毕业设计116河南理工大学基于单片机的实时电子钟设计.doc
毕业设计116河南理工大学基于单片机的实时电子钟设计
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计116河南理工大学基于单片机的实时电子钟设计,电气电子毕业设计论文
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毕 业 设 计 姓名：陆逢春 专业：电气 03-4 班 学号： 03010094 指导老师：上官璇峰 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 2 基 于 单 片 机 的 实 时 电 子 钟 设 计 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 3 目 录 摘要 英文摘要 第 1 章 绪论 1 1 选题的目的和意义 1 2 国内外研究综述 第 2 章 单片机系统概述 2 1 单片机 的简介 2 2 单片机的发展 概述 2 3 单片机的 组成结构及 性能特点 2 4 单片机的应用 现状 2 5 单片机的 发展趋势 第 3 章 基于单片机的电子钟的硬件设计 3 1 使用单片机作为控制核心的依据 3 2 单片机型号的选择 3 3 AT89C51 单片机的性能特点 3 4 设计的记时方案和键盘 /显示方案 3 5 硬件设计及原理图 第 4 章 基于单片机的电子钟的软件设计 4 1 软件 设计的主程序 4 2 记时器中断子程序 4 3 压缩 BCD 拆分子程 序 4 4 显示子程序 4 5 键盘子程序 第 5 章 总结 参考文献 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 4 摘 要 该电子钟使用单片机 AT89C51 作为中心控制， 通过软件编程的 方 法实现了以 24 小时为一个周期同时显示小时，分 钟和秒的要求，并在计时过程中具有报时功能，当时间到达整点进行 报时。该电子钟 还 可以随时进行时间校对。 ABSTRACT This electron clock use monolithic integrated circuit AT89C51 took the center control, the method which programmed through software has realized as a cycle simultaneously demonstrates take 24 hours the hour, minute and a second request, and had in the time process reports time the function, at that time arrived the integral point to carry on reports time. This electron clock also may carry on time proofreading as necessary. nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 5 第 1 章 绪 论 1 1 选题的目的和意义 随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作。且单片机广泛地应用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，提高它们的测量速度和测量精度，加强控制功能。 电子钟设计与制作可采用数字电路实现，也可以采用单片机来完成。若用数字电路完成，所设计的电路相当复杂，大 概需要十几片数字集成块，其功能也主要依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现，焊接的过程比较复杂，成本也非常高。若用单片机来设计制作完成，由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，那么就降低了硬件电路的复杂性，而且其成本也有所降低。 在国外，单片机技术发展与应用己达到相当高的程度 ;在国内，单片机技术发展也十分迅速，然而与国外相比还存在较大的差距。 1 2 国内外研究综述 单片机诞生于 20 世纪 70 年代，象 Fairchid 公司研制的 F8 单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元 (Center Processing Unit,也即常称的 CPU)和数据存储器 (RAM)、程序存储器 (ROM)及其他 I/O 通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及 A/D 转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。 20 世纪 70 年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把 CPU、 RAM 有的还包括了一些简单的 I/O 口集成到芯片上，象 Farichild 公司就属于这一类型，nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 6 它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有 Zilog 公司的 Z80 微处理器。 1976 年 INTEL 公司推出了 MCS-48 单片机，这个时期的单片机才是真正的 8 位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。 在 MCS-48 的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象 Zilog 公司的 Z8 系列。到了 80 年代初，单片机已发展到了高性能阶段 ，象 INTEL 公司的 MCS-51 系列， Motorola 公司的 6801 和 6802系列， Rokwell 公司的 6501 及 6502 系列等等 ,此外 ,日本的著名电气公司NEC 和 HITACHI 都相继开发了具有自己特色的专用单片机。 80 年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列， 300 多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了 CPU、 RAM、 ROM、数目繁多的 I/O 接口、多种中断系统，甚至还有一些带 A/D 转换器的单片机，功能越来越强大， RAM 和 ROM 的容量也越来越大，寻址空间甚 至可达 64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。 1982 年以后， 16 位单片机问世，代表产品是 INTEL 公司的 MCS-96系列， 16 位单片机比起 8 位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了 12 万只晶体管， RAM 增加到了 232 字节，ROM 则达到了 8kB，并且有 8 个中断源，同时配置了多路的 A/D 转换通道，高速的 I/O 处理单元，适用于更复杂的控制系统。 九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国 Microchip 公司发布了一种完全不兼容 MCS-51 的新一代 PIC 系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有 33 条精简指令集吸引了不少用户，使人们从 INTEL 的 111 条复杂指令集中走出来。 PIC 单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 7 地。 随后的事情，熟悉单片机的人士都比较清楚了，更多的单片机种蜂拥而至， MOTOROLA 公司相继发布了 MC68HC 系列单片机，日本的几个著名公司都研制出了性能更强的产品，但日本的单片机一般均用于专用系统控制，而不象 INTEL 等公司投放 到市场形成通用单片机。例如 NEC 公司生产的 uCOM87 系列单片机，其代表作 uPC7811 是一种性能相当优异的单片机。 MOTOROLA 公司的 MC68HC05 系列其高速低价等特点赢得了不少用户。 Zilog 公司的 Z8 系列产品代表作是 Z8671，内含 BASIC Debug 解释程序，极大地方便用户。而美国国半的 COP800 系列单片机则采用先进的哈佛结构。 ATMEL 公司则把单片机技术与先进的 Flash 存储技术完美地结合起来，发布了性能相当优秀的 AT89 系列单片机。包括中国的台湾HOLTEK 和 WINBOND 等公司也纷纷 加入了单片机发展行列，凭着他们廉价的优势，分享一杯美羹。 1990年美国 INTEL公司推出了 80960超级 32位单片机引起了计算机界的轰动，产品相继投放市场，成为单片机发展史上又一个重要的里程碑。 此期间，单片机园地里，单片机品种异彩纷呈，争奇斗艳。有 8 位、16 位甚至 32 位机，但 8 位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。而 INTEL 公司凭着他们雄厚的技术，性能优秀的机型和良好的基础，目前仍是单片机的主流产品。只不过是九十年代中期， INTEL 公司忙着开 发他们个人电脑微处理器，已没有足够的精力继续发展自己创导的单片机技术，而由PHILIPS 等公司继续发展 C51 系列单片机。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 8 第 2 章 单片机系统概述 2 1 单片机的简介 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理 )的微处理器 (CPU)，随机存取数据存储器 (RAM)，只读程序存储器 (ROM)，输入输出电路 (I/O 口 )，可能还包括定时计数器，串行通信口 (SCI)，显示驱动电路 (LCD 或 LED驱动电路 )，脉宽调制电路 (PWM)，模拟多路转换器及 A/D 转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。 由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。 然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑 (PC 机 )有着本质的区别，单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解 单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。 不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据 处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件 (包含可支持开发应用程序的软件资源 )及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。 单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 9 控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。 诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴 或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。 2 2 单片机的发展概述 1946 年第一台电子计算机诞生至今，只有 60 年的时间，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路，现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近 20 年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水 平的重要标志。 单片机是应工业测控系统数字化、智能化的迫切要求而提出的。超大规模集成电路的出现，通用 CPU 及其外围电路技术的发展成熟，为单片机的诞生和发展提供了可能。单片机的发展完全从工业测控对象、环境、接口等特点出发，不断曾强其控制功能，保证在工业测控环境中的可靠性，其接口界面也是按照能灵活、方便的构成工业测控用计算机系统而设计的。它的出现标志着计算机技术在工业领域中的应用开始走向完成与成熟。 8 位 单片机从 1976 年面世至今，其技术已经有个巨大的发展，目前乃至将来仍是单片机的主流机型。其发展阶段大 致分为单片机探索阶段、单片机完善阶段、 MCU 形成阶段和 MCU 完善阶段。 2.2.1 单片机探索阶段 探索阶段始于 1974 年，该阶段的任务是探索计算机的单芯片集成。 由于工控领域对计算机提出了嵌入式应用要求，即要实现单芯片形态的计nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 10 算机，以满足构成大量中小型智能化测控系统的要求。 在计算机单芯片集成体系结构的探索中有两种模式，即通用 CPU 模式和专用 CPU 模式。 （ 1） 通用 CPU 模式。采用通用 CPU 和通用外围单元电路的集 成方式，这种模式以 Motorola 的 MC6801 为代表。它将通用 CPU、增强型的 6800+和 6875（时钟）、 6810（ 128B RAM）、 2 6830（ 1KB ROM）、1/2 6821（并行 I/O）、 1/3 6840（定时器 /计数器）、 6850（串行 I/O）集成在一个芯片上，采用 6800CPU 的指令系统。 （ 2） 专用 CPU 模式。专门为嵌入式系统而设计，采用 CPU 与 外围电路的集成方式。这种专用方式以 Intel 公司的 MCS 48 为代表，其 CPU、存储器、定时器 /计数器、中断系统、 I/O 口、时钟以及指令系统都是按嵌入式系统要求专门设计的。 这一阶段的目的在于探索单片形态计算机的体系结构。事实证明，这两种方法 多是可行的。专用 CPU 模式能充分满足嵌入式应用的要求，成为后来单片机发展的主要体系结构模式；通用 CPU 模式则与通用 CPU 构成的通用计算机兼容，应用系统开发方便，成为后来嵌入式微处理器的发展模式。 在这一阶段中还有一些公司推出性能各异的单片机。计算机单芯片集成探索成功，并正式命名为单片微型计算机（ Single Chip Microcomputer） 。 2.2.2 单片机完善阶段 计算机的单芯片集成探索，特别是专用 CPU 型单片机探索取得成功， 肯定了单片机作为嵌入式系统应用的广阔前景。随后的任务是如何完善单片机 的体系结构，如何充分体现出嵌入式应用的特点。作为这一阶段的典型特征是 Intel 公司将 MCS 48 迅速想 MCS 51 系列的过渡。 MCS 51 是完全按照嵌入式应用而设计的单片机，在以下几个重要技术方面完善了单片机的体系结构。 （ 1） 面向对象、突出控制功能，满足嵌入式应用的专用 CPU 及 CPU nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 11 外围电路体系结构。 （ 2） 寻址范围规范为 16 位和 8 位的寻址空间。 （ 3） 特殊功能寄存器（ SFR）的集中管理模式。 （ 4） 设置位地址空间，提供位寻址及位操作功能。 （ 5） 指令系统突出控制功能。有位操作指令、 I/O 管理指令及大量 的转移指令。 （ 6） 规范的总 线结构。有 8 位数据总线、 16 位地址总线以及多功 能的异步串行接口 USART（ Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter）。 单片机的完善，特别是 MCS 51 系列对单片机体系结构的完善，奠定了它在单片机领域的经典地位。时至今日，许多半导体厂家以 MCS 51 中的 8051 位核心，派生出许多新一代的 80C51 单片机系列，具有旺盛的生命力。 2.2.3 微控制器的形成阶段 单片机完善阶段标志了作为单片机形态、嵌入式应用的计算机体系结 构的完善。但 要面向测控对象，不仅要求有完善的计算机体系结构，还要求有许多面向测控对象的接口电路，如 ADC、 DAC、高速 I/O、计数器的捕捉与比较等，保证程序可靠运行的 WDT（程序监视定时器），保证高速数据传输的 DMA（直接存储器存取）等。这些为满足测控要求而设置的外围电路，大多数已超出了一般计算机的体系结构。为了满足测控系统的嵌入式应用要求，这一阶段单片机技术的主要发展方向是在片内增强了满足测控对象要求的电路，从而形成了不同于 Single Chip Microcomputer 特点的微控制器。 这一阶段的代表机型为 80C51 系列，是许多半导体厂家以 MCS 51 系列中的 8051 为基核发展起来的满足各种嵌入式应用的各种型号单片机。除此之外，还有许多知名的其他单片机系列。 这一阶段微控制器技术发展的主要方面有： nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 （ 1）外围功能集成。满足模拟量输入的 ADC，满足伺服驱动的 PWM，满足高速 I/O 口以及保证程序可靠运行的程序监视定时器 WDT。 （ 2）出现了为满足串行外围扩展要求的串行扩展总线及接口，如 SPI、ICBUS、 Microwire、 1-Wire 等。 （ 3）出现了为满足我分布式系统、突出控制功能的现场总接线口，如 CANBUS（ Controller Area Network BUS）等。 （ 4）在程序存储器方面则迅速引进 OTP（ One Time Programmable）供应状态，为单片机应用创造了良好的条件，随后 Flash ROM 的推广，为最终取消外部程序存储器扩展奠定了良好的基础。 2.2.4 微控制器百花齐放 当前生产的单片机称为第四代单片机，其显著特征是百花齐放、技术创新，以满足日益增长需求。 （ 1） 电气商、半导体商的普遍投入。今天，世界上大的电气公 司、半导体公司无不介入单片机产业，如菲利浦、西门子、三菱、东芝等，均介 入了单片机产业，并从中获取了丰厚利润。 （ 2） 满足各种要求的微控制器层出不穷。单片机面向最底层的 电子技术应用，从玩具、小家电、工程控制单元到机器人、智能仪表、个人信息终端等，面对不同对象，推出适合不同领域要求的单片机系列。 （ 3） 大力发展专用型单片机。早期单片机以通用型为主，随着 市场的扩大、单片机设计、生产周期的缩短和成本的下降，推动了专用单片机的发展。专用单片机具有成本低、资源有效利用率高、系统外围电路少、可靠性高等特点，是未来单片机发展的一个重要方向。 （ 4） 致力于提高单片机综合品质。由于所有大电气公司、半导 体公司 的投入，形成了十分激烈的竞争局面，是单片机的综合品质，如成本、性能、体系结构、开发环境、供应状态等，都有了长足的进步。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 13 2 3 单片机的组成结构及性能特点 通常，一个微型计算机系统由微型计算机与外部设备组成，如图 2-1所示。而微型计算机则包含有微处理器、存储器、输入 输 出口及其他功能部件如定时 /计数器、中断系统等。它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来，通过输入 /输出口线与外部设备及外围芯片相连。 CPU时钟复位ROMRAM定时记数器中断系统I / O口外部设备图 2-1 微型计算机系统结构 2.3.1 单片机的组成结构 微型计算机的基本结构是由中央处理器 (CPU)、储存器 (RAM/ROM)、和拍设备构成的 。 所谓的单片机是指将上述微型计算机 3 个单元的多个分体中的主要功能用 1 个集成电路芯片来实现，使该芯片具有一个微型计算机的基本功能 .这种超大规模集成电路芯片即称为单片微型计算机，通常简称单片机。 单片机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种。单片机全称为单片微型机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器 (Microcontroller)。其典型结构如图 2-2 所示。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 14 外 部 定 时软 件系 统 时 钟R O MC P U定 时 器 / 计 数器串 行 I / O并 行 I / OR A M复 位中 断电 源TT x DR x D图 2-2 单片机结构原理 1、中央处理器 CPU CPU 是单片机的核心部件，它通常由图 4.1 所示的运算器、控制器和中断电路等器件组成。 CPU 进行算术运算和逻辑操作的字长有 4 位、 8 位、16 位和 32 位之分，字长越长运算速度越快，数据处理能力也越强。 2、存储器 在单片机内部， ROM 和 RAM 存储器是分开制造的。通常， ROM 存储器容量较大， RAM 存储器的容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。 1) ROM 存储器 ROM 存储器一般为 1-64K 字节，用于存放应用程序，故又称为程 序存储器。由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统研制成功，其硬件和应用程序均已定型。为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内 ROM 中。根据片内 ROM 的结构，单片机又可分为无 ROM 型 ,ROM型和 EPROM 型三类。近年来又出现了 EPROM 和 Flash 型 ROM 存储器。 无 ROM 型单片机特点是片内不集成 ROM 存储器，故应用程序必须卿化到外接的 ROM 存储器芯片中才能构成有完整功能的单片机应用系统。 ROM 型单片机内部，其程序存储器是采用掩膜工 艺制成的，程序一nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 15 旦固化进去便永远不能修改。 EPROM 型单片机内 部的程序存储器是采用特殊 FAMOS 管构成的，程序一旦写入，也可通过特殊手段加以修改。 IS ZPROM(Electrically EPROM)是 EPROM 的一种，它是利用电脉冲擦除所存信息的 EPROM. EPROM 在擦除信息时无需从所用系统上拆卸下来，可以通过长途通讯线路对它进行远距离擦除和再编程。其可以分为字节擦除和片擦除两种方式 :字节擦除时可以一次 (50ms 单脉冲 )擦除一个字节，片擦除时可以一次擦除芯片上的所有存储信息。快擦型存储器 (Flash型 ROM)具有 EPROM 的特点，又可在计算机内进行擦除和编程 ，它的读取时间与DRAM 相似，而写时间与磁盘驱动器相当。 2) RAM 存储器 通常，单片机片内 RAM 存储器容量为 64-256 字节，最多可达 48K字节。 RAM 存储器主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。 3、 I/O 接口和特殊功能部件 1/O 接口电路有串行和并行两种。串行 1/O 用于串行通信，它可以把单片机内部的并行 8 位数据 (8 位机 )变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给 CPU 处理。并行 I/O 口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送 8 位数据 (8 位机 )。通常，特殊功能部件包括 ;定时器、计数器、 A/D. D/A. DMA 通道和系统时钟等电路。定时器、计数器用于产生定时脉冲，以实现单片机的定时控制 ;A/D 和 D/A 转换器用于模拟量和数字量之间的相互转换，以完成实时数据的采集和控制， DMA 通道可以使单片机和外设之间实现数据的快速传送。 总之，某一单片机内部究竟包括哪些特殊功能部件以及特殊功能部件的数量是和它的型号有关的。 2.3.2 单片机的性能特点 1.体积小，质量轻 单片机的集成度很高，这是单片机家族最显著的特点之一，这是任何nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 16 其他微型机都无法比拟的。 2.性能高，价格低 性能价格比是衡量一个电子系统的一项主要技术和经济指标，单片机集 CPU、存储器和 I/0 功能于一身，像一块集成电路一样嵌入到系统中起着智能控制作用，但其价格像普通 IC 一样低廉，电子产品和系统的设计人员通常都把单片机定为首选部件作为控制核心。单片机优异的性能和低廉的价格，极大地推动了单片机市场的迅速发展。它为传统电子产品的智能化改造和新产品的研发提供了有力支持和保障。 3.高可靠，低功耗 单片机应用于测控领域，往往要接受恶劣环境的挑战。单片机在体系结构和指令系统方面都进行了针对性设计。它集成了存 储器和 1/O 接口，极大地减少了外围引线和外接器件，大大降低了外界干扰对系统的侵入。在运行方式上增加了掉电保护和程序运行监视系统 (WATCHDOG)功能，大大提高了用单片机构成系统工作的可靠性。自 20世纪 80年代中期以来，NMOS 工艺单片机逐渐被 CMOS 工艺代替，功耗也大幅度下降。 4.多档并存，各得其所 单片机另一显著特点是，高低档并存，各得其所。这是由单片机应用领域的广泛性和多样性所决定的。单片机作为测控领域中的一个主要机种，可靠的控制功能是其主要特点所在。而控制领域面对的对象多种多样，4 位、 8 位、 16 位 、 32 位机各有其不同的应用对象，因此，在相对较长的时间内，多档并存的局面是必然的。 5.控制功能强 为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、 I/0 口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。 6.抗干扰能力强 随着计算机技术、电磁兼容技术、传感器技术和信息技术的飞速发展和普及，数据采集与处理系统也越来越得到了广泛的应用。例如 :在生产nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 17 过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低生产成本提 供信息和手段 :在科学研究中，应用这一系统可获得大量的动态信号，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获得科学奥秘的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域，数据采集与处理越及时，工作效率、性能价格比就越高，取得的经济效益就越好。数据采集与处理系统的工作现场一般较恶劣，弥漫着各种干扰 (来自系统内部和外部的 )，这些干扰通常称之为噪声。当被测信号很微弱时，就会被噪声“淹没”掉，导致很大的数据采集与处理误差，可靠性降低，还可能造成系统失灵，甚至酿成重大事故。因此，噪声是数据采集与处理的主要障碍之一，为了能精确地采集与处理数据，必须考虑到存在的各种干扰对系统的影响，把抗千扰问题作为系统设计的一个至关重要的内容，从软、硬件设计以及 EDA 仿真技术三个方面采取相应的措施以增强系统的抗干扰能力。 单片机问世 30 多年来，从体系结构、运行速度、存储形式、接口功能等方面都有了长足的发展。单片机和同期微处理器一样都是高技术计算机产品 。由于单片机特点显著、功能突出，故在众多领域中获得广泛应用。 2 4 单片机的应用现状 单片机是为了实现控制功能而设计的一种微型计算机，它的应用首先是控制功能，即实现计算机控制。其实现手段采用嵌入方式，即嵌入到对象环境中作为一个智能控制单元。由于被控对象种类繁多，其应用也非常广泛。 由于单片机的集成度很高，它又具有体积小、质量轻、价格便宜、耗电少等突出特点，尤其耗电少，又可使供电电源体积小，质量轻。所以它的应用己深入到工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活用品等各种领域。单片机特别适合于将其做到产品的内部 ，取代部分老式机械、电子零件或元器件。可使产品缩小体积，增强功能，实现不同程度的智能化，这是其他任何计算机机种无法比拟的。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 18 单片机在各个技术领域的迅猛发展，与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关 : (1) 单片机构成的应用系统有较大的可靠性。 (2) 系统扩展和系统配置比较典型和规范，容易构成各种规模的应用系统。 (3) 由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的测控功能由软件实现，故具有柔性特点。 (4) 有优异的性能价格比。 随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展 ，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作。且单片机广泛地应用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，提高它们的测量速度和测量精度，加强控制功能。如 Mcs-51 系列单片机控制的“船舶航行状态自动记录仪”、“烟叶水分测试仪”、“智能超声波测厚仪”等。单片机也广泛地应用于实时控制系统中，例如对下SID 卜各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。将测量技术、自动控制技 术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处理功能和实时控制功能，使系统工作处于最佳状态，提高系统的生产效率和产品质量。从航空航天、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织等行业的分布系统与智能控制以及机电一体化设备和产品，到邮电通信、日用设备和器械，单片机都发挥了巨大作用。其应用 内容 大致可分为以下儿方面 : (1)机电一体化设备的控制核心 机电一体化是机械设备发展的方向。单片机的出现促进了机电一体化技术的发展，它作为机电产品的控制器，充分发挥其自身优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。最典型的 机电产品机器人，每个关节或动作部位都是个单片机控制系统 (2)数据采集系统的现场采集单元 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 19 大型数据采集系统，要求数据采集的同步性和实时性要好。使用单片机作为系统的前端采集单元，由主控计算机发出采集命令，再将采集到的数据逐一送到主计算机中进行处理。如有些气象部门、油田采油部门以及电厂等均可采用这样的系统。 (3)分布控制系统的前端控制器 在直接控制级的计算机分布控制系统 (DCS)中，单片机作为过程控制中每一分部操作或控制的控制器，进行数据采集、反馈计算、控制输出，并在上位机命令的指挥下进行相应协调工作。 (4)智能化仪表的机芯 自动化仪表的智能化程度越来越高。采用单片机的智能化仪表可具有自整定、自校正、自动补偿和自适应功能，还可进行数字 PID 调节，软件消除电流热噪声等等，解决传统仪表所不能解决的难题。单片机的应用使这种性能如虎添翼，如自动计费电度表、燃气表中己有这方面的应用。许多工业仪表中的智能流量计，气体分析仪、成分分析仅等也采用了这项技基于单片机的烘炉温度自动检测系统的研究与设计术。甚至有的保健治疗仪中也采用了单片机控制。 (5)消费类电子产品控制 该应用主要反映在家电领域，如洗衣机、空调器、保安系统、 VCD视盘机、电子秤、 IC 卡、手机、 BP 机等。这些设备中使用了单片机机芯后，大大提高了其控制功能和性能，并实现了智能化、最优化控制。 (6)终端及外围设备控制 计算机网络终端设备，如银行终端、商业 POS(自动收款机 )以及计算机外围设备如打印机、通信终端和智能化 UPS 等。在这些设备中使用单片机，使其具有计算、存储、显示、输入等功能，具有和计算机连接的接口，使计算机的能力及应用范围大大提高。 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 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 20 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）。 (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 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。 2 5 单片机的发展趋势 现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 21 造公司都推出了自己的单片机，从 8 位、 16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互 补，为单片机的应用提供广阔的天地。 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 2.5.1 低功耗 CMOS 化 MCS-51 系列的 8031 推出时的功耗达 630mW，而现在的单片机普遍 都在 100mW 左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机 制造商基本都采用了 CMOS(互补金属氧化物半导体工艺 )。象 80C51 就采 用了 HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺 )和 CHMOS(互补高密度金 属氧化物半导体工艺 )。 CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其 工作速度不够高，而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，这些特征， 更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一 段时期单片机发展的主要途径。 2.5.2 微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器 (CPU)、随机存取数据存储 (RAM)、只读程序存储器 (ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D转换器、 PMW(脉宽调制电路 )、 WDT(看门狗 )、有些单片机将 LCD(液晶 )驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大 。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中 SMD(表面封装 )越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 2.5.3 主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 80C51 为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品， ATMELnts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 22 公司的产品和中国台湾的 Winbond 系列单片 机。所以 C8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精简指令集 (RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的 HOLTEK 公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 23 第 3 章 基于单片机的电子钟的硬件设计 3 1 使用单片机作为控制核心的依据 随着电子技术的迅速发展，特别是超大规模集成电路产生而出现的微型计算机，给人类生活带来了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并己走入家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。 目前 ，可用于各类单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。 基于上述原因我们选用单片机作为核心控制。 3 2 单片机型号的选择 基于下列原因我们选用 AT89C51 作为控制核心。 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。在单片机家族的众多成员中， MCS-51 单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场 ，成为国内单片机应用领域的主流。 MCS-51 系列单片机是 Intel 公司在 20 世纪 80 年代初研制出来的，虽然近年来该公司已经把精力集中在了计算机的 CPU 生产上，但是，以MCS-51技术核心为主导的微控制器技术己被 ATMEL, PHIL工 PS等公司所继承，并且在原有基础上又进行了新的开发，从而产生了和 MCS-51 兼容而功能更加强劲的微控制器系列。 ATMEL 公司所生产的 89 系列单片机就是基于 Intel 公司的 MCS-51 系列而研制的并与 MCS-51 兼容的微控nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 24 制器系列。 ATMEL 公司是美国在 20 世纪 80 年代中期成 立并发展起来的半导体公司。该公司的技术优势在于 FLASH 存储技术、高质高可靠性的生产技术。随着业务的发展，在 20 世纪 90 年代初， ATMEL 公司一跃成为全球最大的 EEPROM 供应商。 1994 年，为了介入单片机市场， ATMEL 公司以 EEPROM 技术和 Intel 公司的 80C31 单片机核心技术进行交换，从而取得 80C31 核的使用权。 ATMEL 公司把自身的先进 Flash 存储器技术和8OC31 核相结合，从而生产出了 Flash 单片机 AT89 系列。这是一种内部含 Flash 存储器的特殊单片机系列。由于它内部含有大容量的 Flash 存储器，所以在产品开发及生产便携式商品、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也是目前取代传统的 MCS-51 系列单片机的主流单片机之一。 AT89C51 是一种低功耗、高性能的 8 位单片机。片内带有一个 4KB的 Flash 可编程、可擦除只读存储器 (EPROM)。它采用了 CMOS 工艺和ATMEL 公司的高密度非易失性存储器 (NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MSC-51 兼容。片内的 Flash 存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此 AT89C51 是一种功能强、灵活性高，且价格合 理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。 该器件采用了 ATMEL 的高密度非易失性的存储器工艺，并且可以与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚兼容。由于将多功能 8 位 CPU 与闪速式存储器组合在单个芯片中， AT89C51 是一种高效的微控制器，为很多嵌入式系统提供了高灵活性且价廉的方案。 3 3 AT89C51 单片机的性能特点 本系统所选用的 AT89C51 是美国 ATMEL 公司在 MCS-51 单片机的基础上设计生产的一种新型高性能的八位单片机。 AT89C51 采用 40 脚双列直插的封装方式，其中 P3.0(RXD)脚和P3.1(TXD)脚分别为串行输入和输出的引脚。 P1 口是一个准双向口，作通用 I/O 口使用 如图 nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 25 P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R S T( T X D ) P 3 . 1( I N T 0 ) P 3 . 2( I N T 1 ) P 3 . 3T 0 P 3 . 4T 1 P 3 . 5( W R ) P 3 . 6( R D ) P 3 . 7X T A L 1X T A L 2G N DV c cP 0 . 0 ( A D 0 )P 0 . 1 ( A D 1 )P 0 . 2 ( A D 2 )P 0 . 3 ( A D 3 )P 0 . 4 ( A D 4 )P 0 . 5 ( A D 5 )P 0 . 6 ( A D 6 )P 0 . 7 ( A D 7 )E A / V P PP S E NP 2 . 7 ( A 1 5 )P 2 . 6 ( A 1 4 )P 2 . 5 ( A 1 3 )P 2 . 4 ( A 1 2 )P 2 . 3 ( A 1 1 )P 2 . 2 ( A 1 0 )P 2 . 1 ( A 9 )P 2 . 0 ( A 8 )P D I P( R X D ) P 3 . 0A L E / P R O G图 3-1 AT89C51 芯片管脚图 单片机是整个系统的核心，对系统起监督、管理、控制作用，并进行复杂的信号处理，产生测试信号及控制整个检测过程。所以在选择单片机时，参考了以下标准。 (1)运行速度。单片机运行速度一般和系统匹配即可。 (2)存储空间。单片机内部存储器容量，外部可以扩展的存储器 (包括 1/0 Fl)空间 (3)单片机内部资源。单片机内部存储资 源越多，系统外接的部件就越少，这可提高系统的许多技术指标。 (4)可用性。指单片机是否能很容易地开发和利用，具体包括是否有合适nts河南理工大学毕业设计（论文）说明书 26 的开发工具，是否适合于大批量生产、性能价格比，是否有充足的资源，是否有现成的技术资源等。 (5)特殊功能。一般指可靠性、功耗、掉电保护、故障监视等。 从硬件角度来看，与 MCS-51 指令完全兼容的新一代 AT89CXX 系列机，比在片外加 EPROM 才能相
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