基于單片機數(shù)字時鐘的設計

1、基于單片機數(shù)字時鐘的設計第一章 緒論1.1 數(shù)字時鐘的背景1.2 數(shù)字時鐘的意義1.3 數(shù)字時鐘的應用第二章 整體設計方案2.1 單片機的選擇2.2 單片機的基本結(jié)構(gòu)第三章 數(shù)字是中的硬件設計3.1最小系統(tǒng)設計3.2液晶顯示電器3.3鍵盤控制電路第四章 數(shù)字時鐘的軟件設計4.1系統(tǒng)軟件設計流程圖4.2數(shù)字是中的原理圖4.3主程序4.4時鐘設置子程序4.5定時器中斷子程序4.6液晶顯示子程序4.7按鍵控制子程序第五章 系統(tǒng)仿真1.1數(shù)字時鐘的背景20世紀末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了各個領域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)

2、品性能及一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。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前的時間。忘記了要做的事情，當事情不是很重要的時候，這種遺忘無傷大雅。但是，一時的耽誤可能釀成大禍。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS化，低功耗，小體積，大容量，高性能，低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢單片機應用的重要意義還在于，他從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一

3、次改革。單片機模塊中最常見的是數(shù)字時鐘，數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路實現(xiàn)時，分，秒計時的裝置，與機械時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。1.2數(shù)字時鐘的意義數(shù)字鐘是采用數(shù)字電路實現(xiàn)對.時,分,秒.數(shù)字顯示的計時裝置,廣泛用于個人家庭,車站, 碼頭辦公室等公共場所,成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢缮俚谋匦杵?由于數(shù)字集成電路的發(fā)展和石英晶體振蕩器的廣泛應用,使得數(shù)字鐘的精度,遠遠超過老式鐘表, 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、自動起閉路燈、定時開關烘箱

4、、通斷動力設備、甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎的。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應用，有著非?，F(xiàn)實的意義。1.3數(shù)字時鐘的應用數(shù)字時鐘已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚?，廣泛用于個人家庭以及車站，碼頭，劇場辦公室等公共場所，給人們的生活，學習，工作，娛樂帶來極大的方便。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)，使數(shù)字鐘具有走時準確，性能穩(wěn)定，攜帶方便等優(yōu)點，它還用于計時，自動報時以及自動控制等各個領域。第二章整體設計方案2.1單片機的選擇單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱微控制器

5、通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含計算機的基本功能部件；中央處理器，存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當?shù)能浖巴獠吭O備相結(jié)合，成為一個單片機控制系統(tǒng)。單片機經(jīng)過1，2，3，3代的發(fā)展，正朝著多功耗CMOS化，微型單片化，低電壓，低功耗，主流與多品種共存等方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢不外乎以下幾個方面：，1.低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導體工藝)和C

6、HMOS(互補高密度金屬氧化物半導體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途徑 2.微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多

7、，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。 此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。 3.主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond系列單片機。所以C8051為核心的單片機占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RI

8、SC)也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增，與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發(fā)展的道路。4.低電壓和低功耗隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，NMOS 工藝單片機被CMOS代替，并開始向HMOS 過渡。供電電壓由5V 降到3V ，2V 甚至到1V ，工作電流由mA 降至A ，這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地。下面大致介紹一下單片機的應用領域和特點：1.在智能儀器儀表上的應用單片機具有體積小、功耗低、

9、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。2.在工業(yè)控制中的應用用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。3.在家用電器中的應用可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、

10、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。4.在計算機網(wǎng)絡和通信領域中的應用現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡和通信設備間的應用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。5.單片機在醫(yī)用設備領域中的應用單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等等。6.在各種大型電器中的模塊化應用某些專用單片機設計用于實現(xiàn)特定功能，從而在

11、各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。7.單片機在汽車設備領域中的應用單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器，GPS導航系統(tǒng)，abs防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等等。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領

12、域都有著十分廣泛的用途。目前，我國生產(chǎn)很多型號的單片機，在此，我們選用AT89C51的單片機，因為：AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計

13、數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。2.2單片機的基本結(jié)構(gòu)MCS-51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸

14、出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。程序存儲器(ROM)：8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時/計數(shù)器(ROM)：8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(I/O)口：8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸全雙工

15、串行口：8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。時鐘電路：8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTE

16、L的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。下圖是MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。MCS-51單片機內(nèi)部包括以下部件：一個8位CPU；一個片內(nèi)時鐘振蕩器，最高時鐘頻率為12MHz4KB程序存儲器ROM/EPROM；128B數(shù)據(jù)存儲器RAM；可尋址的外部程序存儲器和64KB數(shù)據(jù)存儲器空間；21個特殊功能寄存器SFR；4個8位并行I/O口，共32根I/O線；1個全雙工串行口；2個16位定時器、計數(shù)器；具有5個中斷源，2個優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)；具有位尋址功能的位處理器，適用于位處理。MCS-51的引腳說明：MCS-51系列單片機產(chǎn)

17、品有8051，8031，8751，80C51，80C31等型號（前三種為CMOS芯片，后兩種為CHMOS芯片）。它們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在存儲器的配置上。8051內(nèi)部設有4K字節(jié)的掩模ROM程序存儲器，8031片內(nèi)沒有程序存儲器，而8751是將8051片內(nèi)的ROM換成EPROM。由ATMEL公司生產(chǎn)的89C51將EPROM改成了4K的閃速存儲器。MCS-51單片機引腳功能：MCS-51單片機引腳圖1電源線：VCC：+5V電源。VSS：地線。2RST：復位信號線。當輸入的復位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作。3信號引腳介紹 P0.0P0.7：P

18、0口8位雙向口線。 P1.0P1.7：P1口8位雙向口線。 P2.0P2.7：P2口8位雙向口線。 P3.0P3.7：P3口8位雙向口線。4XTAL1和XTAL2：外接晶振引腳5控制線：（1）ALE/PROG （2）EA/VPP（3）PSENd)校時子程序系統(tǒng)擴展了三個按鍵，TIME鍵用于報時，由于時間包括年月日和時分，按一次TIME鍵，則報年月日，再按一次則報時分。當一直按住TIME鍵3秒則進入時間校正狀態(tài)，語音報當前是XXXX年，按UP鍵年份增加，按DOWN鍵減少；按TIME鍵來切換月、日、時、分，調(diào)整完分后，按TIME鍵確認，語音報出年月日時分。時間增加的流程如圖8.6所示，時間減少的流程與增加的相同，所以不再給出時間減少的流程圖。在校正時間的狀態(tài)下，如果連續(xù)2分鐘鍵沒有被按下，則