交通与汽车工程学院单片机课程设计方案

微机原理及应用课程设计说明书 - 0 - 交通与汽车工程学院单片机 课程设计方案 题的提出 随着人类科技文明的发展，人们对于时钟的要求在不断地提高。时钟已不仅仅被看成一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。在这种趋势下，时钟的数字化、多功能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。本文正是基于这种设计方向，以单片机为控制核心，设计制作一个多功能的数字时钟。 本设计基于单片机技术原理，以单片机芯片 过硬件电路的制 作以及软件程序的编制，设计制作出一个多功能数字时钟系统。该时钟系统主要由时钟模块、数码管显示模块、键盘控制模块以及信号提示模块组成。系统具有简单清晰的操作界面，可随时进行时间调整。同时，该时钟系统还具有功耗小、成本低的特点，具有很强的实用性。由于系统所用元器件较少，单片机所被占用的 I/此系统具有一定的可扩展性。 本次设计的系统的控制中心是 89片机。首先，在 件环境中进行硬件电路图的设计。然后在 8051 软件环境中进行系统的软件编程，并进行程序源文件的编译和调试，最后生成 件。此 件是硬件电路运行实现的源代码来源。把 件加载到 后在 件环境中运行硬件电路，时钟的日期就可以正常显示了。 本设计的系统主要 由 :中央处理芯片，用于数据处理，初值 设定 。时钟芯 微机原理及应用课程设计说明书 - 1 - 片 他提供时钟信息并由 示，用汇编语言 进行编程 。本系统可以分为以下 4大模块： 1、 块：用于数据处理，和外围的时钟芯片通信，并控制时钟传输过程，采集时间信息并予以处理。 2、 块：实时显示可以通过软件编程来实现，但这种方法需要编制的程序复杂，代码多，且单片机软件开销大，时间信息也不容易长期保存。而采用时钟芯片 可以长期保存此信息，因此本例中我们使用此芯片来实现此系统。 3、数码管显示模块：显示模块采用普通的共阳 码管，此模块用于实时的显示时间信息。 4、程序：包括单片机控制时钟芯片的接口程序（实现单片机和时钟芯片之间的数据传输过程）和数码管显示程序。 微机原理及应用课程设计说明书 - 2 - 2 系统方案设计 统设计方案 通过查阅相关资料，设计初期共有 3 个方案供我选择， 分别是：（ 1）采用 89 2）采用 89片机 ， 8155 芯片组成的系统；（ 3）采用 89片机 ， 时时钟芯片组成的系统。 （ 1）采用 89片机组成的系统 此系统的硬件部分主要是由 89片机， 74片， 片所组成。该系统硬件结构简单，但是单片机的 I/O 接口太少，不足以实现多种功能，软件设计部分，程序冗长而复杂，易产生混淆。 （ 2）采用 89片机 ， 8155 芯片组成的系统 这个方案采用 89片机 ， 8155 芯片， 示器， 4*4 键盘来组成系统的硬件。该系统采用的是单片机内部的定时 /计数器进行中断定时，配合软件延时实现时，分，秒的计时。但这样的话，程序复杂化，时间信息也不容易长期保存。 （ 3）采用 89片， 时时钟芯片组成的系统 此方案在硬件部分采用了 89片机， 钟芯片， 74片 ， 个按键。该系统的最大特点是采用了新的芯片即 功能上进行了扩充，并且使得硬件连线显得较为简单，在软件部分，程序显得层次分明。 最后确定设计采用 第 3方案，即 系统是由 89片机， 74片， 示器组成。 微机原理及应用课程设计说明书 - 3 - 统总体框图 图 1 系统总体框图 当程序启动后，程序进入初始化阶段。单片机将从 钟芯片中读出年，月，日，时，分，秒，。并且经过显示缓存后送入 示器进行显示。当需要调整日期和时间时，按下“调日历”键，进入调整年、月、日。首先“年” 的两位数码管闪烁显示，表示在调整“年”状态，按“加一”键调整到期望的年，再按“调日历”键 确认“年”，同时进入调整“月”状态。同理，月和日的调整方法也是一样。调整时间也是同样的道理。闹钟的设置则是当按下闹钟键后，时分秒的显示不变，并且小时部分闪烁，按“加一”键调整到期望的闹钟时间后，再按“闹钟”键确认小时，同时进入调整分钟的状态。调整好后再按下“闹钟”键确认，返回正常显示，当到达设定时间时，蜂鸣器响。 按键电路 时钟芯片 复位电路 时钟电路 片机 示电路 74 微机原理及应用课程设计说明书 - 4 - 3 系统硬件电路设计 9片机 一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ 低电压，高性能 位微处理器，俗称单片机。 一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100次。该器件采用 密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 一种高效微控制器， 片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的 方案。 图 2 8989 8051/8751/8031 芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，只不过用 代了 已 3。 89 微机原理及应用课程设计说明书 - 5 - 图 3 89各引脚的功能如下： 供电电压。 地。 ： 为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8电流。当 的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 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 程时， 作为原码输入口，当 行校验时， 时 3。 位双向 I/后，被内部上拉为高，可用作输入， 输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 程和校验时， 作为第八位地址接收。 位双向 I/出 4个 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， 输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 6 位地址外部数据存储器进行存取时， 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， 微机原理及应用课程设计说明书 - 6 - 口输出其特殊功能寄存器的内容。 在 程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 个带内部上拉电阻的双向 I/接收输出 4个 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， 是由于上拉的缘故。 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 两个机器周期的高电平时间。 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 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， 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 冲。如想禁止 输出可在 址上置 0。此时， 有在执行 令是 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 止，置位无效。 /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 /效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /号将不出现。 / /在此期间 访问外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时， /内部锁定为 /时，则执行内部程序存储器中的程序。在 程期间，此引脚也用于施加12 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 自反向振荡器的输出。 写出其它硬件芯片的介绍！ 微机原理及应用课程设计说明书 - 7 - 4 系统软件设计 4.1 件环境介绍 本系统的硬件设计首先是在 件环境中仿真实现的。 件是来自英国司的 具软件， 件有十多年的历史，在全球广泛使用，除 了具有和其它 具一样的原理布图、 动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是， 它 的电路仿真是互动的 。 针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试 。 如 果 有显示及输出，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等 ， 还能看到运行后输入输出的效果 。 尤其重要的是 以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果 2。 目前最好的模拟单片机外围器件的工具 。 可以仿真 51系列 、 常用的 其外围电路（如 盘，马达 ， A，部分件，部分 件 .） 。 其实 较类似，只不过它可以仿真当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是初学者 拥 有 它们 的可能性比较小 。 当然，硬件实践还是必不可少的 。 在没有硬件的情况下 ， 像 真模拟 /数字电路那样仿真 外，即使有硬件，在程序编写早期用软 件仿真一下也 是很有必要的。件主要具有以下几个方面的特点： 1、设计和仿真软件 一个很有用的工具，它可以帮助学生和专业人士提高他们的模拟和数字电路的设计能力。 2、它允许对电路设计采用图形环境，在这种环境中，可以使用一个特定符号来代替元器件，并完成不会对真实电路造成任何损害的电路仿真操作。 3、它可以仿真仪表以及可描述在仿真过程中所获得的信号的图表。 4、它可以仿真目前流行的单片机，如 8051 等。 5、在设计综合性方案中 ,还可以利用 件环境介绍 制板设计软件包是澳大利亚 司与 1990 年推出的电子品，具有方便、易学、实用、快速以及高速度、高步通率的特点。它采用了分层 微机原理及应用课程设计说明书 - 8 - 次下拉窗口菜单结构形式，用户基本上不需要记背太多的键盘命令，用鼠标点击菜单命令就能操作， 着很高的自动布线布通率。布通率是电子产 品的一项重要指标，它反映电子元件在电路图中连接关系有多少能在印刷版图中实现。在设计常用的单、双面印制板时只要选择适当的 元件布局和布线策略方法 ， 可以轻易的达到98%布通率。对于极少数不能布通的定方 ， 以用飞线指示出来，引导用户用手工方法连通。另外， 强大的宏命令设置功能，利用宏命令功能多定义的热键可以大大提高操作速度 1。 微机的软硬件配置要求很低： 8088以上， 存 640软件（或一个软件一个硬盘），单色显示器（多层板设计时最好用彩色），各种兼容打印机。也能在 台的模拟 成为印制板设计加工方面的工业标准。据初步统计 市场占有率达 95%，成为电子产品制造业界的首选 件。 （写出你编写程序前，主要要先考虑的地方） 任何一个应用系统，它们都有着自己的硬件系统和软件系统，少了任何一个部分都不可能称之为一个完整的应用系统，它们之间是相互依存的一个整体，硬件系统是软件系统的一个基础和前提，为软件系统提供了一个操作平台；而软件系统是硬件系统的灵魂，它对硬件系统起到扩充和完善的作用。可想而知软件系统与硬件系统同等重要，下面为系统软件设计 过程： （ 1）日历程序设计过程 因为使用了时钟芯片 历程序只需要从 寄存器中读出年、周、月、日、时、分、秒等数据，再处理即可。在首次对 行操作之前，必须对它进行初始化，然后从 读出数据，在经过处理后，送给显示缓冲单元。 （ 2）确定数值存储地址 表 3 数值存储地址表 60H 从 1302中读出的秒存放的地址单元 61H 从 1302中读出的分存放的地址单元 62H 从 1302中读出的小时存放的地址单元 微机原理及应用课程设计说明书 - 9 - 63H 从 1302中读出 的日期存放的地址单元 64H 从 1302中读出的星期存放的地址单元 65H 从 1302中读出的月份存放的地址单元 66H 从 1302中读出的年份存放的地址单元 4份的显示缓冲单元 48份的显示缓冲单元 46期的显示缓冲单元 44时的显示缓冲单元 42钟的显示缓冲单元 40的显示缓冲单元 58H 闹钟的小时存放单元 57H 闹钟的分钟存放单元 （ 3）中断允许寄存器 程序采用了外部中断 1的工作 方式。完成闹钟的时间输入的功能。在程序中使用了中断允许寄存器 面介绍 7 5 3 1 E 地址 9H 、 断总允许位。 ， ， 止所有的中断请求。 2、 行中断允许位。 ，允许串行口中断； ，禁止串行口中断。 3、 ，允许 ，禁止 。 4、 部中断 1允许位。 ，允许外部中断 1中断； ，禁止外部中断 1中断。 5、 ，允许 ，禁止 微机原理及应用课程设计说明书 - 10 - 6、 部中断 0允许位。 ，允许外部中断 0中断； ，禁止外部中断 0中断 5。 （ 4） 态扫描显示方式的设计 1、将要显示的数据地址送至 收信号。 2、通过单片机 制相应的 选线，本设计定义的位选线如下表所示： 表 4 位选线定义表 位选线 选中位所代表的含义 份的高位和小时的十位 份的低位和小时的个位 份的高位和分钟的十位 份的地位和分钟的个位 的高位和秒的十位 的低位和秒的个位 序流程图 （ 1）主程序流程图 微机原理及应用课程设计说明书 - 11 - 主程序流程图说明： 因为使用了时钟芯片 需要从 寄存器中读出年、周、月、日、时、分、秒等数据，再处理即可。程序初期，对地址单元赋初值，并且开启中断 。在首次对 行操作之前，必须对它进行初始化，然后进行按键的判断，如果按下闹钟键，则转去处理闹钟中断的程序，若没按下闹钟键，则再判断是否按下了调日历和挑时间按键，开 始 设置初值，开中断 初始化 停止 荡 调用调日历子程序 判断调日历键是否按下 ？ 是 调用调时间子程序 否 判断调时间键是否按下？ 将年月日，时分秒送入显示缓冲单元 调用显示子程序 是 否 调用显示子程序 调用显示子程序 判断闹钟键按下？ 否 跳至闹钟中断程序 是 判断闹钟时间到了？ 蜂鸣器响 否 是 图 15 主程序流程框图 微机原理及应用课程设计说明书 - 12 - 若按下，则转去处理相应的调整子程序，若没按下，则正常显示当前的日期和时间。将正常显示的时间与闹钟设置的时间相对比，若相等则使蜂鸣器响，若不相等，则正常显示。 （ 2） 调日历子程序的流程图 图 16 调日历子程序流程图框图 开始 调用显示子程序 调日历键是否按下？ 年份位闪烁 再判断调日历键是否按下 ？ 跳入月份调整程序 调显示子程序 +1 键是否按下？ 调显示子程序 再判断 +1 键是否弹起？ 跳至 +1 程序 判断是否到2099 年？ 对年份单元赋初值 显示调整后的年份 是 是 是 是 否 否 否 是 否 否 返回 微机原理及应用课程设计说明书 - 13 - 调日历子程序流程图说明： 在此流程图中，主要说明的 是年份的调整方法，之所以没有说明月份和日的调整，是因为它们的调整方法与年份如出一辙，故此省略。通过流程图可以看出日历的调整，是先通过判断调日历的按键是否按下，以此来确定是否进入调整日历子程序。日历的调整是由调日历键和 +1键来共同实现的，当按下调日历键，调整的相应位闪烁，再按下 +1键，调整闪烁位的数值，调好后再按下调日历键，确认刚调整位以及使下一调整位闪烁。当全部的日历都调整好后，再按下调日历键，返回显示部分。 （ 3） 微机原理及应用课程设计说明书 - 14 - 图 18 中 断程序流程图框图 中断程序流程图说明： 当按下闹钟键，则执行外部中断 1的程序，跳至中断程序。将小时的部分闪烁，表示要对此进行调整。按下 +1 键，对闪烁位进行调整，输入闹钟的小时时间。再按下闹钟键，对小时位进行确认，使分钟位闪烁，再按下 +1 键进行分钟位的调整。将输入的闹钟的小时，分钟分别放入相应的地址单元保存起来。再次按下闹钟键，就跳回主程序，正常现场保护 使小时部分闪烁 判断闹钟键是否再此按下？ 是 否 判断 +1 键是否按下？ 否 是 分钟部分闪烁 调用显示子程序 跳至 +1 程序 判断 +1 键是否按下？ 调用显示子程序 跳至 +1 程序 是 否 中断返回 将输入的时间送入相应 地址单元 将输入的小时送入相应的地址单元 微机原理及应用课程设计说明书 - 15 - 显示。 微机原理及应用课程设计说明书 - 16 - 5 系统调试过程 通过上面的硬件设计和软件设计过程，设计的工作已经基本完成，接下来的工作就是对所设计 好的应用系统进行调试。通过调试可以检查出系统出现的一些错误，从而进行下一步的修改。 （ 1）在 9 ，对硬件电路图进行 气规则检查。 图 20 理图 图 21 气规则检查结果 （ 2）程序调试 程序经过调试显示“ 0错误， 0警告