【文章內容簡介】 第三章 數(shù)字鐘的硬件設計 最小系統(tǒng)設計 單片機的最小系統(tǒng)是由電源、復位、晶振、 /EA=1 組成，下面介紹一下每一個組成部分。 Vcc 電源端 GND 接地端 工作電壓為 5V，另有 AT89LV51 工作電壓則是 , 引腳功能一樣。 數(shù)字電子時鐘設計論文 12 圖 31 晶振連接的內部、外部方式圖 XTAL1 19 XTAL2 18 XTAL1 是片內振蕩器的反相放大器輸入端， XTAL2 則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。內部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為 12MHz，時鐘頻率就為 6MHz。晶振的頻率可以在 1MHz24MHz 內選擇。電容取 30PF 左右。 系統(tǒng)的時鐘電路設計是采用的內部方式，即利用芯片內部的振蕩電路。AT89 單片機內部 有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 22μ F。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以 減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。 3. 復位 RST 9 在振蕩器運行時，有兩個機器周期（ 24 個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腿時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平， 51 芯片便循環(huán)復位。復位后 P0－ P3 口均置 1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。當復位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為 ROM 的 00H 處開始運行程序。 復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。片內復位電路是復位引腳 RST 通過一個斯密特觸發(fā)器與復位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的 S5P2，由復位電路采樣一次。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式，此電路系統(tǒng)采用的是按鈕復位電路。 (1) P0 端口 [] P0 是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口，端口置 1（對端口寫 1）時作高阻抗輸入端。作為輸出口時能驅動 8個 TTL。 對內部 Flash 程序存儲器編程時，接收指令字節(jié) 。校驗程序時輸出指令字節(jié)，要求外接上拉電阻。 在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口是分時轉換的地址 (低 8 位 )/數(shù)據(jù)總線，訪問期間內部的上拉電阻起作用。 (2) P1 端口 [－ ] P1 是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時可驅動 4個 TTL。端口置 1 時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。 對內部 Flash 程序存儲器編程時，接收低 8 位地址信息。 數(shù)字電子時鐘設計論文 13 (3) P2 端口 [－ ] P2 是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時可驅動 4個 TTL。端口置 1 時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內部 Flash程序存儲器編程時，接收高 8 位地址和控制信息。 在訪問外部程序和 16 位外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高 8 位地址。而在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引 腳上的內容在此期間不會改變。 (4) P3 端口 [－ ] P2 是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時可驅動 4個 TTL。端口置 1 時，內部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。 對內部 Flash 程序存儲器編程時，接控制信息。除此之外 P3 端口還用于一些專門功能，具體請看下表。 P3 引腳 兼用功能 串行通訊輸入（ RXD） 串行通訊輸出（ TXD） 外部中斷 0（ INT0） 數(shù)字電子時鐘設計論文 14 表 31 P3 端口引腳兼用功能表 LED 顯示電路 顯示器普遍地用于直觀地顯示數(shù)字系統(tǒng)的運行狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)，按照材料及產品工藝，單片機應用系統(tǒng)中常用的顯示器有： 發(fā)光二極管 LED 顯示器、液晶 LCD 顯示器、 CRT顯示器等。 LED 顯示器是現(xiàn)在最常用的顯示器之一，如下圖所示。 圖 32 LED 顯示器的符號圖 發(fā)光二極管（ LED）由特殊的半導體材料砷化鎵 、磷砷化鎵等制成，可以單獨使用，也可以組裝成分段式或點陣式 LED 顯示器件（半導體顯示器）。分段式顯示器（ LED 數(shù)碼管）由 7條線段圍成 8 字型，每一段包含一個發(fā)光二極管。外加正向電壓時二極管導通，發(fā)出清晰的光。只要按規(guī)律控制各發(fā)光段亮、滅，就可以顯示各種字形或符號。 LED 數(shù)碼管有共陽、共陰之分。圖是共陽式、共陰式 LED 數(shù)碼管的原理圖和符號 . 外部中斷 1（ INT1） 定時器 0 輸入 (T0) 定時器 1 輸入 (T1) 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD 數(shù)字電子時鐘設計論文 15 圖 33 共陽式、共陰式 LED 數(shù)碼管的原理圖和數(shù)碼管的符號圖 顯示電路 顯示模塊需要實時顯示當前的時間 ,即時、分、秒，因此需要 6 個數(shù)碼管，另需兩個數(shù)碼管來顯示橫。采用動態(tài)顯示方式顯示時間，硬件連接如下圖所示，時的十位和個位分別顯示在第一個和第二個數(shù)碼管，分的十位和個位分別顯示在第四個和第五個數(shù)碼管，秒的十位和個位分別顯示在第七個和第八個數(shù)碼管，其余數(shù)碼管顯示橫線。 LED 顯示器的顯示控制方式按驅動方式可分成靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式兩種。對于多位 LED顯示器，通常都是采用動態(tài)掃描的方法進行顯示，其硬件連接方式如下圖所示。 數(shù)字電子時鐘設計論文 16 圖 34 數(shù)碼管的硬件連接示意圖 數(shù)碼管使用條件： a、段及小數(shù)點上加限流電阻 b、使用 電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定； 小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定 c、使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流 45mA 峰值電流 100mA 數(shù)碼管使用注意事項說明： （１）數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角； （２）焊接溫度：２６０度；焊接時間：５Ｓ （３）表面有保護膜的產品 ,可以在使用前撕下來。 鍵盤控制電路 該設計需要校對時間，所以用三個按鍵來實現(xiàn)。按 hour 來調節(jié)小時的時間，按 minute來調節(jié)分針的時間，按 sceond 來調節(jié)秒的時間。下圖是按鍵硬件連接圖。 數(shù)字電子時鐘設計論文 17 圖 35 按鍵控制電路的硬件連接圖 當用手按下一個鍵時，如圖 36 所示，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個鍵時，也回會出現(xiàn)類似的情況。這就是抖動。抖動的持續(xù)時間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通?？偸遣淮笥?10ms。很容易想到，抖動問題不解決就會引起對閉合鍵的識別。用軟件方法可以很容易地解決抖動問題，這就是通過延遲10ms 來等待抖動消失，這之后，在讀入鍵盤碼。 圖 36 按鍵抖動信號波形 鍵按下 前沿抖動 后沿抖動 閉合 穩(wěn)定 數(shù)字電子時鐘設計論文 18 第四章 數(shù)字 鐘的軟件設計 系統(tǒng)的軟件設計也是工具系統(tǒng)功能的設計。單片機軟件的設計主要包括執(zhí)行軟件（完成各種實質性功能）的設計和監(jiān)控軟件的設計。單片機的軟件設計通常要考慮以下幾個方面的問題： （ 1）根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件劃分為若干個相對獨立的部分，設計出合理的總體結構，使軟件開發(fā)清晰、簡潔和流程合理； （ 2）培養(yǎng)良好的編程風格，如考慮結構化程序設計、實行模塊化、子程序化。既便于調試、鏈接，又便于移植和修改； （ 3）建立正確的數(shù)學模型，通過仿真提高系統(tǒng)的性能，并選取合適的參數(shù)； （ 4）繪制程序流程圖； （ 5）合理分配 系統(tǒng)資源 ； （ 6）為程序加入注釋，提高可讀性，實施軟件工程； （ 7）注意軟件的抗干擾設計，提高系統(tǒng)的可靠性。 系統(tǒng)軟件設計流程圖 這次的數(shù)字電子鐘設計用到很多子程序，它們的流程圖如下所示。 主程序是先開始，然后啟動定時器，定時器啟動后在進行按鍵檢測，檢測完后，就可以顯示時間。 圖 41 主程序流程圖 按鍵處理是先檢測秒按鍵是否按下，秒按鍵如果按下，秒就加 1；如果沒有按下，就檢測分按鍵是否按下，分按鍵如果按下，分就加 1；如果沒有按下，就檢測時按鍵是否按下，時按 鍵如果按下，時就加 1；如果沒有按下，就把時間顯示出來。 開始 啟動定時器 按鍵檢測 時間顯示 數(shù)字電子時鐘設計論文 19