PAGEPAGE5畢業(yè)設計（論文）題目：基于51單片機的數(shù)字鐘設計院（系）：專業(yè)：班級：學生姓名：導師姓名：職稱：基于單片機的數(shù)字鐘畢業(yè)論文摘要……………ⅠAbstract……………ⅡTOC\o"1-3"\h\z第1章緒論 31.1課題背景 31.2課題來源 31.3本章小結 4第2章MCS-51單片機的結構 52.1控制器 52.2存儲器的結構 52.3并行I/O口 62.4時鐘電路與時序 62.5單片機的應用領域 72.6本章小結 7第3章電路的硬件設計 83.1復位電路 83.2時鐘電路 83.3按鍵電路 93.4相關控制電路 103.4.1控制打鈴電路 103.4.2時間表顯示電路 103.5數(shù)碼管顯示電路 113.6電源電路設計 113.7本章小結 11第4章電路的軟件設計 124.1軟件程序內容 124.2軟件流程圖 124.3定時程序設計 134.3.1實時時鐘實現(xiàn)的基本方法 144.3.2實時時鐘程序設計步驟 144.4程序說明 144.5本章小結 15第5章結論與展望 165.1結論 165.2單片機的發(fā)展趨勢 16參考文獻 18附錄………………18RAM的存儲器有很豐富的操作指令,從而使得用戶在設計程序時非常方便。地址為00H-1FH的32個單元是4組通用工作寄存器區(qū),每個區(qū)含8個8位寄存器,編號為R7-R0。用戶可以通過指令改變PSW中的RS1,RS0這二位來切換當前的工作寄存器區(qū),這種功能給軟件設計帶來極大的方便,特別是在中斷嵌套時,為實現(xiàn)工作寄存器現(xiàn)場內容保護提供了極大的方便。特殊功能寄存器(SFR-SpecialFunctionRegister)特殊功能寄存器反映了MCS-51單片機的狀態(tài),實際上是MCS-51單片機各功能部件的狀態(tài)及控制寄存器.SFR綜合的,實際的反應了整個單片機基本系統(tǒng)內部的工作狀態(tài)及工作方式.SFR實質上是一些具有特殊功能的片內RAM單元,字節(jié)地址范圍為80H-FFH.特殊功能寄存器的總數(shù)為21個,離散的分布在該區(qū)域中,其中]有些SFR還可以進行位尋址.128個字節(jié)的SFR塊中僅有21個字節(jié)是由定義的.對于尚未定義的字節(jié)地址單元,用戶不能作寄存器使用,若訪問沒有定義的單元,則將得到一個不確定的隨機數(shù).2.3并行I/O口MCS-51單片機共有4個雙向的8位并行I/O端口（Port），分別記作P0-P3，共有32根口線，各口的每一位均由鎖存器、輸出驅動器和輸入緩沖器所組成。實際上P0-P3已被歸入特殊功能寄存器之列。這四個口除了按字節(jié)尋址以外，還可以按位尋址。由于它們在結構上有一些差異，故各口的性質和功能有一些差異。P0口是雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據總線分時復用口，可驅動8個LS型TTL負載。P1口是8位準雙向I/O口，可驅動4個LS型負載。P2口是8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復用，可驅動4個LS型TTL負載。P3口是8位準雙向I/O口，是雙功能復用口，可驅動4個LS型TTL負載。P1口、P2口、P3口各I/O口線片內均有固定的上拉電阻，當這3個準雙向I/O口做輸入口使用時，要向該口先寫“1”，另外準雙向I/O口無高阻的“浮空”狀態(tài)，故稱為雙向三態(tài)I/O口。2.4時鐘電路與時序時鐘電路用于產生MCS-51單片機工作時所必需的時鐘信號。MCS-51單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為保證同步工作方式的實現(xiàn)，MCS-51單片機應在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按時序執(zhí)行進行工作，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各個信號的關系。在執(zhí)行指令時，CPU首先要到程序存儲器中取出需要執(zhí)行的指令操作碼，然后譯碼，并由時序電路產生一系列控制信號去完成指令所規(guī)定的操作。CPU發(fā)出的時序信號有兩類，一類用于片內對各個功能部件的控制，這列信號很多。另一類用于片外存儲器或I/O端口的控制，這部分時序對于分析、設計硬件接口電路至關重要。這也是單片機應用系統(tǒng)設計者普遍關心的問題。2.5單片機的應用領域單片機應用領域可以歸納為以下幾個方面。1．智能儀表用單片機系統(tǒng)取代老式的測量、控制儀表，實現(xiàn)從模擬儀表向數(shù)字化、智能化儀表的轉化，如各種溫度儀表、壓力儀表、流量儀表、電能計量儀表等。2.測控系統(tǒng)用單片機取代原有的復雜的模擬數(shù)字電路，完成各種工業(yè)控制、數(shù)據采集系統(tǒng)等工作。3．電能變換應用單片機設計變頻調速控制電路。4．通信用單片機開發(fā)通信模塊、通信器材等。5．機電產品應用單片機檢測、控制傳統(tǒng)的機械產品，使傳統(tǒng)的機械產品結構簡化，控制智能化，提高了機電產品的可靠性，增強了產品的功能。6．智能接口在數(shù)據傳輸中，用單片機實現(xiàn)外部設備與微機通信。2.6本章小結本章介紹了單片機的一些基本硬件結構。單片機是微計算機的一個分支，在原理和結構上，單片機與微型機之間沒有根本性的差別，而且微計算機的許多技術都被單片機繼承下來。單片機的基本結構依然是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式，但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。第3章電路的硬件設計3.1復位電路MCS-51單片機的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。上電復位：上電復位電路是—種簡單的復位電路，只要在RST復位引腳接一個電容到VCC，接一個電阻到地就可以了。上電復位是指在給系統(tǒng)上電時，復位電路通過電容加到RST復位引腳一個短暫的高電平信號，這個復位信號隨著VCC對電容的充電過程而回落，所以RST引腳復位的高電平維持時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)安全可靠的復位，RST引腳的高電平信號必須維持足夠長的時間。電路圖如下：上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位。3.2時鐘電路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，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式：一種是內部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。本文用的是內部時鐘方式。電路圖如下：MCS-51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。3.3按鍵電路按鍵的開關狀態(tài)通過一定的電路轉換為高、低電平狀態(tài)。按鍵閉合過程在相應的I/O端口形成一個負脈沖。閉合和釋放過程都要經過一定的過程才能達到穩(wěn)定，這一過程是處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動。抖動持續(xù)時間的常長短與開關的機械特性有關，一般在5-10ms之間。為了避免CPU多次處理按鍵的一次閉合，應采用措施消除抖動。本文采用的是獨立式按鍵，直接用I/O口線構成單個按鍵電路，每個按鍵占用一條I/O口線，每個按鍵的工作狀態(tài)不會產生互相影響。電路圖如下：P1.0口表示功能移位鍵，按鍵選擇要調整的時十位、時個位、分十位或分個位。P1.1口表示數(shù)字“+“鍵，按一下則對應的數(shù)字加1。P1.2口表示數(shù)字“-”鍵，按一下則對應的數(shù)字減1。P1.3口表示時間表的切換，程序默認為日常時間表，當按下該開關，使輸入為低電平時，表示當前執(zhí)行的是考試時間表，并有綠發(fā)光二極管顯示。再按鍵，使鍵抬起，輸入維高電平時，表示當前執(zhí)行的是日常作息時間表，用紅發(fā)光二級管顯示。3.4相關控制電路3.4.1控制打鈴電路P1.5口控制繼電器進而控制電鈴工作。當時鐘當前的時間和當前所執(zhí)行的時間表的時間一致時，相應得標志位為1，P1.5口輸出高電平，控制繼電器閉合，從而合上開關，啟動電鈴進行打鈴。打鈴一定時間，標志位置0，P1.5輸出低電平，繼電器打開，電鈴停止工作。電路圖如下：3.4.2時間表顯示電路因為該電路可以執(zhí)行兩個時間表，即正常作息時間表和考試時間表。為了能夠從外觀上看出當前正在執(zhí)行的是那種時間表。為此，在電路中加上了紅、綠兩個不同的發(fā)光二極管，當紅發(fā)光二極管接通時，表示當前正在執(zhí)行日常作息時間表；當綠發(fā)光二極管接通時則表示當前正在執(zhí)行的是考試時間表。有了紅綠兩發(fā)光二極管表示，就可以明顯看出當前執(zhí)行的是何種時間表，不會混淆。電路圖如下：3.5數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示器成本低，配置靈活，與單片機接口簡單，在單片機應用系統(tǒng)中廣泛應用。1.數(shù)碼管的工作原理數(shù)碼管是由8個發(fā)光二極管構成的顯示器件。在數(shù)碼管中，若將二極管的陽極連在一起，稱為共陽極數(shù)碼管；若將二極管的陰極連在一起，稱為共陰極數(shù)碼管。本文用到的6個數(shù)碼管均是共陰極的。當發(fā)光二極管導通時，它就會發(fā)光。每個二極管就是一個筆劃，若干個二極管發(fā)光時，就構成了一個顯示字符。將單片機的I/O口控制相應的芯片與數(shù)碼管的a-g相連，高電平的位對應的發(fā)光二極管亮，這樣，由I/O口輸出不同的代碼，就可以控制數(shù)碼管顯示不同的字符。本文的6個數(shù)碼管均采用動態(tài)顯示方式，顯示當前的時間。整個顯示電路應用了2個164芯片，1個244芯片。第一個164芯片把從單片機傳出的串行數(shù)據轉換成并行數(shù)據。164只能存儲8位數(shù)據，因此，當單片機輸出第9-14位數(shù)據的時候，第一個164芯片中的8位數(shù)據就被傳到第二個164芯片中，這8位數(shù)據就是段選信號，控制數(shù)碼管將要顯示的字符。第9-14位數(shù)據輸出后，控制244芯片的單片機的P1.7口置為高電平，244芯片選通。這六位數(shù)據經過244芯片以后是片選信號，即控制動態(tài)顯示的是哪一位數(shù)碼管。在片選信號和段選信號的控制下，數(shù)碼管就正確的動態(tài)顯示當前的時間。3.6電源電路設計電源電路包括變壓器、橋式整流器、電容和穩(wěn)壓器。通過變壓器變壓，使得220V電壓變?yōu)?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。3.7本章小結本章介紹的是本設計的硬件結構，單片機的相關I/O口輸入輸出就可以實現(xiàn)相應的控制功能。還介紹了單片機的復位電路和時鐘電路。第4章電路的軟件設計4.1軟件程序內容本設計的軟件程序包括主程序、中斷子程序、打鈴子程序、時鐘顯示子程序、查詢時間表切換程序和延時子程序等等。另外由于電路中有四個按鍵，還另外設計了防抖動程序來防止干擾。4.2軟件流程圖軟件程序整個流程圖如下：開始開始初始化初始化是是否按時間表切換鍵是是否按時間表切換鍵切換時間表切換時間表查詢功能移位鍵查詢功能移位鍵否否調整時間調整時間是是否與時間表時間匹配是是否與時間表時間匹配調用打鈴子程序調用打鈴子程序否否4.3定時程序設計單片機的定時功能也是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，此時的計數(shù)脈沖來自單片機的內部，即每個機器周期產生一個計數(shù)脈沖，也就是每經過1個機器周期的時間，計數(shù)器加1。如果MCS-51采用的12MHz晶體，則計數(shù)頻率為1MHz，即每過1us的時間計數(shù)器加1。這樣可以根據計數(shù)值計算出定時時間，也可以根據定時時間的要求計算出計數(shù)器的初值。MCS-51單片機的定時器/計數(shù)器具有4種工作方式，其控制字均在相應的特殊功能寄存器中，通過對特殊功能寄存器的編程，可以方便的選擇定時器/計數(shù)器兩種工作模式和4種工作方式。定時器/計數(shù)器工作在方式0時，為13位的計數(shù)器，由TLX(X=0、1)的低5位和THX的高8位所構成。TLX低5位溢出則向THX進位，THX計數(shù)溢出則置位TCON中的溢出標志位TFX.當定時器/計數(shù)器工作于方式1，為16位的計數(shù)器。本設計師單片機多功能定時器，所以MCS-51內部的定時器/計數(shù)器被選定為定時器工作模式，計數(shù)輸入信號是內部時鐘脈沖，每個機器周期產生一個脈沖使計數(shù)器增1。4.3.1實時時鐘實現(xiàn)的基本方法時鐘的最小計時單位是秒，但使用定時器的方式1，最大的定時時間也只能達到131ms。我們可把定時器的定時時間定為50ms。這樣，計數(shù)溢出20次即可得到時鐘的最小計時單位：秒。而計數(shù)20次可以用軟件實現(xiàn)。秒計時是采用中斷方式進行溢出次數(shù)的累積，計滿20次，即得到秒計時。從秒到分，從分到時是通過軟件累加并進行比較的方法來實現(xiàn)的。要求每滿1秒，則“秒”單元中的內容加1；“秒”單元滿60，則“分”單元中的內容加1；“分”單元滿60，則“時”單元中的內容加1；“時”單元滿24，則將時、分、秒的內容全部清零。4.3.2實時時鐘程序設計步驟（1）選擇工作方式，計算初值；（2）采用中斷方式進行溢出次數(shù)累計；（3）從秒——分——時的計時是通過累加和數(shù)值比較實現(xiàn)的；（4）時鐘顯示緩沖區(qū)：時鐘時間在方位數(shù)碼管上進行顯示，為此在內部RAM中要設置顯示緩沖區(qū)，共6個地址單元。顯示緩沖區(qū)從左到右依次存放時、分、秒數(shù)值；（5）主程序：主要進行定時器/計數(shù)器的初始化編程，然后反復調用顯示子程序的方法等待中斷的到來。（6）中斷服務程序：進行計時操作（7）加1子程序：用于完成對時、分、秒的加操作，中斷服務程序在秒、分、時加1時共有三種條調用加1子程序，包括三項內容：合字、加1并進行十進制調整、分字。4.4程序說明在整個系統(tǒng)中，在單片機的30H、31H和32H中存儲當前時間的小時、分鐘和秒。由于要用數(shù)碼管顯示當前的時間，必須用到分字和合字，因此在33H、34H、35H、36H、37H和38H中存儲當前時間的時十位、時個位、分十位、分個位、秒十位和秒個位，方便顯示。本設計有由四個輕觸按鍵組成的小鍵盤，這些按鍵可以任意改變當前的狀態(tài)。按功能移位鍵一次，表示當前要校對小時的十位；按第二次，表示當前校對的是小時的個位；按第三次，則表示校對的是分鐘的十位；第四次，表示的校對的是分鐘的個位。按下數(shù)字“+”鍵和數(shù)字“-”鍵可在當前校對的數(shù)字上相應加上1或者減去1。本設計采用查表方式，在程序里預先存儲兩個表格，即日常作息時間表和考試時間表，可以通過手動按鍵來選擇所要執(zhí)行的時間表。并且用紅、綠發(fā)光二極管來區(qū)別當前所執(zhí)行的時間表。系統(tǒng)開機后，按功能移位鍵就可以調整當前的時間，整個系統(tǒng)操作簡單，功能明確。顯示數(shù)據時，先把要顯示的數(shù)據送到數(shù)據緩沖區(qū)SBUF中，再從SBUF中顯示。串行口緩沖寄存器SBUF器是可直接尋址的專用寄存器。在物理上，它對應著兩個寄存器，一個發(fā)送寄存器，一個接收寄存器。CPU寫SBUF，就是修改發(fā)送寄存器；讀SBUF，就是讀接收寄存器。接收器是雙緩沖的，以避免在接收下一幀數(shù)據之前，CPU未能及時響應接收器的中斷，沒有把上一幀數(shù)據讀走，而產生兩幀數(shù)據重疊的問題。對于發(fā)送器，為了保持最大的傳輸速率，一般不需要雙緩沖，因為發(fā)送時CPU是主動的，不會產生寫重疊的問題。4.5本章小結這一章介紹了本設計的軟件設計，所有的功能在流程圖里清晰的表現(xiàn)了出來，體現(xiàn)了設計的合理性、可實現(xiàn)性。第5章結論與展望5.1結論單片機多功能定時系統(tǒng)理論上能很好的達到了學校教學要求，發(fā)揮了單片機在智能化方面的應用。該系統(tǒng)的設計很好的滿足當前學校教學的需要，是一個理想的智能化的設計。它具有一個走時精確的實時鐘，可以任意設置時間，可以控制時間表的轉換，時鐘的顯示功能等?？梢酝ㄟ^按鍵操作和數(shù)字顯示。該系統(tǒng)規(guī)模小，但是功能較多，操作簡單，造價低，應用非常廣泛。該系統(tǒng)的設計為向家庭數(shù)字化方向發(fā)展又前進了一步。同時又擴大了單片機的應用領域。5.2單片機的發(fā)展趨勢自單片機出現(xiàn)至今，單片機技術已走過了幾十年的發(fā)展路程?？v觀幾十年來單片機發(fā)展歷程可以看出，單片機技術的發(fā)展以微處理器（MPU）技術及超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展為先導，拉動廣泛的應用領域，表現(xiàn)出比微處理器更具個性的發(fā)展趨勢：1.采用先進結構以實現(xiàn)高性能在過去的一段時間內，單片機的指令運行速度一直在10MIPS以下，這對于應用在工業(yè)控制領域內的單片機來說是足夠了，但當單片機被應用在通訊及DSP領域作為高速運算、編碼或解碼時，就會出現(xiàn)因指令運行速度不夠而限制單片機應用的情形，因此提高單片機指令運行速度已經成為迫切需要解決的問題。2.進一步降低功耗、基于80C51的飛利浦低功率、低系統(tǒng)成本微控制器51LPC系列是業(yè)界推動單片機向低功耗方向發(fā)展的主導單片機系列之一。51LPC系列單片機采用以下三種方法降低功耗：（1）使系統(tǒng)進入空閑模式，在空閑模式下，只有外圍器件在工作，任意的復位及中斷均可結束空閑模式；（2）使系統(tǒng)進入低功耗模式，在低功耗模式下，振蕩器停止工作，是功耗降到最小（3）使系統(tǒng)進入低電壓EPROM操作；EPROM包含了模擬電路，當Vcc高于4V時，可通過軟件使這些模擬電路掉電以降低功耗，在上電情況下可使系統(tǒng)退出該模式。3.采用FlashMemory隨著半導體工藝技術的不斷進步，MPU的Flash版本逐漸替代了原有的OTP版本。FlashMPU具有以下優(yōu)點：與多次可編程的窗口式EPROM相比，F(xiàn)lashMPU的成本要低得多；在系統(tǒng)編程能力以及產品生產方面提供了靈活性，因為FlashMPU可在編程后面再次以新代碼重新編程；可減少已編程器件的報廢和庫存；有助于生產廠商縮短設計周期，使終端用戶產品和、更具有競爭力。4.集成更多功能及兼容性目前單片機的另一個發(fā)展趨勢是在芯片上集成更多的功能。如模擬功能，包括模擬比較器、A/D和D/A轉換器等。具體表現(xiàn)在：兼容性作為設計的第一考慮；額外的新的特點是透明的；使用同一種編程器；OTP使器件快速提升及標準化成為可能。5.強抗干擾能力不斷加強抗干擾能力是單片機進一步發(fā)展的必然趨勢。STMicroelectronics公司推出的ST62系列單片機在這方面是佼佼者，其優(yōu)良的抗干擾能力使得許多大公司將其應用在系統(tǒng)中的關鍵部件上。許多單片機開發(fā)商也正朝著這個方向努力。6.朝系列化、全面化方向發(fā)展各大單片機開發(fā)商在增加產品功能的同時效力于形成產品的系列化=全面化，以滿足各種控制領域的要求，這也是單片機發(fā)展的趨勢之一。日本TOSHBA公司開發(fā)了從4位到64位的多系列單片機，日立公司也有從4.位到32位的單片機，目前還沒有哪個廠家生產的