【正文】 3 日至 3 月 14 日 8 結(jié)論 2020年 3月 15 日至 3月 16日 9 論文撰寫 2020年 3月 17 日至 3月 18日 10 裝訂及答辯準(zhǔn)備 2020年 3月 19 日至 3月 20日 11 答辯 2020年 3月 23 日至 3月 26日 合計 26 天 注： 此表一設(shè)三份，系部、指導(dǎo)教師、學(xué)生各一 份。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 IV 基于 AT89S51 單片機的數(shù)字電子鐘設(shè)計 摘要 ： 本文介紹了一款基于 AT89S51 單片機數(shù)字鐘的設(shè)計，通過多功能數(shù)字鐘的設(shè)計思路，詳細敘述了系統(tǒng)硬件、軟件的具體實現(xiàn)過程。本設(shè)計 實現(xiàn)了時間與鬧鐘的修改功能、語音播報功能、年、月、日和星期 的顯示功能。 關(guān)鍵詞 ： AT89S51 單片機；數(shù)字鐘 ；語音播報 ；子程序；定時器中斷；數(shù)碼管；設(shè)計；時制。由于單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生活的方方面面，幾乎“無處不在，無所不為”。 單片機有兩種基本結(jié)構(gòu)形式 :一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合用一個存儲器空間的結(jié)構(gòu)，稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)。 本文討論的單片機多功能定時器的核心是目前應(yīng)用極為廣泛的 51 系列單片機，配置了外圍設(shè)備，構(gòu)成了一個可編程的計時定時系統(tǒng)，具有體積小，可靠性高，功能強等特點。 20 世紀(jì) 80 年代中期以后， Intel 公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把 8051 內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如 ATMEL、 PHILIPS、 ANALOG、 DEVICES、 DALLAS等。這些兼容機與 8051 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用 CMOS工藝，因而，常用 80C51 系列來稱呼所有具有 8051 指令系統(tǒng)的單片機，它們對 8051單片機一般都作了一些擴充，更有 特點。 MCS51系列及 80C51 單片機有多種品種。目前使用的 MCS51 系列單片機及其兼容產(chǎn)品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超 8 位型、片內(nèi)閃爍存儲器型。早期常用的一些時間控制單元都使用模擬電路設(shè)計制作的，其定時準(zhǔn)確性和重復(fù)精 度都不是很理想，現(xiàn)在基本上都是基于數(shù)字技術(shù)的新一代產(chǎn)品，隨著單片機性能價格比的不斷提高，新一代產(chǎn)品的應(yīng)用也越來越廣泛，大可構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動控制系畢業(yè)設(shè)計論文 2 完成復(fù)雜的控制功能。它功能強大，體積小，質(zhì)量輕，靈活好用，配以適當(dāng)?shù)慕涌谛酒?，可以?gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。根據(jù)這種實際情況，設(shè)計了一個單片機多功能定時系統(tǒng)，它可以避免多種控制器的混淆，利用一個控制器 對多路電器進行控制，同時又可以進行時鐘校準(zhǔn)和定點打鈴。這種具有人們所需要的智能化特性的產(chǎn)品減輕了人的勞動，擴大了數(shù)字化的范圍，為家庭數(shù)字化提供了可能。 雖然現(xiàn)在市場上已有現(xiàn)成的電子鐘集成電路芯片出售，價格便宜、使用也方便，但是 人們對電子產(chǎn)品的應(yīng)用要求越來越高，數(shù)字鐘不但可以顯示當(dāng)前的時間，而且可以顯示日期、農(nóng)歷 、以及星期等，給人們的生活帶來了 方便。 時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當(dāng)前的時間。但是，一旦重要事情，一時的耽誤可能釀成大禍。由于數(shù)字集成電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進的石英技術(shù)，使電子鐘具有走時準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點， 它還用于計時、自動報時及自動控制等各個領(lǐng)域。以及數(shù)字鐘在日常生活中的具體應(yīng)用給日常生活帶來的方便。 其主要設(shè)計思想是： 整個系統(tǒng)用單片機為中央控制器，由單片機執(zhí)行采集時鐘芯片的時間信號并通過顯示模塊來輸出信號及相關(guān)的控制功能。系統(tǒng) 設(shè)有 4個按鍵可以對時間星期年月日進行調(diào)整，還可以設(shè)置鬧鐘。 圖 21 系統(tǒng)整體框圖 單片機的選擇 AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成 了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 此外， AT89S51 設(shè)計和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式 。 主要功能特性 為 ： 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) ； 4k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） ISP Flash ROM； 32 個雙向 I/O 口 ； ； 2 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器 ； 時鐘頻率 033MHz； 全雙工 UART 串行中斷口線 ； 128x8bit 內(nèi)部 RAM； 2 個外部中斷源 ； 低功耗空閑和省電模式 ； 中斷喚醒省電模式 ； 看門狗（ WDT）電路 ； 靈活的 ISP 字節(jié)和分頁編程 ； 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 。 (1) 51 單片機 的優(yōu) 點 如果是作低成本的智能產(chǎn)品， 51 構(gòu)架單片機的成本優(yōu)勢，還是無人能敵的。一片簡單的 74 系列通用數(shù)字邏輯芯片還要 1 元左右，而一片 51 單片機內(nèi)部集成有成千上萬個晶體管開關(guān)電路。使用 51 單片機能夠有效的控制智能產(chǎn)品整機的成本， 51 系列還是有著無法替代的重要地位。 AT89S51 的 最高工作頻率為 33MHz， 89C51 的極限工作頻率是 24M，就是說S51 具有更高工作頻率，從而具有了更快的計算速度。 AT89S51 內(nèi)部集成看門狗計時器，不再需要像 89C51 那樣外接看門狗計時器單元電路。 AT89S51 具有 電源關(guān)閉標(biāo)識。 在 兼容性方面 ， AT89S51 向下完全兼容 51 全部字系列產(chǎn)品。也就是 說 不論教科書上采用的單片機是 8051 還是 89C51 還是 MCS51 等等 。 AT89S51 與 AT89C51 就如同 INTEL 的 P3 向 P4 升級一樣，雖然都可以跑Windows98，不過速度是不同的 。所以 AT89S51 芯片成為了本系 統(tǒng)的首選。單片機執(zhí)行指令是在控制器的控制下進行的。這就是南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)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。 (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)。 (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。這四個口除了按字節(jié)尋址以外，還可以按位尋址。 (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。 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。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。 AT89S51 的引腳如圖 31 所示 。 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 。 (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(xué)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。 (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。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。 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。 南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)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(zhǔn)，有條不紊的一拍一拍地工 作。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。 電路設(shè)計如圖 32 所示。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。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。 有了這些 特點，DS1302 已在許多單片機系統(tǒng)中得到應(yīng)用 。 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。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)。 DS1302 與單片機電路相連如圖 34 所示。 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。這樣的話可以節(jié)省 MCU的I/O 口資源。 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(xué)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。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。 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。 D0－ D7： 8 位數(shù)據(jù)總線，三態(tài)雙向。本充電器就是采用 4 位數(shù)據(jù)傳送方式； BLA： LED 背光正極。 它與單片機的連接如圖 35 所示。 由單片語音錄放芯片來做比較方便簡單。可以滿足本設(shè)計的要求，性能良好所以選用。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)。 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。 ISD2500 芯片，可以錄放時間 60 秒。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。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。 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 +2827262524232221201918171615