单片机课程设计-简易电子手表设计.doc

四川工业科技学院电子工程系课程设计专业名称：电子信息工程课程名称：单片机课程设计课题名称：简易电子表设计设计人员：指导教师：2017年 6 月 8 日单片机原理与接口技术课程设计任务书一、课题名称：简易电子手表设计二、技术指标：（1） 掌握简易电子手表的设计、组装和调试方法。（2） 熟悉掌握单片机AT89S52、 ADC0809和数码管的具体 使用、工作原理及注意事项。（3） 能够熟练运用制图软件进行制图。三、要求：（1） 设计简易电子手表（2） 自动计时，用6位LED显示器显示时、分、秒（3） 根据提供的材料清单。设计并用软件画出电路图。指导教师： 陈华学 生：袁镜淳 张巧 敬东 彭帅 电子信息工程系2017 年 6 月 8日课程设计报告书评阅页课题名称： 简易电子表设计班 级： 14级电信1班姓 名： 2017年 6月 8 日指导教师评语：考核成绩： 指导教师签名：20 年 月 日目录摘要1第1章 数码管概述21.1 数码管简介21.2 数码管的特点21.3 数码管的应用领域2第2章单片机概述22.1 单片机简介32.2 单片机的特点32.3 单片机的应用3第3章MCS-51单片机结构53.1MCS-51单片机的内部结构53.1.1内部结构概述53.1.2 CPU结构53.1.3存储器和特殊功能寄存器53.2 P0-P3口结构63.3 时钟电路和复位电路73.3.1 时钟电路73.3.2 单片机的复位状态7第4章 硬件电路设计及电路图84.1 AT89S52芯片的简介84.1.1 功能特性概述84.1.2 引脚功能94.2 硬件系统的整体框图94.3 仿真电路图10心得体会10参考文献11附录12摘要着电子技术的发展，计算机在现代科学技术的发展中起着越来越重要的作用。多媒体技术、网络技术、智能信息处理技术、自适用控制技术、数据挖掘与处理技术等都离不开计算机。本课程设计是基单片机原理与接口技术的简单应用。运用所学的单片机原理和接口技术知识完成数字电子表的设计。电子表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的石英技术，使电子表具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于定时、计数、自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的电子表集成电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于电子表电路的基本组成包含了数字电路的主要组成部分，因此进行电子表的设计是必要的，用C语言设计电子表显示程序，要求根据输入程序显示电子表画面。研究电子表及扩大其应用，有着非常现实的意义。关键词: 电子表；数码管；定时；计数；14第1章 数码管概述数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。1.1 数码管简介数码管也称LED数码管，不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品。数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元，也就是多一个小数点（DP）这个小数点可以更精确的表示数码管想要显示的内容；按能显示多少个（8）可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。1.2 数码管的特点LED数码管的主要特点如下：(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。(2)发光响应时间极短(01s)，高频特性好，单色性好，亮度高。(3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。(4)寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。成本低。因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。1.3 数码管的应用领域主要用于楼体亮化，广告招牌、高档的DISCO、酒吧、夜总会、会所的门头广告牌等。特别适合应用于广告牌背景、立交桥、河、湖护栏、建筑物轮廓等大型动感光带的夜景照明之中，可产生彩虹般绚丽的效果。事实证明，它已经成为照明产品中的一只奇葩，绽放在动感都市。第2章单片机概述 计算机已被广泛应用于社会生活的各个领域。在自动控制领域，计算机是监测。控制的核心。生产过程以及大型设备的监测、控制一般使用带标准键盘、显示和外部存储设备的计算机系统，但小型仪器仪表、家用电器等设备的自动控制对体积、价值和功能有所要求，均不可能使用常规的计算机 系统，于是出现了单片微型计算机，简称单片机。2.1 单片机简介单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术将具有数据处理能力的中央处理器，随机存取存储器、输入/输出电路，可能还包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路、脉冲调制电路、模数转换器等电路集成到一片芯片上，构成一个既小而又完善的计算机系统。有以上分析可以看出，单片机除了具备微处理器的功能外，还可以单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这也是单片机最大的特点。2.2 单片机的特点单片机是在一块芯片上集成了微型计算机的基本部件，在硬件结构、指令功能方面均有独特之处，主要特点如下：（1）单片机内集成了存储器。（2）单片机存储结构将ROM和RAM严格分工。（3）为了满足工业控制的需要，单片机有很强的位处理功能，在其他逻辑控制功能方面也都优于一般的8位微处理器。（4）8位处理器的引脚功能一般都是固定的。（5）单片机类型多，并且便于扩展功能。（6）单片机 把微型计算机的各个部分集成在一块芯片上，大大缩短了系统内信号的传送距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度。由于单片机具有体积小、速度快、功耗低、性能可靠、使用方便、价格低廉等特点，因此在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、家用电器等领域得到了日益广泛的应用。2.3 单片机的应用单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。(字号明显不一致) 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。第3章MCS-51单片机结构3.1MCS-51单片机的内部结构3.1.1内部结构概述（1） 典型的MCS-51单片机芯片集成了以下几个基本组成部分。（2） 一个8位的CPU。（3） 128B或256B单元内数据存储器（RAM）。（4） 4KB或8KB片内程序存储器（ROM或EPROM）。（5） 4个8位并行I/O接口P0P3。（6） 两个定时/计数器。（7） 5个中断源的中断管理控制系统。（8） 一个全双工串行I/O口UART（通用异步接收、发送器）。（9） 一个片内振荡器和时钟产生电路。3.1.2 CPU结构CPU 是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。1.运算器 运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心。它可以对半字节（4）、单字节等数据进行操作。例如，能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算，完成与、或、异或、求反、循环等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。运算器还包含有一个布尔处理器，用以处理位操作。它以进位标志位C为累加器，可执行置位、复位、取反、位判断转移，可在进位标志位与其他可位寻址的位之间进行位数据传诵等操作，还可以完成进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。2.程序计数器PCPC是一个16位的计数器，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范围为64kB，PC有自动加1功能，即完成了一条指令的执行后，其内容自动加1。 3.指令寄存器 指令寄存器（IR，Instruction Register），是临时放置从内存里面取得的程序指令的寄存器，用于存放当前从主存储器读出的正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据寄存器（DR，Data Register）中，然后再传送至IR。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。指令译码器就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。3.1.3存储器和特殊功能寄存器1. 存储器存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。2.特殊功能寄存器 特殊功能寄存器（SFR）的地址范围为80HFFH。在MCS51中，除程序计数器PC和四个工作寄存器区外，其余21个特殊功能寄存器都在这SFR块中。其中5个是双字节寄存器，它们共占用了26个字节。各特殊功能寄存器的符号和地址见下表。其中带号的可位寻址。特殊功能寄存器反映了8051的状态，实际上是8051的状态字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。这些特殊功能寄存器大体上分为两类，一类与芯片的引脚有关，另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0P3，它们实际上是4个八位锁存器（每个I/O口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。MCS51共有P0P3四个这样的并行口，可提供32根I/O线，每根线都是双向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的寄存器中，累加器A、标志寄存器PSW、数据指针DPTR等的功能前已提及。符号地址功能介绍BF0HB寄存器ACCE0H累加器PSWD0H程序状态存储器TH2*CDH定时器/计数器2（高8位）TL2*CCH定时器/计数器2（低8位）RLDH*CBH外部输入（P1.1）计数器/自动再装入模式时初值寄存器高八位RLDL*CAH外部输入（P1.1）计数器/自动再装入模式时初值寄存器低八位T2CON*C8HT2定时器/计数器控制寄存器IPB8H中断优先级控制寄存器P3B0HP3口锁存器IEA8H中断允许控制寄存器P2A0HP2口锁存器SBUF99H串行口锁存器SCON98H串行口控制寄存器P190HP1口锁存器TH18DH定时器/计数器1（高8位）TH08CH定时器/计数器0（高8位）TL18BH定时器/计数器1（低8位）TL08AH定时器/计数器0（低8位）TMOD89HT0、T1定时器/计数器方式控制寄存器TCON88HT0、T1定时器/计数器控制寄存器DPH83H数据地址指针（高8位）DPL82H数据地址指针（低8位）SP81H堆栈指针P080HP0口锁存器PCON87H电源控制寄存器3.2 P0-P3口结构P0口功能：P0口具有两种功能：第一，P0口可以作为通用I/O接口使用，P0.7P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。输出数据时可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲。第二，P0.7P0.0在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写。P1口 功能：P1口的功能和P0口的第一功能相同，仅用于传递I/O输入/输出数据。P2口的功能：P2口的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，作为地址总线用于输出片外存储器的高8位地址。P3口功能：P3口有两个功能：第一功能与其余三个端口的第一功能相同；第二功能作控制用，每个引脚都不同。P3.0RXD串行数据接收口 P3.1TXD串行数据发送口 P3.2INT0 外中断0输入 P3.3INT1 外中断1输入 P3.4T0计数器0计数输入 P3.5T1计数器1计数输入 P3.6WR外部RAM写选通信号 P3.7RD外部RAM读选通信号 3.3 时钟电路和复位电路 单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准；复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。3.3.1 时钟电路单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷谐振荡器，构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自积振荡，并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ、或24MHZ。单片机的时序单位： 振荡周期： 晶振的振荡周期，又称时钟周期，为最小的时序单位。 状态周期： 振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。因此一个状态周期包含2个振荡周期。 机器周期：1个机器周期由6个状态周期12个振荡周期组成，是计算机执行一种基本操作的时间单位。 指令周期：执行一条指令所需的时间。一个指令周期由1-4个机器周期组成，依据指令不同而不同.3.3.2 单片机的复位状态当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。第4章 硬件电路设计及电路图4.1 AT89S52芯片的简介AT89S52，它是一个低功耗,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k 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AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。单片机最小系统如下：4.1.1 功能特性概述40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 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，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并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。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。4.1.2 引脚功能VCC：电源电压GND：地RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN：程序存储允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。XTAL1:振荡器反相放大器的内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。4.2 硬件系统的整体框图上图：根本没使用ADC0809、串口电源部分提供整个系统的电能，单片机部分控制系统，显示部分显示测量结果以及模式状态，模数转换采集电压以及电阻值发送到单片机，如果电压过高超过量程或者测量短路，单片机控制蜂鸣器报警。通过程序烧录模块可以通过烧录线烧入程序。通过串口通讯传送位码和段码，实现对6位共阳数码管的操作，使其完成特定的计时功能。这段话完全不准确。4.3 仿真电路图心得体会根据书本上的秒表实例，我们设计了这款简易数字电子表。在课本实例上添加小时项，用六个共阳数字管构成，计时方式我们也试验了几种，最终并没有采用书上计时器的用法，而是用了书上第四章数码管应用实例的方法。通过“简易数字手表的设计”的设计过程，我们结合所学过的课程，了解了简易手表的发展状况，掌握了工程设计方法，开发及设计工具使用方法，最重要的是通过这一设计实践过程，我们不在是约束在理论上而是锻炼了我们的动手能力和分析，解决问题的能力，积累经验，培养按部就班，一丝不苟的工作和对所学知识的综合应用能力，了解了很多课本上学不到的知识，我想这样的实践环节在我的学生生涯是很难得的，也为我们以后步入社会开始工作打下了一定的基础，最后我也要感谢组里的同学们，只有在他们团结协作下，本次课