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目 录 一、设计要求 2二、设计方案和论证 2(一)总设计原理图 2(二)设计方案的选择 2(3) 硬件部分 4(4) 软件部分 8三、设计总结26四、参考文献26一、设计要求1、准确计时,以数字形式显示时、分、秒的时间。2、小时以24小时计时形式,分秒计时为60进位。 3、校正时间功能,即能随意设定走时时间。4、闹钟功能,一旦走时到该时间,能以声或光的形式告警提示。5、设计5V直流电源,系统时钟电路、复位电路。 6、能指示秒节奏,即秒提示。7、可采用交直流供电电源,且能自动切换。 二、设计方案和论证本次设计时钟电路,使用了ATC89C51单片机芯片控制电路,单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路,使得电路简明易懂,使用键盘键上的按键来调整时钟的时、分、秒,用一扬声器来进行定时提醒,同时使用汇编语言程序来控制整个时钟显示,使得编程变得更容易,这样通过四个模块:键盘、芯片、扬声器、LED显示即可满足设计要求。(一) 总设计原理框图如下图所示:微型控制器时钟电路声光报时校时输入数据显示(二)设计方案的选择1.计时方案 方案1:采用实时时钟芯片现在市场上有很多实时时钟集成电路,如DS1287、DS12887、DS1302等。这些实时时钟芯片具备年、月、日、时、分、秒计时功能和多点定时功能,计时数据的更新每秒自动进行一次,不需要程序干预。因此,在工业实时测控系统中多采用这一类专用芯片来实现实时时钟功能。 方案2:使用单片机内部的可编程定时器。利用单片机内部的定时计数器进行中端定时,配合软件延时实现时、分、秒的计时。该方案节省硬件成本,但程序设计较为复杂。2.显示方案对于实时时钟而言,显示显然是另一个重要的环节。通常LED显示有两种方式:动态显示和静态显示。静态显示的优点是程序简单、显示亮度有保证、单片机CPU的开销小,节约CPU的工作时间。但占有I/O口线多,每一个LED都要占有一个I/O口,硬件开销大,电路复杂。需要几个LED就必须占有几个并行口,比较适用于LED数量较少的场合。当然当LED数量较多的时候,可以使用单片机的串行口通过移位寄存器的方式加以解决,但程序编写比较麻烦。LED动态显示硬件连接简单,但动态扫描的显示方式需要占有CPU较多的时间,在单片机没有太多实时测控任务的情况下可以采用。本系统需要采用6位LED数码管来分别显示时、分、秒,因数码管个数较多,故本系统选择动态显示方式。(三)硬件部分1、STC89C51单片机介绍STC89C51单片机是由深圳宏晶公司代理销售的一款MCU,是由美国设计生产的一种低电压、高性能CMOS 8位单片机,片内含8kbytes的可反复写的FlashROM和128bytes的RAM,2个16位定时计数器5。 STC89C51单片机内部主要包括累加器ACC(有时也简称为A)、程序状态字PSW、地址指示器DPTR、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、寄存器、并行I/O接口P0P3、定时器/计数器、串行I/O接口以及定时控制逻辑电路等。这些部件通过内部总线联接起来,构成一个完整的微型计算机。其管脚图如图所示。STC89C51单片机管脚结构图VCC:电源。GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程 序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作 输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻 拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存 储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器 的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:口管脚 备选功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器 时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时, /EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。2、上电按钮复位电路 本设计采用上电按钮复位电路:首先经过上电复位,当按下按键时,RST直接与VCC相连,为高电平形成复位,同时电解电容被电路放电;按键松开时,VCC对电容充电,充电电流在电阻上,RST依然为高电平,仍然是复位,充电完成后,电容相当于开路,RST为低电平,单片机芯片正常工作。其中电阻R2决定了电容充电的时间,R2越大则充电时间长,复位信号从VCC回落到0V的时间也长。3、晶振电路本设计晶振电路采用12M的晶振。晶振的作用是给单片机正常工作提供稳定的时钟信号。单片机的晶振并不是只能用12M,只要不超过20M就行,在准许的范围内,晶振越大,单片机运行越快,还有用12M的就是好算时间,因为一个机器周期为1/12时钟周期,所以这样用12M的话,一个时钟周期为12us,那么定时器计一次数就是1us了,电容范围在20-40pF之间,这里连接的是30pF的电容。机器周期=10*晶振周期=12*系统时钟周期4.下载端口设计用到的STC89C52单片机芯片的ISP下载线是通过单片机的TXD,RXD引脚把程序烧进去的。管脚TXD和RXD用于异步串行通信。其实STC89C52单片机的ISP下载线就是一个max232芯片连接STC和计算机的串行通信口。计算机把程序从九针串口送到max232芯片,电平转换后送进单片机的串行口,也就是TXD和RXD。然后单片机的串行模块把数据送到程序区。5、显示电路 就时钟而言,通常可采用液晶显示或数码管显示。由于一般的段式液晶屏,需要专门的驱动电路,而且液晶显示作为一种被动显示,可视性相对较差;对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块(字符或点阵),一般多采用并行接口,对微处理器的接口要求较高,占用资源多。另外,89C2051本身无专门的液晶驱动接口,因此,本时钟采用数码管显示方式。数码管作为一种主动显示器件,具有亮度高、价格便宜等优点,而且市场上也有专门的时钟显示组合数码管。对于实时时钟而言,显示显然是另一个重要的环节。通常LED显示有两种方式:动态显示和静态显示。静态显示的优点是程序简单、显示亮度有保证、单片机CPU的开销小,节约CPU的工作时间。但占有I/O口线多,每一个LED都要占有一个I/O口,硬件开销大,电路复杂。需要几个LED就必须占有几个并行口,比较适用于LED数量较少的场合。当然当LED数量较多的时候,可以使用单片机的串行口通过移位寄存器的方式加以解决,但程序编写比较麻烦。LED动态显示硬件连接简单,但动态扫描的显示方式需要占有CPU较多的时间,在单片机没有太多实时测控任务的情况下可以采用。本系统需要采用6位LED数码管来分别显示时、分、秒,因数码管个数较多,故本系统选择动态显示方式。6、 时钟显示校正电路本设计利用按键开关来校正时钟显示的数字。当按钮按下时,将在相应的端口输入一个低电平,通过相应的程序来改变时钟显示。其中S1按键开关用来选择要修改的数字;S2按键用来增加所选数字的数值;S3按键用来减少所选数字的数值。7、蜂鸣器电路电路接法:三极管选定PNP型,基极B连接5V电压,发射极E连接一个1K左右的电阻后接I/O口,集电极C连接蜂鸣器后接地。单片机在复位后的个I/O口是高电平,此时三极管是截止的,编写程序使选定的I/O为低电平,此时三极管导通,导通后蜂鸣器与电源正极连通,构成一个工作回路,从而发出滴滴的响声。其中电阻R1在电路里起分压限流的作用,PNP三极管起到模拟开关的作用。8、外接电源电路外接电源电路用于连接外部5V电源与电子时钟电路,通过自锁开关控制电路的导通与断开,当开关闭合时,电路导通,外部电源给电路正常供电,电子时钟正常工作。当开关断开时,电路停止工作。9、总电路原理图(五) 软件部分 根据上述电子时钟的工作流程,软件设计可分为以下几个功能模块:(1)主程序模块。主程序主要用于系统初始化:设置计时缓冲区的位置及初值,设置8155的工作方式、定时器的工作方式和计数初值等参数。主程序流程如下图所示。开始定义堆栈区8155、 T0、数据缓冲区、标志位初始化调用键盘扫描程序 否是C/R键? 是地址指针指向计时缓冲区 调用时间设置程序 主程序流程图(2)计时模块。即定时器0中断子程序,完成刷新计时缓冲区的功能。系统使用6MHz的晶振,假设定时器0工作在方式1,则定时器的最大定时时间为65.536ms,这个值远远小于1s。因此本系
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