毕业设计（论文）-基于单片机99-0的倒计时系统设计.doc

九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文1 1 九江职业技术学院 毕毕业业设设计计任任务务书书 电子工程 系 电子信息工程 专业 设 计 题 目 99 0的倒计时 学 生 姓 名 班 级 信息0701班 起 止 日 期2009年12月 2010年5月 指 导 教 师 发任务书日期 2009年11月10日 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文2 2 1 毕业设计的原始数据 1 DC24V 5V 2 计数时间100ms 3 AT89C51 4 12MHZ 5 200欧姆的电阻 6 99 0 2 毕业设计 论文 的内容和要求 包括技术要求 图表要求以及工 作要求等 1 运用所学的数字电子知识 和模拟电子知识进行电路设计 2 设计出的直流电源要求输出精度高 步进电压在0 1V 左右 调整方便 3 使用通用器件 4 要求输出电压在0 9 9V 3 毕业设计应完成的技术文件 1 毕业设计任务书 2 毕业论文正文打印稿 3 毕业论文电子稿 4 教师评语 4 主要参考文献 1 肖红兵 跟我学单片机 北京 北京航天航空出版社 2002 8 2 何立民 单片机高级教程 第一版 北京航天航空出版社 2004 6 3 赵晓安 MCS51 单片机原理和应用 天津 天津大学出版社 2005 4 4 李广第 单片机基础 第一版 北京 北京航天航空出版社 2006 9 5 徐惠民 安德民 单片机微型计算机原理接口与应用 第一版 北京邮电 大学出版社2005 6 6 何立民 从Cigncr 80C51F看单片机发展之路 单片机与嵌入式系统应用 7 单片机试验教程 北京 北京航空航天出版社 2006 8 8 诚志强 胡惠 单片机应用系统应用 自编教材 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文3 3 教 师 评 语 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文4 4 摘 要 摘要摘要 来随着计算机在社会领域的渗透 单片机的应用正在不断地走向深入 同时带动传统控制检测日新月益更新 在实时检测和自动控制的单片机应用系 统中 单片机往往是作为一个核心部件来使用 仅单片机方面知识是不够的 还应根据具体硬件结构 以及针对具体应用对象特点的软件结合 以作完善 模拟多通道压力系统是利用压力传感器采集当前压力并放映在显示器上 它可以分析压力过量程 并发出报警 并采用电子秤原理可根据输入单价准确 的计算出物体的金额 本篇论文讨论了简单的倒计时器的设计与制作 对于倒 计时器中的 LED 数码显示器来说 我为了简化线路 降低成本 采用以软件为 主的接口方法 即不使用专门的硬件译码器 而采用软件程序进行译码 关键词 关键词 单片机 AT89C51 LED 数码管显示器 keil C 晶体振荡器 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文5 5 Abstract in the social realm along with the calculator in recent years single slice the application of the machine just at constantly alignment thorough arouse a traditional control an examination a day a new moon benefit renewal in the meantime In solidly application the system slice machine usually Be a core parts to use only single slice the machine aspect knowledge is not enough return should according to concrete the hardware structure and aim at concrere application the sofwatre of the object characteristics combine to make perfect Imitating many passage pressure systemses is to make use of presure to spread the feeling machine to collect current pressure combine the reflection is on tne display it can analyze the pressure surfeit distance erupting to report to the police Combine the adoption electronics steelyard principle can according to input the amount of money people s methdo do not use specialized to translate the code machine namely but adopt the software procedure to carry on translating code KeywordKeyword single slice machine AT89C51 The LEDfigure tube display Keil C Crystal Oscillactor 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文6 6 目 录 绪论 8 一 课题的背景 9 1 2 研究背景和意义 9 1 3 课题研究方法 9 二二 硬件设计 10 2 1 单片机简介 10 2 2 单片机AT89C5 11 2 3 LCD 简介 14 2 4 硬件电路原理图 14 2 5 本章小结 16 三三 软件设计 18 3 3 定时器 计时器 18 3 4 程序结构类型 19 3 6 时钟频率电路 19 3 6 复位电路的设计 20 3 7 显示电路的设计 21 四 软件设计 25 4 1Proteus 原理图绘制 25 4 2 Proteus 电路仿真与结果 26 4 3 软 硬联接 29 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文7 7 4 4 单片机倒计时原理 30 结束语 31 总结 32 参考文献 33 致谢 34 附录 单片机倒计时程序 35 附录 元器件清单 38 绪 论 随着人们生活水平的不断提高 万年历是在传统时钟基础上演化而来的一 种现代电子系统 主要包括了基本的时钟显示以及日期的自动查询 而时钟 从它发明的那天起 就成为人类的朋友 但随着时间的推移 科学技术的不断 发展 人们对时间的精度要求越来越高 应用越来越广 传统的时钟主要是机 械式传动 由指针显示时间 但是 随着对时钟要求的提高 传统的时钟出现了 瓶颈 主要表现在 1 传统时钟有较大的计时误差 不能满足人们对时间计量越来越高的精度要 求 2 时钟电路的应用越来越广 传统时钟已经无法适应高科技领域的要求 比如 说计算机系统 传统时钟瓶颈的解决办法 电子时钟 那么 怎么解决这个瓶颈 呢 可以看到 如果能够将现代电子技术应用到时钟领域 那么这些制约条件 也就不存在了 单片机就是在半导体硅片上集成了 CPU 存储器和各种接口 这 样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性 主要应用于测控领域 电子时钟是 现代电子技术在时钟领域的具体实现方式 另外由于纸制万年历只能够进行日 期查询 并不能够显示时间 因而 人们提出了如何实现一种能够既显示时间 又能够查询日期的电子装备 电子万年历顺应着时代的发展 在现代工艺的基 础上运用而出 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文8 8 电子万年历主要实现了基本的时钟显示以及日期查询 并运用单片机来控 制加以实现 广泛用于个人家庭 车站 码头办公室等公共场所 成为人们日常生 活中不可少的必需品 由于单片机的发展和石英晶体振荡器的广泛应用 使得数字 万年历的精度 远远超过老式计数钟表 万年历的数字化给人们生产生活带来了 极大的方便 而且大大地扩展了钟表原先的报时功能 诸如定时自动报警 按 时自动打铃 时间程序自动控制 定时广播 自动起闭路灯 定时开关烘箱 通断动力设备 甚至各种定时电气的自动启用等 所有这些 都是以万年历数 字化为基础的 因此 研究数字式万年历及扩大其应用 有着非重要的意义 1 11 1 研究背景及意义研究背景及意义 万年历是在传统时钟基础上演化而来的一种现代电子系统 主要包括 了基本的时钟显示以及日期的自动查询 而时钟 从它发明的那天起 就成为 人类的朋友 但随着时间的推移 科学技术的不断发展 人们对时间的精度要 求越来越高 应用越来越广 传统的时钟主要是机械式传动 由指针显示时间 但是 随着对时钟要求的提高 传统的时钟出现了瓶颈 主要表现在 1 传统时钟有较大的计时误差 不能满足人们对时间计量越来越高的精度要 求 2 时钟电路的应用越来越广 传统时钟已经无法适应高科技领域的要求 比如 说计算机系统 传统时钟瓶颈的解决办法 电子时钟 那么 怎么解决这个瓶颈 呢 可以看到 如果能够将现代电子技术应用到时钟领域 那么这些制约条件 也就不存在了 单片机就是在半导体硅片上集成了 CPU 存储器和各种接口 这 样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性 主要应用于测控领域 电子时钟是 现代电子技术在时钟领域的具体实现方式 另外由于纸制万年历只能够进行日 期查询 并不能够显示时间 因而 人们提出了如何实现一种能够既显示时间 又能够查询日期的电子装备 电子万年历顺应着时代的发展 在现代工艺的基 础上运用而出 电子万年历主要实现了基本的时钟显示以及日期查询 并运用单片机来控 制加以实现 广泛用于个人家庭 车站 码头办公室等公共场所 成为人们日常生 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文9 9 活中不可少的必需品 由于单片机的发展和石英晶体振荡器的广泛应用 使得数字 万年历的精度 远远超过老式计数钟表 万年历的数字化给人们生产生活带来了 极大的方便 而且大大地扩展了钟表原先的报时功能 诸如定时自动报警 按 时自动打铃 时间程序自动控制 定时广播 自动起闭路灯 定时开关烘箱 通断动力设备 甚至各种定时电气的自动启用等 所有这些 都是以万年历数 字化为基础的 因此 研究数字式万年历及扩大其应用 有着非常现实的意义 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 从上世纪九十年代末起 随着对系统更高效率和更低功耗的需求 电信与 数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流 直流电源转换器向更高灵活性和 智能化方向发展 在 80 年代的第一代分布式供电系统开始转向到 20 世纪末更 为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构 直流 直流电源行业正面临 着新的挑战 即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制 早在 90 年代中 半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术 而在当时 这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势 因而无法被 广泛采用 由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注 电 源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为 数控电源 的新产品 现今随着直流电源技术的飞跃发展 整流系统由以前的分立元件和集成电 路控制发展为微机控制 从而使直流电源智能化 具有遥测 遥信 遥控的三 遥功能 基本实现了直流电源的无人值守 设计的直流稳压电源主要由单片机系统 键盘 数码管显示器 指示灯及 报警电路 检测电路 D A 转换电路 直流稳压电路等几部分组成 系统框图 如图 2 所示 单片机系统选用 89C51 型号单片机 内含 4 K 的 ROM 采用 8255 作为电压输出的扩展接口 8279 作为键盘和显示器的扩展接口 1 31 3 课题研究方法课题研究方法 直流稳压电源是最常用的仪器设备 在科研及实验中都是必不可少的 针 对以上问题 我们设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源 该电源采用 薄膜轻触键盘 可对输出电压及报警阈值以快慢两种方式进行设置 输出由单片 机通过 D A 控制驱动模块输出一个稳定电压 同时稳压方法采用单片机闭环 控制 单片机通过 A D 采样输出电压 与设定值进行比较 若有偏差则调整输 出 越限则输出报警信号并截流 工作过程中 稳压电源的工作状态 输出电压 电流等各种工作状态 均由单片机输出驱动 L ED 显示 多种显示模式间 由键 盘控制进行动态逻辑切换 本课题研究一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计 该 电源采用数字调节 闭环实时监控 输出精度高 且兼备双重过载保护及报警 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文10 10 功能 特别适用于各种有较高精度要求的场合 2 硬件设计 2 1 单片机简介 所谓单片机 Single chip Microcomputer 1 是指在一块芯片上集成了各种部 件的微型计算机 这些部件包括中央处理器 CPU 存储器 RAM 和 ROM 基 本 I O 接口以及定时器 计数器等部件 并具有独立指令系统的智能器件 即 在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能 如果是简单控制对象 只需利 用单片机作为控制核心 不需另外增加外部设备就能完成 对于较复杂的系 统 只需对单片机进行适当扩张即可 十分方便 归纳起来 单片机及应用系 统有以下特点 1 单片机具有独立的指令系统 可以将我们的设计思想充分体现出来 2 系统配置以满足控制对象的要求为出发点 使得系统具有较高的性能价 格比 3 应用系统通常将程序驻留在片内 外 ROM 中 抗干扰能力强 可靠性 高 使用方便 4 由于系统规模较小 其本身不具有自我开发能力 一般需借助专用的开 发工具进行系统开发和测试 而实际应用系统简单实用 成本低 效益好 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文11 11 5 应用系统所用存储器芯片可选用 EPROM OTP 芯片或利用掩膜形式生 产 便于批量开发和应用 许多单片机 如 80C51 系列 的开发芯片和扩展应用 芯片相互配套 降低了系统成本 6 由于系统小巧玲垅 控制功能强 体积小 便于嵌入被控设备之内 大 大推动了产品的智能化 如数控机床 机器人 智能仪器仪表 洗衣机 电冰 箱 电视机等都是典型的单片机电一体化设备和产品 2 1 1 单片机技术的发展单片机技术的发展 单片机是随着微型计算机 单板机的发展和其在智能测控系统中的应用而 发展起来的 以 8 位单片机为例 其发展过程大致可归纳为三个阶段 第一阶段 低性能单片机阶段 SCM 1976 1980 年 该阶段是以较简单的 8 位低档单片机为主 将原有的单板机功能集成在一块芯片上 使该芯片具有 原来单板机的功能 其主要代表芯片为 Intel 公司的 MCS 48 系列 该芯片内集 成了 8 位 CPU 并行 I O 端口和 8 位定时器 计数器 寻址范围为 4 KB 没有 串行通信接口 第二阶段 高性能单片机阶段 MCU 1980 1983 年 该阶段仍以 8 位机为 主 主要增加了串行口 多级中断处理系统和 16 位定时器 计数器 除片内 RAM ROM 容量加大外 片外寻址可达 64 KB 有的片内还集成有 A D D A 转换器 这一阶段单片机以 Intel 公司的 MCS 5l 系列 Motorola 公司的 680l 系 列和 Zilog 公司的 Z8 系列为代表 上述机型由于功能强 使用方便 目前仍在 广泛应用 1983 80 年代末 高性能的 16 位单片机问世 该单片机性能更加 完善 主频速率提高 运算速度加快 具有很强的实时处理能力 更加适用于 速度快 精度高 响应及时的应用场合 其主要代表为 Intel 公司的 MCS 96 系 列等 第三阶段 片上系统阶段 SOC 90 年代 该阶段单片机在集成度 速率 功能 可靠性 应用领域等全方位向更高水平发展 该阶段 CPU 数据线有 8 位 16 位 32 位 采用双 CPU 结构或内部流水线结构 以提高数据处理能力和运 算速度 采用内部锁相环技术 时钟频率已高达 50 MHz 指令执行加快 提供 了运算能力较强的乘法指令和内积运算指令 具有较强的数据处理能力 技术 发展 随着微电子技术的迅速发展 目前各个公司研制出了适用于各种应用领 域的单片机 高性能单片机芯片市场也异常活跃 不断采用新技术 使单片机 的种类 性能不断提高 应用领域不断扩大 现在有的单片机已采用所谓的三 核 TrCore 结构 这是一种建立在系统级芯片 System on a chip 概念上的 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文12 12 结构 这种单片机由三个核组成 一个是微控制器和 DSP 核 一个是数据和程 序存储器核 最后一个是外围专用集成电路 ASIC 这种单片机的最大特点 在于把 DSP 和微控制器同时做在一个片上 虽然从结构定义上讲 DSP 是单片 机的一种类型 但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等 上面 把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能 这是目前单片机 最大的进步之一 单片机的最明显的优势 就是可以嵌入到各种仪器 设备中 这一点是巨 型机和网络不可能做到的 随着微电子技术的不断发展 单片机正朝着高集成度 低能耗 低电压 多功能的方向发展 2 1 2 单片机系统的应用单片机系统的应用 由于单片机体积小 功耗低 控制功能强 扩展灵活 微型化 价格低 可靠性高 适用范围大以及有其本身的指令系统等诸多优势 现广泛应用于仪 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工业控制 等领域 目前不仅有常用的 8 位单片机 而且 16 位机已得到了广泛的应用 2 单片机 AT89C51 2 2 1 AT89C51 的基本结构和引脚功能 89C51 2 系列单片机的基本功能结构如图 2 1 所示 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文13 13 图 2 1 89C51 单片机的内部结构 在一小块芯片上 集成了一个小型计算机的各个组成部分 其中包括 CPU 存储器 可编程 I O 口 定时器 计数器口 各部分通过内部总线相连 AT89C51 提供以下标准功能 1 4K 字节的可重擦写 Flash 闪速存储器 2 与 MCS 51 产品指令系统完全兼容 3 1000 次擦写周期 4 全静态操作 0 24MHz 5 128 8 字节内部 RAM 6 32 个可编程 I O 口线 7 2 个 16 位定时 计时器 6 个中断源 8 低功耗空闲和掉电模式 下面是 AT89C51 引脚图如图 2 2 所示 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文14 14 图 2 2 AT89C51 引脚图 引脚功能说明 Vcc 电源电压 GND 接地 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用 口 作为输出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端 口写 1 可作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱 动 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 做输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部 信号拉低时会输出一个电流 P2 口 P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可 驱动 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部上拉电阻把端口拉到高电 平 此时可作输入口 做输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被 外部信号拉低时会输出一个电流 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器时 P2 口线上的内容在整个访 问期间不改变 P3 口 P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 的输出缓冲级可 驱动 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部上拉电阻把端口拉到高电 平 此时可作输入口 做输入口使用时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出 电流 P3 口 除了作为一般的 I O 口线 更重要的用途是它的第二功能 如下表 2 1 所示 表 2 1 P3 口的第二功能 端口引脚第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INT0 外中断 0 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文15 15 P3 3INT1 外中断 1 P3 4T0 定时 计数器 0 P3 5T1 定时 计数器 1 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器读选通 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个周期以上高电平将 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八位字节 即使不访问外部存储器 ALE 仍 以时钟振荡频率的 1 6 输出固定的正脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于 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 PSEN 程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C51 由外部程序存储器取指令时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即输出两个脉冲 在此期间 当访问外部存储器 这两次有效的 PSEN 信号不出现 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及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 2 2 2 机器周期和指令周期 1 时钟周期 时钟周期 T 又称为振荡周期 由单片机片内振荡电路 OSC 产生 常定义为 时钟脉冲频率的倒数 是时序中最小的时间单位 本设计中单片机时钟频率为 12MHz 则它的时钟周期 T 应为 1 12us 因为 时钟周期的时间尺度不是绝对 的 而是一个随时钟脉冲频率而变化的参量 2 机器周期 机器周期定义为实现特定功能所需要的时间 通常由若干时钟周期 T 构 成 MCS 51 的机器周期没有采用上述方案 它的机器周期时间是固定不变的 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文16 16 均由 12 个时钟周期 T 组成 3 指令周期 指令周期是时序中最大的时间单位 定义为执行一条指令所需要的时间 由于机器执行不同指令所需要的时间不同 因此不同指令所包含的机器周期也 不相同 通常 包含一个机器周期的指令称为单周期指令 包含两个机器周期 的指令称为双周期指令 等等 指令的运算速度和指令所包含的机器周期数有关 机器周期数越少的指令 执行速度越快 MCS 51 单片机通常可以分为单周期指令 双周期指令和四周 期指令等三种 四周期指令只有乘法和除法指令两条 其余均为单周期和双周 期指令 3 2 3 LCD 简介 2 3 1 LCD 显示器的基本结构和特点显示器的基本结构和特点 液晶 Liquid Crystal 为一半透明之物质 6 同时兼具有固体的结晶次序性 与液体的流动性 也被称为中间相物质 由于液晶具有规则分子排列的特性 当受到电场等外部刺激时 液晶分子排列会产生变化而具有光电效应之特性 Electro Optic Effect 利用此特性可应用在显示用元件上 一般液晶显示器使用的液晶材料 并非单一的液晶分子 原因是单一液晶 材料无法达到 LCD 在低电压驱动 高速化之要求 故使用时必需混和 10 种 20 种不同的液晶材料 才可在热安定性 光安定性等特性上达到显示器的 要求 此外 LCD 面板制造商也会考虑显示器种类 用途 使用地区之温度等 因素 选择适当的配方 液晶材料是液晶显示器结构中上下玻璃板间的半透明介电材料 功能类似 光电开关 其原理是利用上下电极通电后 电场产生变化使得液晶分子因介电 方向性与导电异方向性而出现旋光性 光线因液晶长轴与短轴折射率不同而产 生不同之穿透度 再配合配向膜与偏光板之作用 即可产生光线 ON OFF 之变 化 液晶显示器的特点 1 低压微功耗 工作电压3 5V 每平方厘米液晶显示屏工作电流只有几 个uA 因此液晶显示器件成为电池供电的电子设备的首选显示器件 2 平板型结构 液晶显示器的基本结构是由两片玻璃组成的很薄的盒子 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文17 17 这种结构的优点 一是使用方便 二是工艺适于大批量生产 目前的液晶生产 线大都采用集成化生产工艺 3 寿命长 器件本身几乎没有什么劣化问题 4 被动显示 环境光线越强 显示内容越清晰 人眼所感受的外部信息 90 以上是外部物体对光的反射 而不是物体本身发光 所以被动显示更适合 人的视觉习惯 不会引起疲劳 这在大信息量 高密度显示 长时间观看时尤 为重要 5 显示信息量大 易于彩色化 液晶彩色化非常容易 方法也很多 6 无电磁辐射 液晶显示器具有体积小 外形薄 重量轻 耗能少 工作电压低 无辐射 特别是视域宽 显示信息量大等优点 随着测控技术的日益发展 液晶显示器已被广泛应用于各种仪器仪表 电 子显示装置等场合 成为测量结果显示和人机对话的重要工具 液晶显示器按 其功能可分为3类 笔段式液晶显示器 字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液 晶显示器 前2种可显示数字 字符和符号等 而图形点阵式液晶显示器还可以 显示汉字和任意图形 达到图文并茂的效果 2 5 本章小结 单片机的发展过程大致可分为三个阶段 分别是 SCM 阶段 MCU 阶段与 SOC 阶段 现在 单片机已经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工业控制等领域 AT89C51 是 MCS 51 系列单片机的典型产品 常见的 AT89C51 芯片上 集成了一个小型计算机的各个组成部分 它有 4K 字节的可重擦写 Flash 闪速存 储器和 32 个可编程 I O 口线 MCS 51 的机器周期时间是固定不变的 均由 12 个机器周期 T 组成 指令的运算速度和指令所包含的机器周期数有关 机器周 期数越少的指令执行速度越快 液晶显示器的基本结构是由两片玻璃组成的很薄的盒子 具有体积小 外 形薄 重量轻 耗能少 工作电压低 无辐射等优点 LCD 1602 是 16 2 的 8 位液晶显示器 它采用标准的 16 脚接口 内部已经存储了 160 个不同的点阵字 符图形 它的读写操作 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文18 18 1602 液晶显示模块可以和单片机 AT89C51 直接接口 然后又分别介绍了 硬件设计中的键盘模块 起振模块和蜂鸣器模块 3 2 中断机制 3 2 1 硬件中断和软件中断 硬件中断是通过外部的硬件产生的 所以也常常把硬件中断称为外部中断 9 硬件中断又分为两类 一类叫非屏蔽中断 另一类叫可屏蔽中断 非屏蔽中断 是通过 CPU 的 NMI non maskable interrupt 引脚进入的 它不受中断允许标 志 IF 的屏蔽 并且在整个系统中只能有一个非屏蔽中断 可屏蔽中断是通过 CPU 的 INTR interrupt 引脚进入的 并且只有当中断允许标志 IF 为 1 时 可屏蔽中断才能进入 如果中断允许标志 IF 为 0 则可屏蔽中断受到禁止 软件中断是 CPU 根据软件中的某条指令或者软件对标志寄存器中的某个 标志设置而产生的 从软件中断的产生过程来说 完全和硬件电路无关 MCS 51 系列中 8051 子系列有 5 个中断源 8052 子系列有 6 个中断源 它们是外 部中断 0 和 1 定时器 0 和 1 中断 串行和定时器 2 中断 定时器 2 中断只有 89S52 8032 才有 这个中断源矢量 系统设定如表 3 1 所示 8 中断源中断矢 量 说明 外部中断 0 INT0 0003H从 P3 2 引脚的外部中断请求 定时器 0 溢出 中断 000BH定时器 0 溢出使 TFO 位置 发出中断申请 外部中断 1 1INT 0013H从 P3 3 引脚上的外部中断申请 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文19 19 表 3 1 中断源及功能 3 3 定时器 计时器 3 3 1 定时器 计时器的结构 单片机中与定时器有关的特殊功能寄存器有 TMOD TCON TH0 TL0 TH1 和 TL1 TMOD 是模式控制寄存器 其中两 位控制两个定时器 计数器的工作方式 TH0 TL0 TH1 TL1 是时间常数寄 存器 用来存放定时或计数的初值 TCON 是控制寄存器 它控制定时器 计 数器的启动和关闭 10 3 3 2 定时器定时器 计数器的计数信号计数器的计数信号 定时器 计数器有定时和计数两种功能 其内部实质上是加法计数器 当 定时器 计数器设置为定时工作方式时 该加法计数器对片内机器周期脉冲计 数 计数的输入信号是内部时钟脉冲 即每过一个机器周期 计数器加 1 直 到溢出 因每个机器周期等于 12 个振荡周期 所以计数速率为振荡频率的 1 12 由于定时器从初值开始加 1 计数直到溢出所需的时间是固定的 所以称 为定时方式 显然定时器的定时时间与系统的振荡频率有关 定时器 计数器 设置为计数工作方式时 通过引脚 T0 P3 4 和 T1 P3 5 对外部信号脉冲计 定时器 1 溢出 中断 001BH定时器 1 溢出使 TF1 位置 发出中断申请 串行口中断0023H一帧发送或接收完成后使发送或接收中断 标志 TI RI 置位 定时器 2 中断002BH定时器 2 溢出使 TF2 位置 发出中断申请 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文20 20 数 在每个机器周期的 S5P2 期间采样引脚的输入电平 若前一个机器周期采 样值为 1 下一个机器周期采样值为 0 内部加法计数器的值加 1 3 4 程序结构类型 3 4 1 汇编语言的基本结构汇编语言的基本结构 汇编语言是和机器密切相关的 11 是面向机器的语言 其主要优点是占 用资源少 程序执行效率高 但是不同的 CPU 其汇编语言可能有所差异 所 以不易移植 C 语言是一种结构化的高级语言 其优点是可读性好 移植容易 是普遍使用的一种计算机语言 缺点是占用资源较多 执行效率没有汇编高 该系统软件全部采用汇编语言编写 汇编语言有三种基本结构 顺序结构 选 择结构 和循环结构 1 顺序结构 它是一种最基本的 最简单的编程结构 在这种结构中 程序由低地址向 高地址顺序执行指令程序 2 分支结构 分支程序结构可以分为两种形式 如图 3 2 所示 图 3 2 分支程序结构 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文21 21 它们分别相当于高级语言中的 IF THEN ELSE 语句和 CASE 语句 根据不 同条件做不同的处理 在分支结构中 程序首先对一个条件语句进行测试 当 条件为真时 执行一个方向的程序 当条件为假时 执行另一个方向的程序 T 代表条件 当 T 条件成立是 执行 A 操作 否则执行 B 操作 本次设计中多次用到分支程序结构 例如在进行键盘判别时分支程序则必不 可少 如下一段程序则是键盘判别的一部分 KEY0 JB P2 1 KEY1 判断 P2 1 是否按下 若没按下则跳转到 KEY 若按下则顺序执行下一句 VP4 JB P2 7 VLP4 判断 P2 7 是否按下 若没按下则跳转到 VLP4 若按下则顺序执行下一句 CJNE A 00 KEY0 比较寄存器 A 的值是否等于 0 不等时跳转 到 KEY0 若相等则顺序执行 MOV HOUR 23 MOV A HOUR VLP3 JNB P2 1 VLP4 判断 P2 1 是否按下 KEY1 JB P2 2 KEY2 VP5 JB P2 7 VLP5 3 循环结构 循环程序可以有两种结构形式 如图 3 5 所示 一种是 DO WHILE 结构形 式 另一种是 DO UNTIL 结构形式 DO WHILE 结构把对循环控制条件的判断 放在循环的入口先判断条件 满足就执行循环体 否则就退出循环 DO UNTIL 结构则先执行循环体 然后在判断控制条件 不满足条件则继续执行循 环操作 一旦满足条件则退出循环一般来说 如果循环次数有为 0 的可能 则 应选择 DO WHILE 结构 否则使用 DO UNTIL 循环结构 本次设计也采用了大量的循环结构 例如在判断年 月 日 时 分 秒等 都用到了循环程序的设计 LL INC MIAO LCALL DELAY MOV A MIAO 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文22 22 CJNE A 60 LL 判断秒是否等于 60 当满足时将跳出执行 下一句 若不满足则继续执行 MOV MIAO 00 INC MINUTE 当秒为 60 时 分钟则自动加一 MOV A MINUTE CJNE A 60 LL 判断分钟是否等于 60 MOV MINUTE 00 INC HOUR 分钟满 60 时则小时自动加一 MOV A HOUR CJNE A 24 LL 判断小时是否等于 24 MOV HOUR 00 INC RI1 小时等于 24 时 则日加一 INC QI 小时等于 24 时 则星期自动加一 MOV A QI CJNE A 7 LLLLL 判断星期是否为七 MOV QI 0 循环结构示意图如图 3 3 所示 图 3 3 循环结构示意图 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文23 23 2 2 时钟频率电路的设计时钟频率电路的设计 单片机必须在时钟的驱动下才能工作 在单片机内部有一个时钟振荡电路 只要外界一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元 决 定单片机的工作速度 时钟电路如下图 图 3 外部震荡源电路 一般选用石英晶体振荡器 此电路在加电大约延迟 10ms 后振荡器起振 在 XTAL2 引脚产生幅度为 3V 左右的正弦波时钟信号 其振荡频率主要由石英 晶振的频率确定 电路中两个电容 C1 C2 的作用有两个 一是帮助振荡器起 振 二是对振荡器的频率进行微调 C1 C2 的典型值为 20pf 单片机在工作时 有内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑 单元的时钟信号的周期称为时钟周期 其大小是时钟信号频率的倒数 f 表示 图中的时钟频率为 12MHz 即 f 12MHz 则时钟周期为 1 12us 2 3 复位电路的设计复位电路的设计 单片机的第九脚 RES 为硬件复位端 只要将该端持续 4 个机器周期的高电 平即可实现复位 复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态 其电路图如下 图 图 4 复位电路 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文24 24 图中由按键 K1 以及电解电容 C3 构成了复位电路 由于单片机是高电平复 位 所以当按下 K1 时 单片机的 9 脚 RESET 管脚处于高电平 此时单片机处 于复位状态 当上电后 由于电容缓慢充电 单片机的 9 脚电压逐步由高向低 转化 经过一段时间后 单片机的 9 脚处于稳定的低电平状态 此时单片机上 复位完毕 系统程序从 0000H 开始执行 值得注意的是 在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能 由上 面的硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值 而前面 的功能介绍中提到的倒计时时间的记忆功能 2 4 显示电路的设计显示电路的设计 显示功能与硬件关系极大 当硬件固定后 如何在不引起操作者误解的前 提下提供尽可能丰富的信息 全靠软件来解决 在这里我们使用的是七段数码管显示 通常在显示上我们采用的方法一般 包括两种 一种是静态显示 另一种是动态显示 其中静态显示的特点是显示 稳定不闪烁 程序编写简单 但占用端口资源多 动态显示的特点是显示稳定 性没静态好 程序编写复杂 但是相对静态显示而言占用端口资源少 在本设 计中根据实际情况采用的是动态显示方法 七段数码管显示电路如下图 图 5 共阳极数码管 图中数码管采用的是一位七段共阳数码管 其中 60 秒倒计时的十位接 P1 口 个位接 P2 口 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文25 25 二 Proteus 原理图绘制 原理图的绘制如下图所示 在 Proteus 软件下根据下图绘制出原理图 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 C1 1nF C2 1nF X1 CRYSTAL R1 10k C3 1uF 图 6 系统原理图 图中 U1 为单片机 AT89C51 C1 C2 为 30pf 的电容 C3 为 10pf 的电解 电容 X1 为 12MHz 的晶体振荡器 K1 为按钮开关 AT89C51 的 P1 P2 分别 接一个七段数码管 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文26 26 三 Proteus 电路仿真与结果分析 1 Keil C 软件 用到了 Keil C 软件 集成调试环境 集成了编辑器 译码器 调试器 支 持软件模拟 支持项目管理功能强大的观察窗口 支持所有的数据类型 树状 结构显示 一目了然 支持 ASM 汇编 C 语言多模块源程序混合调试 在 直接修改 编译 调试源程序 错误指令定位 功能很强大 用于对程序的调 试和编辑 其界面如下 图 7 Keil C 界面 2 Proteus 软件 系统仿真还用到了 Proteus 软件 可通过仿真显示出所设计系统的功能 对 于程序的调试等有很大的帮助 系统仿真时首先在使用 Keil C 译码器 把所写的程序进行编译 同时在仿 真器里设置生成 HEX 文件 编译无错误进行 Proteus 仿真 等所有的原件都连 接完成后可以把 Keil C 编译生成的无错误文件加载到 AT89C51 中 方法是 右键点中器件然后再用左键点击 出来一个对话框在 program file 后选择要添加 的文件 文件要求必须是 HEX 文件 然后可以点击运行观察现象 看与自己设 置的是否符合 如果不相符再查找错误进行修改 一般的错误都是程序中的 所以要认真的读取程序的每一个部分 系统的仿真图如下图 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文27 27 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 C1 1nF C2 1nF X1 CRYSTAL R1 10k C3 1uF 图 8 Proteus 电路仿真图 1 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 C1 1nF C2 1nF X1 CRYSTAL R1 10k C3 1uF 图 9 Proteus 电路仿真图 2 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文28 28 四 软 硬联调 首先 用烧录器把在 Keil C 软件下生成的 HEX 文件烧录到单片机 AT89C51 芯片中 烧录的步骤如下 选项 串口设置 芯片 选择芯片型号是 AT89C51 文件 装载 选择 HEX 文件 擦除 查空 编程 校验 其次 根据原理图焊接电路 焊接完后检查电路是否正确 是否有虚焊 确定无误后接到 5 伏的稳压电源 倒计时开始 九江职业技术学院电器学院电子工程系毕业论文29 29 单片机倒计时原理图单片机倒计时原理图 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberR evisionSize A3 Date 18 Apr 2010Sheet of File D 习习习习习习 习习习习 习习习习 习习习 习习习 DdbDrawn By EA VP 31 X1 19 X2 18 R ESET 9 R D 17 W R 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 T 1 P11 T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 R XD 10 IC 1 AT89C51 T1T2 C 130P C 230P Y1 6M HZ S1 R 18 200 C 3 R 17 10K 5V 5V