基于单片机定时控制器的设计.doc
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1、1 / 32毕毕 业业 论论 文文课课 题:题:基于单片机定时控制器的设计基于单片机定时控制器的设计摘摘 要要随着单片机技术的全面发展,单片机应用技术多年来在智能化仪器仪表、机电一体化、家用电器、各类数据采集、控制等领域起着无可替代的作用。单片机,更确切的称作微控制器,其特点是功能强、体积小、可靠性高、价格低廉、灵活性好、开发较为容易。单片机往往是作为一个核心部件来使用,在根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点的软件结合,以作完善。数子时钟在日常生活中最常见,应用也最广泛。本次设计以硬件软件化为指导思想,充分发挥单片机功能,大部分功能通过软件编程来实现,电路简单明了,系统稳定性高。同时,该
2、时钟系统还具有功耗小、成本低的特点,具有很强的实用性,而且系统具有一定的可扩展性。而 51 单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习、应用,以 AT89S51 芯片为核心,辅以必要的电路,设计了一个简易的电子时钟,它由 4.5V 直流电源供电,通过数码管能够准确显示时间,调整时间,从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。关键字关键字 单片机; keil 编程开发环境; Protel 99SE 电路图设计; AT89S51 芯片2 / 32目目 录录第一章绪论第一章绪论 1 11.1 单片机定义 11.2 单片机的分类 11.3 单片机的发展概况 21.3.1 芯
3、片化探索阶段 21.3.2 结构体系的完善阶段 21.3.3 从 SCMC 向 MCU 化过渡阶段 31.3.4MCU 的百花齐放阶段 31.4 时钟介绍 3第二章系统总体方案及硬件设计第二章系统总体方案及硬件设计 5 5设计系统的主要功能 52.1 系统的总体方案 52.2 系统设计方框图 52.3 硬件设计 62.3.1 80C51 芯片介绍 62.3.2 蜂鸣器 92.3.3 时钟电路 92.3.4 显示器模块的设计 102.3.5 键盘设计 132.4 电路仿真 15第三章软件设计及编程第三章软件设计及编程 16163.1 划分模块 163.2 程序设计 17结论 28致 29参考文献
4、 301 / 32第一章第一章绪绪 论论数字电子钟具有走时准确,一钟多用等特点,在生活中已经得到广泛的应用。虽然现在市场上已有现成的电子钟集成电路芯片,价格便宜、使用也方便,但是人们对电子产品的应用要求越来越高,数字钟不但可以显示当前的时间,而且可以显示期、农历 、以及星期等,给人们的生活带来了方便。另外数字钟还具备秒表和闹钟的功能,且闹钟铃声可自选,使一款电子钟具备了多媒体的色彩。单片机具有体积小、功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点,不仅已成为工业测控领域普遍采用的智能化控制工具,而且已渗入到人们工作和和生活的各个角落,有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代,应用前景广阔。1时钟电路
5、在计算机系统中起着非常重要的作用,是保证系统正常工作的基础。在一个单片机应用系统中,时钟有两方面的含义:一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号,主要由晶振和外围电路组成,晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢;二是指系统的标准定时时钟,即定时时间,它通常有两种实现方法:一是用软件实现,即用单片机部的可编程定时/计数器来实现,但误差很大,主要用在对时间精度要求不高的场合;二是用专门的时钟芯片实现,在对时间精度要求很高的情况下,通常采用这种方法,典型的时钟芯片有:DS1302,DS12887,X1203 等都可以满足高精度的要求。1.11.1 单片机定义单片机定义单片机就是将计算机的基本部件
6、集成到一块芯片上,包括 CPUCentral Processing Unit 、ROM、RAMRandom Access Memory 、并行口Parallel Port 、串行口、定时器计数器、中断系统、系统时钟及系统总线等。1.21.2 单片机的分类单片机的分类单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。通用型单片机具有比较丰富的部资源,性能全面且适应性强,能覆盖多种应用需求。专用单片机是专门针对某个特定产品的,例如,专用于电机控制的单片机、车载电子设备、语音信号处理和家用电器中的单片机等。2 / 321.31.3 单片机的发展概况单片机的发展概况单片机的发展经历了探索-完善-MCU 化-
7、百花齐放四个阶段。1.3.11.3.1 芯片化探索阶段芯片化探索阶段20 世纪 70 午代,美国的 Fairchild公司首先推出了第一款单片机 F8,随后Intel 公司推出了影响面大、应用更广的 MCS48 单片机系列。MCS48 单片机系列的推出标志着在工业控制领域,进入到智能化嵌入式应用的芯片形态计算机的探索阶段。参与这一探索阶段的还有 Motorola、Zilog 和 Ti 等大公司,它们都取得了满意的探索效果,确立了在SCMC 的嵌入式应用中的地位。这就是 Single Chip Microcomputer 的诞生年代,单片机一词即由此而来。这一时期的特点是:1. 嵌入式计算机系统
8、的芯片集成设计。2. 少资源、无软件,只保证基本控制功能。1.3.21.3.2 结构体系的完善阶段结构体系的完善阶段在 MCS-48 探索成功的基础上很快推出了完善的、典型的单片机系列 MCS-5l。MCS-51系列单片机的推出,标志着 Single Chip Microcomputer 体系结构的完善。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机的体系结构。一完善的总线结构1.并行总线:8 位数据总线、16 位地址总线及相应的控制总线,两个独立的地址空间;2.串行总线:通信总线,扩展总线。二完善的指令系统1.具有很强的位处理功能和逻辑控制功能,以满足工业控制等方面的需要;2功能单元的 SFR
9、集中管理。三完善的 MCS-51 成为 SCMC 的经典体系结构日后,许多电气商在 MCS-51 的核和体系结构的基础上,生产出各具特色的单片机。1.3.31.3.3 从从 SCMCSCMC 向向 MCUMCU 化过渡阶段化过渡阶段Intel 公司推出的 MCS96 单片机,将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行3 / 32监视器、脉宽调制器、高速 I/O 口纳入片中,体现了单片机的微控制器特征。由于 MCS-51 单片机系列向各大电气商的广泛扩散,许多电气商竞相使用 80C51 为核,将许多在测控系统中使用的电路技术、接口技术、可靠性技术应用到单片机中;随着单片机外围功能电路的增强,进一步
10、强化了智能控制器的特征。微控制器成为单片机较为准确表达的名词。其特点是:一满足嵌入式应用要求的外围扩展,如 WDT、PWM、ADC、DAC、高速 I/0 口等。二众多计算机外围功能集成,如:1.提供串行扩展总线:SPI、I2C、BUS、Microwire;2.配置现场总线接口:CAN BUS。三CMOS 化,提供功耗管理功能。四提供 OTP 供应状态,利于大规模和批量生产。1.3.4MCU1.3.4MCU 的百花齐放阶段的百花齐放阶段单片机发展到这一阶段,表明单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具-小到玩具、家电行业,大到车载、舰船电子系统,遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金
11、融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等领域。为满足不同的要求,出现了高速、大寻址围、强运算能力和多机通信能力的 8 位、16 位、32 位通用型单片机,小型廉价型、外围系统集成的专用型单片机,以及形形色色各具特色的现代单片机。可以说,单片机的发展进入了百花齐放的时代,为用户的选择提供了广阔的空间。1.41.4 时钟介绍时钟介绍时钟是将小时、分钟、秒钟显示于人的肉眼的计时装置。而单片机模块中最常见的正是数字钟,数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。而 LCD 电子定
12、时闹钟是以单片机为基础的数字电路实现对时、分、秒的数字显示的数字计时装置,它的计时周期为 24 小时,另外应有校时功能和一些显示日期、闹钟等附加功能。一个基本的数字钟电路主要由译码显示器、时,分,秒,星期计数器、校时电路、报时电路和振荡器组成。目前电子钟广泛用于各种私人和公众场合,成为我们生活、工作和学习中不可缺少的好帮手。4 / 32由于时钟的实用性和在人们生活中的重要性,所以尝试设计以单片机为核心的数字时钟是很有意义的。钟表原先的报时功能已经原不能满足人们日益增长的要求,现代的电子时钟多带有类似自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、通断动力设备、甚至各种定时电气
13、的自动启用等功能。5 / 32第二章章 系统总体方案及硬件设计系统总体方案及硬件设计本文设计的定时闹钟采用 80c51 芯片,用汇编语言进行编程,时、分、秒用 6 位 LED 数码管显示。在电路过四个按键 S1、S2、S3 和 S4 来进行定时和调时,定时时间到通过喇叭发出报警声。设计系统的主要功能能显示时时分分秒秒。能够设置定时时间、修改定时时间。到定时时间能发出报警2.12.1 系统的总体方案系统的总体方案一、由于要显示数字时间,需要 6 位数码管。二、时间的定时用时钟电路,修改时间和定时用手动按键控制,报警声通过喇叭发出。三、80c51 单片机加上外围器件6 个共阳数码管,8 个限流电阻
14、和一个蜂鸣器和应用程序progisp 写入软件和 KEIL 编译软件,构成相应的应用系统。2.22.2 系统设计方框图系统设计方框图晶振及复位按钮 单片机80C518 个限流电阻蜂鸣器6 位共阳数码管显示选位图 1 系统设计方框图6 / 322.32.3 硬件设计硬件设计硬件设计分为 :1.时钟模版设计2.显示模版设计3.按键模版设计2.3.12.3.1 80C5180C51 芯片介绍芯片介绍80C51芯片不包含一个8位中央处理器cpu,4kb程序存储器ROM,128B随机存取存储器,RAM,4个8位并行I/O接口,1个全双工串行通信接口,2个16 位定时器、计数器级及21个特殊功能寄存器。外
15、部具有64KB程序存储器寻址能力和64KB数据存储器寻址能力。指令系统中增加了乘法指令,提高了运算及数据处理能力,且具有位操作能力。由先进CMOS 工艺制造并带有非易失性 Flash 程序存储器 全部支持12 时钟和6 时钟操作 P89C51X2 和P89C52X2/54X2/58X2 分别包含128 字节和256 字节RAM 32 条I/O 口线 3 个16 位定时/计数器 6 输入4 优先级嵌套中断结构 1 个串行I/O 口 可用于多机通信 I/O 扩展或全双工 UART以及片振荡器和时钟电路。此外 ,由于器件采用了静态设计 ,可提供很宽的操作频率围 ,频率可降至 0 。可实现两个由软件选
16、择的节电模式 ,空闲模式和掉电模式 ,空闲模式冻结 CPU但RAM定时器,串口和中断系统仍然工作掉电模式保存 RAM的容 但是冻结振荡器 导致所有其它的片功能停止工作。由于设计是静态的时钟可停止而不会丢失用户数据 运行可从时钟停止处恢复 。37 / 32图为80C5180c51管脚说明:VCC:供电电压,接+5V.GND:接地。P0口:P0口是一个8位三态双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写1时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有部上拉电阻。在 flash编程时,P0口也用来接收指令字节;
17、在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。P1 口:P1 口是一个 8 位准双向 I/O 口,p1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写1时,部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于部电阻的原因,将输出电流IIL 。此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入P1.0/T2和时器/计数器2的触发输入P1.1/T2EX,具体如下表所示。在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。P2口: :P2 口是一个具有部上拉电阻的8 位准双向I/O 口,P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对
18、P2 端口写1时,部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于部电阻的原因,将输出电流IIL。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器例如执行MOVX DPTR时,P2 口送出高八位地址。在8 / 32这种应用中,P2 口使用很强的部上拉发送1。在使用8位地址如MOVX RI访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的容。在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口:P3口是一个具有部上拉电阻的8 位准双向I/O 口,p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写1时,部上拉电阻把端口拉高,此时可以作
19、为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于部电阻的原因,将输出电流IIL。P3口亦作为89C52特殊功能第二功能使用,如下表所示。在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口,如下表所示:P3口管脚 备选功能:RST: 复位输入。晶振工作时,RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后,RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。ALE/PROG:地址锁存控制信号ALE是访问外部程序存储器时,锁存低8 位地址的输出脉冲。在fl
20、ash编程时,此引脚PROG也用作编程输入脉冲。在一般情况下,ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置1,ALE操作将无效。这一位置1,ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则,ALE 将被端口引脚第二功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2/INT0外部中断0低电平有效P3.3/INT1外部中断1低电平有效P3.4T0记时器0外部输入P3.5T1记时器1外部输入P3.6/WR外部数据存储器写选通P3.7/RD外部数据存
21、储器读选通9 / 32微弱拉高。这个ALE 使能标志位地址为8EH的SFR的第0位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号PSEN是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。为了执行部程序指令,EA应该接VCC。在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相
22、放大器的输出端。2.3.22.3.2 蜂鸣器蜂鸣器由 P3.7 口控制蜂鸣器,使其定时时间到能发出报警声。2.3.32.3.3 时钟电路时钟电路单片机的时钟产生方法有两种:部时钟方式和外部时钟方式。本系统中单片机采用部时钟方式。最常用的部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在 1.2MHz12MHz 之间。电容值无严格要求,但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小和振荡电路起振速度有少许影响,一般可在 20pF100pF 之间取值。系统的时钟电路设计是采用的部方式,即利用芯片部的振荡电路。AT89 单片机部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚 XTAL1 和 XTA
23、L2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。复位及时钟电路如下图:10 / 32图为时钟电路限流电阻:8 个 220 电阻控制按键:本系统要进行时间的调整和定时,因此用 4 个手动按键对其进行控制。22.3.42.3.4 显示器模块的设计显示器模块的设计利用2个七段数码管6个选位引脚连接C51单片机 P2.5 P2.0接口,其他8个引脚分别通过限流电阻与C51单片机的P0.0 - P0.7和共阳极数码管连接。数码管:单片机常使用 7 段 LED,LED 是
24、发光二极管显示器的缩写。LED 显示器由于结构简单,价格便宜,体积小,亮度高,电压低,可靠性高,寿命长,响应速度快,颜色鲜艳,配置灵活,与单片机接口方便而得到广泛应用。LED 显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示部件,当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔划发光,控制不同组合的二极管导通,就能显示出各种字符。数码管是一种把多个 LED 显示段集成在一起的显示设备。有两种类型,一种是共阴极型,另一种是共阳极型。共阳性就是把多个 LED 显示断的阳极接在一起,又称为公共端。共阴极型就是把多个 LED 的阴极接在一起,即为公共端。阳极即为二极管的正极又称为正极,阴极即为二极管的负极,又称为
25、负极。通常的数码管又分为 8 段,即 8 个 LED 显示段,分别为11 / 32A、B、C、D、E、F、G、H,器 DP 是小数点位段。而多位数码管,除某一位的公共端会连接在一起,不同位的数码管的相同端也会连接在一起。即所有的 A 段都会连在一起,其它段也是如此,这是最常用的用法。数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。静态显示的原理是各个数码管的相同段连接在一起,共同占用 8 段引管线,每位数码管的阳极连接在一起组成公共端,利用人眼的视觉暂留性,依次给出各个数码管公共端加有效信号,在此同时给出该数码管加有效的数据信号,当全段扫描速度大于视觉暂留速度时,显示就会清晰显示出来数码管的驱动方
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