【文章內(nèi)容簡介】 單片機(jī)斷電，時(shí)間計(jì)時(shí)就停止，再次上電時(shí)又從初始設(shè)定重新計(jì)時(shí)，這樣就需要在每次上電都調(diào)整時(shí)間，比較麻煩。 方案二：在傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上經(jīng)過一些改進(jìn)，引入 12887 時(shí)間芯片，將電路的控制部分和計(jì)時(shí)部分分開，電路的控制部分為單片機(jī)，計(jì)時(shí)部分為 12887 時(shí)間芯片。 12887 芯片是獨(dú)立計(jì)時(shí)，并且具有掉電保護(hù)功能，內(nèi)部自帶鋰電池，能夠 在斷電的情況下繼續(xù)計(jì)時(shí)，主電路恢復(fù)供電之后能夠不必調(diào)整時(shí)間，為時(shí)鐘的日常操作省去了很大的麻煩，而且這種設(shè)計(jì)更節(jié)能，在需要觀察時(shí)間的時(shí)候比如白天就可以給主電路通電。而在夜晚不需要觀察時(shí)鐘的時(shí)候就可以給主電路斷電，這樣可以節(jié)約大量能量。 時(shí)鐘芯片使用美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 和內(nèi)置電池的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 DS12887。采用 DS12887 作為主要計(jì)時(shí)芯片，可以做到計(jì)時(shí)準(zhǔn)確。更重要的是， DS12887 可以在外部電源斷電的情況下繼續(xù)計(jì)時(shí)，在沒有外部供電的情況下， DS12887 可以連續(xù)計(jì)時(shí) 10年以上 。 時(shí)間芯片 12887 采用了內(nèi)部集成晶振的電路，并且具有內(nèi)部溫漂補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)。能夠準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，提供精確的時(shí)間，這樣就簡化了電路的器件選擇，另外也使程序的設(shè)計(jì)更加簡潔。 比較上述兩種方案可以看出，第二種方案計(jì)時(shí)更加準(zhǔn)確而且電路硬件設(shè)計(jì)先對來說并不復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)更加簡潔。 為了減少實(shí)物的制作難度和節(jié)約成本，我決定選擇第一種方案。 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 時(shí)鐘顯示 的方案選擇 方案一：時(shí)鐘的顯示可以用 4 位 LED 數(shù)碼管顯示， 4 位 LED 數(shù)碼管顯示電路 耗能多，而且顯示位數(shù)有限，每增加一位都要在程序設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)方面增加很多的工作量，不利于 電路的擴(kuò)展，而且無法顯示年、月、日、星期這些漢字，使得顯示不夠直觀，靈活。但是這種設(shè)計(jì)方案在顯示位數(shù)比較少時(shí)性價(jià)比比較高，價(jià)格便宜。 方案二：采用 LCD液晶顯示器顯示。而 LCD 液晶顯示則耗能少，能夠顯示年、月、日、星期等漢字，在顯示方面更加靈活，而且改變顯示時(shí)只要改變軟件設(shè)計(jì)就可以，不用改變硬件電路的設(shè)計(jì)，易于電路的功能擴(kuò)展。電路的軟件設(shè)計(jì)也很簡單。另外，這種設(shè)計(jì)硬件更加簡潔。采用 LCD 液晶顯示方案的缺點(diǎn)是在顯示位數(shù)比較少時(shí)，價(jià)格略顯昂貴。 比較上述兩種方案可以看出方案二耗能少，顯示靈活，易于電路擴(kuò)展而且不 管是軟件設(shè)計(jì)還是硬件設(shè)計(jì)都比較簡單 。為了減少實(shí)物的制作難度和節(jié)約成本，我決定選擇第一種方案。 綜上所述，本設(shè)計(jì)采用 單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)時(shí)方式 ， 用 4 位 LED 顯示時(shí)間 。 系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì) 主控芯片使用 51 系列 STC89C52 單片機(jī)， 系統(tǒng)由主控制器 STC89C5 LED顯示模塊、鍵掃描電路和系統(tǒng)下載模塊電路組成。利用單片機(jī)定時(shí)輸出 Y YY3，定時(shí)時(shí)間分別 T T T3，并用發(fā)光二極管表示其時(shí)間長短，用 LED 顯示定時(shí)的剩余時(shí)間。時(shí)間長短通過按鍵調(diào)節(jié)，串口用來對單片機(jī)在線編程。 如圖21 所示： 各模 塊功能如下： ：以 STC89C52 單片機(jī)為核心。 ：本設(shè)計(jì)共采用按鍵 7 個(gè)，分別與單片機(jī)的三個(gè) I/O 管 腳相連 ,分別對應(yīng)復(fù)位、可以任意時(shí)間的調(diào)整和退出，任意設(shè)定一個(gè)時(shí) 間，到鬧鈴開關(guān)鍵的功能。 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 ：顯示器部分是 4 位 LED 數(shù)碼管顯示電路 組成。 ：對單片機(jī)在線編程 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 主控制模塊的方案選擇與設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，也可以采用單片機(jī)來完成。若用數(shù)字電路完成，所設(shè)計(jì)的電路相當(dāng)復(fù)雜，大概 需要十幾片數(shù)字集成塊，其功能也主要依賴數(shù)字電路的各功能模塊的組合來實(shí)現(xiàn)。若用單片機(jī)來設(shè)計(jì)完成，由于其功能的實(shí)現(xiàn)主要通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)的，那么就降低了硬件電路的復(fù)雜性，所以在該設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)作為主控模塊。另外這個(gè)課題設(shè)計(jì)的軟件程序比較簡單，不需要很強(qiáng)大的單片機(jī)，只要用簡單的單片機(jī)就可以滿足要求，因此我選用了性價(jià)比比較高的低端 STC89C52 單片機(jī)。 基于單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)器電路包含了如下的功能模塊： 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 基本的單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)的定時(shí)中斷 單片機(jī)的外圍電路 外部按鍵輸入裝置 數(shù)碼管 LED 顯示裝置 利用單片機(jī)的 定時(shí)器定時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，并可以利用單片機(jī)的功能很好地進(jìn)行時(shí)間的顯示、指示、輸出。原理簡單，使用元器件少，相對來說在實(shí)物調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的問題就少。該方案還有一個(gè)好處就是成本低。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) STC單片機(jī) MCS51單片機(jī)是美國 INTE 公司于 1980 年推出的產(chǎn)品，與 MCS48 單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令 ,指令數(shù)達(dá) 111 條， MCS51 單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品 。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得 芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元， STC89C52 單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。 STC89C52 單片機(jī)為 40 引腳雙列直插芯片 ,有四個(gè) I/O 口 P0、 P PP3,每一條 I/O 線都能獨(dú)立地作輸出或輸入。 STC89C52 PDIP 管腳封裝，如圖31 所示。 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 31 STC89C52 PDIP 管腳封裝 STC89c52 包含以下部分，其結(jié)構(gòu)圖如圖 32 所示 （ 1）一個(gè) 8 位微處理器 CPU （ 2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR （ 3）片內(nèi)程序存儲器 ROM （ 4）三個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，可用作定時(shí)器，也可用以對外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) （ 5）四個(gè) 8 位可編程的并行 I/O 端口，每個(gè)端口既可作輸入，也可作 輸 出 （ 6）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信 （ 7）中斷控制系統(tǒng) （ 8）內(nèi)部時(shí)鐘電路 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 32 STC89c52 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 STC89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash 閃速存儲器 ,512 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I/O 口線， 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， STC89C52 可降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行 通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 STC單片機(jī)模塊介紹 復(fù)位電路 復(fù)位操作有上電自動復(fù)位、按鍵電平復(fù)位和外部脈沖復(fù)位三鐘方式，本次實(shí)驗(yàn)用的是按鍵電平復(fù)位，利用電容的充放電公式來選擇所需的電容、電阻，能保證復(fù)位信號高電平持續(xù)時(shí)間大于 2 個(gè)機(jī)器周期。 復(fù)位電路圖如下： 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 33 復(fù)位電路 在電路圖中，電容的的大小是 10uF，電阻的大小是 10k。所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電 壓的 倍（單片機(jī)的電源是 5V，所以充電到 ），需要的時(shí)間是 10K*10UF=。 在單片機(jī)啟動 后，電容 C 兩端的電壓持續(xù)充電為 5V，這是時(shí)候10K 電阻兩端的電壓接近于 0V， RST 處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在 內(nèi)，從 5V 釋放到變?yōu)榱?，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候 10K 電阻兩端的電壓為 ，甚至更大，所以 RST 引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位。 該設(shè)計(jì)中復(fù)位電路選用 10uF 的電容和 10k 歐姆的電阻 組成， 在滿足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下該復(fù)位電路的優(yōu)點(diǎn)在于降低復(fù)位引腳的對地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 晶振電路 單片機(jī)的晶振電路是一種典型的電路，分為內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘兩種方式。 內(nèi)部時(shí)鐘，是用芯片內(nèi)部振蕩 ， 形成的時(shí)鐘，精度不高，溫飄也較大，不需要外部振蕩器件。 出于成本及工藝復(fù)雜的考慮，選擇內(nèi)部時(shí)鐘方式。 內(nèi)部時(shí)鐘方式如圖 34 所示： 圖 34 內(nèi)部時(shí) 鐘晶振電路 內(nèi)部時(shí)鐘電路和晶振頻率一般選擇在 4MHz~12MHz 之間（該設(shè)計(jì)選用12MHz），外接兩個(gè)諧振電容。該電容的典型值為 30pF,該 設(shè)計(jì)也 選用 30pF。 電源 電路 本 課題選擇 USB 供電模式 ，即 基于電腦 USB 口供電 ，電腦的 USB 接口可以提供 達(dá)到 5V/500mA 的供電水平 ， 雖然 USB 接口對于給大型設(shè)備供電存在不足，但就本課題而言已經(jīng)可以充分滿足需求， 所以 在設(shè)計(jì)的時(shí)候僅僅是使用插針預(yù)留了電源、地線接口，電源獲取方式 為電腦供電。 由于采用了此這種設(shè)計(jì)方式省去了普遍使用的 LM7805 穩(wěn)壓電源電路，所 以將低了一部分成本。同時(shí)，本課題 還設(shè)計(jì)有電源指示電路 ，發(fā)光二極管串聯(lián)一個(gè)電阻起到了限流的作用，防止二極管燒壞 。 此處的二極管還起到了防止電流反灌的作用，保護(hù) USB 接口正南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 常工作。 具體電路如圖 35 所示： 圖 35 USB 供電 下載 電路 單片機(jī)是一種數(shù)字集成芯片，數(shù)字電路中只有兩種電平：高電平和低電平。我們暫且假定單片機(jī)的輸入輸出高電平為 5V，低電平為 0V。而計(jì)算機(jī)串口為RS232C 電平，它是一種負(fù)邏輯電平，原因是其高電平為 12V，低電平為 +12V。因此，計(jì)算機(jī)要與單片機(jī)相連，必須使用電平轉(zhuǎn)換 芯片。在這里我們使用的是MAX232 芯片 ，采用 3 線連接方式，即 RXD、 TXD 和 GND。該電路是一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路。 如圖 36： 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 36 電平轉(zhuǎn)換電路 LED 與單片機(jī)接口電路 4 位 LED 數(shù)碼管有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種結(jié)構(gòu)。為了減少元器件及連線，可選用動態(tài)顯示的 4 位一體的 LED 數(shù)碼管。用單片機(jī)的某個(gè) I/O 口送數(shù)碼管的顯示段碼（字符數(shù)據(jù)），用另一 I/O 口的其中 4 位經(jīng)過三極管驅(qū)動后分別作為 4 個(gè)數(shù)碼管的顯示控制信號，當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)候?qū)?yīng)的數(shù)碼管顯示。 如圖 37。 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 常用的 LED 顯示器 有 7 段（或 8 段， 8 段比 7 段多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)“ dp”段）。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。該設(shè)計(jì)中選用的是共陽極， LED 與單片機(jī)的接線如下圖 38 所示。 圖 38 LED 與單片機(jī)的接線 共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常該共陽極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。 使用 LED 顯示器時(shí)，為了顯示數(shù)字或符號，要為 LED 顯示器提供代碼，因?yàn)檫@些代碼是通過段的亮與滅來顯示不同字形的，因此稱之為代碼。 7 段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì) 8 段，因此提供給 LED 顯示器的段碼正好一個(gè)字節(jié)。 南京工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 各段字節(jié)中各位的對應(yīng)關(guān)系如表 39 所示： 顯示數(shù) dp G f e d c b a 段碼 0 1 1 0 0 0 0 0 0 C0H 1 1 1 1 1 1 0 0 1 F9H 2 1 0 1 0 0 1 1 0 A3H 3 1 0 1 1 0 0 0 0 B0H 4 1 0 0 1 1 0 0 1 99H 5 1 0 0 1 0 0 1 0 92H 6 1 0 0 0 0 0 1 0 82H 7 1 1 1 1 1 0 0 0 F8H 8 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 9 1 0 0 1 0 0 0 0 90H 由于單片機(jī) I/O的電氣特性決定了單片機(jī)的端口的驅(qū)動能力有限，一般地，單片機(jī)的端口只是驅(qū)動 TTL 電平，不提供或者提供很小的驅(qū)動電流，所以在帶負(fù)載時(shí)，單片機(jī)應(yīng)當(dāng)在 I/O 口加上驅(qū)動芯片 或使用三極管驅(qū)