毕业设计(论文)基于AT89S51单片机的数字电子钟的设计.doc
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1、目录1绪论11.1数字电子钟的背景11.2数字电子钟的意义11.3数字电子钟的应用22整体设计方案32.1单片机32.2单片机的基本结构43数字钟的硬件设计63.1最小系统设计63.1.1电源63.1.2外接晶体引脚73.1.3复位73.1.4输入输出引脚83.2 LED显示电路93.3键盘控制电路114数字钟的软件设计134.1数字钟的工作原理134.2系统软件设计流程图144.3程序设计步骤174.4程序编写185结束语19参考文献20附录1 数字电子钟电路原理图21附录2 PCB原理图22附录3 元件清单23附录4 源程序25致谢29摘 要本设计介绍了电子钟的工作原理、AT89S51单片
2、机的性能和特点、并概述了用单片机实现电子钟的硬件框图及软件实现方法。设计以AT89S51芯片为核心,辅以必要的外围电路,设计了一个简易的电子钟。它由交流电源供电,用八个七段LED数码管动态扫描来显示,三个按键实现时间的调整,软件方面采用C语言编程来实现。通过软硬件结合达到最终目的。该电子钟具有硬件成本低、计时准确、调整时间容易等特点。关键词:电子钟;单片机;动态扫描;语言AbstractThis design is introduced the working principle, electric clock AT89S51 performance and characteristics,
3、and summarizes the electric clock with microcontroller hardware diagram and software realization method. Design with AT89S51 chip as the core,with the necessary perip-heral circuit, design a simple electric clock. It consists of communication power supply,seven segment with eight LED digital display
4、 dynamic scanning tube, three buttons to realize the ad-justment, time using C language programming software to realize. Through the software and hardware combined with reach the ultimate goal. The electric clock has the hardware cost low, timing accurate,adjust time easily etc. Characteristics. Key
5、words: electric clock; SCM; Dynamic scanning; C language1绪论1.1数字电子钟的背景 20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵,工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情,当事情不是很重要的时候,这种遗忘无伤大雅。但是,一旦有重要事情,一时的耽误可能酿成大祸。目前,单片机正进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价
6、格和外围电路内装化等几个方面发展。单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术,是传统控制技术的一次革命。单片机模块中最常见的是数字钟,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。1.2数字电子钟的意义 数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置,广泛用于个人、家庭、车站、码头、办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少
7、的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。1.3数字电子钟的应用数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品,广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进
8、的石英技术,使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点,它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。2整体设计方案2.1单片机 AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS 8位单片机,片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51具有如下特点:40
9、个引脚,4k Bytes Flash片内程序存储器,128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。此外,AT89S51设计和配置了振荡器可通过软件设置省电模式。空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 主要功能特性为:兼容MCS-51指令系统,4k可反复擦写(1000次)ISP Flash ROM;32个双向I/O口;
10、4.5-5.5V工作电压;2个16位可编程定时/计数器;时钟频率0-33MHz;全双工UART串行中断口线;128x8bit内部RAM;2个外部中断源;低功耗空闲和省电模式;中断唤醒省电模式;看门狗(WDT)电路;灵活的ISP字节和分页编程;双数据寄存器指针。AT89S51单片机与其他品牌单片机相比有着性价比高,性能稳定的特点。(1)51单片机的优点如果是作低成本的智能产品,51构架单片机的成本优势,还是令人满意的。比如一片AT89S51和AT89S52单片机的批量价格大概是5元左右,STC89C52单片机的批量价格大概是6元多,这样的芯片价格是很低的。一片简单的74系列通用数字逻辑芯片还要1
11、元左右,而一片51单片机内部集成有成千上万个晶体管开关电路。51构架已经诞生很多年了,到目前依然有着强大的生命力和实用性,从1976年51构架成功面市,多少年过去了,从90年代初全新闪存结构的AT89C51要90元一片,到现在AT89S51只要5元多一片,51依然大量的使用着。使用51单片机能够有效的控制智能产品整机的成本, 51系列还是有着无法替代的重要地位。(2)AT89S51与AT89C51的比较AT89S51相对于AT89C51新增加了很多功能,性能有了较大提升,价格基本不变,甚至比89C51更低; 而且89S51具有ISP在线编程功能,这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要
12、把芯片从工作环境上拔除,可以在线烧写。AT89S51的最高工作频率为33MHz, 89C51的极限工作频率是24M,就是说S51具有更高工作频率,从而具有了更快的计算速度。AT89S51还具有双UART串行通道、双数据指示器、电源关闭标识。AT89S51内部集成看门狗计时器,不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。具有全新的加密算法,这使得对于89S51的解密变为不可能,程序的保密性大大加强,这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 在兼容性方面,AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等产品。也就是说不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是M
13、CS-51等等。在89S51上一样可以照常运行,这就是所谓的向下兼容。 AT89S51与AT89C51就如同INTEL的P3向P4升级一样,虽然都可以跑Windows98,不过速度是不同的。总之,无论是比其他品牌同类产品相比,还是与同品牌产品相比都显示出了AT89S51优良的性能,更高的性价比。所以AT89S51芯片成为了本系统的首选。2.2单片机的基本结构AT89S51单片机基本结构主要包括了以下主要部件:(1)控制器控制器是单片机的指挥控制部件,控制器的主要任务是识别指令,并根据指令的性质控制单片机各功能部件,从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。
14、首先从程序存储器中读出指令,送指令寄存器保存,然后送至指令译码器进行译码,译码结果送定时控制逻辑电路,由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号,再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程,执行程序就是不断重复这一过程。控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。(2)存储器AT89S51单片机存储器采用的是程序存储器空间和数据存储器空间截然分开,程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式,寻址空间和控制系统的结构。这种结构对于单片机面向控制的实际应用极为方便、有利。8051/8751单片机中,不仅在片内集成了一
15、定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器,而且还具有极强的外存储器的扩展能力,寻址能力分别可达64KB,寻址和操作简单方便。(3)并行I/O口MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口(Port),分别记作P0-P3,共有32根口线,各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。这四个口除了按字节寻址以外,还可以按位寻址。由于它们在结构上有一些差异,故各口的性质和功能有一些差异。(4)时钟电路与时序时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路,为保证同步工作方式
16、的实现,MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下,严格地按时序执行进行工作,而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系1。3数字钟的硬件设计3.1最小系统设计单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、组成,下面介绍一下每一个组成部分2 。图3-1 单片机最小系统的结构图3.1.1电源电源引脚: Vcc与40脚相连,即电源端;GND与20脚相连,即接地端;工作电压为5V,另有AT89S51工作电压是2.7-6V。 3.1.2外接晶体引脚XTAL1与单片机19脚相连,XTAL2与单片机18脚相连。图3-2 晶振连接的内部、外部方式图 XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端,XTAL2则是输出端,使用
17、外部振荡器时,外部振荡信号应直接加到XTAL1,而XTAL2悬空。内部方式时,时钟发生器对振荡脉冲二分频,如晶振为12MHz,时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2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。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震
18、荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此,此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值约为22F。在焊接刷电路板时,晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。3.1.3复位在振荡器运行时,有两个机器周期(24个振荡周期)以上的高电平出现在此引脚时,将使单片机复位,只要这个脚保持高电平,51芯片便循环复位。复位后P0P3口均置1引脚表现为高电平,程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时,芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚
19、RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连,斯密特触发器用来抑制噪声,它的输出在每个机器周期的S5P2,由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式,此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。当时钟频率选用6MHz时,C取22F,Rs约为200,Rk约为1K。复位操作不会对内部RAM有所影响3。常用的复位电路如下图所示:图3-3 常用复位电路图3.1.4输入输出引脚(1)P0端口P0.0-P0.7 P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口,端口置1(对端口写1)时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个TTL。对内部Flash程序存储器编程时,接收指令字节;校验程序时输出指令字节,
20、要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时,P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线,访问期间内部的上拉电阻起作用。(2)P1端口P1.0-P1.7 P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入用。对内部Flash程序存储器编程时,接收低8位地址信息。(3)P2端口P2.0P2.7 P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入用。对内部Flash程序存储器编程时,接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时,P2口
21、送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。(4)P3端口P3.0P3.7 P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时,内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入用4。对内部Flash程序存储器编程时,接控制信息。除此之外P3端口还用于一些专门功能,具体请看下表。表3-1P3端口引脚兼用功能表P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入(RXD)P3.1串行通讯输出(TXD)P3.2外部中断0( INT0)P3.3外部中断1(INT1)P3.4定时器0输入(T0)P3.5定时器1输入(T1)P3.6外部数据存储器写选通WRP3.7
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