【文章內(nèi)容簡介】 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。 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 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) 復位電路 在復位引腳 (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位電路。復位后，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位狀態(tài)值，受影響的專用寄存器如表 31 所示。 表 31 復位寄存器狀態(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。 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)中得到應用 。 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。 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 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 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?？梢詽M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?？梢詽M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 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，應采用措施消除抖動。本文采用的是獨立式按鍵，直接用I/O 口線構(gòu)成單個 按鍵電路，每個按鍵占用一條 I/O 口線，每個按鍵的工作狀態(tài)不會產(chǎn)生互相影響。 15 圖 38 按 鍵電路圖 口：表示功能移位鍵，按鍵選擇要調(diào)整的時十位、時個位、分十位或分個位。 口：表示數(shù)字“ +”鍵，按一下則對應的數(shù)字加 1。 口：表示數(shù)字“ ”鍵，按一下則對應的數(shù)字減 1。 口：表示時間表的切換，程序默認為日常時間表，當按下該開關(guān)，使輸入為低電平時，表示當前執(zhí)行的是考試時間表。再按鍵，使按鍵抬起，輸入維高電平時，表示當前執(zhí)行的是日常作息時間表。 (2) 復位電路 AT89S51 單片機的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳 RST 通過一個斯密特觸發(fā)器與復位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。 上電復位：上電復位電路是 — 種簡單的復位電路，只要在 RST 復位引腳接一個電容到 VCC，接一個電阻到地就可以了。上電復位是指在給系統(tǒng)上電時，復位電路通過電容加到 RST 復位引腳一個短暫的高電平信號，這個復位信號隨著 VCC 對電容的充電過程而回落，所以 RST 引腳復位的高電平維持時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復位， RST 引腳的高電平信號必須維 持足夠長的時間。 16 圖 39 復位電路 如圖 39 所示，上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要Vcc 的上升時間不超過 1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位。 本章小結(jié) 本章