基于单片机并行口的电子钟的设计方案

0 基于单片机并行口的电子钟的设计方案 1 多功能电子表说明及总体方案介绍 本次设计电子钟系统功能简单， 用单片机的最小系统就能得以实现。而单片机的最小系统设计中实际上最重要的就是对键盘 /显示器接口 电路 的设计， 由于 系统 功能 不同 所以 要求就不同，接口设计也就不同。对一个键盘 /显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件特点。下面是本人在设计前对各种设计 方案的考虑： 多功能 电子表计时方案 方案一：采用实时时钟芯片 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，不需程序干预。计算机可通过中断或查询方式读取计时数据进行显示，因此计时功能的实现无需占用 时间，程序简单。此外，实时时钟芯片多数带有锂电池做后备电源，具备永不停止的计时功能；具有可编程方波输出功能，可用做实时测控系统的采样信号等；有的实时时钟芯片内部还带有非易失性 用来存放需长期保存但有时也需变更的数据。由于功能完善，精度高，软件程序设计相对简单，且计时不占用 间，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。 方案二 : 软件控制。 利用单片机内部的定时 /计数 器进行中断定时，配合软件延时实现时、分、秒的计时及秒表计时。该方案节省硬件成本，且能使设计者对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而掌握单片机应用技术 编语言程序设计方法，因此，本系统设计采用此种软件控制方法来实现计时。而由于 司的 线可编程 储器的单片机。它与通用 80列单片机的指令系和引脚兼容。片内的 允许在线重新编程，也可使用通用非易失性存储器编程。它将通用 在线可编程 成了功能强 大、使用灵活和具有较高性能价格比的微控 1 制器。它的功能强大，而且也较容易购买，故本设计中所选的单片机为 多功能 电子表 键盘 /显示方案 方案一 : 8279扩展。 该方案方框图如图 示， 8279 是一种可编程的键盘 /显示接口专用芯片，它含有键盘输入和显示输出两种功能，键扫描程序和动态显示程序全由 8279 硬件自动完成，此种方案能以比较简单的硬件 电路和较少的软件开销实现单片机与键盘、 方案二 : 8155扩展， 该方案方框图 如图 155 是一块可编程的接口芯片，与单片机的接口非常简单，它的键盘、显示共用一个接口电路，可节省 I/动态扫描方式需占用 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。 方案三 : 串口扩展， 立式键盘配置灵活，软件结构简单，按键较多时不宜采用。静态显示占用口资源少，采用串口传输实 2 现静态显示， 码管与单片机之间通过 6个移位寄存器相连，显示亮度有保证，但此方案的硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，比较适用于并行口资源较少的场合。 方案四 : 独立式按键， 该方案方框图如图 示，独立式按键直接与单片机 I/O 口相连构成键盘，每个按键不会相互影响，因本系统用到的按键比较少，采用独立式键盘不会浪费 I/以本系统采用独立式键盘。动态显示的亮度虽然不如静态显示，但其硬件电路较简单，可节省硬件成本，虽然动态扫描需占用本系统中的单片机没有很多实时测控任务，因此，本系统采用此种方案。 3 2 多功能电子表的工作原理 本设计中的电子 钟的核心是 片机，其内部带有 4线可编程储器的单片机，无须外扩程序存储器，硬件电路主要由四部分构成：时钟电路，复位电路，键盘以及显示电路。 时钟电路是电子表硬件电路的核心，没有时钟电路，电子表将无法正常工作计时。本系统时钟电路采用的晶振的频率为 12时器采用的是定时器 0工作在方式 1定时，用于实现时、分、秒的计时，定时时间为 位电路可使电子表恢复到初始状态。键盘可对电子表进行开启、停止，还能实现时、分、秒的显示及设定等操作。显示电路由两个共阳级 4位一体 的段控端和位控端通过 748550，显示器可使电子表显示出时、分、秒。 多功能电子表的计时原理为：上电后，电子表显示 下 子表从 00： 00： 00 开始计时。当定时器 0 的定时时间满 ，定时器0 溢出一次，溢出满 16 次后，电子表的秒加 1，满 60 秒后，分加 1，满 60 分后，时加 1，满 24 时后，电子表重新从 00： 00： 00开始计时。 4 3 多功能电子表原理方框图、原理图及 多功能电子 表原理 方框图 多功能电子表整机电路方框图 如 图 多功能电子表电路原理图 功能电子表电源电路原理图 直流稳压电源电路原理图如图 5 多功能电子表整机电路原理 6 多功能电子表电路 多功能电子表电源电路 电源电路 如图 7 多功能电子表整机电路 多功能电子表整机电路 机 8 4 多功能电子表元器件清单 多功能电子表电路所有元器件清单如表 表 多功能电子表元器件清单 1 元件名称 封装形式 元件号 共阳极 ) 1 共阳极 ) 2 510 电阻 1 510 电阻 2 510 电阻 3 510 电阻 4 510 电阻 5 510 电阻 6 510 电阻 7 510 电阻 8 200电阻 9 110 11 12 13 14 15 16 17 18 电源插座 41 9 5501 5502 5503 5504 5505 5506 轻触开关 A 轻触开关 B 轻触开关 C 轻触开关 D 轻触开关 5 121 331 332 224 805芯片 1 1 2 2204 204 式整流 2 二极管 1 11R 扩展插针 0 扩展插针 1 10 5 多功能电子表单元电路工作原理介绍 电源电路工作原理 图 电源电路是由集成稳压器构成的。电路可分成三部分：电源变压器部分、整流滤波部分和稳压部分。 变压器原边为工频交流 220V 电压，经过变压后，变压器副边的电压变为交流 11V， 110流 10输入电压， 出 +5中 ，它由四个整流二极管接成电桥形式。 防止自激振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰。一般取 1 F。 三端固定输出集成稳压器，其输入和输出电压都为固定值，它的输入电压为 +10V，输出电压为 +5V。 4用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振 作用。 时钟电路工作原理 图 输入端为芯片引脚 出 端为引脚 在芯片内部， 而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。 11 复位电路工作原理 图 示为复位电路原理图，复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把 000H,使单片机从 0000H 单元开始执行程序，并使其它功能单元处于一个确定的初始状态。本复位电路采用的是按键复位，它是通过复位端经电阻与 源接通而实现的，它兼具上电复位功能。因本 系统的晶振的频率为12以，复位信号持续时间应当超过 2 键盘工作原理 图 示为键盘原理图 ,本系统采用的是独立式键盘结构，每个按键单独占用一根 I/个按键的工作不会影响其它 I/软件是采用查询式结构，首先逐位查询每根 I/某一根 I/可确认该 I/后，再转向该键的功能处理程序。 12 显示器工作原理 系统采用动态显示方式，用 用 来控制其位控线。动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。图中的 为驱动器，而 8个 510欧姆电阻则起限流作用。 13 由图 知，要想让数码管那一段亮，在该数码管位控 段为高电平的情况下给这段送低电平就可以了。显示电路结构采用动态扫描的方式，所有数码管的段控端公用单片机 根输出口线，数码管的段控端 a、 b、 c、 d、 e、f、 g、 0口的 个数码管的位控线单独占用单片机 8位数码管从高位到低位分别接 脚。段控码（低电平有效）由 输出经上拉电阻上拉电压后通过锁存器 74到数码管的段控端，位控码由 8550 驱动 后送到数码管的位控端。 在单片机内部显示缓冲区 79H、 77777的十位、分的个位、分的十位、时的个位、时的十位，显示器 的个位十位、时的个位十位，由图 示。 数码管动态显示 ：由于显示的数据和 显示的数据与数码管的字型代码不相符。显示数据与字型代码之间存在着转换关系，数码管段控数据和数码管各段的对应关系如表 阳极数码管内部结构 14 表 码管数据和数码管每段的对应关系 6 4 2 0 a 1 1 1 1 1 1 1 0 0b 1 1 1 1 1 1 0 1 0c 1 1 1 1 1 0 1 1 0d 1 1 1 1 0 1 1 1 0e 1 1 1 0 1 1 1 1 0f 1 1 0 1 1 1 1 1 0g 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 7 码管断 码和字型的对应关系（共阳极） 字型 6 4 2 0 段码 dp g f e d c b a 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 99 5 1 0 0 1 0 0 1 0 92 6 1 0 0 0 0 0 1 0 82 7 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 80 9 1 0 0 1 0 0 0 0 90 A 1 0 0 0 1 0 0 0 88 B 1 0 0 0 0 0 1 1 83 C 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 86 F 1 0 0 0 1 1 1 0 8E 15 P. 0 0 0 0 0 1 1 0 06 全亮 0 0 0 0 0 0 0 0 00 全灭 1 1 1 1 1 1 1 1 0电子钟程序清单中的显示程序可以知 道 :数据表格存储单元从首地址到最高位分别存放的是共阳极数码管 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 P.、灭的十六进制字型代码，所以只要把显示缓冲区内的数值加上偏移地址 移量计算方法如式 示） ,把和送到累加器 用 A, A+然要取 0 偏移地址 据表格首地址 A+1 式 动态扫描时，显示缓冲区 79H 内部存放的是要显示的秒的个 位的数值，使用 A, A+令取出段控码，由 4 送 01H 通过锁存器 74动以后，只有 时只有 时持续点亮一段时间，然后把显示缓冲单元地址加 1，位控值左移一位，取出段控码，再把段控码和位控码送到数码管显示器，此时只有 时持续点亮一段时间，就这样通过逐个地从低位到高位点亮各个显示器，扫描到最高位时的十位被点亮就返回。这样虽然在任一时刻只有一位显 示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。 16 片介绍 如图 兼容标准 片机是一个低功耗、高性能 内含 4线可编程 储器的单片机。它与通用 80列单片机的指令系统和引脚兼容。 片机片内的 允许在线重新编程，也可用通用非易失性存储编程器编程；片内数据存储器内含 128 字节的 40个引 脚， 32个外部双向输入 /输出（ I/O）端口 ;具有两个 16位可编程定时器；中断系统是具有 6个中断源、 5个中断矢量、 2级中断优先级的中断结构；震荡器频率 0到 33此我们在此选用 12有片内看门狗定时器；具有断电标志 等。 有 图就是 装的引脚排列， 下面介绍各引脚的功能。8位、开漏级、双向 I/。 ，但须外接上拉电阻；作为输出口，每各引脚可吸收 8各 为输入时， 首先应将引脚置 1。 7 程序存储器和数据存储器时的低 8位地址 /数据总线的复用线。在该模式下， 编程效验时， 需要外接上拉电阻 )。 8位、双向 I/0口，内部含有上拉电阻。 。输出缓冲器可驱动四个 载；用作输入时，先将引脚置 1，由片内上拉电阻将其抬到高电平。 的引脚可由外部负载拉到低电平，通过上拉电阻提供电流。 在 可输入低字节地 址。在串行编程和效验时， 别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。 有内部上拉电阻的 8位双向 I/ 驱动 4各 做输入口时，先将引脚置 1，由内部上拉电阻将其提高到高电平。若负载为低电平，则通过内部上拉电阻向外部输出电流。 6位地址的存储器时， 位地址。当 位地址寻址外部存储时， 2特殊功能寄存器的内容。 在 可输入高字节地址 和某些控制信号。 有内部上拉电阻的 8位双向口。 出缓冲器可吸收 4各 做输入口时，首先将引脚置 1，由内部上拉电阻抬位高电平。若外部的负载是低电平，则通过内部上拉电阻向输出电流。 在与 ，还有替代功能，如表 示 18 表 引脚 符号 说明 行口输入 行口输出 部中断 0 部中断 1 0 时器的外部的计数输入 1 时器的外部的计数输入 部数据存储器的写选通 部数据存储器的读选通 位端。当振荡器工作时，此引脚上出现两个机器周期的高电平将系统复位。 ：当访问外部存储器时， 许地址锁存）是一个用于锁存地址的低 8位字节的书粗脉冲。在 程期间，此引脚也可用于输入编程脉冲（ ）。在正常操作情况下， 振荡器频率的 1/6的固定速率发出脉冲，它是用作对外输出的时钟，需要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 冲。如果希望禁止 作，可通过将特殊功能寄存器中位地址为 8位置的“ 0”来实现。该位置的“ 1”后。 在 则 微控制器在外部执行方式， ：外部程序存储器读选取通信号。当 每个机器周期 将 活 两次。在此期间内，每当访问外部数据存储器时，将跳过两个 信号。 /问外部程序存储器允许端。为了能够从外部程序存储器的 0000必须接地，然而要注意的是，若对加密位 1进行编程，则在复位时， 的状态在内部被锁存。 执行内部程序 应接 当选择 12 个引脚 可接 12V 编程电压。 荡器反向放大器输入端和内部时钟发生器的输入端。 荡器反相放大器输出端。 19 74动器 74单向总线驱动器。是 8 输入 8 输出芯片，中 1G 和 2G 为使能端，低电平有效。它的外部管脚图如图 示。 74芯片的逻辑电路图和引脚图如图 图 缓冲器有 8个输入端，分为两路 1122时 8个输出端，也分为两路 1122别由 2个门控信号 1记为低电平时， 11输出反映输入电平的高低；同样，当 212当 1G（或 2G）为高电平时，输出 1 22高阻态。经 74冲后，输入信号被驱动，输出信号的驱动能力加大了。 其功能表如表 中 为任意状态 表 4输入 输出 G A Y L L L L H H N X X 图 5 . 8 7 4 L S 2 4 4 芯 片 外 部 管 脚 图 20 极管 要用途： 作为音频放大器，应用于收录机、电动玩具等电子产品。（与 补） 其 管脚图如下图 极限值如下表 参数 符号 标称值 单位 集电极、基极击穿电压 40 V 集电极、发射极击穿电压 25 V 发射极、基极击穿电压 6 V 集电极电流 集电极功率 W 结温 25 贮存温 55 参数（ 5 ） 21 电参数表 数 符号 测试条件 最小 值 典型 值 最大 值 单 位 集电极漏电流 35, 射极漏电流 6, 电极、发射极击穿电压 C=B=0 V 发射极、基极击穿电压 E=, V 集电极、基极击穿电压 C=, V 集 电极、发射极饱和压降 800B= 基极、发射极饱和压降 800B= 基极、发射极压降 1V,10 直流电流增益 1V,1005 300 1V,8000 22 位一体数码管 四位一体数码管的内部结构，如图 由图可知，四个数码管的位控端连接在一起 ,共用 8根数据线，四个公共端却单独占一根口线。假设段控端有段码输入时，每个数码管的段控端都收到了段码，但只有位控线有效的数码管才能显示数据，反之亦反。共阳极数码管段控端为低电平有效，位控端高电平有效 ,共阴极数码管恰恰相反。 四位一体数码管用于动态扫描，即把数码管显示数据的段控码分时送到其对应的段控端。当一个段控码被送到段控端时，显示此段控码数据的数码管 ,它的位控端置有效电平，数码管点亮；而其他数码管的位控端送无效电平，数码管不亮。持续点亮一段时间，再送其它的段控码，依次 把显示段控码的数码管，使其位控端为有效电平，其他数码管的位控端为无效电平，就这样数码管依次被点亮。四位一体数码管共十二个引脚，从数码管的正面看，它以第一脚为起点，逆时针排列的。由图可知， 6、 8、 9、 12为公共端， 显示字型和代码关系如表 示。 23 表 六进制数字型代码 字型 共阳极代码 共阴极代码 字型 共阳极代码 共阴极代码 0 90H 6 6H A 88H 77H 2 BH b 83H 7 9H 4 99H 66H d 92H 6 86H 79H 6 82H 7 81H 7 7H 灭 0H 8 80H 7 24 6 单片机硬件资源的分配 本次设计用到了单片机正常工作的硬件资源，如（连接晶振的引脚 位引脚 对其硬件资源还做了具体的安排。 (1)作为数码管显示器的段控输出口 ,对数码管显示器进行控制。 (2)键、 于对键盘的控制， 序下载的输入端。 (3)该口全部用于数码管的位控端。 (4)计数器 使用定时器 0 来实现本次电子钟的运行。 (5)30计数器 0的中断次数。 31H 36、秒个位和十位的数据存储单元。 79H 7 (6)器 第 0 组寄存器： 来存放键功能程序的数据；第 1组寄存器： 来存放中断服务程序的数据；第 2 组寄存器： 来存放显示程序的数据。 (7)定时器控制寄存器 过设置该寄存器中 的状态来控制定时 /计数器 0的启动 /停止；中断允许寄存器 过设置该寄存器 计数器 0 中断允许 /禁止；定时 /计数器工作方式寄存器 置定时 /计数器 0的工作方式。 25 7 程序流程图 开 始调 D I R 显 示 子 程 序调 K E Y 键 扫 描 子 程 序执 行 A 键 功 能 子 程 序调 D I R 显 示 子 程 序结 束 是 否 按 下 ?B 键 是 否 按 下 ?C 键 是 否 按 下 ?D 键 是 否 按 下 ?执 行 B 键 功 能 子 程 序执 行 C 键 功 能 子 程 序执 行 D 键 功 能 子 程 序 . 1 监 控 程 序 流 程 图定 义 堆 栈 区显 示 缓 冲 单 元 清 零开 中 断定 时 器 0 工 作 方 式 1装 载 计 数 初 值定 时 开 始设 置 循 环 次 数 26 开 始启 动 电 子 钟返 回A 键 功 能 程 序B 键 功 能 程 序开 始时 值 加 1时 存 储 单 元 清 0返 回 功 能 程 序D 键 功 能 程 序图 7 . 2 键 功 能 程 序 流 程 图时 钟 是 否 在 运 行 ?时 值 是 否 到 2 4 ?开 始分 值 加 1分 存 储 单 元 清 0返 回 是 否 在 运 行 ?分 值 是 否 到 6 0 ?开 始秒 值 加 1秒 存 储 单 元 清 0返 回 是 否 在 运 行 ?秒 值 是 否 到 6 0 ? 为 上 电 后 第 一 次 按 下进 入 调 节 状 态是 否 为 上 电 后 再 次 按 下 27 开 始现 场 保 护计 数 器 从 新 加 载是 否 满 1 6 次 ?秒 值 加 1是 否 6 0 秒 ?秒 值 存 储 单 元 清 0 分 值 加 1是 否 6 0 分 ?分 值 存 储 单 元 清 0 时 值 加 1是 否 2 4 时 ?时 值 存 储 单 元 清 0 显 示 内 容 送 显 示 缓 冲 区返 回 . 3 中 断 服 务 程 序 流 程 图11 28 开 始调 D I R 去 抖 动调 D I R 去 抖 动保 存 键 值恢 复 键 值返 回调 D I R 延 时键 扫 描 初 始 化取 A 键 值取 B 键 值取 C 键 值取 D 键 值返 回 有 键 按 下 ?键 确 实 按 下 ?键 是 否 释 放 ?B 键 是 否 按 下 ?A 键 是 否 按 下 ?C 键 是 否 按 下 ?D 键 是 否 按 下 ? . 5 取 键 值 子 程 序调 取 键 值 子 程 序图 7 . 4 键 扫 描 子 程 序 流 程 图 29 开 始现 场 保 护显 示 初 始 化送 位 控 码取 段 控 码送 段 控 码延 时 子 程 序缓 冲 区 地 址 加 1左 移 位 控 码位 控 是 否 最 高 位 ?返 回 . 6 显 示 子 程 序 流 程 图子 程 序 入 口设 外 循 环 次 数设 内 循 环 次 数内 循 环 结 束 否外 循 环 结 束 否返 回 . 7 延 时 子 程 序 流 程 图0 开 始取 十 位 数使 十 位 数 占 A 高 半 字 节取 个 位 数 , 并 占 A 低 半 字 节加 1十 进 制 调 整个 位 数 送 存 储 单 元把 十 位 数 换 到 低 半 字 节十 位 数 送 存 储 单 元返 回图 7 . 8 加 1 子 程 序 31 8 电子钟程序清单 调整运行后的电子钟程序清单 ；该程序实现电子钟时、分、秒运行，时、分、秒调整；十、分、秒同时显示； ；共 A、 B、 C、 D 四个按键， A 键实现电子钟的运行和停止、 B 键调时、 C 键调分、 ；该电子钟 是单片机 制 ,使用芯片中的定时器 0 方式 1 实现定时功能 ;；该电子钟共使用两个 4位一体数码管 (示 ； 系统初始化程序 * 0000H ；转到系统初始化程序 000 ；转到定时器 0 中断服务程序 0100H #60H ；确立堆栈区 #01H ；设定定时器 0 为工作方式 1 #0；装计数器初值 #0 ； “ 0”，定时关闭 ； “ 1”，中断总允许 ； “ 1”，定时器 0 中断 允许 30H, #10H ；循环次数 7 #0； #79H 32 #05H #0 #31H ；时、分、秒值存储单元清 零 #06H #00H 监控程序 * ；调显示子程序 ；调键扫描子程序 ； A 键是否按下，是跳转到 ； B 键是否按下，是跳转到 ； C 键是否按下，是跳转到 ； D 键是否按下，是跳转到 ；跳转到监控程序 ； A 键功能子程序 * ；开启 /关闭定时器 ；返回 ； B 键功能子程序 * ；定时器是否运行，是跳转 33 #36H ；时值存储单元地址送 ；调加 1 子程序 A, ；时值加 1 后的值送累加器A A, #24H ；时值是否到 24 时，否返回 ；时值存储单元清零 7 35H 7 36H ；返回监控程序 ； C 键功能子程序 * 8 ；定时器是否运行，否跳转 #34H ；分值存储单元地址送 ；调加 1 子程序 A, ；分值加 1 后的值送累加器A A, #60H ；分值是否到 60 分，否返回 ；分值存储单元清零 7 34H 7 33H ；返回监控程序 ； D 键功能子程序 * 8 ；定时器是否运行，否跳转 #32H ；秒值存储单元地址送 ；调加 1 子程序 A, ；秒值加 1 后的值送 34 A, #60H ；秒值是否到 60 秒，否返回 ；秒值存储单元清 0 79H, 31H 7 32H ；返回监控程序 ；中断服务程序 * ；中断服务程序，现场保护 A ；选第三组通用寄存器 #0；计数器重新加载 #0 A, 30H ；循环次数减 1 A 30H, A ；不满 16 次，转 回 30H, #10H ；满 16 次开始计时操作 #32H ；秒显示单元地址 ；秒加 1 A, ；加 1 后秒值在 A, #60H ；判是否到 60 秒 ；不到转 回 ；到 60 秒显示单元清 0 #34H ；分显示单元地址 ；分加 1 A, ；加 1 后分值在 A, #60H ；判是否到 60 分 ；不到转 回 35 ；到 60 分显示单元清 0 #36H ；时显示单元地址 ；时加 1 A, ；加 1 后 时值在 A, #24H ；判是否到 24 时 ；不到转 回 ；到 24 时显示单元清 0 ；返回第 0 组通用寄存器 A ；现场 恢复 79H, 31H ；时、分、秒值放缓冲区 7 32H 7 33H 7 34H 7 35H 7 36H ；中断返回