【正文】 和節(jié)省成本，本時(shí)鐘系統(tǒng)只設(shè)兩個(gè)按鍵： （ 1） SET 鍵，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，具有三個(gè)功能： ● 在復(fù)位后的待機(jī)狀態(tài)下，用于啟動(dòng)設(shè)定時(shí)間參數(shù)（對(duì)時(shí)和定鬧）； ● 在設(shè)定時(shí)間參 數(shù)狀態(tài)而且不是設(shè)定最低位（即分個(gè)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(gè)位）的狀態(tài)下，用于結(jié)束本次時(shí)間設(shè)定。例如，對(duì) 12 小時(shí)制，小時(shí)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。 數(shù)字時(shí)鐘的硬件系統(tǒng)框架 電子時(shí)鐘的系統(tǒng)框架入圖 31 所示。主機(jī)的設(shè)計(jì)具體地說(shuō)有：（ 1）系統(tǒng)控制芯片的選擇（ 2）系統(tǒng)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)；（ 3）系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)；（ 4）按鍵與按鈕電路設(shè)計(jì)；（ 5）鬧鈴聲光指示電路設(shè)計(jì)。 AT89C 系列與 MCS51 系列單片機(jī)相比有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)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(gè)電路的體積更小 [6]。 AT89C2051 減少了兩個(gè)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。當(dāng) RST 變?yōu)楦唠娖讲⒈３?2 個(gè) 機(jī)器周期時(shí)，所有 I/O 引腳復(fù)位至高阻狀態(tài)。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩放大器的輸出。 P1 口輸出緩沖器能接收 20mA 電流，并能直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示器； P1 口引腳寫入“ 1”后，可用作輸入。 P3 口：引腳 ～ 與 為 7 個(gè)帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 引腳。 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 口同時(shí)也可為閃速存儲(chǔ)器編程和編程校驗(yàn)接收控制信號(hào) [9]。 （ 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。要從外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)AT89C2051，則 XTAL2 應(yīng)懸空，而 XTAL1 的驅(qū)動(dòng)如圖 34 所示。 圖 33 振蕩的外部連接方法 圖 34 外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) （ 4） 特殊功能寄存器 SFR 與 8051 單片機(jī)特殊功能寄存器相對(duì)應(yīng)， AT89C2051 片內(nèi)設(shè)置了 19 個(gè)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)。 ○ 1 待機(jī)方式（休眠方式） 當(dāng)利用軟件使待機(jī)方式位 ADL（ ） =0 時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入空閑方式。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 9 頁(yè) 在待機(jī)方式下，當(dāng)晶振 fosc=12MHz，電源電壓 VCC=6V 時(shí)，電源電流 ICC從 20Ma降至 5Ma；而 VCC由 降至 1mA。 當(dāng)待機(jī)方式由硬件復(fù)為終止時(shí)， 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。為了防止休眠 被復(fù)位終止時(shí)對(duì)端口以外寫入的可能性，在生成待機(jī)方式的指令后不應(yīng)緊跟對(duì)端口引腳的寫指令。 ○ 2 掉電方式 掉電方式由掉電方式位 PD()=1 攝制。 在掉電模式下， VCcmin=2V。 退出掉電方式的唯一方式是硬件復(fù)位。復(fù)位的保持時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，以便振蕩器能重新開(kāi)始工作并穩(wěn)定下來(lái)。 如果不采用外部上拉， 和 應(yīng)置“ 0”，否則置“ 1”。 編程時(shí)， AT89C2051 利用內(nèi)部存儲(chǔ)器地址計(jì)數(shù) 器提供尋址存儲(chǔ)器的地址信號(hào)， RST上升沿將該地址計(jì)數(shù)器復(fù)位至 000H，引腳 XTAL1 所施加的正向脈沖使地址計(jì)數(shù)器不斷加 1。 （ 7） 在線編程 AT89C2051 編程時(shí)需要利用 RST、 XTAL P1 口、 P3 口提供控制信號(hào)與加載編程數(shù)據(jù)，而這一要求又常與用戶系統(tǒng)對(duì)這些引腳的要求或操作沖突。例如圖 35 所示為在線編程的示例，其采用 2 選 1 的方法實(shí)現(xiàn)連接線路的切換，達(dá)到在線編程的目的。當(dāng) AT89C2051 正常工作時(shí)，選擇控制信號(hào)（ 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(duì)用戶電路進(jìn)行控制操作；當(dāng) AT89C2051需要編程時(shí)，選擇控制信號(hào) (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(shí)現(xiàn)編程操作。安裝晶振時(shí)，應(yīng)根據(jù)其引腳功能標(biāo)識(shí)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。 測(cè)試儀器應(yīng)有足夠的精度，連線合理布置，將測(cè)試及外圍電路對(duì)晶振指標(biāo)的影響降至最低。 （ 2） 溫補(bǔ)晶振（ TCXO）：是在晶振內(nèi)部采取了對(duì)晶體頻率溫度特性進(jìn)行補(bǔ)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。中精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度為 107~108，高精度產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度在 109RST XTAL2 XTAL1 復(fù)位電路 輸入接口 輸入設(shè)備 輸出接口 輸出設(shè)備 AT89C2051 圖 35 在線編程示例 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 11 頁(yè) 量級(jí)以上。 （ 4） 壓控晶振（ VCXO）：是一種可通過(guò)調(diào)整外加電壓使晶振輸出頻率隨之改變的晶體振蕩器，主要用于鎖相環(huán)路或頻率微調(diào)。 晶體振蕩器選擇參考標(biāo)準(zhǔn)： （ 1） 總頻差：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部 組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱頻率的最大頻差。 （ 3） 頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間：以晶體振蕩器穩(wěn)定輸出頻率為基準(zhǔn)，從加電到輸出頻率小于規(guī)定頻率允差所需要的時(shí)間。這種長(zhǎng)期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，可用規(guī)定時(shí)限后的最大變化率（如177。 1ppm/（第一年）和177。 （ 5） 頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。 本系統(tǒng)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)如圖 36。但由于途中的 C C2 電容起著系統(tǒng)時(shí)鐘頻率微調(diào)和穩(wěn)定的作用，它對(duì)時(shí)鐘的正負(fù)走時(shí)誤差有很大影響。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 12 頁(yè) 圖 36 振蕩電路 系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì) 智能系統(tǒng)一般應(yīng)有手動(dòng)或上電復(fù)位電路。p 監(jiān)控電路和 RC 復(fù)位電路。對(duì)于復(fù)位要求高，并對(duì)電源電壓進(jìn)行監(jiān)視的場(chǎng)合，大多采用這種方式。P 監(jiān)控電路 專用 181。 按時(shí)效電平分，有高電平輸出、低電平輸出兩種；按功能分，有簡(jiǎn)單的電源監(jiān)視復(fù)位電路、帶看門狗定時(shí)器（ WATCH DOG Timer， WDT）的監(jiān)控電路和 WDT+E2PROM 的監(jiān)控電路等多種類型。 RC 復(fù)位電路的實(shí)質(zhì)是一階充放電電路，如圖 37: 圖 37 RC 復(fù)位電路 系統(tǒng)上電時(shí)該電路提供有效的復(fù)位信號(hào) RST（高電平）直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號(hào)（低電平）。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常 C1 取值為10181。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)， R1 如果取值太小，例如 1ΚΩ,則會(huì)導(dǎo)致 RST 信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力變差而無(wú)法使系統(tǒng)可靠復(fù)位。它的作用是在電源電壓瞬間下降時(shí)使電容迅速放電，因此一定寬度的電源毛刺（如波形中 A 點(diǎn)）也可令系統(tǒng)可靠復(fù)位。按鍵與按鈕電路設(shè)計(jì)中關(guān)鍵要考慮的就是按鍵去抖動(dòng)問(wèn)題（簡(jiǎn)稱“去抖”），一般由硬件去抖和軟件去抖兩種方式。 考慮到系統(tǒng)的硬件簡(jiǎn)化和控制成本問(wèn)題 ，本次設(shè)計(jì)采用軟件去抖方式。關(guān)鍵元件是蜂鳴器。市場(chǎng)上的有源蜂鳴器分為 3V、 5V、 6V 等系列，以適應(yīng)不同的應(yīng)用要求。其中 PNV 小功率三極管 Q2 采用 9012，其最大集電極電流為800mA,完全滿足蜂鳴器驅(qū)動(dòng)的需要。 如圖 39 圖 39 鬧鈴聲光指示電路 數(shù)字鐘的顯示電路設(shè)計(jì) （ 1） LED 的選擇 單片機(jī) I/O 的應(yīng)用最典型的是通過(guò) I/O 口與 7 段 LED 數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路， 7 段LED 數(shù)碼管，在一定形狀的絕緣材料上，利用單只 LED 組合排列成“ 8”字型的數(shù)碼 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 14 頁(yè) 管，分別引出它們的電極，點(diǎn)亮相應(yīng)的點(diǎn)劃來(lái)顯示出 09 的數(shù)字。下圖 310 陰和共陽(yáng)極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。以共陰式為例，如把陰極接地，在相應(yīng)段的陽(yáng)極接上正電源，該段即會(huì)發(fā)光。假如我們將 b和 c段接上正電源，其它端接地或懸空，那么 b和 c段發(fā)光，此時(shí)，數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“ 1”。其它字符的顯示原理類同。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再 控制 LED，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時(shí)再傳送一次新數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的 CPU時(shí)間 ； 動(dòng)態(tài)顯示需要 CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的 CPU時(shí)間多 。 動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)種應(yīng)用最廣泛的一種顯示方式。 CPU向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)顯示器亮，則取決于 COM端，而這一端由 I/O 控制的，可以自行決定何時(shí)顯示哪一位了。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的，約 1ms 左右，但是由于人 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 15 頁(yè) 的 視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光余暉效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。 （ 2） LED 的驅(qū)動(dòng)和顯示 單片機(jī)對(duì) LED 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方法可以分為串行和并行兩種，分別適用于不同的使用場(chǎng)合，兩者的硬件電路和程序區(qū)別也很大。并行驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，并且非常適用于說(shuō)明地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用的情況。 圖 311 LED 并行驅(qū)動(dòng)的電路原理 圖中顯示的是使用 8155 與 LED 顯示器的接口， 8155 的 PB0～ PB7 作為段選碼口，經(jīng)過(guò) 7407 驅(qū)動(dòng)與 LED 的段相連； 8155 的 PA0～ PA5 作為位選碼口，經(jīng)過(guò) 7406 驅(qū)動(dòng)與LED 的位相連。這樣確定 8155 片內(nèi)的 4 個(gè)端口地址。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第 16 頁(yè) 圖 312 本設(shè)計(jì) 采用 的串行口擴(kuò)展的四位 LED顯示電路 該顯示電路只使用單片機(jī)的三個(gè)端口 、 、 ，并配以四片串入并出移位寄存器 74LS164（ LED 驅(qū)動(dòng)）。其中 74LS164 的引腳 Q0～ Q7 為 8 位并行輸出端；引腳 A、 B 為串行輸入端；引腳CLK 為時(shí)鐘脈 沖輸入端，在 CLK 脈沖的上升沿作用下實(shí)現(xiàn)移位，在 CLK=0、清除端MR=1 時(shí)， 74LS164 保持原來(lái)數(shù)據(jù)狀態(tài)； MR=0 時(shí)， 74LS164 輸出清零。 ? 4 片 74LS164 串級(jí)擴(kuò)展為 4 個(gè) 8 位并行輸出口，分別連接到 4 個(gè) LED 顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。可以采用的做法是在 74LS164 的輸出端加接 4 片鎖存器或三態(tài)門，使移位寄存器串行輸入數(shù)據(jù)時(shí)其輸出端的變化不反映到 LED 上，待串行輸出結(jié)束后再打開(kāi)鎖存器或三態(tài)門；也可以采用 1 片三端可調(diào)穩(wěn)壓器 LM317 即解決此問(wèn)題。串行輸出時(shí) 口線為高電平，三極管截至， LM317的腳 1 約為 ，腳 2 輸出電壓 便下降到 不足以使共陽(yáng)極 LED 發(fā)光，故此時(shí)串行輸入的影響不會(huì)反映到 LED 上。增加了可調(diào)穩(wěn)壓器 LM317 的電路，其另一個(gè)特點(diǎn)是通過(guò)可調(diào)電位器 P1 在線調(diào)整腳 2 的輸出電壓，可使 LED 的顯示亮度均勻可調(diào)，而且省掉了大量的限流電阻。從圖中可以看出，該顯示電路采用了與一般的段電流電阻限流方式不同的顯示方式，由此減少了 88? 個(gè)限流電阻，簡(jiǎn)化了硬件系統(tǒng)。此電壓采用三端可調(diào)穩(wěn)壓電路 W1(LM317)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但由于輸入輸出壓差至少為 ，因此極限電壓為 。接口 的作用是通過(guò) LM317 控制數(shù)碼管的開(kāi)啟與關(guān)閉，當(dāng) 為低電平，Q1 關(guān)斷， LM317 的輸出電壓低于 ，不足以發(fā)光，避免了顯示數(shù)據(jù)刷新時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)