 P3 口第二功能定義 引腳定義 功能 引腳定義 功能 串行輸入口 串行輸出口 0INT 外部中斷 0 1INT 外部中斷 1 計(jì)時(shí)器 0 外部輸入 計(jì)時(shí)器 1 外部輸入 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 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：地址鎖存允許信號(hào)輸出。在 CPU 訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 提供一個(gè)地址鎖存信號(hào)，將低 8 位地址鎖存在片外鎖存器中。在與 Flash并行編程 /校驗(yàn)期間，該引腳也是編程負(fù)脈沖的輸入端。在正常操作狀態(tài)下，該引腳端口輸出恒定頻率的脈沖。其頻率為晶振頻率的 1/6，可用作外部定時(shí)或其他觸發(fā)信號(hào)。如果需要，可通過(guò) SFR 的第 0 位置禁止 ALE 操作，但 ALE 的禁止位不影響對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)。 PSEN ：片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。當(dāng) AT89S51 執(zhí)行來(lái)自外部程序存儲(chǔ)器的指令代碼時(shí)， PSEN/每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， PSEN/無(wú)效。 VPPEA/ ： EA 片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào)，低電平有效。當(dāng) EA 接地時(shí)， CPU只執(zhí)行片外存儲(chǔ)器中的程序；當(dāng) EA 接 Vcc 時(shí)， CPU 首先執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中的程序（ 0000H~0FFFH），然后自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器中的程序（ 1000H~FFFFH）。如果程序鎖定位 LB1 被編程（ P），那么 EA 值將在復(fù)位時(shí)由片內(nèi)鎖存。在與 Flash 并行編程 /校驗(yàn)期間，該引腳施加 12V 的編程電壓 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。 AT89S51 引腳圖如圖 34 所示： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 13 圖 34 AT89S51 引腳圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)由晶振 電路和復(fù)位電路組成。電路如圖 35 所示。 晶振電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)的指令必須在時(shí)鐘信號(hào)下按照時(shí)序執(zhí)行。晶振電路通常用兩種設(shè)計(jì)方式：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。內(nèi)部振蕩方式是在單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 引腳外接一個(gè)晶體振蕩器，與單片機(jī)內(nèi)部的振蕩器組成時(shí)鐘信號(hào)；外部振蕩方式是在外部將已有的脈沖信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)，一般用于使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)保持同步。本設(shè)計(jì)選用內(nèi)部振蕩方式，在 XTAL1 和 XTAL2引腳之間連接一個(gè) 12MHz的晶振，再分別外接 30p 的對(duì)地電容。 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要 復(fù)位，使系統(tǒng)各器件處于初始狀態(tài)。復(fù)位引腳為 RST，當(dāng)系統(tǒng)上電后晶振電路穩(wěn)定后， RST 引腳有一個(gè)高電平且持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期以上，單片機(jī)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。復(fù)位一般有手動(dòng)復(fù)位和