單片機的數(shù)字鐘設計

單片機的數(shù)字鐘設計,單片機,數(shù)字,設計 本 科 學 生 校 級 優(yōu) 秀 畢 業(yè) 設 計（論文） 申 報 表 題 目： 基于單片機的數(shù)字鐘設計 教學單位 _ ______ 姓 __________ 學 號 _2_______ 年 級 _20____________ 專 業(yè) _ ___________ 指導教師_______________ 職 稱 _ ___________ _ 申報日期 2007 年 05 月 14 日 教 務 處 制 摘要 近年來隨著計算機在社會領域的滲透和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機的應用正在不斷地走向深入，由于它具有功能強，體積小，功耗低，價格便宜，工作可靠，使用方便等特點，因此特別適合于與控制有關的系統(tǒng)，越來越廣泛地應用于自動控制，智能化儀器，儀表，數(shù)據(jù)采集，軍工產品以及家用電器等各個領域，單片機往往是作為一個核心部件來使用，在根據(jù)具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，以作完善。 本次做的數(shù)字鐘是以單片機（AT89C51）為核心，結合相關的元器件（共陰極LED數(shù)碼顯示器、BCD-鎖存/7段譯碼/驅動器CC4511等），再配以相應的軟件，達到制作簡易數(shù)字鐘的目的，其硬件部分難點在于元器件的選擇、布局及焊接。 關鍵詞：單片機 AT89C51 共陰極LED數(shù)碼顯示器 BCD-鎖存/7段譯碼/驅動器CC4511 Abstract In recent years, with computers in the infiltration and the development of large-scale integrated circuits. SCM application is steadily deepening, as it has strong function, small size, low power dissipation, low prices, reliable, easy to use features, it is particularly suited to and control of the system, increasingly widely used in automatic control, intelligent instruments, gauges, data acquisition, military products and household appliances, and other areas, is often microcontroller as a core component to use, In light of specific hardware architecture, and application-specific software features object combine to make perfect. The figures do bell on SCM (AT89C51) at the core, Combined with the components (a total of cathode LED digital display, BCD - latch /7 of decoding / actuator CC4511), and factoring in the corresponding software, Easy to produce digital clock purposes, as part of the hardware components is a difficult choice, layout and welding. Keywords : Single Chip Microcomputer AT89C51 Total cathode LED figures display BCD-the lock save/7 the segments translate code/actuator CC4511 目錄 摘要 2 Abstract 2 目錄 3 引言 4 第一章 題目 5 1.2、課程設計目的 5 第二章 單片機發(fā)展歷史 5 2.1三大階段 5 2.2 如果將8位單片機的推出作為起點 6 2.3?單片機的發(fā)展趨勢 7 第三章 單片機的組成及特點 9 3.1 ?單片機的組成 9 3.2?單片機的特點 9 3.3單片機的分類 10 第四章 單片機的應用 10 4.1單片機的應用分類 10 第五章 數(shù)字種的構成 12 5.1 數(shù)字鐘的構成 12 5.2 實驗中所需的器材 12 5.3 方案選擇與相關技術 13 5.4 AT89C51的單片機簡介 13 5.4.1 主要特性 15 5.4.2 管腳說明 16 5.4.3 振蕩器特性 18 5.5 CC4511 集成簡介 19 5.5.1 4511集成分析 19 5.5.2 4511的邏輯圖 20 5.6 LED數(shù)碼顯示器簡介 21 5.6.1 LED數(shù)碼顯示器的結構 21 5.6.2 LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法 22 第六章 電路設計 22 6.1 電路接法 22 6.1.1 晶體振蕩器與AT89C51的接法 22 6.1.2 單片機AT89C51的銀腳的連接 23 6.1.3 譯碼器CC4511的銀腳連接 23 6.2 數(shù)字鐘電路圖 24 第七章 調試過程： 26 1）檢測AT89C51運行否 26 2）七段數(shù)碼管 26 總結 26 參考文獻 26 致謝 27 引言 20世紀末，電子技術獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產品性能進一步提高，產品更新?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，一旦重要事情，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，它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也稱為微控制技術，是傳統(tǒng)控制技術的一次革命。 單片機模塊中最常見的是數(shù)字鐘，數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，與機械式時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。 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,成為人們日常生活中不可少的必需品,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、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。 第一章 題目 做一個基于AT89C51的簡易的單片機數(shù)字鐘。該數(shù)字鐘有4個共陰極七段數(shù)碼管，分別顯示分鐘和秒。其顯示方式為：XX：XX。 1.1課程設計要求 (1)掌握AT89C51實驗開發(fā)系統(tǒng)中的實驗模塊原理，畫出電路原理圖; (2)綜合運用實驗模塊，用89C51開發(fā)設計具有一定功能的單片機控制系統(tǒng)，進行軟、硬件設計及調試； (3)寫出完整的設計任務書：課題的名稱、系統(tǒng)的功能、硬件原理圖、軟件框圖、程序清單、參考資料； (4)時間以60分種為一個周期;電子鐘的格式為：XX XX，由左向右分別為：分、秒。完成顯示由秒01一直加1至59，再恢復為00；分加1，由00至01，一直加1至59，再恢復00； (5)為了保證計時的穩(wěn)定及準確須由晶體振蕩器提供表針時間基準信號。 1.2、課程設計目的 (1)鞏固、加深和擴大單片機應用的知識面，提高綜合及靈活運用所學知識解決工業(yè)控制的能力； (2)培養(yǎng)針對課題需要，選擇和查閱有關手冊、圖表及文獻資料的自學能力，提高組成系統(tǒng)、編程、調試的動手能力； (3)過對課題設計方案的分析、選擇、比較、熟悉單片機用系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟硬件設計的方法、內容及步驟； (4)掌握計數(shù)器、加法器、半導體數(shù)碼管顯示器與七段碼顯示譯碼器的使用； (5)連接數(shù)字鐘的工作原理。 第二章 單片機發(fā)展歷史 2.1三大階段 ?單片機誕生于20世紀70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。 1.SCM即單片微型計算機（Single?Chip?Microcomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結構?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。? 2.MCU即微控制器（Micro?Controller?Unit）階段，主要的技術發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統(tǒng)相關，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當數(shù)Philips公司。? Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。? 3.單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)。? 單片機作為微型計算機的一個重要分支，應用面很廣，發(fā)展很快。自單片機誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個機種。 2.2 如果將8位單片機的推出作為起點? 如果將8位單片機的推出作為起點，那么單片機的發(fā)展歷史大致可分為以下幾個階段:? （1）第一階段（1976-1978）：單片機的控索階段。以Intel公司的MCS?–?48為代表。MCS?–?48的推出是在工控領域的控索，參與這一控索的公司還有Motorola?、Zilog等，都取得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單機片”一詞即由此而來。? （2）第二階段（1978-1982）單片機的完善階段。Intel公司在MCS?–?48?基礎上推出了完善的、典型的單片機系列MCS?–51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結構。? ①完善的外部總線。MCS-51設置了經(jīng)典的8位單片機的總線結構，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有很多機通信功能的串行通信接口。? ②CPU外圍功能單元的集中管理模式。? ③體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。? ④指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。? （3）第三階段（1982-1990）：8位單片機的鞏固發(fā)展及16位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS?–?96系列單片機，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。隨著MCS?–?51系列的廣應用，許多電氣廠商競相使用80C51為內核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術、接口技術、多通道A/D轉換部件、可靠性技術等應用到單片機中，增強了外圍電路路功能，強化了智能控制的特征。? （4）第四階段（1990—）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領域全面深入地發(fā)展和應用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的8位/16位/32位通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。 2.3?單片機的發(fā)展趨勢 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裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。? CMOS化?近年，由于CHMOS技術的進小，大大地促進了單片機的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機可以工作在功耗精細管理狀態(tài)。這也是今后以80C51取代8051為標準MCU芯片的原因。因為單片機芯片多數(shù)是采用CMOS（金屬柵氧化物）半導體工藝生產。CMOS電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。CHMOS和HMOS工藝的結合。目前生產的CHMOS電路已達到LSTTL的速度，傳輸延遲時間小于2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于TTL電路。因而，在單片機領域CMOS正在逐漸取代TTL電路。? 低功耗化?單片機的功耗已從Ma級，甚至1uA以下；使用電壓在3~6V之間，完全適應電池工作。低功耗化的效應不僅是功耗低，而且?guī)砹水a品的高可靠性、高抗干擾能力以及產品的便攜化。? 低電壓化?幾乎所有的單片機都有WAIT、STOP等省電運行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在3~6V范圍內工作。低電壓供電的單片機電源下限已可達1~2V。目前0.8V供電的單片機已經(jīng)問世。? 低噪聲與高可靠性?為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產品能適應惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片廠家在單片機內部電路中都采用了新的技術措施。? 大容量化?以往單片機內的ROM為1KB~4KB，RAM為64~128B。但在需要復雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。為了適應這種領域的要求，須運用新的工藝，使片內存儲器大容量化。目前，單片機內ROM最大可達64KB，RAM最大為2KB。? 高性能化?主要是指進一步改進CPU的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（RISC）結構和流水線技術，可以大幅度提高運行速度?，F(xiàn)指令速度最高者已達100MIPS（Million?Instruction?Per?Seconds，即兆指令每秒），并加強了位處理功能、中斷和定時控制功能。這類單片機的運算速度比標準的單片機高出10倍以上。由于這類單片機有極高的指令速度，就可以用軟件模擬其I/O功能，由此引入了虛擬外設的新概念。? 小容量、低價格化?與上述相反，以4位、8位機為中心的小容量、低價格化也是發(fā)展動向之一。這類單片機的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產品。? 外圍電路內裝化?這也是單片機發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種處圍功能器件集成在片內。除了一般必須具有的CPU、ROM、RAM、定時器/計數(shù)器等以外，片內集成的部件還有模/數(shù)轉換器、DMA控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時器、液晶顯示驅動器、彩色電視機和錄像機用的鎖相電路等。? 串行擴展技術?在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結構擴展外圍器件成為單片機應用的主流結構。隨著低價位OTP（One?Time?Programble）及各種類型片內程序存儲器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進入片內，推動了單片機“單片”應用結構的發(fā)展。特別是?I?C、SPI等串行總線的引入，可以使單片機的引腳設計得更少，單片機系統(tǒng)結構更加簡化及規(guī)范化。? 隨著半導體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機的集成度將更高、體積將更小、功能將列強。在單片機家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司將其MCS?–51系列中的80C51內核使用權以專利互換或出售形式轉讓給全世界許多著名IC制造廠商，如Philips、?NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與80C51單片機兼容的基礎上改善了80C51的許多特性。這樣，80C51就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為80C51系列。80C51單片機已成為單片機發(fā)展的主流。專家認為，雖然世界上的MCU品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明，80C51可能最終形成事實上的標準MCU芯片。 第三章 單片機的組成及特點 單片機是微型機的一個主要分支，在結構上的最大特點是把CPU、存儲器、定時器和多種輸入/輸出接口電路集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上。就其組成和功能而言，一塊單片機芯片就是一臺計算機。 3.1 ?單片機的組成 單片機是通過內部總線把計算機的各主要部件接為一體，其內部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是在進行數(shù)據(jù)交換時提供地址，CPU通過它們將地址輸出到存儲器或I/O接口；/數(shù)據(jù)總線的作用是在CPU與存儲器或I/O接口之間，或存儲器與外設之間交換數(shù)據(jù)；控制總線包括CPU發(fā)出的控制信號線和外部送入CPU的應答信號線等。 3.2?單片機的特點 由于單片機的這種結構形式及它所采取的半導體工藝，使其具有很多顯著的特點，因而在各個領域都得到了迅猛的發(fā)展。單片機主要發(fā)如下特點：? （1）有優(yōu)異的性能價格比。? （2）集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。? （3）控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。? （4）低功耗、低電壓，便于生產便攜式產品。? （5）外部總線增加了I?C（Inter-Integrated?Circuit）及SPI（Serial?Peripheral?Interface）等串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結構。? （6）單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。? 3.3單片機的分類? 單片機作為計算機發(fā)展的一個重要領域，應用一個較科學的分類方法。根據(jù)目前發(fā)展情況，從不同角度單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。? 1.?通用型/專用型? 這是按單片機適用范圍來區(qū)分的。例如，80C51是通用型單片機，它不是為某種專用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。? 2.?總線型/非總線型? 這是按單片機是否提供并行總線來區(qū)分的?？偩€型單片機普遍設置有并行地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。? 3.?控制型/家電型? 這是按照單片機大致應用的領域進行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。? 顯然，上述分類并不是惟一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。 第四章 單片機的應用? 4.1單片機的應用分類 由于單片機具有顯著的優(yōu)點，它已成為科技領域的有力工具，人類生活的得力助手。它的應用遍及各個領域，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： (1)?單片機在智能儀表中的應用? 單片機廣泛地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測量的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結構，提高其性能價格比。? (2)單片機在機電一體化中的應用? 機電一體化是械工業(yè)發(fā)展的方向。機電一體化產品是指集成機械技術、微電子技術、計算機技術于一體，具有智能化特征的機電產品，例如微機控制的車床、鉆床等。單片機作為產品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強等優(yōu)點，可大大提高機器的自動化、智能化程度。? (3)?單片機在實時控制中的應用? 單片機廣泛地用于各種實時控制系統(tǒng)中。例如，在工業(yè)測控、航空航天、尖端武器、機器人等各種實時控制系統(tǒng)中，都可以用單片機作為控制器。單片機的實時數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產品質量。? (4)?單片機在分布式多機系統(tǒng)中的應用? 在比較復雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。多機系統(tǒng)一般由若干臺功能各異的單片機組成，各自完成特定的任務，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調工作。單片機在這種系統(tǒng)中往往作為一個終端機，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點上，對現(xiàn)場信息進行實時的測量和控制。單片機的高可靠性和強抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。? (5)?單片機在人類生活中的應用? 自從單片機誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機、電冰箱、電子玩具、收錄機等家用電器配上單片機后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。單片機將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。? 綜合所述，單片機已成為計算機發(fā)展和應用的一個重要方面。另一方面，單片機應用的重要意義還在于，它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也稱為微控制技術，是傳統(tǒng)控制技術的一次革命。 第五章 數(shù)字種的構成 5.1 數(shù)字鐘的構成 數(shù)字鐘實際上是一個對標準頻率(1HZ)進行計數(shù)的計數(shù)電路.由于計數(shù)的起始時間不可能與標準時間一致,故需要在電路上加一個校時電路,同時標準的1MHZ時間信號必須做到準確穩(wěn)定.通常使用石英晶體振蕩器電路構成數(shù)字鐘. ⑴晶體振蕩器電路 晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個頻率穩(wěn)定準確的12MHz的方波信號,可保證數(shù)字鐘的走時準確及穩(wěn)定.不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路. ⑵時間計數(shù)器電路 時間計數(shù)電路由秒個位和秒十位計數(shù)器,分個位和分十位計數(shù)器電路構成,秒個位和秒十位計數(shù)器,分個位和分十位計數(shù)器為60進制計數(shù)器. ⑶譯碼驅動電路 譯碼驅動電路將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài),并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流. ⑷數(shù)碼管 數(shù)碼管通常有發(fā)光二極管(LED)數(shù)碼管和液晶(LCD)數(shù)碼管,本設計提供的為LED數(shù)碼管. 數(shù)字鐘的工作原理圖如圖1所示： 圖1 5.2 實驗中所需的器材 5V電源. 面包板1塊. 萬用表. 鑷子1把. 剪刀1把. 網(wǎng)絡線2米 AT89C51彈片機 1個 12M晶體振蕩器1個 CC4511集成塊4塊. 共陰七段數(shù)碼管4個. 680Ω電阻28個. 10ＫΩ電阻1個. 10μf/25v電解電容１個 22pf陶瓷電容2個 30p電容2個. 0.01μf電容1個 5.3 方案選擇與相關技術 單片機模塊方案： 方案一：基本門電路搭肩，用基本門電路來實現(xiàn)數(shù)字鐘，電路結構復雜，鼓掌系數(shù)大，不易調試。 方案二：單片機編程，用單片機設計電路，由于使用軟硬件結合的方式，所以電路結構簡單，調試也相對方便。與第一種方案比較優(yōu)點的是非常明顯的。我們選擇了第二種方案。 相關技術 5.4 AT89C51的單片機簡介 ?AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖2 單片機內部結構圖為如圖3所示：： 圖3 5.4.1 主要特性 ·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ·壽命：1000寫/擦循環(huán) ·數(shù)據(jù)保留時間：10年 ·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz ·三級程序存儲器鎖定 ·128*8位內部RAM ·32可編程I/O線 ·兩個16位定時器/計數(shù)器 ·5個中斷源 ·可編程串行通道 ·低功耗的閑置和掉電模式 ·片內振蕩器和時鐘電路 5.4.2 管腳說明 VCC：供電電壓。 ??? GND：接地。 ??? P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 ??? P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 ??? P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 ??? P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD 串行輸入口 P3.1 TXD 串行輸出口 P3.2 /INT0 外部中斷0 P3.3 /INT1 外部中斷1 P3.4 T0 記時器0外部輸入 P3.5 T1 記時器1外部輸入 P3.6 /WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 P3.7 /RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 表1 P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 P0，P1，P2，P3口銀角圖為如圖4： 圖4 其中我們用了P1口和P2口。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 ??? /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 ??? XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 ??? XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。?? 5.4.3 振蕩器特性 XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 5.4.4 芯片擦除 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 ??MCS-51單片機是美國INTE公司于1980年推出的產品，典型產品有 8031（內部沒有程序存儲器，實際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，實際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）和8751等通用產品，一直到現(xiàn)在， MCS-51內核系列兼容的單片機仍是應用的主流產品（比如目前流行的89S51、已經(jīng)停產的89C51等），各高校及專業(yè)學校的培訓教材仍與MCS-51單片機作為代表進行理論基礎學習。 ??? 有些文獻甚至也將8051泛指MCS-51系列單片機，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51單片機影響極深遠，許多公司都推出了兼容系列單片機，就是說MCS-51內核實際上已經(jīng)成為一個8位單片機的標準。 ??? 其他的公司的51單片機產品都是和MCS-51內核兼容的產品而以。同樣的一段程序，在各個單片機廠家的硬件上運行的結果都是一樣的，如ATMEL的89C51（已經(jīng)停產）、89S51， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（華邦）等，我們常說的已經(jīng)停產的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51單片機，同時是在原基礎上增強了許多特性，如時鐘，更優(yōu)秀的是由Flash（程序存儲器的內容至少可以改寫1000次）存儲器取帶了原來的ROM（一次性寫入），AT89C51的性能相對于8051已經(jīng)算是非常優(yōu)越的了。 不過在市場化方面，89C51受到了PIC單片機陣營的挑戰(zhàn)，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在線更新程序）功能，必須加上ISP功能等新功能才能更好延續(xù)MCS-51的傳奇。89S51就是在這樣的背景下取代89C51的，現(xiàn)在，89S51目前已經(jīng)成為了實際應用市場上新的寵兒，作為市場占有率第一的Atmel目前公司已經(jīng)停產AT89C51，將用AT89S51代替。 5.5 CC4511 集成簡介 5.5.1 4511集成分析 CC4511有四個輸入端A，B，C，D和七個輸出端a～ｇ，它還具有輸入BCD碼鎖存、燈測試和熄滅顯示控制功能，它們分別由鎖存端LE、燈測試端LT、熄滅控制端/BI來控制。 (1)/LT：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設置的。當/LT=0時，無論輸入A3 ，A2 ，A1 ，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，若驅動的數(shù)碼管正常，是顯示8。 (2)/BI：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設置的。/BI=0時。不論/LT和輸入A3 ，A2 ，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極數(shù)碼管熄滅。 (3)/RBI：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設定的。當對每一位A3= A2 =A1 =A0=0時，本應顯示0，但是在/RBI=0作用下，使譯碼器輸出全為高電平。其結果和加入滅燈信號的結果一樣，將0熄滅。 (4)/RBO：滅零輸出，它和滅燈輸入/BI共用一端，兩者配合使用，可以實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。 CC4511的引腳特點 其引腳排列如下圖所示： 圖5 當鎖存允許端LE=“0”時，鎖存器直通，譯碼器輸出端ａ～ｇ隨輸入Ａ～Ｄ端而變化，當LE=“1”時，鎖存器鎖定，輸出端保持不變，熄滅控制端/BI=“0”時，譯碼器輸出全“0”，因此，正常工作時應使/BI為高電平。另外燈測試端/LT=“0”時，譯碼器輸出全“1”，數(shù)碼管各段均亮，即顯示“8”， 用來檢測數(shù)碼管是否正常。當輸入的BCD碼大于1001時，七段顯示輸出全“0”，各段均不亮。 5.5.2 4511的邏輯圖 4511譯碼器有16只腳k(如右圖)，所需電源為5V。輸入腳D、C、B、A吸收BCD碼， /LT、/BI和LE三腳為控制信號，當/LT=1、/BI=1、LE=0時（硬件連接圖中，令/LT、/BI接電源正極，LE接地）且DCBA的值不超出1001時，4511譯碼顯示，否則數(shù)碼管消隱。下表為4511譯碼器的邏輯圖。 輸 入 輸 出 LE /BI /LT D C B A a b c d e f g 顯 示 X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8 X 0 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消 隱 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消 隱 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消 隱 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消 隱 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消 隱 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消 隱 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消 隱 1 1 1 X X X X 鎖 存 鎖 存 表2 5.6 LED數(shù)碼顯示器簡介 發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導體器件，其導電性質與普通二極管類似。LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的1種新型顯示器件。在單片機系統(tǒng)中應用非常普遍。 5.6.1 LED數(shù)碼顯示器的結構 LED數(shù)碼顯示器是1種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點。 5.6.2 LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法 （1）共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構成公共陽極，使用時公共陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。當陰極端輸入低電平時，段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入高電平時則不點亮。 （2）共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構成公共陰極，使用時公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當陽極端輸入高電平時，段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入低電平時則不點亮。 在本設計中所采用的是共陰極LED數(shù)碼顯示器，其引腳排列如下圖所示： 圖6 第六章 電路設計 6.1 電路接法 6.1.1 晶體振蕩器與AT89C51的接法 晶體振蕩器與AT89C51的接法為如圖7所示，XTAL1和XTAL2腳接到12MHz的晶體振蕩器上，與兩個30pf的電容并聯(lián)，并接低電平。 圖7 6.1.2 單片機AT89C51的銀腳的連接 單片機AT89C51的40腳（VDD）和31腳（EA）接高電平，20腳（Vss）接低電平。P1口和分譯碼器CC4511和P2口秒譯碼器CC4511的對應的銀腳相連。其接法為： P1.0到P1.3為分十位譯碼器的A，B，C，D口對應，P1.4到P1.7為分個位譯碼器的A，B，C，D口對應。P2.0到P2.3為秒個位譯碼器的D，C，B，A口對應，P2.4到P2.7為秒十位譯碼器的D，C，B，A口對應。 6.1.3 譯碼器CC4511的銀腳連接 譯碼器CC4511的接發(fā)為：VDD，/LT，/BI接到高電平，LE和Vss接到低電平，A,B,C,D腳接到AT89C51外其他的腳接到共陰極數(shù)碼管上。 6.1.4 CC4511與共陰極LED的連接方式 CC4511與共陰極LED的連接方式為如圖所示，對應的a，b，c，d，e，f，g相連。連接時對應的借口中見有680Ω的電阻，以保證數(shù)碼管不被燒壞。 圖8 6.2 數(shù)字鐘電路圖 電路流程為流程為晶體震蕩器的方波在AT89C51里轉為二進制碼，再把二進制碼送至譯碼器CC4511。譯碼方式為表2所示。后再傳到七段數(shù)碼管，顯示相應的數(shù)字。如圖1。其電路圖為如圖8所示。 圖9 第七章 調試過程： 1）檢測AT89C51運行否 第一次硬件檢測的時候，AT89C51不工作，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電源電路和晶體振蕩器沒接好。再次檢測時89c51仍不工作，檢測后發(fā)現(xiàn)復位開關已壞，RST復位銀角一直處于高電平，經(jīng)去掉開關后89c51工作。 2）七段數(shù)碼管 檢測后，數(shù)碼管不亮，代用普通的二極管接的時候，那些二極管卻按寫進程序的順序亮，由此而知，數(shù)碼管那邊出了問題。檢查數(shù)碼管時發(fā)現(xiàn)買的數(shù)碼管卻不是共陰極的，而是共陽極的。換用共陰極數(shù)碼管后電路板已正常顯示。 總結 通過兩個月的學習和調試過程，終于完成了單片機模塊數(shù)字鐘的工作。并且使數(shù)字鐘夠順利運行，完成了預期的目標。從單片機模塊數(shù)字鐘的設計過程中也找到了一些單片機開發(fā)的規(guī)律：先了解所有元件的具體內容，從而畫出其電路圖，使數(shù)字鐘從簡易變成多功能的方式，雖沒有做多功能數(shù)字鐘，卻知曉了其方法。從而讓我踏入了單片機應用領域的第一步。然而在調試過程中有也有許多的不足之處：例如編寫調試程序有點不足。希望能夠在以后的不斷深入學習中能夠彌補自己的不足之處。同時更是朝著單片機應用領域邁進。 參考文獻 1. 張毅坤 陳善久 裘雪紅. 單片微型計算機原理及應用. 西安電子科技大學出版社. 1998年9月第1版. 2． 任為民. 電子技術基礎課程設計. 中央廣播電視大學出版社. 1997年5月第1版. 3．譚浩強. C程序設計(第二版). 清華大學出版社. 1999年12月第2版.。 致謝 通過兩個月的不斷努力，終于完成了此次畢業(yè)設計。在此，最先感謝我的導師馬波老師，正是他在幫忙之中還抽出寶貴的時間對我進行精心的指導，才使我順利完成了我的畢業(yè)設計。同時也感謝電信學院各個領導和老師對我四年來的關心和幫助。使我在大學中學到了各種寶貴的知識。在此，衷心地謝謝你們！