单片微控制器介绍大全

第一章 绪论1.1 设计背景从改革开放开始,电子工业已成为科技创新的重要领域，我国的电子产业也在新世纪开始高速发展，无论是产业结构,产业规模和技术水平都有了十分明显的进步和提升，而且电子产品在各个领域都有开创性的发展，使我们的生活变得更加智能化，为我国经济的发展做出了杰出的贡献。其中，单片机的大规模使用为我们的生活创造了极大的便利，可以说无时无刻不在影响着我们的生活。何为单片机，单片机全名为单片微控制器，它的结构组成就是将微型计算机的基本功能部件全都集成在一个半导体芯片上。尽管仅仅是一个芯片，但从单片机的构成和功能的角度来看充分具备一个计算机系统的中央处理功能。最重要的优点是，单片机体积小巧，可以任意嵌入到任何符合条件的应用系统中作为中央处理器进行指挥决策，是系统实现完全的智能化。当今世界，单片机已经无时无刻不在我们生活的周边存在，各类电子产品几乎都以单片机作为主控核心，通过单片机的控制使之更加智能快速，使我们的生活更加舒畅和方便。正是随着日常周边科学技术的进步，人们对待生活用品的要求也在逐步提高，时钟亦是如此，从古至今，人们对时间的概念就非常重视，从日晷到摆钟，经历了百年的发展，如今，人们对时钟的要求不仅仅是能够知道时间，还需要能够知道日期，星期，节气，天气情况等等，以便于满足人们对生活的各种需要，由此电子万年历就诞生了，正是因为电子万年历功能的多样性，使它在应用在各种场合，人们对它的需求量也就却来越大，电子万年历的发展空间也越来越广阔，成为了一项重要的产业。1.2设计的目的及意义 中国从古至今就有重视时间的好传统，农民通过日照和鸡叫开始一天的劳作，商人通过古老的计时工具来确认是否应该开门迎客，学士知道时间后则开始一天的读书学习，这种传统一直绵延至今。当今社会，人们的生活节奏飞快，在工作中讲究快速和效率，需要在最短的时间内完成最合理的工作要求，所以人们通常需要在最短的时间内了解到最丰富的信息，人们不满足于只能看到此时此刻的时间信息，还需要了解过去和未来几天内的时间情况，包括农历，天气，湿度等等。而电子万年历不同于普通的时钟，它在显示时间的同时也能同步显示出年月份，星期，节气，气候等多项与生活有关的日常信息，人们不需要再去观看其它显示这些信息的电子设备，即节省了时间又增加了效率，大大符合当今社会人们对生活节奏变化的需要，也是市场选择的必要。如今，电子万年历已经应用到各种场合，企业，学校，医院，商场等都可以看到它的身影，电子万年历已经成为人们生活中不可分割的一部分，而且作为市场化的产品也越来越普遍的应用于各种电子产品中进行大规模的生产，拥有十分广阔的市场前景。1.3 本设计的主要内容本设计基于单片机和计数器来实现电子万年历的主要功能，本设计研究的主要内容如下：1.单片机芯片的选择以及主控制模块的设计。2.时钟电路模块的设计。3.独立式键盘以及液晶显示的设计。4.设计硬件电路，并根据所设计的电路图购买元器件进行焊接。5.根据设计的电路图编写各个模块的程序。6.通过程序的编译，修改，调试将程序下载到单片机芯片中，将芯片焊接到开发板上，调试可以实现系统的功能。7.焊接调试成功，实现功能演示。第二章 系统设计要求和方案论证2.1 系统设计要求1.显示年，月，日，时，分，秒，周信息的功能。2.具有可调整日期和时间的功能2.2单片机芯片的选择方案和论证方案1作为十分典型的一种CMOS8位控制器，AT89C52具有低功耗，高性能的特性。8K 系统可编程Flash储存器。运用的是高密度非易失性存储器技术，来自Atmel 公司，而且可以完整的兼容工业上使用的80C51系列产品的操作指令和接口引脚，在系统内可以通过常规编程器编写程序存储器。AT89S52单片机系统可编程Flash存储器和8位CPU，这样的结构组成使该系列单片机在嵌入式系统中被广泛使用。方案2STC89C52是STC公司出产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具备 8K 在系统可编程Flash存储器。以经典的MCS-51为内核，不过因为已经在发展中做了许多优化的性能改良，与传统51单片机相比STC89C52具有更多的功能，能够在如今主流的嵌入式控制系统中被应用，以芯片自身的灵活性为各类功能提供有效的解决方案。其实这两种单片机的差别并无很大，在市场上此种简单的单片机已无法满足如今多功能快速率的需求，不过作为典型的51单片机，在学校以次种单片机作为教学十分普及，51单片机更好理解开发环境也容易获取，最重要的一点是51单片机价格便宜成本低廉，对于学生和老师实用价值性价比更容易被接受，所以本次设计依旧使用51单片机，所以选择该芯片作为主控核心。2.3 时钟芯片的选择方案和论证方案1单片机内部结构自带有定时计数器，可以用单片机作为时钟芯片提供秒信号。单片机具有集成度高，综合性强，功能完备，运用领域广泛等优点，外部晶体震动提供定时脉冲，外部提供计数脉冲，机器周期的每单位就是定时加1的周期，晶振的频率对定时时间和初值有影响。使用程序能够实现日期，精确时间的计数。使用单片机定时计数器可减少芯片的使用，节约了成本，但对设计要求的难易性增大，且复杂程度较高。方案2选取单独的时钟芯片用以计时，查阅资料了解DS1302时钟芯片广泛用于电路计时，美国DALLAS公司出产的时钟芯片具有高性能，低功耗，带RAM的特点。此种芯片具有精准的计时功能之外还具备闰年补偿的功能。工作电压处于2.5-5.5V之间，采用三线接口与 CPU 进行同步通信,一次可传送多个字节的数据，使用时间也较长，具有涓流电流充电的能力，十分适合本次设计的设计要求，所以选择DS1302时钟芯片进行计时。2.4显示模块的选择方案和论证方案1采用LED数码管。led数码管是由7个发光二极管构成，密闭封装将二极管构成一个阿拉伯数字8的形状，引线在内部链接外部有各个二极管的引脚，因为8字的特殊情况，通过控制每个二极管的亮灭便可显示出所有的个位阿拉伯数字，而且使用寿命长，成本低，在如今应用的十分广泛，不过并不能显示文字，对比液晶屏操作也是略显繁琐。方案2 采用LCD12864液晶屏。LCD12864带有中文字库，每屏可显示4行8列共32个1616点阵的汉字，图形也可显示，显示分辨率为12864。具有串并多种接口方式，且相对简单和灵活，方便操作。还有一个显著的优点就是低电压低功耗，性价比较高，直接调用字库中显示所需要的各个字符，在硬件电路和显示程序上都要简便很多，万年历上需要的日期时间都可用它设计完成。经上所述，选择LCD12864更为符合本次设计的显示要求。 2.5电路设计最终方案的确定 综上所述，本次设计在要求实现万年历基本功能的前提下同样要保证对各类模块芯片的了解程度，尽量使用易于掌握和学习的单片机以及其它控制芯片，同样也要考虑元器件的性价比，市场普及程度等多重因素，确保完成的设计在实现功能之时能够通过论文描述出各模块的工作原理和状态，使读者易于理解和实操，以上的模块选择都是基于这些理论和实际操作的基础之上，挑选出即合适又能使自己和学校能够理解和接受的模块控制器，所以此次方案各个模块的选择为：STC89C52作为主控核心，DS1302作为时钟芯片计时，显示模块使用LCD12864液晶屏来实现，通过各模块的整合完成本次设计。第三章 系统硬件的设计与实现3.1 系统硬件概述本次设计的主要目的是要实现万年历的基本功能，即可在液晶显示屏上读出准确的日期和时间，也就是精确的年，月，日，时，分，秒以及周的显示并且能够在外部通过按键调整，所以，系统硬件的设计一共分为四个模块，分别为主控制模块，液晶显示模块，键盘模块和时钟模块。在第二章中，已经明确了各类模块的选择方案以及论证，在主控制模块中选择了STC公司生产的STC89C52单片机芯片，在时钟模块的方案上选择了美国达拉斯公司推出的DS1302时钟芯片，而在显示模块中采用了LCD12864液晶屏作为显示屏幕，通过以上元件来实现本次设计的各类功能。电路设计框图如图3-1 STC89C52主控制模块LCD12864 液晶显示模块 DS1302 时钟模块键盘模块图3-1 电路设计框图3.2单元模块电路的设计3.2.1主控制模块的设计本次设计选用的STC89C52是一种具有较强性能和较低功耗的CMOS8位微控制器，拥有可编程Flash存储器的大小为8K，在系统与常规编程器上均可适用。STC89C52具有6T和12T的双选择性自身最高运作频率是35MHZ。在兼容性上，STC89C52的指令和引脚与传统工业的80C51系列完全相符，可以直接使用，并且可以提供范围广泛的高性能应用。使用STC89C52作为主控核心是因为STC89C52单片机应用的十分广泛，是一款十分经典的51系列单片机，在相关书籍和网络上都有大量介绍该单片机的资料，对于本人对单片机的学习和使用提供了大量的参考。STC89C52具有以下标准功能：（FLASH）闪存具有8K字节，256字节随机存取存储器（RAM），I/O口线有32位，看门狗定时器，数据指针两个，16位定时计数器3个，全双工串行接口，时钟电路和片内晶振。可以降至0HZ静态逻辑操作，支持可选择的节电模式。如果进入了掉电保护的模式，芯片将自动开启保护功能，RAM中的内容将会自动保存，振荡器和控制器停止工作，等待下一个硬件火中断复位。当处于空闲模式下，系统RAM，串口，中断等允许继续工作而CPU则会停止但不会影响单片机的正常运行，下图3-2-1为STC89C52引脚图。 图3-2-1 STC89C52引脚图3.2.2时钟模块的设计美国达拉斯公司创造生产的DS1302时钟芯片是游DS1202改进而来，具有更强的性能和更少的功耗。包芯片组成上，内置CPU中央处理器并配与三线SPI接口进行数据交互，其中包括31字节的静态RAM，实时时钟提供日期和时间的信息，且能够补偿闰年的误差，亦可采用二十四小时制或者带有上午和下午区分的十二小时制，工作电压适合，具有涓细电流充电的能力。对于特殊的数据记录上，具有实现数据与出现该数据时间同时记录。下图为DS1302的引脚图。图3-2-2 DS1302引脚图DS1302各个引脚的功能介绍：Vcc1：主电源Vcc2：后背电源SCLK：串行时钟控制数据的输入和输出。I/O:双向串行数据输入输出端。X1，X2：振荡器，外部振荡器。RST：复位。GND：接地。下图为单片机与时钟芯片的连接方法图。图3-2-3 时钟芯片与单片机的连接图3.2.3 键盘模块的设计此次设计使用独立式键盘电路，对端口直接进行扫描，每个按键对应一根I/O口线，每个接口独立互不影响，按键增多I/O数量也增多。按键的设置关乎于万年历设计成品的可操作性，按键作为唯一的外部输入设备所以要尽量设计的简洁实用，本次设计的按键只需要四类，即设置，确认（退出），加，减这四种情况，在小的空间实现尽量多的功能，所以，经过考虑认为独立式键盘的电路方案。更加符合本次设计的需求。按键设计如下图所示。图3-2-4 按键连接示意图3.2.4 液晶屏显示模块的设计如今液晶显示屏在各个场所应用的十分广泛，从道路交通的提示到居家时间日期的显示绝大多数都使用高端的LED液晶屏来作为显示模块，既美观又稳定，液晶显示屏几乎存在于我们身边任何场所为我们提供极大地便利。当然本次设计基于技术原因和经济状况无法使用更为流行的LED作为显示屏，而本次所选择的LCD12864正是十分适合在校学生进行研发和学习,而且LCD12864比之前的同类产品具备更多的信息量，带有中文字库每屏可以显示32个16乘以16的点阵汉字，分辨率为128*64.具有串并多种接口方式，且相对简单和灵活，方便操作。还有一个显著的优点就是低电压低功耗，性价比较高，直接调用字库中显示所需要的各个字符，在硬件电路和显示程序上都要简便很多。LCD12864采用低电压供电，点阵显示汉字有简体和繁体可选，2MHz的时钟频率，驱动方式分为1/ 32duty，1/5bias，具备针对六点的视角方向，显示方式刚和通讯连接的种类都有备选可用，内置无需负压的电路可供转换，工作温度十分稳定。在液晶显示方面，LCD12864有黄光和蓝光两种背光模式，字符显示有黑白两种颜色，字库内置有中文，英文，数字及基本符号而液晶模块的尺寸大小为93*70*14（单位mm）。下图为LCD12864的引脚图以及连接示意图图3-2-5 LCD12864引脚图图3-2-6 LCD12864连接示意图从资料中可查的LCD12864各引脚的连接方法及功能，阅读连接时的注意事项，通过阅读表格资料了解各引脚的定义，防止出现引脚连接错误的问题，各个引脚都有自己独特的功能，通过引脚的正确连接实现液晶屏的正确显示。LCD12864拥有20个引脚，其中有11个引脚与单片机直接相连，用以直接控制液晶屏上数据的显示，液晶屏上DB0DB7与单片机的P型I/O口相连控制输入输出的具体情况。下表为LCD12864各引脚的引脚定义引脚标志说明1GND接地2VCC接5V电压3V0可调电阻4RS1：数据 0：指令5R/W1：读 0：写6E1：可读写 0：不可读写7DB0-DB70-7数据总线89101112131415PSB1：并行模式；0：串行模式。16NC空脚17RST复位信号，低电平有效。18VOUTLCD 负压驱动脚（-1018V）。19BLA背光源正极20BLK背光源负极表3-1 LCD12864引脚定义第四章 系统软件的设计4.1系统总程序设计本次设计的电子万年历其主控核心为51系列单片机，单片机的功能实现需要在软件程序的设计下才能完成，整个程序通过C语言进行编写。程序的设计需要与硬件的功能相吻合，通过程序的控制硬件能够实现所需的功能。按照不同的硬件模块，将整个系统分为不同的程序模块，分别是，时钟程序模块，独立式键盘程序模块，LCD液晶屏显示程序模块，最后需要主程序将各个程序模块有机的连接起来，也就是所谓的main函数调用。系统开启后，首先要进行各个模块的初始化，然后显示欢迎信息，随后，时钟模块DS1302芯片开始工作，进行内部振荡，然后自动进行公历计算程序，判断是否有按键按下，如果有按键按下则进入时间设置状态，可以设置当前的时间，如果没有按键按下则将当时读取的日期时间的数据直接通过单片机送入显示屏显示或者调整完时间后再将数据信息送入液晶屏显示。下面的章节将一一介绍各个模块程序的设计思想，包括时钟模块芯片的内部工作原理，日期时间与星期通过函数转换的方法，显示模块与按键模块的输入输出以及读写指令的操作。通过多模块在单片机上的集成运用程序中主函数main的调用将各模块的功能组合在一起，实现本次设计的基本功能的实现。系统总程序的程序框图如图4-1图4-1 系统程序框图4.2 时钟模块程序设计计时功能的实现是完成本次万年历设计的关键所在，虽然51单片机本身就已经具备计时的作用，但是万年历对时间的要求非常精细而单片机内部的计数结果会与真实值有一定的误差，并且单片机内部的计时程序比较繁琐不好调节，所以选择合适的时钟芯片是保证此次设计成功实现的前提，DS1302时钟芯片可以避免误差等问题，减少程序的编写量，运用的比较广泛，使用DS1302时钟芯片可直接从寄存器中读取日期，时间星期的数据，在初始化之后进行时间的一系列运算然后再发送到显示单元。在进行初始期间，为了要在结尾实现赋予SCLK的脉冲，一定要置零SCLK端，再讲RST端置一才能完成有效的初始化。4.2.1 DS1302的控制字DS1302时钟芯片具有8位控制字，每位控制字都有各自的功能。为了要将数据写入DS1302时钟芯片中，控制字需要规定一定的格式。位7也就是最高位在逻辑上一定要置1，如果是0的话则数据写入就会失败。当次高位也就是位6为0时则示意将要存储日历的时钟数据，当为1时代表存取RAM数据。位0最低有效位，当它为1时便可以进行读操作，为0时可以进行写操作。读和写不能够同时进行，其余的位5到位1指示操作单元的地址。另外要强调的是，控制字节一定是从最低位开始输出的。图4-2-1是DS1302的控制字格式图4-2-1 DS1302控制字格式4.2.2数据的输入输出(I/O) DS1302时钟芯片进行读写操作，根据时序图来观察，从时序图可看出，通过SCLK时钟的变化趋势来决定是否向DS1302中读写数据，处于上升沿则可以写入数据反之处于下降沿则从芯片中读出数据，从低位到高位进行读的操作。下图为DS1302读写时序图。图4-2-2 DS1302读/写时序图4.2.3 内部寄存器DS1302时钟芯片内部设有存放各个日期时间数据位置的寄存器，通过读写的不同指令将年，月，日，星期，时，分，秒的时间数据分别存放于不同的位置，从内部寄存器的位置表观察到，其中读寄存器的位置都是奇数位，而写寄存器的位置都是偶数位，这一规律的分布让读写寄存器的时间位置分布更有规律性，也更好理解内部的存储情况，每个时间数据都有固定的位置和测量计时的范围，这都是DS1302时钟芯片内部可自动完成的性能，外部便可以直接读取相应的数据。下图为DS1302内部读写寄存器地址。图4-2-3 读写寄存器地址实现程序：/*从相应的地址写入数据 */Void write_ds1302(uchar add,uchar dat)rst = 1; for(i=0;i= 1; /把地址右移一位clk = 1; /时钟线拿高for(i=0;i= 1; /把数据右移一位clk = 1; rst = 0; clk = 0;io = 0;/*从相应的地址读出数据 */uchar read_ds1302(uchar add)uchar value,i;rst = 1; for(i=0;i= 1; /把地址右移一位clk = 1; for(i=0;i= 1;if(io = 1)value |= 0x80;clk = 1; rst = 0; clk = 0;io = 0;return value;4.2.4时间日期读取从芯片中读取时间和日期是本设计的最基本功能，是实现其它功能的基础，时钟芯片DS1302可直接从内部各寄存器中读出时间日期的数据，而且此芯片自带判断每月有多少天和闰年补偿的功能，可在内部进行日期的数据的调整和处理。阳历流程图如下图所示。开 始初始化DS1302DS1302振荡读取24C02从DS1302中读出年、周、月、日、小时、分、秒将BCD码高低位分离，送显示缓冲单元图4-2-4 阳历程序流程图4.2.5农历转换程序设计农历的计算需要基于设定的一个算法，通过读出的阳历数据推算出阴历，阳历12个月中只有2月天数较小，分28或者29天，其余月份都是30或者31天。而阴历的一年则有12个月或13个月，阴历的每月不存在31日只有30或者29天，在农历算法中，将有29天的月份和30天的月份分别叫做小月和大月，在数字电路中用信号“0”和“1”类区分小和大，数字“0”代表小月，1代表大月。这样通过字节数就可以正确表达出农历的日期。通过3个字节便可有效表示农历日期，通过8位第一个字节的二进制形式可表示出前四个月的闰月大小，第二个字节表示后8个月的大小。那么第三个字节则需要表达出13月的大小和当年春节的阳历月和阳历日。下图为推算农历程序流程图。NYYYNN程序入口R2减1个月天数减去闰月天数月份为当前正在减的月份的前一个月的最后一天月份为当前正在减的月份，号数为R2中的值YNR2=R2+R3R3=0够减?R3=0?下月为闰月?R2=0?结束月加1图4-2-5农历转换程序流程图4.3显示模块的程序设计4.3.1 LCD12864信息显示流程图LCD12864如今在市场上使用的十分广泛，对学生来说性价比更高更适合研发和学习，与之前同系列显示屏相比，LCD12864能够存储更多的信息量，带有中文字库，在显示点阵汉字的同时也可显示图形，符合实验所需。而且LCD12864采用低电压方式供电，可选择串口和并口两种方式，内置无需负压的电路可供转换，不需要片选信号。通上电源后，首先LCD12864会先进入初始化界面，屏幕会有短暂时间的由黑屏变为蓝屏，而后显示屏自动开始初始化，当此阶段检测到LCD12863能够运行时，则开始向LCD12864中写入读写命令并且开始写入数据，当数据写入完毕后再判断通电之后是否有按键按下，当有按键按下时进行延时去抖动，内部晶体震荡。之后再次进行按键判断，如果仍有按键按下则开始判断键值通过读到的键值显示相应的时间数据。LCD12864液晶显示器和其他LCD系列显示芯片相类似，初始的读写指令没有太大差别。但因为与LCD1602指令系统不同，所以初始化的方式也有所差异。串行方式和并行方式是液晶的两种显示方式，本设计显示函数是将采集的时间、实时温度等数据或设置的其他数据实时显示。LCD12864显示流程图如图4-3所示。NNY判断键值，显示相应字符检测是否有键按下？向LCD12864写入数据延时去抖动检测是否有键按下？LCD12864液晶初始化向LCD12864写入命令检测LCD12864忙？开始YYN图 4-3 LCD12864液晶显示流程图4.3.2 LCD12864的实现程序LCD12864的读写时序差别不大，区别在于R/W在读操作时被拉高，而在写操作时则被拉低，其它并无变化，同样都要注意延时的问题。实现程序：/*12864液晶初始化函数*/void init_12864() write_com(0x30); write_com(0x0c); write_com(0x01); delay_uint(5000);/清除12864void clear_12864()write_string(1,0, );/1行write_string(2,0, );/2行write_string(3,0, );/3行write_string(4,0, );/4行/*初始化显示*/void init_12864_dis()write_string(1,0, 多功能电子日历);write_string(2,0,阳历2000年00月00);write_string(3,0,农历00-00 星期 );write_string(4,0, 00:00:00 00.0);write_guanbiao(1,1,0);/*初始化设置显示*/void init_12864_set1()clear_12864();write_string(1,0,2013年00月00日 );write_string(2,0, 00时00分00秒 );write_string(3,0,设置 星期01 );write_string(4,0,闹钟开 00时00分);if(open1 = 1)write_string(4,2,开);else write_string(4,2,关);write_guanbiao(1,1,1);4.4按键模块的设计4.4.1按键功能本次设计采用四个独立式按键，方便查询，程序处理简单，根据上一章的按键设计图所示，四个按键分别与单片机的四个接口连接p3.3，p3.4，p3.5，p3.6.这四个按键的功能分别为设置，加，减以及返回。设置SET键：按下此键可以进入时间调整模式，按第一次调整秒，第二次调整分，以此类推可进行对时间日期和星期的校准调整。加UP键：进入时间调整模式之后，加键可以进行时间的增加。减DOWN键：进入时间调整模式后，此键可以向前调整时间。返回OUT键：进入时间调整模式后，当时间已经调整完毕，则可按此键退出时间调整模式，进入正常的计时界面。4.4.2按键实现程序/*独立按键程序*/Uchar AnJ; /按键值void key() /独立按键程序static uchar key_new;key_can = 20; /按键值还原P3 |= 0x78; /对应的按键IO口输出为1if(P3 & 0x78) != 0x78)/按键按下delay_1ms(1); /按键消抖动if(P3 & 0x78) != 0x78) & (key_new = 1)/确认是按键按下key_new = 0;switch(P3 & 0x78)else key_new = 1;第五章 系统调试及结果分析系统调试主要是对软件程序和硬件设计焊接进行调试。硬件调试主要是对硬件电路进行检测，观察是否在焊接过程中存在短路，断路和虚焊等现象，这是宏观的硬件检测调试。按照模块来进行分类的调试，需要对时钟部分，显示模块和按键部分分别进行电路的调试。软件部分同样可以进行分块调试，可模块化的程序设计将使系统能够更容易的被调试，调试过程中需要专注和细心，这样才能找出设计上出现的问题并及时纠正，程序上也要逐个模块依次写入，先进行仿真待成功之后在进行实物调试。5.1 硬件部分调试硬件调试的主要是为了排除硬件上的故障，以防出现设计上或者工艺上的错误，在做板过程中易出现断线接错线等问题，焊