【文章內(nèi)容簡介】 件： (1) 控制器 控制器是單片機的指揮控制部件，控制器的主要任務(wù)是識別指令，并根據(jù)指令的性質(zhì)控制單片機各功能部件，從而保證單片機各部分能自動而協(xié)調(diào)地工作。單片機執(zhí)行指令是在控制器的控制下進行的。首先從程序存儲器中讀出指令，送指令寄存器保存，然后送至指令譯碼器進行譯碼，譯碼結(jié)果送定時控制邏輯電路，由定時控制邏輯產(chǎn)生各種定時信號和控制信號，再送到單片機的各個部件去進行相應(yīng)的操作。這就是南京化工職業(yè)技術(shù)學院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 6 執(zhí)行一條指令的全過程，執(zhí)行程序就是 不斷重復(fù)這一過程?？刂破髦饕ǔ绦蛴嫈?shù)器、程序地址寄存器、指令寄存器 IR、指令譯碼器、條件轉(zhuǎn)移邏輯電路及時序控制邏輯電路。 (2) 存儲器 AT89S51 單片機存儲器采用的是哈佛結(jié)構(gòu) ,即程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間截然分開 ,程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各有自己的尋址方式 ,尋址空間和控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)對于單片機面向控制的實際應(yīng)用極為方便 ,有利 .在 8051/8751 彈片擊中 ,不僅在片內(nèi)集成了一定容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器及眾多的特殊功能寄存器 ,而且還具有極強的外存儲器的擴展能力 ,尋址能力分別可達 64KB,尋址 和操作簡單方便。 (3) 并行 I/O 口 MCS51 單片機共有 4 個雙向的 8 位并行 I/O 端口（ Port），分別記作 P0P3，共有32 根口線，各口的每一位均由鎖存器、輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器所組成。實際上 P0P3已被歸入特殊功能寄存器之列。這四個口除了按字節(jié)尋址以外，還可以按位尋址。由于它們在結(jié)構(gòu)上有一些差異，故各口的性質(zhì)和功能有一些差異。 (4) 時鐘電路與時序 時鐘電路用于產(chǎn)生 MCS51 單片機工作時所必需的時鐘信號。 MCS51 單片機本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證同步工作方式的實現(xiàn)， MCS51 單片機應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按時序執(zhí)行進行工作，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各個信號的關(guān)系。 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)的整體構(gòu)思方案，具體有幾個模塊組成，以及每個模塊的連接方法。核心芯片單片機的基本資料介紹，著重介紹了單片機的對比與選擇。再選擇了合適的單片機后還介紹了 AT89S51 單片機最小系統(tǒng)的架構(gòu)與實驗。 南京化工職業(yè)技術(shù)學院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 7 第 3 章 數(shù)字鐘的硬件設(shè) 計 最小系統(tǒng)設(shè)計 單片機要正常運行，必須具備一定的硬件條件，其中最主要的就是三個基本條件：（ 1）電源正常；（ 2）時鐘正常； （ 3）復(fù)位正常。 AT89S51 的引腳如圖 31 所示 。 在AT89S51 單片機的 40 個引腳中，電源引腳 2 根，晶振引腳 2 根，控制引腳 4 根，可編程輸入輸出引腳 32 根。 圖 31 AT89S51 的最小系統(tǒng) (1) 工作電源 電源是單片機工作的動力源泉，對應(yīng)的接線方法為 。40 腳（ VCC）電源引腳，工作時接＋ 5 電源， 20 腳（ GND）為接地線。 (2) 時鐘電路 時鐘電路為單片機產(chǎn)生時序脈沖，單片機所有運算與控制過程都是在統(tǒng)一的時序南京化工職業(yè)技術(shù)學院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 8 脈沖的驅(qū)動下進行的，時鐘電路就好比人的心臟一樣重要。當采用內(nèi)部時鐘時，連接方法如圖 21 所示，在晶振引腳 XTAL1(19 腳 )和 XTAL2(18 腳 )引腳之間接入一個晶振，兩個引腳對地分別再接入一個電容即可產(chǎn)生所需的時鐘信號，電容的容量一般在幾十皮法，如 30PF。 (3) 復(fù)位電路 在復(fù)位引腳 (9 腳 )持續(xù)出現(xiàn) 24 個振蕩器脈沖周期 (即 2 個機器周期 )的高電平信號將使單片機復(fù)位。如圖 21 所示電容 C 和電阻 R 構(gòu)成了單片機上電自動復(fù)位電路。復(fù)位后，單片機從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，并初始化一些專用寄存器為復(fù)位狀態(tài)值，受影響的專用寄存器如表 31 所示。 表 31 復(fù)位寄存器狀態(tài)表 寄存器 狀態(tài) 寄 存器 狀態(tài) PC 000H TC0N 00H ACC 00H TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0—P3 FFH SCON 00H IP XXX00000H SBUF 不確定 IE OXX00000H PCON 0XXX0000H TMOD 00H (4) 控制引腳 EA 接法 EA/VPP(31 腳 )為內(nèi)外程序存儲器選擇控制引腳，當 EA 為低電位時單片機從外部程序存儲器取指令；當 EA 接高電平時單片機從內(nèi) 部程序存儲器取指令。 AT89S51單片機內(nèi)部有 4KB 可反復(fù)擦寫 1000 次以上的程序存儲器，因此要把 EA 接 +5V高電平，讓單片機運行內(nèi)部的程序，這樣就可以通過反復(fù)燒寫來驗證程序了。 這就是 AT89S51 單片機最小化系統(tǒng)的連接，只要把編寫好的程序燒寫到單片機內(nèi)部，并接上 5V 電源就可以正常運行了，在 17 腳接上的發(fā)光二極管可以用來驗證系統(tǒng)是否正常。 南京化工職業(yè)技術(shù)學院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 9 數(shù)字鐘的外圍電路設(shè)計 時鐘電路 （ 1） 單片機時鐘 時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊的一拍一拍地工 作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式：一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。本文用的是內(nèi)部時鐘方式。 電路設(shè)計如圖 32 所示。 圖 32 單片機時鐘 AT89S51 單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為引腳 XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 （ 2） 時鐘芯片 采用帶 RAM 的時鐘芯片 DS1302。該芯片可以進行時分秒 的計數(shù)，具有 100 年日歷，可編程接口，還具有報警功能和掉電保存功能，并且可以對其方便的進行程序控制 DS1302 它通過串行方式與單片機進行數(shù)據(jù)傳送，向單片機提供包括秒、分、時、日、月、年等在內(nèi)的實時時間信息，并可對月末日期、閏年天數(shù)自動進行調(diào)整；還擁有用于主電源和備份電源的雙電源引腳，在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。另外，它還能提供 31 字節(jié)的用于高速數(shù)據(jù)暫存的 RAM。 有了這些 特點，DS1302 已在許多單片機系統(tǒng)中得到應(yīng)用 。 南京化工職業(yè)技術(shù)學院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 10 圖 33 DS1302 引腳排列圖 DS1302 的引腳排列如圖 33 所示，各引腳的功能 見表 32。 表 32 DS1302 功能表 引腳 功能 X1， X2 32768HZ 晶振引腳端 RST 復(fù)位端 I/O 數(shù)據(jù)輸入 /輸出端 SCLK 串行時終端 GND 地 VCC2， VCC1 主電源與后備電源引腳端 DS1302 時鐘芯片內(nèi)主要包括移位寄存器、控制邏輯電路、振蕩器、實時時鐘電路以及用于高速暫存的 31 字節(jié) RAM。 DS1302 與單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送依靠 RST，I/O， SCLK 三根端線即可完成。其工作過程可概括為：首先系統(tǒng) RST 引腳驅(qū)動至高電平，然后在作用于 SCLK 時鐘脈沖的作用下，通過 I/O 引腳向 DS1302 輸入地址 /命令字節(jié)，隨后再在 SCLK 時鐘脈沖的配合下，從 I/O 引腳寫入或讀 出 相應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)。因此 ,其與單片機之間的數(shù)據(jù)傳送是十分容易實現(xiàn)的。 DS1302 與單片機電路相連如圖 34 所示。 南京化工職業(yè)技術(shù)學院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 11 圖 34 DS1302 與單片機接口圖 LCD 顯示電路 液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件了。 1602B 可以顯示 2 行 16 個字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0D7，和 RS、 R/W、 EN三個控制端口，工作電壓為 5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光。 該模塊也可以只用 D4D7 作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。這樣的話可以節(jié)省 MCU的I/O 口資源。 各 引腳 的功能見表 33。 表 33 LCD 引腳功能圖 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 雙向數(shù)據(jù)口 2 VDD 電源正極 10 D3 雙向數(shù)據(jù)口 3 VL 對比度調(diào)節(jié) 11 D4 雙向數(shù)據(jù)口 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 雙向數(shù)據(jù)口 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 雙向數(shù)據(jù)口 6 E 模塊使能端 14 D7 雙向數(shù)據(jù)口 7 D0 雙向數(shù)據(jù)口 15 BLK 背光源地 8 D1 雙向數(shù)據(jù)口 16 BLA 背光源正極 南京化工職業(yè)技術(shù)學院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 12 從 該模塊的正面看，引腳排列從右向左為： 15 腳、 16 腳，然后才是 1－ 14 腳。 VDD：電源正極， － ，通常使用 5V電壓； VL： LCD 對比度調(diào)節(jié)端，電壓調(diào)節(jié)范圍為 0－ 5V。接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，但對比度過高時會產(chǎn)生 “鬼影 ”，因此通常使用一個 10K 的電位器來調(diào)整對比度，或者直接串接一個電阻到地； RS： MCU 寫入數(shù)據(jù)或者指令選擇端。 MCU 要寫入指令時，使 RS 為低電平；MCU要寫入數(shù)據(jù)時，使 RS 為高電平； R/W：讀寫控制端。 R/W 為高電平時，讀取數(shù)據(jù)； R/W 為低電平時，寫入數(shù)據(jù)； E： LCD 模塊使能信號控制端。寫數(shù)據(jù)時，需要下降沿觸發(fā)模塊。 D0－ D7： 8 位數(shù)據(jù)總線，三態(tài)雙向。如果 MCU的 I/O 口資源緊張的話，該模塊也可以只使用 4 位數(shù)據(jù)線 D4－ D7 接口傳送數(shù)據(jù)。本充電器就是采用 4 位數(shù)據(jù)傳送方式； BLA： LED 背光正極。需要背光時， BLA 串接一個限流電阻接 VDD， BLK 接地，實測該模塊的背光電流為 50mA 左右； BLK： LED 背光地端 。 它與單片機的連接如圖 35 所示。 圖 35 LCD 與單片機接口 南京化工職業(yè)技術(shù)學院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 13 語音錄放電路 系統(tǒng)要求能夠有鬧鐘、語音播報、按鍵報時等功能。 由單片語音錄放芯片來做比較方便簡單。 ISD2500 芯片，可以錄放時間 60 秒。可以滿足本設(shè)計的要求，性能良好所以選用。 ISD2500 和 1400 語音電路一樣，具有抗斷電、音質(zhì)好，使用方便等優(yōu)點。它的最大特點在于片內(nèi) E2PROM 容量為 480K(1400 系列為 128K)，所以錄放時間長；有10 個地址輸入端 (1400 系列僅為 8 個 )，尋址能力可達 1024 位；最多能分 600 段；設(shè)有 OVF（溢出）端，便于多個器件級聯(lián)。其封裝如圖 36 所示。 圖 36 ISD 封裝圖 系統(tǒng)要求能夠有鬧鐘、語音播報、按鍵報時等功能。 由單片語音錄放芯片來做比較方便簡單。 ISD2500 芯片，可以錄放時間 60 秒。可以滿足本設(shè)計的要求，但是ISD2500 芯片的價格比較昂貴，在現(xiàn)有的條件下還不能實現(xiàn)。所以只作簡單介紹以便做相關(guān)擴展應(yīng)用，本設(shè)計只用簡單的語音模塊。 電源電路 電源電路包括變壓器、橋式整流器、電容和穩(wěn)壓器。通過變壓器變壓，使得 220V電壓變?yōu)?12 V，在通過橋式整流，電容的濾波 作用，穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓作用，可輸出 5V的穩(wěn)定電壓。如圖 37 所示。 V CCDP / RX CL KE O MPDCEO V FA n a O u tA n a InA G CM ic Re fM icV CCASP 1 2 3 4 5 6 7 8 91011121314A 0/ M 0 A 1/ M 1A 2/ M 2A 3/ M 3A 4/ M 4A 5/ M 5A 6/ M 6A7A8A9V S S D V S S A S P +2827262524232221201918171615IS DA u x In2 5 0 0南京化工職業(yè)技術(shù)學院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 14 圖 37 系統(tǒng)電源電路 在系統(tǒng)中要用到 2 個電源：單片機電源與 DS1302 時鐘芯片電源所以有 2 路電源VCC 和 VCC1。 相關(guān)控制電路 (1) 按鍵電路 按鍵電路如圖 38 所示， 按鍵的開關(guān)狀態(tài)通過一定的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)。按鍵閉合過程在相應(yīng)的 I/O 端口形成一個負脈沖。閉合和釋放過程都要經(jīng)過一定的過程才能達到穩(wěn)定，這一過程是處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動。抖動持續(xù)時間的常長短與開關(guān)的機械特性有 關(guān)，一般在 510ms 之間。為了避免 CPU多次處理按鍵的一次閉合，應(yīng)采用措施消除抖動。本文采用的是獨立式按鍵，直接用I/O