【文章內(nèi)容簡介】 機技術(shù)飛速發(fā)展，其應(yīng)用滲透到了各行各業(yè)。以單片機、嵌入式處理器、數(shù)字信號處理器（ DSP）為核心的計算機系統(tǒng)，以其軟硬件可裁剪、高度的實時性、高度的可靠性、功能齊全、低功耗、適應(yīng)面廣等諸多 優(yōu)點而得到極為廣泛的應(yīng)用 。目前計算機硬件技術(shù)向巨型化、微型化和單片機化三個方向告訴發(fā)展 [1]。 自 1975 年美國德州儀器公司（ Texas Instruments）第一塊微型計算機芯片 TMS1000 問世以來，在短短的 20 年間，單片機技術(shù)已發(fā)展成為計算機領(lǐng)域一個非常有前途的分之，它有自己的技術(shù)特征、規(guī)范和應(yīng)用領(lǐng)域。單片機是自動控制系統(tǒng)的核心部件，主要用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器中。它具有體 積小、性能突出可靠性高（某些方面的性能指標(biāo)大大優(yōu)于通用微機中央處理器）、 價格低廉等 一系列優(yōu)點 ，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，除 了工業(yè)控制、智能化儀表、通信、家用電器外，在智能化高檔電子玩具產(chǎn)品中也大量采用單片機芯片作為核心控制部件 ，已經(jīng)滲入到人們工作和生活的各個角落，有力地推動了各行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，前景廣闊 。數(shù)字鐘具備單片機最小系統(tǒng)的基本組成，對于我們了解單片機有很大的幫助 [2]。 設(shè)計的目的及意義 本 設(shè)計 通過用對一個能實現(xiàn)定時，時鐘顯示功能的時間系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)習(xí)，詳細(xì)介紹了 51 單片機應(yīng)用中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換顯示，數(shù)碼管顯示原理， 靜 態(tài)掃描顯示原理，單片機的定時中斷原理 等， 從而達(dá)到學(xué)習(xí) 、 了解單片機相關(guān)指令在各方面的應(yīng)用 。 對于單片機學(xué)習(xí)者而言，這個程序基本上是一道門檻，掌握了電子鐘程序，基本上就可以說把 51 單片機掌握了 80%。 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 2 頁 第 2 章 數(shù)字鐘的功能實現(xiàn)與設(shè)計方案 數(shù)字鐘的功能及設(shè)計要求 （ 1） 可以實現(xiàn)時 /分 /秒 /百分秒的顯示，可以調(diào)整時 /分 （ 2） 使用 LED顯示 （ 3） 有表示時鐘正常工作的裝置 （ 4） 能穩(wěn)定工作，可控制時鐘的啟動復(fù)位 （ 5） 有實現(xiàn)鬧鈴功能 數(shù)字鐘的實現(xiàn)形式 數(shù)字鐘既可 以通過純硬件實現(xiàn)，也可以通過軟硬結(jié)合實現(xiàn)，根據(jù)電子時鐘的核心部件 —— 秒信號的產(chǎn)生原理，通常有三鐘形式： （ 1） 用 NE555 時基電路的形 式 采用 NE555 時基電路或其他震蕩電路產(chǎn)生秒脈沖信號，作為秒加法電路的時鐘信號或微處理器的外部中斷輸入信號，可構(gòu)成電子時鐘。由 555 構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器電路如圖11 所示。輸出的脈沖信號 V0的頻率 F=（ RA+2RB） C,可通過調(diào)節(jié)這 3 個參數(shù) ,使輸 V0的頻率為精確的 1Hz[3]。 圖 21 基于 555 的秒脈沖發(fā)生器 （ 2） 采用石英鐘專用芯片的實現(xiàn)形式 采用石英鐘專用計時芯片實現(xiàn)的電子鐘，具有實現(xiàn)簡單、計時精度高的特點。石英計時芯片（簡稱“機芯”）比較多，常見的有 STP5512F、 SM5546A 和 D60400 等 [4]。現(xiàn)基 于電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 3 頁 5512F 的 2 秒輸出信號作為秒加法電路的計時脈沖，可實現(xiàn)電子時鐘。 5512F 的引腳如圖 12 所示。 其中，引腳 8 為外接晶振及振蕩電路，引腳 1 接電源正極，電源為 伏，引腳 4 原為指針用步進電機線圈的輸出驅(qū)動端，這里可用 3 腳作為脈沖輸出，頻率決定于外接晶振的頻率。 （ 3） 采用基于單片機的實現(xiàn)形式 利用單片機的智能性，可方便的實現(xiàn)具有智能數(shù)字鐘的設(shè)計。而且，微處理系統(tǒng)具有時鐘振 蕩系統(tǒng)，利用系統(tǒng)時鐘并借助微處理器的定時 /計數(shù)器功能可以實現(xiàn)數(shù)字鐘的功能。本設(shè)計采用 AT89C2051 單片機設(shè)計。 方案的確定 可以從以下幾個方面來確定電子鬧鐘的設(shè)計方案。 微處理器 采用 ATMEL 的 AT89C2051 微處理器，是基于以下幾個因素： ①內(nèi)含 Flash 存儲器 ,這在系統(tǒng)的開發(fā)過程中 ,可隨意進行程序修改 ,既便錯誤編程之后仍可以重新編程 ,故不存在廢品且大大縮短了程序的開發(fā)周期 。同時在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息。②采用靜態(tài)時鐘方式 ,節(jié)省電能 ,這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分 有利。③由于它是以 8031 核構(gòu)成的 ,所以它與 MCS251 系列單片機是兼容的 ④AT89C2051為 51內(nèi)核，仿真調(diào)試軟硬件資源豐富； ⑤ 性價比高，貨源充足； ⑥ DIP20封裝，體積小，便于產(chǎn)品小型化； ⑦ 為 E2PROM程序存儲介質(zhì)， 1000次以上擦 /寫周期，便于變成調(diào)試； ⑧ 具有 IDLE和 POWERDOWN兩種工作模式，便于進行低功耗設(shè)計； ⑨ 工作電壓范圍寬： ～ 6V，便于交直流供電 [5]。 顯示電路 就時鐘而言，通?？刹捎靡壕э@示或數(shù)碼管顯示。對于一般的段式液晶屏，需要專門的驅(qū)動電路，而且也經(jīng)顯 示作為一種被動顯示，可視性相對較差；對于具有驅(qū)動電路1 2 3 4 8 7 6 5 圖 22 5512F引腳圖 V+ SC AK SC1 M0 BP M1 GND 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 4 頁 和微處理器接口的液晶顯示模塊（字符或點陣），一般多采用并行機接口，對于微處理器的接口要求較高，占用資源多。另外， 89C2051 本身沒有專門的液晶驅(qū)動接口，因此，本時鐘設(shè)計采用了數(shù)碼管顯示方式。數(shù)碼管作為一種主動顯示器件，具有亮度高、價格便宜等優(yōu)點，而且市場上也有專門的時鐘顯示組合數(shù)碼管。 按鍵電路 考慮到對時和設(shè)定鬧鈴時間這兩種操作的使用頻率不是很高，為了精簡系統(tǒng) 和節(jié)省成本，本時鐘系統(tǒng)只設(shè)兩個按鍵： （ 1） SET 鍵，對應(yīng)系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，具有三個 功能： ● 在復(fù)位后的待機狀態(tài)下，用于啟動設(shè)定時間參數(shù)（對時和定鬧）； ● 在設(shè)定時間參數(shù)狀態(tài)而且不是設(shè)定最低位（即分個位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束當(dāng)前位的設(shè)定，當(dāng)前設(shè)定為下移； ● 在設(shè)定 最低位（分個位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束本次時間設(shè)定。 （ 2） +1 鍵，用于對當(dāng)前設(shè)定位（編輯位）進行加 1 操作，根據(jù) 12/24 小時工作模式和正在編輯的當(dāng)前位的含義（時十位、時各位、分十位、分個位）自動進行 數(shù)據(jù)的上限和下限判斷。例如，對 12 小時制，小時的十位只能是 0、 1，如果當(dāng)前值為 0，則按 +1鍵后為 1，再按 +1 鍵后為 0。 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 5 頁 第 3 章 數(shù)字鐘的硬件系統(tǒng)設(shè)計 電子時鐘硬件部分的設(shè)計應(yīng)包括秒信號發(fā)生器、時間顯示電路、按鍵電路、供電電路，以及鬧鈴指示電路等幾部分。 數(shù)字時鐘的硬件系統(tǒng)框架 電子時鐘的系統(tǒng)框架入圖 31 所示。 數(shù)字時鐘的主機電路設(shè)計 數(shù)字時鐘的主電路指的是圖 1 中框內(nèi)部分，主要涉及到微處理器電路和按鍵縣按鈕電路。主機的設(shè)計具體地說有：（ 1）系統(tǒng)控制芯片的選擇（ 2）系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計；（ 3）系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計；（ 4）按鍵與按鈕電路 設(shè)計；（ 5）鬧鈴聲光指示電路設(shè)計。 系統(tǒng)控制芯片 CPU（ AT89C2051） 的選擇 AT89C 系列單片機是 Atmel 公司 1993 年開始研制生產(chǎn)的，優(yōu)越的性能價格比使其成為頗受歡迎的 8 位單片機。 AT89C 系列與 MCS51 系列單片機相比有兩大優(yōu)勢：第一，片內(nèi)程序存儲器采用閃速存儲器，使程序的寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片（ AT89C2051/1051），使整個電路的體積更小 [6]。 （ 1） AT89C2051 主要性能： AT89C2051 是 Atmel 公司生產(chǎn)的戴 2KB 閃速可編程可擦除只讀 存儲器（ PEROM）的 8 位單片機，它具有如下主要特征： CPU 按鍵電路 復(fù)位等輔助電路 電源系統(tǒng) 數(shù)碼管顯示電路 鬧鈴聲光指示電路 圖 31 數(shù)字鐘的系統(tǒng)框架 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 6 頁 ○ 1 AT89C2051 為 51 內(nèi)核； ○ 2 內(nèi)部帶 2KB 可編程閃速存儲器（ E2PROM），壽命為 1000 次擦 /寫循環(huán)，據(jù)保留時間為 10 年； ○ 3 DIP20 封裝，體積小 ○ 4 工作電壓范圍為 ～ 6V； ○ 5 全靜態(tài)工作頻率為 0Hz～ 24Hz； ○ 6 兩極程序存儲器鎖定； ○ 7 8128? 位內(nèi)部 RAM； ○ 8 15 條可編程 I/O 線；、 ○ 9 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器； ○10 5 個兩級終端源； ○11 可編程全雙工串行 UART 通道； ○12 直接對 LED 驅(qū)動輸出 ○13 片內(nèi)精確的模擬比較器； ○14 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路； ○15 低功耗的休眠和掉電模式； （ 2） AT89C2051 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳描述 AT89C2051 單片機的內(nèi)部與 8051 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，區(qū)別只是增加了一個模擬比較器 [7]，減少了兩個對外的端口（ P0、 P2 口），輸出端口 P P3 有獨特的功能。 AT89C2051 減少了兩個外部端口，因而芯片的外部引腳可以大大減少，芯片尺寸可以很小，其引腳配置如圖 32 所示。 圖 32 AT89c2051 引腳配置 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 7 頁 它是一個有 20 個引腳排列直插式的芯片，其引腳描述如下： VCC：電源電壓； GND：接地； RST：復(fù)位輸入。當(dāng) RST 變?yōu)楦唠娖讲⒈３?2 個機器周期時，所有 I/O 引腳復(fù)位至高阻狀態(tài)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩放大器的輸出。 P1 口： 8 位雙向 I/O 口，引腳 和 需要外部上拉，可用作片內(nèi)精確模擬比較器的正向輸入（ AIN0）和反向輸入（ AIN1） [8]。 P1 口輸出緩沖器能接收 20mA 電流，并能直接驅(qū)動 LED 顯示器； P1 口引腳寫入“ 1”后，可用作輸入。在閃速編程和編程校驗期間， P1 口也可接收編碼數(shù)據(jù)。 P3 口：引腳 ～ 與 為 7 個帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 引腳。 在內(nèi)部已與片內(nèi)比較器輸出相連，不能作為通用 I/O 引腳訪問。 P3 口的輸出緩沖器能接收 20Ma電流； P3 寫入“ 1”后，內(nèi)部上啦，可用作輸入。 P3 口也可用作特殊功能口，其功能見表 31。 P3 口同時也可為閃速存儲器編程和編程校驗接收控制信號 [9]。 表 31 P3 口引腳的特殊功能 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） INT1（外部中斷 1） T0（定時器 0 外部輸入） T1（定時器 1 外部輸入） 從上述引腳說明看出， AT89C2051沒有提供外部擴展存儲器與 I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號，因此利用 AT89C2051 構(gòu)成的單片及應(yīng)用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴展存儲器或 I/O 設(shè)備，也即 AT89C2051 本身即構(gòu)成了最小的單片機系統(tǒng)。 （ 3） 振蕩器 振蕩器特征： XTAL1和 XTAL2分別構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，如圖 33 所示?？刹捎檬⒕w或陶瓷振蕩器組成振蕩器。要從外部時鐘源驅(qū)動AT89C2051，則 XTAL2 應(yīng)懸空，而 XTAL1 的驅(qū)動如圖 34 所示。由于輸入到內(nèi)部時鐘電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 8 頁 電路經(jīng)過一個二分頻觸發(fā)器，故不需要對外部時鐘信號的工作周期提出特殊要求，但它必須遵守最小和最大電壓高低電平的時間規(guī)范。 圖 33 振蕩的外部連接方法 圖 34 外部時鐘驅(qū)動結(jié)構(gòu) （ 4） 特殊功能寄存器 SFR 與 8051 單片機特殊功能寄存器相對應(yīng)， AT89C2051 片內(nèi)設(shè)置了 19 個特殊功能寄存器，統(tǒng)稱為特殊功能寄存器塊 SFR，它們的地址散布在 80H～ 0F0H 區(qū)域內(nèi)。 （ 5） 低功耗工作模式 AT89C2051 優(yōu)良中低功耗工作模式 ：待機方式與掉電方式。 ○ 1 待機方式（休眠方式） 當(dāng)利用軟件使待機方式位 ADL（ ） =0 時，單片機進入空閑方式。此時，CPU處于休眠狀態(tài)，而片內(nèi)所有其它外圍設(shè)備都保持工作狀態(tài)，片內(nèi) RAM 和所有特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。 電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 9 頁 在待機方式下，當(dāng)晶振 fosc=12MHz，電源電壓 VCC=6V 時，電源電流 ICC從 20Ma降至 5Ma；而 VCC由 降至 1mA。 中斷或硬件復(fù)位可以終止待機方式。 當(dāng)待機方式由硬件復(fù)為終止時， CPU 要從休眠處恢復(fù)程序的執(zhí)行，執(zhí)行 2 的周期后，內(nèi)部 復(fù)位電路才起作用。此時，硬件禁止訪問內(nèi)部 RAM，但允許訪問端口引腳。為了防止休眠被復(fù)位終止時對端口以外寫入的可能性，在生成待機方式的指令后不應(yīng)緊跟對端口引腳的寫指令。 如果不采用外部上拉， 和 應(yīng)置“ 1”。 ○ 2 掉電方式 掉電方式由掉電方式位 PD()=1 攝制。此時振蕩器停止工作，設(shè)置掉電方式的指令成為最后執(zhí)行的一條指令，片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。 在掉電模式下， VCcmin=2V。當(dāng) VCC=6V 時， ICCmax=100μ A；當(dāng) VCC=3時， ICcmax=20μ A。 退出掉電方式的唯一方式是硬件復(fù)位。 硬件復(fù)位將重新定義特殊功能寄存器，但不影響片內(nèi) RAM。復(fù)位的保持時間應(yīng)足夠長，以便振蕩器能重新開始工作并穩(wěn)定下來。在 VCC 沒有恢復(fù)得到正常工作電壓之前，不應(yīng)進行復(fù)位。 如果不采用外部上拉， 和 應(yīng)置“ 0”，否則置“ 1”。 （ 6） 閃速存儲器的編程 AT89C2051 單片機內(nèi)部有 2KB 的閃速存儲器陣列，一片新的 AT89C2051，其存儲陣列處于擦除狀態(tài)（ FFH），此時可對其編程，存儲陣列一次編程 1 字節(jié)，若編程任何非空字節(jié)時，需對整個存儲 陣列進行片擦除 [10]。 編程時， AT89C2051 利用內(nèi)部存儲器地址計數(shù)器提供尋址存儲器的地址信號， RST上升沿將該地址計數(shù)器復(fù)位至 000H，引腳 XTAL1 所施加的正向脈沖使地址計數(shù)器不斷加 1。 [11]RST 上出現(xiàn) 12V（編程電源 VPP）高壓時，預(yù)示著 1 字節(jié)的編程操作開始，這時 P3 口提供編程所需的控制與狀態(tài)信號， P1 口為數(shù)據(jù)通道。 （ 7） 在線編程 AT89C2051 編程時需要利用 RST、 XTAL P1 口、 P3 口提供控制信號與加載編程數(shù)據(jù)，而這一 要求又常與用戶系統(tǒng)對這些引腳的要求或操作沖突。因此，在線編程不能直接在用戶工作電路中進行，而要通過特殊電路處理才能實現(xiàn)。例如圖 35 所示為在線編程的示例，其采用 2 選 1 的方法實現(xiàn)連接線路的切換，達(dá)到在線編程的目的。利用微動開關(guān)電氣工程及其自動化 091 黃偉 540901020214 第 10 頁 SW 來選擇 XTAL1 的加載，產(chǎn)生選擇控制信號 Select，其它線路的切換用 2 選 1 器件74LS157 與三態(tài)緩沖器 74LS244 實現(xiàn)。當(dāng) AT89C2051 正常工作時，選擇控制信號（ Selecg=0）控制所有的 74LS157 輸入 A 端與輸出 Y 接通，且 74LS2441 輸出有效，74LS2442 三態(tài)輸出，使得 AT89C2051 可以對用戶電路進行控制操作；當(dāng) AT89C2051需要編程時，選擇控制信號 (Select=1)控制所有的 74ALS157 輸入 B 端與輸出 Y 端接通，且 74LS2441 三態(tài)輸出， 74LS2442 輸出有效，使得 AT89C2051 可以接受編程電路的控制，實現(xiàn)編程操作。 系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計 系統(tǒng)利用晶體振蕩器作為時鐘電路，根據(jù)晶振的不同使用要求及特點，通常分為以下幾類：普通晶振、溫補晶振、壓控晶振、溫控 晶振等。安裝晶振時，應(yīng)根據(jù)其引腳功能標(biāo)識與應(yīng)用電路應(yīng)連接，避免電源引線與輸出引腳相接輸出。 在測試和使用時所供直流電源應(yīng)沒有足以影響其準(zhǔn)確度的紋波含量，交流電壓應(yīng)無瞬變過程 [12]。 測試儀器應(yīng)有足夠的精度，連線合理布置，將測試及外圍電路對晶振指標(biāo)的影響降至最低。 （ 1） 普通晶振（ PXO）：是一種沒有采取溫度補償措施的晶體振蕩器，在整個溫度范圍內(nèi)，晶振的頻率穩(wěn)定度取決于其內(nèi)部所用晶體的性能，頻率穩(wěn)定度在 105量級，一般用于普通場所作為本振源或中間信號，是晶振中最廉價的產(chǎn)品。 （ 2） 溫補晶振（ TCXO） ：是在晶振內(nèi)部采取了對晶體頻率溫度特性進行補償，以達(dá)到在寬溫溫度范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定度要求的晶體振蕩器。 （ 3） 恒溫晶振（ OCXO）：采用精密