【文章內(nèi)容簡介】 7 段數(shù)碼管作為顯示介質(zhì)。數(shù)碼管顯示可以分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。由于本設(shè)計需要采用五位數(shù)碼管9 / 45顯示時間，如果靜態(tài)顯示則占用的口線多，硬件電路復(fù)雜。所以采用動態(tài)顯示。A T 8 9 C 5 2段驅(qū)動位驅(qū)動五位數(shù)碼管圖 顯示電路基本原理圖動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管，這種逐位點亮顯示器的方式稱為位掃描。通常各位數(shù)碼管的段選線相應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個 8 位的 I/O 口控制；各位的公共陰極位選線由另外的 I/O 口線控制。動態(tài)方式顯示時，各數(shù)碼管分時輪流選通，要使其穩(wěn)定顯示必須采用掃描方式，即在某一時刻只選通一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼，在另一時刻選通另一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼，依此規(guī)律循環(huán)，即可使各位數(shù)碼管顯示將要顯示的字符，雖然這些字符是在不同的時刻分別顯示，但由于人眼存在視覺暫留效應(yīng)，只要每位顯示間隔足夠短就可以給人同時顯示的感覺。數(shù)碼顯示管分為共陽數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管兩種共陽極數(shù)碼管的 8 個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，如圖（b），通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。共陰極數(shù)碼管的 8 個發(fā)光二極管的陰極（二極管負(fù)端）連接在一起，如圖（c），通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端，當(dāng)某段驅(qū)動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能提供額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。 10 / 45圖 （a）數(shù)碼管引腳圖 （b）共陽極內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （c）共陰極內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖本設(shè)計采用共陰極數(shù)碼顯示管做顯示電路，由于采用的是共陰的數(shù)碼顯示管，所以只要數(shù)碼管的 a、b、c 、 d、e、f、g、h 引腳為高電平，那么其對應(yīng)的二極管就會發(fā)光，使數(shù)碼顯示管顯示 0～9 的編碼見表 。表 共陰極數(shù)碼顯示管字型代碼字型 共陰極代碼 字型 共陰極代碼0 3FH 5 6DH1 06H 6 7DH2 5BH 7 07H3 4FH 8 7FH4 66H 9 6FH動態(tài)顯示電路由顯示塊、字形碼驅(qū)動模塊、字位驅(qū)動模塊三部分組成。如圖 所示為本系統(tǒng)的 5 位 LED 動態(tài)顯示器接口電路。圖中，5 個數(shù)碼管的 8 段段選線分別與外接上拉電阻的單片機(jī) P0 口對應(yīng)相連，而 5 個數(shù)碼管的位控制端則和 NPN 型三極管的集電極相連接。單片機(jī)的 ~ 口則分別對應(yīng)數(shù)碼顯示管的最低位到最高位，~ 口分別和五個 NPN 型三極管的基極相連，做三極管導(dǎo)通的控制端，而 NPN型三極管選用 9013 型三極管。根據(jù) 9013 的資料顯示：其耐壓值為 40V，最大功率為，最大電流為 ，電氣性能完全滿足本設(shè)計的要求。另外數(shù)碼管顯示是采用動態(tài)顯示，所以對三極管的開關(guān)頻率有一定的要求。根據(jù)電子秒表的設(shè)計計算可知動態(tài)顯示的頻率最高為 3KHz，而 9013 的導(dǎo)通頻率為 150MHz，完全能滿足本設(shè)計的要求，所以最終選取 9013 三極管最為位控制開關(guān)。11 / 45由于數(shù)碼管是有 P0 口來驅(qū)動，它內(nèi)部沒有上拉電阻，作為輸出口時驅(qū)動能力比較弱，不能點亮數(shù)碼顯示管，因此 P0 口必須接上拉電阻來提高驅(qū)動能力。另外一位共陰數(shù)碼管的驅(qū)動電流一般為 20mA 左右，如果電流太大容易造成數(shù)碼管損壞，所以也需要根據(jù)電源的電壓值來確定上拉電阻的大小。如果電阻過小，勢必會形成灌電流過大，造成單片機(jī) IO 的損壞，如果電阻過大，那么對拉電流沒有太大的影響。電源供電電壓為 5V，當(dāng)上拉電阻選用 220Ω 電阻時灌電流為 22mA。不會損壞單片機(jī)的 I/O 口，同時也可以為數(shù)碼顯示管起到限制電流的保護(hù)作用。 按鍵電路的選擇與設(shè)計本設(shè)計中有四個按鍵，分別實現(xiàn)開始、暫停、復(fù)位和查看功能。這三個鍵可以采用中斷的方法，也可以采用查詢的方法來識別。對于復(fù)位鍵和查看鍵，主要功能在于數(shù)值復(fù)位和對上次計時時間的查看，對于時間的要求不是很嚴(yán)格，而開始和暫停鍵主要用于時間的鎖定，需要比較準(zhǔn)確的控制。因此可以考慮，對復(fù)位鍵和查看鍵采用查詢的方式，而對于開始和暫停鍵采用外部中斷。四個按鍵均采用低電平有效，具體電路連接圖如圖 所示。當(dāng)按鍵沒有按下時，單片機(jī)的 I/O 口直接連接電源，因此需要接上拉電阻來進(jìn)行限流，本設(shè)計中選取阻值為 2kΩ 的電阻作為上拉電阻，根據(jù)計算可知此時的灌電流為，查看 AT89C52 的資料得知次電流在安全范圍內(nèi)，符合安全設(shè)計要求。開始暫停復(fù)位查看 P 3 . 3 ( I N T 1 ) P 3 . 2 ( I N T 0 ) P 1 . 1 P 2 . 5V C C圖 按鍵電路12 / 45按鍵電路中由于采用了外部中斷，所以需要用到 P3 口的第二功能。P3 口引腳的第二功能如表 表 P3 口引腳第二功能表 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 請求輸入端） INT1（外部中斷 1 請求輸入端） T0（定時器/計數(shù)器 0 計數(shù)脈沖輸入端） T1（定時器/計數(shù)器 1 計數(shù)脈沖輸入端） WR(片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端) RD（片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端） 時鐘電路的選擇與設(shè)計單片機(jī)的時鐘信號用來提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作的時間基準(zhǔn)，89S52 片內(nèi)設(shè)有一個由反向放大器所構(gòu)成的振蕩電路，XTAL1 和 XTAL2 分別為振蕩電路的輸入和輸出端，89S52 單片機(jī)的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式與外部振蕩方式。外部方式的時鐘很少用，若要用時，只要將 XTAL1 接地，XTAL2 接外部振蕩器就行。對外部振蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號。時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘信號 P1 和 P2 供單片機(jī)使用。P 1在每一個狀態(tài) S 的前半部分有效， P2 在每個狀態(tài)的后半部分有效。本設(shè)計采用的內(nèi)部振蕩方式，內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。本設(shè)計系統(tǒng)的時鐘電路如圖 所示。只要按照圖 所示電路進(jìn)行設(shè)計連接就能使系統(tǒng)可靠起振并能穩(wěn)定運(yùn)行。圖中，電容器 C1 、C 2 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值一般為 5～33pF 。但在時鐘電路的實際應(yīng)用中一定要注意正確選擇其大小，并保證電路的對稱性，盡可能匹配，選用正牌的瓷片或云母電容，如果可能的話，溫度系數(shù)盡可能低。本設(shè)計中采用大小為 30pF 的電容和 12MHz 的晶振 [8]。13 / 45圖 內(nèi)部振蕩電路（4） 時序AT89S52 典型的指令周期（執(zhí)行一條指令的時間稱為指令周期）為一個機(jī)器周期，一個機(jī)器周期由六個狀態(tài)（十二振蕩周期）組成。每個狀態(tài)又被分成兩個時相 P1 和P2。所以，一個機(jī)器周期可以依次表示為 S1P1，S 1P2……，S 6P1，S 6P2。通常算術(shù)邏輯操作在 P1 時相進(jìn)行，而內(nèi)部寄存器傳送在 P2 時相進(jìn)行。圖 89S52 時序圖 給出了 AT89S52 單片機(jī)的取指和執(zhí)行指令的定時關(guān)系。這些內(nèi)部時鐘信號不能從外部觀察到，所用 XTAL2 振蕩信號作參考。在圖中可看到，低 8 位地址的鎖存信號 ALE 在每個機(jī)器周期中兩次有效：一次在 S1P2 與 S2P1 期間，另一次在 S4P2 與S5P1 期間。ALE時 鐘S1 S4 S6S5S3S2讀 操 作 碼 讀 操 作 碼 (無 效 )(a) 1字 節(jié)1周 期 指 令讀 下 一 指 令S1 S4 S6S5S3S2讀 操 作 碼 讀 第 二 字 節(jié)(b) 2字 節(jié)1周 期 指 令讀 下 一 指 令S1 S4 S6S5S3S2讀 操 作 碼 讀 操 作 碼 (無 效 )(c) 1字 節(jié)2周 期 指 令讀 下 一 指 令S1 S4 S6S5S3S214 / 45對于單周期指令，當(dāng)操作碼被送入指令寄存器時，便從 S1P2 開始執(zhí)行指令。如果是雙字節(jié)單機(jī)器周期指令，則在同一機(jī)器周期的 S4 期間讀入第二個字節(jié)，若是單字節(jié)單機(jī)器周期指令，則在 S4 期間仍進(jìn)行讀，但所讀的這個字節(jié)操作碼被忽略，程序計數(shù)器也不加 1，在 S6P2 結(jié)束時完成指令操作。圖 的(a)和(b)給出了單字節(jié)單機(jī)器周期和雙字節(jié)單機(jī)器周期指令的時序。89S52 指令大部分在一個機(jī)器周期完成。乘（MUL）和除（DIV）指令是僅有的需要兩個以上機(jī)器周期的指令，占用 4 個機(jī)器周期。對于雙字節(jié)單機(jī)器周期指令，通常是在一個機(jī)器周期內(nèi)從程序存儲器中讀入兩個字節(jié)，唯有 MOVX 指令例外。MOVX 是訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的單字節(jié)雙機(jī)器周期指令。在執(zhí)行 MOVX 指令期間，外部數(shù)據(jù)存儲器被訪問且被選通時跳過兩次取指操作。圖 中(c)給出了一般單字節(jié)雙機(jī)器周期指令的時序 [9]。 復(fù)位電路的選擇與設(shè)計關(guān)于單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個值，復(fù)位是一個很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實現(xiàn)。當(dāng) AT89C52 單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST（全稱 RESET）出現(xiàn) 2 個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作。如果 RST 持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，而無法執(zhí)行程序。因此要求單片機(jī)復(fù)位后能脫離復(fù)位狀態(tài)。而本系統(tǒng)選用的是12MHz 的晶振，因此一個機(jī)器周期為 1μs，那么復(fù)位脈沖寬度最小應(yīng)為 2μs。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，考慮到電源的穩(wěn)定時間，參數(shù)漂移，晶振穩(wěn)定時間以及復(fù)位的可靠性等因素，必須有足夠的余量。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位、手動復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。80C51 單片機(jī)的上電復(fù)位POR（ Power On Reset）實質(zhì)上就是上電延時復(fù)位，也就是在上電延時期間把單片機(jī)鎖定在復(fù)位狀態(tài)上。在單片機(jī)每次初始加電時，首先投入工作的功能部件是復(fù)位電路。復(fù)位電路把單片機(jī)鎖定在復(fù)位狀態(tài)上并且維持一個延時（記作 TRST） ，以便給予電源電壓從上升到穩(wěn)定的一個等待時間；在電源電壓穩(wěn)定之后，再插入一個延時，給予時鐘振蕩器從起振到穩(wěn)定的一個等待時間；在單片機(jī)開始進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)之前，還要至少15 / 45推遲 2 個機(jī)器周期的延時。上述一系列的延時，都是利用在單片機(jī) RST 引腳上外接一個 RC 支路的充電時間而形成的。典型復(fù)位電路如圖 （a）所示，其中的阻容值是原始手冊中提供的。在經(jīng)歷了一系列延時之后，單片機(jī)才開始按照時鐘源的工作頻率，進(jìn)入到正常的程序運(yùn)行狀態(tài)。在電源電壓以及振蕩器輸出信號穩(wěn)定之后，又等待了一段較長的延時才釋放RST 信號，使得 CPU 脫離復(fù)位鎖定狀態(tài)；而 RST 信號一旦被釋放，立刻在 ALE 引腳上就可檢測到持續(xù)的脈沖信號 [8]。圖 上電復(fù)位延時電路由于標(biāo)準(zhǔn) 80C51 的復(fù)位邏輯相對簡單，復(fù)位源只有 RST 一個（相對新型單片機(jī)來說，復(fù)位源比較單一） ，因此各種原因所導(dǎo)致的復(fù)位活動以及復(fù)位狀態(tài)的進(jìn)入，都要依靠在外接引腳 RST 上施加一定時間寬度的高電平信號來實現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn) 80C51 不僅復(fù)位源比較單一，而且還沒有設(shè)計內(nèi)部上電復(fù)位的延時功能，因此必須借助于外接阻容支路來增加延時環(huán)節(jié)，如圖 (a)所示。其實，外接電阻 R 還是可以省略的，理由是一些 CMOS 單片機(jī)芯片內(nèi)部存在一個現(xiàn)成的下拉電阻 Rrst。例如，AT89 系列的 Rrst 阻值約為 50～200 kΩ；P89V51Rx2 系列的 Rrst 阻值約為 40～225 kΩ，如圖 所示。因此，在圖 (a)基礎(chǔ)上，上電復(fù)位延時電路還可以精簡為圖(b)所示的簡化電路（其中電容 C 的容量也相應(yīng)減小了） 。圖 復(fù)位引腳 RST 內(nèi)部電路在每次單片機(jī)斷電之后，須使延時電容 C 上的電荷立刻放掉，以便為隨后可能在16 / 45很短的時間內(nèi)再次加電作好準(zhǔn)備。否則，在斷電后 C 還沒有充分放電的情況下，如果很快又加電，那么 RC 支路就失去了它應(yīng)有的延遲功能。因此，在圖 (a)的基礎(chǔ)上添加一個放電二極管 D，上電復(fù)位延時電路就變成了如圖 (c)所示的改進(jìn)電路。也就是說，只有 RC 支路的充電過程對電路是有用的，放電過程不僅無用，而且會帶來潛在的危害。于是附加一個放電二極管 D 來大力縮短放電持續(xù)時間，以便消除隱患。二極管 D 只有在單片機(jī)斷電的瞬間（即 VCC 趨近于 0 V，可以看作 VCC 對地短路）正向?qū)ǎ綍r一直處于反偏截止?fàn)顟B(tài)。手動復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，如果發(fā)生死機(jī)，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)要完成復(fù)位，必須向復(fù)位端輸出并持續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平，從而實現(xiàn)復(fù)位操作。本設(shè)計采用上電且開關(guān)復(fù)位電路，如圖 所示上電后，由于電容充電，使 RST持續(xù)一段高電平時間。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行之中時，按下復(fù)位鍵也能使 RST 持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。通常選擇 C=10~30μF，R=1K，本設(shè)計采用的電容值為 22μF 的電容和電阻為 1K 的電阻。V C CC 3R 4 S 4R 52 0 0 Ω1 K Ω2