【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 13 圖 26 時(shí)鐘振蕩電路 圖 27 外部時(shí)鐘電路 本次設(shè)計(jì)使用的是石英晶體諧振器，因此采用 30pF 的電容，頻率大小采用 12MHZ 與 6MHZ 均可，這里采用的是 12MHZ 晶振。 計(jì)分電路 8051 系列單片機(jī)除了有 4 個(gè) 8 位并行口外，還有一個(gè)能同時(shí)進(jìn)行串行發(fā)送和接收的全雙工串行通信口。它能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還能作為同步移位寄存器使用。球賽計(jì)分電路正是利用了 8051 單片機(jī)串行口可以外接串行輸入并行輸出移位寄存作用為輸出口來(lái)實(shí)現(xiàn)球賽比分刷新顯示的。 1． 串行接口工作原理 MCS51[9]系列單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)串行 I／ O 端口，通過(guò)引腳 RXD(P3． 0)和 TXD(P3． 1)可與外設(shè)電路進(jìn)行全雙工的串行異步通信。 8051 的串行端口有 4 種基本工作方式，通過(guò)編程設(shè)置，可以使其工作 在任一種方式。其中，方式 0 主要用于外接移位寄存器，以擴(kuò)展單片機(jī)的 I／ O電路；方式 1 多用于雙機(jī)之間或者與外設(shè)電路的通信；方式 2， 3 除有方式 l的功能外，還可用作多機(jī)通信，以構(gòu)成分布式多微機(jī)系統(tǒng) [10]。串行端口有兩個(gè)控制寄存器 (SCON[11]和 PCON[12])，用來(lái)設(shè)置工作方式、發(fā)送或接收的狀態(tài)、特征位、數(shù)據(jù)傳送的波特率 (每秒傳送的位數(shù) )以及作為中斷標(biāo)志等。 串行端口有一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器 SBUF[13] (在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為 99H)，該寄存器為發(fā)送和接收所共同。發(fā)送時(shí)，只寫(xiě)不讀；接收時(shí)，只讀不寫(xiě)。在 一定條件下，向 SBUF 寫(xiě)入數(shù)據(jù)就啟動(dòng)了發(fā)送過(guò)程；讀 SBUF 就啟動(dòng)了接收過(guò)程。串行通信的波特率可以程控設(shè)定。在不同工作方式中，由時(shí)鐘振蕩頻率的分頻可由定時(shí)器 T1 的溢出率 [14]確定，使用十分方便靈活。 本次設(shè)計(jì)的計(jì)分電路中，我們使用集成電路 CD4094。 CD4094 是 8 位移位西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 14 寄存器，它主要完成串行輸入，并行輸出 8 位數(shù)據(jù)的功能，是典型的串行 /并行轉(zhuǎn)換芯片。 其中引腳分布圖將在后面圖 29 介紹。其中 2 腳 DATA 為串行數(shù)據(jù)輸入腳；3 腳 CLOCK 為時(shí)鐘脈沖輸入； 1 1 11 腳為并行 8 位數(shù)據(jù) 輸出，前 7 腳與 LED 顯示器的 a~g 引腳相連， 11 腳置空； 8 腳接地； 16 腳接電源 5V。 2． 比分校正控制電路 本次設(shè)計(jì)中的比分校正控制電路由四輸入與門(mén) 74LS21 和 4 個(gè)按鍵組成，其中 K K2 鍵接 74LS21 的 10 腳，完成甲隊(duì)加、減分控制； K K4 鍵接74LS21 的 1 13 腳，完成乙隊(duì)加、減分控制。有關(guān) 74LS21 集成電路的引腳分布及內(nèi)部原理構(gòu)造如圖 28 所示。 圖 28 74LS21 引腳圖 74LS21 芯片的主要引腳說(shuō)明： 14 腳為電源腳 7 腳接地 1 13 為與門(mén)輸 入腳 8 腳為與門(mén)輸出腳 3．計(jì)分電路原理圖 計(jì)分電路原理圖如圖 29 所示。 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 15 1A11B2NC31C41D51D6GND7VCC142Y82A92B10NC112C122D13U174LS21D1LEDK1 K2 K3 K42345678RST9RXD10TXD11INT012INT113T014T115WR16RD17XTAL218XTAL119GND2012122232425262728PSEN29ALE30EA313233343537363839VCC40U2AT89C51116R1AVCCSTRCLKDATA 圖 29 計(jì)分電路原理圖 4． 計(jì)分電路的工作原理 計(jì)分電路主要由單片機(jī) AT89C51，串行 /并行轉(zhuǎn)換器 [15]（ CD4094）， LED顯示器， 74LS21 以及按鍵開(kāi)關(guān)組成。其工作過(guò)程如下：按鍵開(kāi)關(guān) K1~~K4 組成甲、乙兩隊(duì)加減分控制。按鍵 K1~K4 一端接地，另一端輸入與門(mén) 74LS21 的 9腳， 10 腳， 12 腳， 13 腳，以及單片機(jī) AT89C51 的 ， ， ， ，8 腳接 AT89C51 的 腳。當(dāng)按鍵開(kāi) 關(guān) K1~K4 這四個(gè)按鍵的任何一個(gè)一位按下時(shí)，與門(mén)的 8 腳輸出都會(huì)產(chǎn)生低電平使單片機(jī)中斷，從而使相應(yīng) LED 顯示。西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 16 因?yàn)榘存I開(kāi)關(guān)按下時(shí)為低電平。 例如：現(xiàn)在先在以甲隊(duì)加分為例，來(lái)說(shuō)明整個(gè)過(guò)程。假設(shè)比賽剛開(kāi)始，雙方比分為 000 ： 000，當(dāng)某一時(shí)刻之后，當(dāng)甲隊(duì)加分時(shí)，則按下 K1 鍵，這時(shí)K1=0（低電平），其余 K2K3K4=111（為高電平） K1K2K3K4 相與之后的結(jié)果為低電平，這時(shí)與門(mén) 8 腳輸出的低電平到 AT89C51 的 腳，使其外部中斷INT0[16]發(fā)生中斷，從而調(diào)用中斷服務(wù)程序，將要顯示的數(shù)據(jù)從程序中定義 的LED 顯示常數(shù)表 TAB 中取出數(shù)據(jù) 06H（因?yàn)?LED 顯示常數(shù)表 TAB 的偏移地址為36H， 36H 首先是指向 LED 顯示常數(shù)表 TAB 中第一個(gè)數(shù)據(jù) 3FH 的，當(dāng) K1 按下時(shí)，相當(dāng)于將 33H 地址加 1，這時(shí)便指向第二數(shù)據(jù) 06H，即對(duì)應(yīng)字母代碼關(guān)系表中的加 1）。 經(jīng)串行發(fā)送端 RXD/ /并行轉(zhuǎn)換器 CD4094的第二個(gè)輸入引腳，即數(shù)據(jù)輸入 DATA 腳。由于串行口的工作方式設(shè)置為方式 0。所以在串行數(shù)據(jù)通過(guò) RXD/ 引腳輸出時(shí)，則 TDX/ 引腳會(huì)輸出多位時(shí)鐘作為移位脈沖。將 8 位數(shù)據(jù)順利送到串行 /并行轉(zhuǎn)換器 CD4094 中 。 另外，在 RXD/ 引腳輸出數(shù)據(jù)的同時(shí)，單片機(jī) AT89C51 的 引腳輸出高電平給串行 /并行轉(zhuǎn)換器CD4094 的第 1 個(gè)引腳 STR（使能端控制），使前一片 CD4094 中的 8 位數(shù)據(jù)從QS 移位至下一片 CD4094 輸入端的第 2 引腳，即 DATA 引腳。在 RXD/ 引腳輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程中，連續(xù)使單片機(jī) RD/ 引腳輸出 6 次高電平 6，這樣便使6 片 CD4094 中得到不同的顯示代碼，然后使單片機(jī) RD/ 引腳輸出 為 低電平，將 6片 CD4094中顯示代碼送 LED顯示器顯示，便得到結(jié)果，顯示為 001 000。 其對(duì)應(yīng)的程序原理如下闡述： 因?yàn)?，在程序中定義了 33H， 34H， 35H， 36H， 37H， 38H， 6 地址單元分別對(duì)應(yīng)乙隊(duì)、甲隊(duì) 3 個(gè) LED 顯示器在程序中定義的 LED 顯示常數(shù)表 TAB 的偏移首地址。單片機(jī)的 RXD 每次發(fā)送 6 個(gè)數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)以 33H， 34H， 35H， 36H，37H， 38H 為偏移首地址單元里的數(shù)據(jù)。例如：甲隊(duì)加分表示以 36H 為偏移首地址的單元加 1，指向第二個(gè)數(shù)據(jù) 06H，其他以 33H， 34H， 35H， 37H， 38H 為偏移首地址單元的數(shù)據(jù)仍然指向第一個(gè)數(shù)據(jù) 3FH，這樣將這六個(gè)數(shù)據(jù)： 3FH，3FH， 3FH， 06H， 3FH， 3FH，經(jīng)單片機(jī)的 RXD 發(fā)送出去，再在單片機(jī) RD/輸出的 6 次高電平作用下產(chǎn)生 6 次移位，便在 6 片 CD4094 中得到顯示代碼：3FH， 3FH， 06H， 3FH， 3FH， 3FH。然后在 RD/ 輸出時(shí)顯示為 001 000。 器件選擇及介紹 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要選取了以下一些器件： 單片機(jī)： AT89C51 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 17 四一七段 BCD 譯碼芯片： CD4511 并行 / 串行轉(zhuǎn)換芯片： CD4094 四輸入與門(mén)： 74LS21 顯示器件： 7 段共陰極 LED 顯示器 按鍵：歐姆龍按鍵 AT89C51 AT89C51 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash[17]只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89C51 提供了高性?xún)r(jià)比的解決方案。 CD4511 芯片介紹 在本次設(shè)計(jì)中，由于只要求 LED 顯示器顯示 0~9 這十個(gè)數(shù)字，因此我們選用 CD4511 為 LED 顯示器的譯碼芯片。 CD4511 是將鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)三種功能集于一身的“三合一”電路。鎖存器的作用是避免在計(jì)數(shù)過(guò)程中出現(xiàn)“跳數(shù)現(xiàn)象”，便于觀察和記錄。譯碼器將 BCD 碼轉(zhuǎn)換成 7 段碼，再經(jīng)過(guò)大電流反相器，驅(qū)動(dòng)共陰極 LED 數(shù)碼管。譯碼器屬于非時(shí)序電路，其輸出狀態(tài)與時(shí)鐘無(wú)關(guān)，僅取決于輸入的 BCD 碼。 CD4094 芯片的介紹 在本次設(shè)計(jì)的計(jì)分電路中，我們使用集成電路 CD4094。 CD4094 是 8 位移位寄存器，它主要完成串行輸入，并行輸出 8 位數(shù)據(jù)的功能，所以又叫 8 位串/并轉(zhuǎn)換器。 74LS21 芯片介紹 本次設(shè)計(jì)中的比分校正電路采用四輸入與門(mén) 74LS21 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 74LS21 是雙4 輸入與門(mén)。在一個(gè)芯片里有兩個(gè)相同的單元，其中一個(gè)任何一個(gè)都是 1/2 斷口。同型號(hào)的 74 系列、 74HC 系列、 74LS 系列芯片，邏輯功能上是一樣的。 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 18 3 軟件編程及調(diào)試 總體程序設(shè)計(jì) 編程前，必須設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)以及控制信號(hào)。 編程單元的地址加在 P1 口和 P2 口的 — （ 11 位地址范圍為0000H— 0FFFH），數(shù)據(jù)從 P0 口輸入，引腳 、 、 、 的電平設(shè)置參考校驗(yàn)電路， /PSEN 為低電平， RST 保持高電平， EA/Vpp 引腳是編程電源的輸入端，按要求加上編程電壓， ALE/PROG 引腳輸入編程脈沖。 編程時(shí)，可采用 4— 20MHZ 的時(shí)鐘振蕩器，本次設(shè)計(jì)采用 12MHZ 的石英晶體振蕩器。具體過(guò)程是： 1．在地址線(xiàn)上加上要編程單元的地址信號(hào)，這里為 33H， 34H， 35H， 36H，37H， 38H， 6 個(gè)地址符。 2．在數(shù)據(jù)線(xiàn)上加上要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字節(jié)，比如甲隊(duì)加一分就是在 36H 地址上加上（偏 移）一個(gè)字符 06H。 3．激活相應(yīng)的控制信號(hào)。 4．在高電壓編程方式時(shí)，將 EA/Vpp 端加上 +12V 編程電壓。 5．改變編程單元的地址和寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，重復(fù) 1— 5 步驟，直到全部文件編程結(jié)束，每個(gè)字節(jié)寫(xiě)入周期是自身定時(shí)的，通常約為 。 本次設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖 31 所示。 總體設(shè)計(jì)模塊分為計(jì)時(shí)模塊和計(jì)分模塊兩部分。 初始化程序設(shè)計(jì) 通過(guò)初始化程序，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行的各端口初始狀態(tài)和各存儲(chǔ)單元的初始值進(jìn)行設(shè)置。以使單片機(jī)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。 初始化部分程序如下： ORG 0000H AJMP LK1 ；主程序地址 ORG 000BH ；定時(shí)中斷入口地址 AJMP CTCO ORG 0013H ；外部中斷入口地址 AJMP CXT 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 19 圖 31 總體程序流程圖 計(jì)時(shí) 系統(tǒng) 程序設(shè)計(jì) 計(jì)時(shí)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖 32 所示。 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 20 定 時(shí) 中 斷 初 始 化按 下 調(diào) 時(shí) 開(kāi) 關(guān) ， 產(chǎn) 生 低電 平開(kāi) 放 定 時(shí) 中 斷立 即 數(shù) 0 0 H 取 出 ， L E 輸出 高 電 平經(jīng) 過(guò) P 1 . 0 發(fā) 送 代 碼 ， 然后 將 L E 清 零啟 動(dòng) 定 時(shí) 器 ， T 0 開(kāi) 始 定時(shí)調(diào) 用 定 時(shí) 中 斷 程 序 圖 32 計(jì)時(shí)部分程序流程圖 計(jì) 分 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 計(jì) 分 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的流程圖如下圖 33 所示。 西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 21 按 下 計(jì) 分 鍵輸 出 低 電 平 ， 外 部中 斷 產(chǎn) 生調(diào) 用 中 斷 程 序串 行 數(shù) 據(jù) 輸 出 ， 移位 脈 沖 輸 出顯 示 數(shù) 據(jù) ， 兩 隊(duì) 相應(yīng) 比 分 變 化串 行 口 發(fā) 送 完 畢 ，標(biāo) 志 清 零 圖 33 計(jì)分部分程序流程圖 系統(tǒng)調(diào)試 軟件調(diào)試 上電時(shí)對(duì)系統(tǒng)中進(jìn)行檢測(cè)是單片機(jī)程序中的一個(gè)良好設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該細(xì)細(xì)考慮將各個(gè)使用到的芯片、接口設(shè)計(jì)成容易使用軟件進(jìn)行測(cè)試的模式。另外要注意的是，一個(gè)簡(jiǎn)單明了的故障顯示界面也是頗要費(fèi)得心思的。比西安數(shù)字技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 22 如：系統(tǒng)的外部 RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的器件。外部 RAM 如果存在問(wèn)題，程序通常都會(huì)成為無(wú)法控制。 因此，程序在啟動(dòng)時(shí)（至少在第一次