LCD电子定时闹钟的设计及制作

中国地质大学江城学院毕业论文 设计 I 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 II 摘摘 要要 时间是现代社会中不可缺少的一项参数 无论是平时生活还是社会生产都需要对时 间进行控制 有的场合对其精确性还有很高的要求 本设计采用单片机芯片进行计时 由于 AT89C51 系列单片机的体积小 成本低 控制器运算能力强 处理速度快 可以 精确计时 对于社会生产有着十分重要的作用 在此次设计中 AT89C51 单片机芯片是主要的元器件 通过它来控制电路的 LCD 晶振 电阻 电容 发光二极管 开关 喇叭等元件组成的硬件电路 再利用软 件来执行一定的程序来实现 LCD 电子定时闹钟计时功能和定时闹铃的设置和控制 由 于系统所用元器件较少 单片机所被占用的 I O 口不多 因此系统具有一定的可扩展性 关键词 关键词 单片机 计时 AT89C51 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 III ABSTRACT Time is the indispensable in the modern society whether a parameter normally live or social production all need to control over time some occasions to its accuracy and high requirements This design USES the monolithic integrated circuit chips for timing due to the volume of the series microcontroller AT89C51 is small low cost operation ability controller processing speed can accurate timing for social production plays a very important role In this design AT89C51 chip is the main components by which it can control circuit of LCD crystals resistor capacitor light emitting diodes switch loudspeaker elements such as hardware circuit reuse of software to perform certain procedures to achieve LCD electronic timing alarm clock function and regular alarm Settings and control Because the system which is less SCM used components is occupied I O mouth not much so system has certain expansibility Key word SCM Timing AT89C51 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 IV 目目 录录 1 引言 1 1 1 LCD 电子定时闹钟研究现状和发展趋势 1 1 2 设计本电子定时闹钟的目的和意义 1 1 3 本 LCD 电子闹钟的特点和功能介绍 2 1 3 1 数字钟介绍 2 1 3 2 本电子钟设计特点 2 1 3 3 本电子钟的主要功能 2 2 总体方案设计 3 2 1 总体设计方案 3 2 2 AT89C51 芯片介绍 3 2 2 1 单片机介绍 3 2 2 2 MCS 51 单片机内部总体结构 6 2 2 3 MCS 51 单片机的引脚 6 3 硬件设计 17 3 1 主控芯片 AT89C51 的设计 17 3 2 时钟电路部分设计 18 3 3 LCD 显示电路部分 19 3 4 喇叭部分的电路 21 4 软件设计 23 4 1 软件设计概述 23 4 2 主函数的设计 23 4 3 部分设计思想的说明 25 4 3 1 程序初始化 25 4 3 2 闹钟的实现 25 4 3 3 显示程序 26 结束语 27 致 谢 28 参考文献 29 附 录 30 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 1 1 1 引言引言 1 11 1 LCDLCD 电子定时闹钟研究现状和发展趋势电子定时闹钟研究现状和发展趋势 现在是一个高度发达的高科技的时代 目前单片机正朝向高性能和多品种方向发展 而且进一步向低功耗 小体积 大容量 高性能 低价格和外围电路内装化等几个方向 发展 单片机的应用还从根本上改变了传统的控制系统设计思想和方法 从前必须由模 拟电路和数字电路实现的大部分功能 现在已经能够用单片机运用软件方法来实现了 因此称之为软件代替硬件的控制技术 一个世纪以来 单片机技术如今已经受到了迅速 的推广及运用 渗透到我们生活的各个领域 在智能仪器 工业控制 家用电器 计算 机网络和通信等都得到广泛的应用 世界各大电气厂家 测控技术企业 机电行业大批 竞相把单片机应用于产品更新 作为实现数字化 智能化的核心部件 随着集成电路技 术的不断发展 单片机的性能也在不断提高 其应用的范围必将越来越宽广 LCD 电子定时闹钟使用数字电路技术实现时分秒计时的装置 有更高的准确性和直 观性 寿命更长 广泛的应用于家庭 车站 办公室等场所 成为人们日常生活不可缺 少的必需品 它给人们带来了很大的方便 由于时钟的实用性和在人们生活中的重要性 所以 以单片机为核心的数字时钟是 很有社会意义和社会价值的 钟表原先的报时功能已经原不能满足人们日益增长的要求 现代的电子时钟多带有类似自动报警 按时自动打铃 时间程序自动控制 定时广播 自动起闭路灯 通断动力设备 甚至各种定时电气的自动启用等功能 现在是高度发达的社会 时间观念很重要 自古以来人们对时间的控制都是十分棘 手的问题 俗话说事件就时间就是生命 LCD 电子定时闹钟的多功能化必定将一步一步 的开拓出来 与时间相关的产品在任何时候都是不可或缺的物质 它的前景一如既往的 远大 1 21 2 设计本电子定时闹钟的目的和意义设计本电子定时闹钟的目的和意义 本设计可以让我对所学过的知识进行系统的回顾和总结 不仅如此 我在主动去找 寻找更多的资料的同时 了解了更多的知识 也培养了我的设计能力和解决实际问题的 能力 增强了自我的学习能力 通过本 LCD 电子定时闹钟的设计我也初步掌握了组成 系统 编程 调试等能力应用 并且初步了解了单片机应用系统开发研制过程 软件和 硬件设计的方法 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 2 1 31 3 本本 LCDLCD 电子闹钟的特点和功能介绍电子闹钟的特点和功能介绍 1 3 11 3 1 数字钟介绍数字钟介绍 时钟是将小时 分钟 秒钟显示于人的肉眼的计时装置 而单片机模块中最常见的 正是数字钟 数字钟是一种用数字电路技术实现时 分 秒计时的装置 与机械式时钟 相比具有更高的准确性和直观性 且无机械装置 具有更长的使用寿命 因此得到了广 泛的使用 而 LCD 电子定时闹钟是以单片机为基础的数字电路实现对时 分 秒的数 字显示的数字计时装置 它的计时周期为 24 小时 另外应有校时功能和一些显示日期 闹钟等附加功能 一个基本的数字钟电路主要由译码显示器 时 分 秒 星期 计数器 校时电路 报时电路和振荡器组成 目前电子钟广泛用于各种私人和公众场合 成为我们生活 工作和学习中不可缺少的好帮手 由于时钟的实用性和在人们生活中的重要性 所以尝试设计以单片机为核心的数字 时钟是很有意义的 钟表原先的报时功能已经原不能满足人们日益增长的要求 现代的 电子时钟多带有类似自动报警 按时自动打铃 时间程序自动控制 定时广播 自动起 闭路灯 通断动力设备 甚至各种定时电气的自动启用等功能 本设计中 LCD 电子时 钟采用 LCD 显示时间和日期年月 直观实用 而且可以方便的校调 附带的万年历和 定时功能也是很方便和实用的 1 3 21 3 2 本电子钟设计特点本电子钟设计特点 本 LCD 电子定时闹钟是一种基于单片机技术的多功能 多用途的电子产品 有电 子时钟 日期显示 定时闹铃等多种功能 本设计产品性能卓越 功能丰富 采用 LCD 显示更加直观 是一个比较实用的电子产品 1 3 31 3 3 本电子钟的主要功能本电子钟的主要功能 1 可以显示 24 小时制 时时 分分 秒秒 LCD 显示 2 可以显示日期 具有万年历功能 3 可以方便的设定定时时间 修改定时时间 闹铃功能 预设定时时间到将发出 闹铃声 4 能够修改时钟时间的时 分 秒 能够修改日期的年月日 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 3 2 2 总体方案设计总体方案设计 2 12 1 总体设计方案总体设计方案 本 LCD 定时闹钟 是以单片机及外围接口电路为核心硬件 辅以其他外围硬件电 路 用汇编语言设计的程序来实现的 根据 C51 单片机的外围接口特点扩展相应的硬件 电路 然后根据单片机的指令设计出数字钟相应的软件 再利用软件执行一定的程序来 实现数字钟的功能 由于采用集成芯片性的单片机来制作电子钟 这样设计制作简单而 且功能多 精确度高 也可方便扩充其他功能 实现也十分简单 本设计是利用 AT89C51 单片机为主控芯片 由 LCD 晶振 电阻 电容 发光二 极管 开关 喇叭等元件组成硬件电路 通过编写软件程序来实现和控制的数字定时闹 钟 总体的硬件系统结构框图如图 2 1 所示 图图 2 1 硬件电路概念示意图硬件电路概念示意图 其中 AT89C51 为硬件系统的核心部分 震荡电路为单片机芯片提供时钟信号 调时 电路用来设置时间和闹铃时间 输出分为两部分 一部分连接到 LCD 用于时间的显示 一部分连接到喇叭 用于闹铃声音的输出 2 22 2 AT89C51 芯片介绍芯片介绍 2 2 12 2 1 单片机介绍单片机介绍 单片微型计算机 Single Chip Micro Computer 简称单片机 SCM 它是将组成微 AT89C51 震荡 电路 调时电路 喇叭 LCD 片选代码 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 4 型计算机的各部件 中央处理器 CPU 储存器 I 0 接口电路 定时器 计数器等 集 成在一块电路芯片上 构成一个完整的微型计算器 1 单片机的发展历史单片机的发展历史 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末 经历了探索 完善 MCU 化 百花齐放四个阶 段 1 芯片化探索阶段 20 世纪 70 午代 美国的 Fairchild 仙童 公司首先推出了第一款单片机 F 8 随后 Intel 公司推出了影响面大 应用更广的 MCS48 单片机系列 MCS48 单片机系列的推出 标志着在工业控制领域 进入到智能化嵌入式应用的芯片形态计算机的探索阶段 参与 这一探索阶段的还有 Motorola Zilog 和 Ti 等大公司 它们都取得了满意的探索效果 确立了在 SCMC 的嵌入式应用中的地位 这就是 Single Chip Microcomputer 的诞生年代 单片机一词即由此而来 这一时期的特点是 嵌入式计算机系统的芯片集成设计 少资源 无软件 只保证基本控制功能 2 结构体系的完善阶段 在 MCS 48 探索成功的基础上很快推出了完善的 典型的单片机系列 MCS 5l MCS 51 系列单片机的推出 标志着 Single Chip Microcomputer 体系结构的完善 它 在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机的体系结构 完善的总线结构 并行总线 8 位数据总线 16 位地址总线及相应的控制总线 两个独立的地址空 间 串行总线 通信总线 扩展总线 完善的指令系统 具有很强的位处理功能和逻辑控制功能 以满足工业控制等方面的需要 功能单元的 SFR 特殊功能寄存器 集中管理 完善的 MCS 51 成为 SCMC 的经典体系结构 日后 许多电气商在 MCS 51 的内核和体系结构的基础上 生产出各具特色的单片 机 3 从 SCMC 向 MCU 化过渡阶段 Intel 公司推出的 MCS96 单片机 将一些用于测控系统的模数转换器 ADC 程序 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 5 运行监视器 WDT 脉宽调制器 PWM 高速 I O 口纳入片中 体现了单片机的微控制 器特征 由于 MCS 51 单片机系列向各大电气商的广泛扩散 许多电气商竞相使用 80C51 为核 将许多在测控系统中使用的电路技术 接口技术 可靠性技术应用到单片 机中 随着单片机内外围功能电路的增强 进一步强化了智能控制器的特征 微控制器 Microcontrollers 成为单片机较为准确表达的名词 其特点是 满足嵌入式应用要求的外围扩展 如 WDT PWM ADC DAC 高速 I 0 口等 众多计算机外围功能集成 如 提供串行扩展总线 SPI I2C BUS Microwire 配置现场总线接口 CAN BUS CMOS 化 提供功耗管理功能 提供 OTP 供应状态 利于大规模和批量生产 4 MCU 的百花齐放阶段 单片机发展到这一阶段 表明单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制 工具 小到玩具 家电行业 大到车载 舰船电子系统 遍及计量测试 工业过程控 制 机械电子 金融电子 商用电子 办公自动化 工业机器人 军事和航空航天等领 域 为满足不同的要求 出现了高速 大寻址范围 强运算能力和多机通信能力的 8 位 16 位 32 位通用型单片机 小型廉价型 外围系统集成的专用型单片机 以及形形色 色各具特色的现代单片机 可以说 单片机的发展进入了百花齐放的时代 为用户的选 择提供了广阔的空间 2 单片机的发展趋势单片机的发展趋势 当前 单片机正朝着高性能和多品种方向发展 预计 单片机将进一步向着 CMOS 化 低功耗 小体积 大容量 高性能 低价格和外围电路内装化等几个方向发展 3 单片机的特点单片机的特点 1 性能价格比高 2 集成度高 体积小 可靠性高 由于单片机将各功能部件集成在一块芯片上 且内部采用总线结构 减少了各芯片之间的连线 从而大大提高单片机的可靠性与抗干 扰能力 另外 因其体积小 对于强磁场环境易于采取屏蔽措施 适合在恶劣环境下工 作 3 控制功能强 为满足工业控制的要求 一般单片机的指令系统中均有极丰富 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 6 的转移指令 I O 接口的逻辑操作极为处理功能 单片机的逻辑控制功能及运行速度均 高于同一档次的微型计算机 4 低能耗 低电压 便于生产便携式产品 5 外部总线增加了 I2C 及 SPI 等串行总线方式 进一步缩小了体积 简化了结构 6 单片机的系统扩展和系统配置较经典 规范 易于构成各种规模的应用系统 4 单片机的应用单片机的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹 导弹的导航装置 飞机上各种仪表的控制 计算机的网络通讯与数据传输 工业自动化 过程的实时控制和数据处理 广泛使用的各种智能 IC 卡 民用豪华轿车的安全保障系 统 录像机 摄像机 全自动洗衣机的控制 以及程控玩具 电子宠物等等 这些都 离不开单片机 更不用说自动控制领域的机器人 智能仪表 医疗器械以及各种智能机 械了 5 单片机的分类单片机的分类 单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类 1 通用型单片机具有比较丰富的内部资源 性能全面且适应性强 能覆盖多种 应用需求 2 专用单片机是专门针对某个特定产品的 例如 专用于电机控制的单片机 车载电子设备 语音信号处理和家用电器中的单片机等 2 2 22 2 2 MCSMCS 5151 单片机内部总体结构单片机内部总体结构 MCS 51 系列单片机是在一块芯片中集成了 CPU RAM ROM 输入 输出接口 系统总线等基本部件构成微型计算机基本部件的 8 位单片机 其内部构造如图 2 2 所示 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 7 图图 2 2 MCS 51 单片机内部总体结构图单片机内部总体结构图 2 2 32 2 3 MCS 51MCS 51 单片机的引脚单片机的引脚 MCS 51 单片机的引脚图 逻辑图见图 2 3 1 引脚功能说明引脚功能说明 1 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 每位以吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 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 这组端口线分时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内 部上拉电阻 在 Flash 编程时 P0 口指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校验 时 要求外接上拉电阻 10 图图 2 3 MCS 51 单片机的引脚图 逻辑图单片机的引脚图 逻辑图 C P U 存储器 并 行 I O 接 口 定时器 计数器中断系统 P0 P3TXD RXD TINT 并 行 I O 接 口 2 3 0 PINT 6 3 PWR 3 3 1 PINT 0 1P 1 1P 2 1P 3 1P 4 1P 5 1P 6 1P 7 1P PD VRST 0 3 PRXD 1 3 PTXD 4 3 0 PT 5 3 1 PT 7 3 PRD 2XTAL 1XTAL Vss 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Vcc 0 0P 1 0P 2 0P 3 0P 4 0P 5 0P 6 0P 7 0P VppEA PROGALE PSEN 7 2P 6 2P 5 2P 4 2P 3 2P 2 2P 1 2P 0 2P21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 8031 8051 8751 Vcc Vss PD VRST 1XTAL 2XTAL VppEA PSEN PROGALE P3 口 第 二 功 能 P0 口 P1 口 P2 口 地 址 数 据 总 线 地 址 总 线 8031 8051 8751 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 8 2 P1 口 P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口的输出缓冲级可 驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 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 IIL 另外 P1 0 和 P1 1 还可分别作为定时 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T2EX 参见表 2 1 Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 表表 2 1 P1 0 和和 P1 1 的第二功能的第二功能 3 P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱 动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P2 端口写 1 通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 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 IIL 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 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 如执行 MOVX RI 指令 时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 Flash 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和一些控制信号 4 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可 驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上拉电 阻拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二功能 如表 2 2 所示 表表 2 2 P3 口的第二功能口的第二功能 引脚号功能特性 P1 0T2 定时 计数器 2 外部计数脉冲输入 时钟输出 P1 1T2EX 定时 计数 2 捕获 重装载触发和方向控制 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 P3 4INT1 外中断 1 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 9 此外 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号 5 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 6 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 对 Flash 存储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉冲 PROG 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 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 7 PSEN 程序储存允许 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 RSEN 信号 8 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 需要注意的是 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 Flash 存储器编程时 该引脚要加上 12V 的编程允许电源 VPP 当然这必须是该器 件是使用 12V 编程电压 VPP P3 5T0 定时 计数器 0 P3 6T1 定时 计数器 1 P3 7 WR 外部数据存储器写选通 P3 8RD 外部数据存储器读选通 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 10 9 XTAL1 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端 10 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 2 MCS 51 的微处理器的微处理器 MCS 51 的微处理器是由运算器和控制器所构成的 运算器 主要用来对操作数进行算术 逻辑运算和位操作 主要包括算术逻辑运算 单元 ALU 累加器 A 寄存器 B 位处理器 程序状态字寄存器 PSW 以及 BCD 码修正 电路等 控制器 单片机的指挥控制部件 控制器的主要任务是识别指令 并根据指令的性 质控制单片机各功能部件 从而保证单片机各部分能自动而协调地工作 3 MCS 51 存储器的结构存储器的结构 MCS 51 单片机存储器采用的是哈佛结构 即程序存储器空间和数据存储寻空间截 然分开 见图 3 4 其中程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式 寻址空间和控 制系统 这种结构对于单片机 面向控制 的实际应用极为方便 有利 1 程序存储器 MCS 51 单片机的程序存储器用于存放应用程序和表格之类的固定常数 可扩充的 程序存储器空间最大为 64K 字节 程序存储器的使用应注意以下两点 整个程序存储器空间可以分为片内和片外两部分 CPU 访问片内和片外程序存储 器 可由引脚所接的电平来确定 1 即引脚接高电平时 程序将从片内程序存储器开始执行 当 PC 值超出片内 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 11 ROM 的容量时 会自动转向片外程序存储器空间执行程序 0 即引脚接低电平时 单片机只执行片外程序存储器中的程序 7 图图 2 4 8051 8751 单片机的存储器单片机的存储器 程序存储器的某些单元被固定用于中断源的中断服务程序的入口地址 MCS 51 单片机复位后 程序存储器 PC 的内容为 0000H 故系统从 0000H 单元开 始取指令 执行程序 64K 程序存储器中有 5 个单元具有特殊用途 如下 0003H 外部中断 0 入口地址 000BH 定时器 0 中断入口地址 0013H 外部中断 1 入口地址 001BH 定时器 1 中断入口地址 0023H 串行口中断入口地址 在系统中断相应之后 将自动转各中断入口地址处执行序 而中断服务程序一般无 法存放于几个单元之内 因此在中断入口地址处往往存放一条无条件转移指令进行跳转 以便执行中断服务程序 2 MCS 51 内部数据存储器 MCS 51 单片机的片内数据存储器单元共有 128 个 字节地址为 00H 7FH 地址为 00H 1FH 的 32 个单元是 4 组通用工作寄存器区 每个区含 8 个 8 位寄存器 255 128 127127 48 8052 有 特殊功能 寄存器 127 120 7 0 R7 3 区 R0 R7 2 区 R0 R7 1 区 R0 R7 0 区 R0 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 12 内部 RAM 中的 可寻址位区 32 24 16 寄存器 8 0 内部数据储存器 图图 2 5 MCS 51 内部数据存储器的配置内部数据存储器的配置 编号为 R7 R0 地址为 20H 2FH 的 16 个单元可进行共 128 位的位寻址 地址为 30H 7FH 的单元为用户 RAM 区 只能进行字节寻址 其具体配置见图 2 5 3 特殊功能寄存器 SFR 特殊功能寄存器的总数为 21 个 离散的分布在该区域中 其中有些 SFR 还可以进 行位寻址 表 2 3 是该寄存器的名称及其地址分布 表表 2 3 SFR 名称及地址分布名称及地址分布 特殊功能寄存器符号名称字节地址位地址 BB 寄存器F0HF7H F0H ACC 或 A累加器 AE0HE7H E0H PSW程序状态字 PSWD0HD7H D0H 中断优先级控制IPB8HBFH B8H 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 13 P3P3 口B0HB7H B0H IE中断允许控制A8HAFH A8H P2P2 口A0HA7H A0H SBUF串行数据缓冲器99H SCON串行控制98H9FH 98H P1P1 口90H97H 90H TH1定时器 计数器 1 高八位 8DH TH0定时器 计数器 0 高八位 8CH TL1定时器 计数器 1 低八位 8BH TL0定时器 计数器 0 低八位 8AH TMOD定时器 计数器方式控制89H TCON定时器 计数器控制88H8FH 88H PCON电源控制87H DPH数据指针高字节83H DPL数据指针低字节82H SP堆栈指针81H P0 P0 口80H87H 80H 4 位地址空间 MCS 51 单片机指令系统中有丰富的位操作指令 这些指令构成了位处理机的指令 集 在 RAM 和 SFR 中共有 211 个位地址 位地址范围在 00H FFH 内 其中 00H 7FH 这 128 个位处于内部 RAM 字节地址 20H 2FH 单元中 如表 2 4 所示 11 表表 2 4 8051 内部内部 RAM 的可寻址位的可寻址位 位地址 字节地址 D7D6D5D4D3D2D1D0 2F7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H 2E77H76H75H74H7372H71H70H 2D6FH6EH6DH6CH6B6AH69H68H 2C67H66H65H64H6362H61H60H 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 14 2B5FH5EH5DH5CH5B5AH59H58H 2A57H56H55H54H5352H51H50H 294FH4EH4DH4CH4B4AH49H48H 2847H46H45H44H4342H41H40H 273FH3EH3DH3CH3B3AH39H38H 2637H36H35H34H3332H31H30H 252FH2EH2DH2CH2B2AH29H28H 2427H26H25H24H2322H21H20H 231FH1EH1DH1CH1B1AH19H18H 2217H16H15H14H1312H11H10H 210FH0EH0DH0CH0B0AH09H08H 2007H06H05H04H0302H01H00H 其余的 83 个可寻址位分布在特殊功能寄存器 SFR 中 如表 2 5 所示 5 MCS 51 的并行 I O 口 图 2 6 给出了四个端口中每个典型位锁存器和 I O 缓冲器的功能框图 位锁存器作 为一个 D 触发器 根据来自 CPU 的 写锁存器 信号 记录来自内部总线上的数值 在 CPU 发出 读锁存器 信号时 将触发器的 Q 输出值放在内部总线上 在 CPU 发出 读管 脚 信号时 端口管脚本身的电平放到内部总线上 有些 读端口指令 令会激活 读锁存 器 信号 而其它指令则激活 读管脚 信号 表表 2 5 8051 特殊功能寄存器中的位地址特殊功能寄存器中的位地址 位地址 SFR 符号 D7D6D5D4D3D2D1D0 字节 地址 BF7HF6HF5HF4HF3HF2HF1HF0HF0H E7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0H ACC ACC 7ACC 6ACC 5ACC 4ACC 3ACC 2ACC 1ACC 0 E0H D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H PSW CYACF0RS1RS0OVF1P D0H 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 15 BDHBCHBBHBAHB9HB8H IP PT2PSPT1PX1PT0PX0 B8H B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0H P3 P3 7P3 6P3 5P3 4P3 3P3 2P3 1P3 0 B0H AFH ACHABHAAHA9HA8H IE EA ESET1EX1ET0EX0 A8H A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0H P2 P2 7P2 6P2 5P2 4P2 3P2 2P2 1P2 0 A0H 9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H SCON SM0SM1SM2RENTB8RB8T1R1 98H 97H96H95H94H93H92H91H90H P1 P1 7P1 6P1 5P1 4P1 3P1 2P1 1P1 0 90H 8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H TCON TF1TR1TF0TR0IE1IT0IE0IT0 88H 87H86H85H84H83H82H81H80H P0 P0 7P0 6P0 5P0 4P0 3P0 2P0 1P0 0 80H 并行 I O 口的应用要点 11 P0 口通常作为单片机的低字节地址 数据复用线 分时使用 即构成 A7 A0 地 址线和数据总线 DB 用 P2 口一般作为高 8 位地址线 A15 A8 使用 8031 单片机也是这样用的 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 16 P1 口一般情况下作为通用的 I O 口使用 P3 口在以下的情况下作为第二功能使用 串行通信使用 外部中断使用 定时器 计数器使用 扩展外部 RAM 时使用 控制信号 除上述情况外 则可以当作 I O 引脚 用 当某一引脚作为输入前 必须使引脚置 1 复位后 四个口的 32 个引脚均为高 电平 置 1 各个口由于输出结构不同 带负载能力也不同 6 MCS 51 的复位和复位电路 复位是单片机的初始化操作 只要 RST 引脚处至少保持 2 个机器周期的高电平就可 实现复位 复位后 各内部寄存器的状态如表 2 6 所示 图图 2 6 MCS51 端口结构端口结构 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 17 表表 2 6 8051 复位后寄存器的值复位后寄存器的值 寄存器内容寄存器内容 PC0000HTCON00H ACC00HT2CON00H B000HTH000H PSW00HTL000H SP07HTH100H DPTR0000HTL100H P0 P30FFHTH200H IP 8051 XXX00000BTL200H IP 8052 XXBRLDH00H IE 8051 0XX00000BRLDL00H IE 8052 0XBSCON00H TMOD00HSBUF不定 PCON HMOS 0XXXXXXXHPCOM CHMOS 0XXX0000B 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 18 3 硬件设计硬件设计 3 13 1 主控芯片主控芯片 AT89C51AT89C51 的设计的设计 单片机是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路器件 它在一块芯片 内集成了计算机的各种功能部件 构成一种单片式的微型计算机 20 世纪 80 年代以来 国际上单片机的发展迅速 其产品之多令人目不暇接 单片机应用不断深入 新技术层 出不穷 在我们日常学习和生活中 常见的有 51 系列 52 系列 PIC 系列等 其中 51 系列的单片机的模块化结构比较典型 为许多大公司和个人所采纳 在本 LCD 电子闹钟设计中就是采用利用我们熟悉的 AT89C51 单片机为主控芯片 AT89C51 单片机由微处理器 存储器 I O 口以及特殊功能寄存器 SFR 等部分构成 其 存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间 片内程序存储器的容 量为 4KB 片内数据存储器为 128 个字节 89C51 单片机有 4 个 8 位的并行 I O 口 P0 口 P1 口 P2 口和 P3 口 各个接口均由接口锁存器 输出驱动器 和输入缓冲器组成 P1 口是唯一的单功能口 仅能用作通用的数据输入 输出口 P3 口是双功能口除了具有 数据输入 输出功能外 每条接口还具有不同的第二功能 如 P3 0 是串行输入口线 P3 1 口是串行输出口线 在需要外部程序存储器和数据存储器扩展时 P0 可作为分时复 用的低 8 位地址 数据总线 P2 口可作为高 8 位的地址总线 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 各口管脚的备选功能如下所示 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 RST 复位输入 当器件被复位时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不 管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 19 持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程 电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 AT89C51 单片机由微处理器 存储器 I O 口以及特殊功能寄存器 SFR 等部分构成 其存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间 片内程序存储器的 容量为 4KB 片内数据存储器为 128 个字节 89C51 单片机有 4 个 8 位的并行 I O 口 P0 口 P1 口 P2 口和 P3 口 各个接口均由接口锁存器 输出驱动器 和输入缓冲器 组成 P1 口是唯一的单功能口 仅能用作通用的数据输入 输出口 P3 口是双功能口除 了具有数据输入 输出功能外 每条接口还各有第二功能 如 P3 0 是串行输入口线 P3 1 口是串行输出口线 在需要外部程序存储器和数据存储器扩展时 P0 可作为分时复 用的低 8 位地址 数据总线 P2 口可作为高 8 位的地址总线 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 AT89C51 单片机的 封装及管脚分布如图 3 1 所示 17 图图 3 1 AT89C51 单片机封装及管脚分布图单片机封装及管脚分布图 3 23 2 时钟电路部分时钟电路部分设计设计 AT89C51 系列的单片机的时钟方式分为内部方式和外部方式 内部方式就是在单片 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 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 20 机的 XTAL1 和 XTAL2 的两引脚外接晶振 就够成了自激振荡器在单片机内部产生时钟 脉冲信号 外部时钟方式是把外部已经有的时钟信号引入到单片机内部 时钟电路在计 算机系统中起着非常重要的作用 是保证系统正常工作的基础 在一个单片机应用系统 中 时钟有两方面的含义 一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号 主要由晶 振和外围电路组成 晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢 二是指系统的标准 定时时钟 即定时时间 本 LCD 电子闹钟设计是采用内部时钟方式 用一个 12MHz 晶振和两个 30Pf 瓷片 电容组成 为单片机提供标准时钟 其中两个瓷片电容起微调作用 其电路图见图 3 2 之所以采用高性能的振荡电路 因为 1 单片机电子钟的计时脉冲基准是由外部晶振的频率经过 12 分频后提供 采用内部 的定时 计数器来实现计时功能 所以 外接晶振频率精确度直接影响电子钟计时的准确 性 2 单片机电 子钟利用内部定时 计数器溢出产生中断 12M 晶振一般为 50ms 再乘 以相应的倍率来实现秒 分 时的转换 大家都知道从定时 计数器产生中断请求到响 应中断需要 3 8 个机器周期 定时中断子程序中的数据入栈和重装定时 计数器的初值还 需要占用数个机器周期 还有从中断入口转到中断子程序也要占用一定的 机器周期 图图 3 2 时钟电路时钟电路 3 33 3 LCDLCD 显示电路部分显示电路部分 为了获得更好的效果本设计并没有采用常见的 LED 而是采用了型号为 1602 的 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 21 LCD LCD 有 LED 数码显示更好的更的直观效果 也更加经久耐用 液晶显示模块体 积小功耗低 显示内容丰富 现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用 的信息显示器件之一了 本 LCD 是 2 行 16 列液晶 可显示 2 行 16 列英文字符 有 8 位 数据总线 D0 D7 RS R W EN 三个控制端口 共 14 线 工作电压为 5V 没背光 和常用的 1602B 功能和引脚一样 除了调背光的二个线脚 该模块也可只用 D4 D7 作为四位数据分两次传送 这样的话可以节省 MCU 的 I O 口资源 引脚说明 见表 3 1 VDD 电源正极 4 5 5 5V 通常使用 5V 电压 VL LCD 对比度调节端 电压调节范围为 0 5V 接正电源时对比度最弱 接地 电源时对比度最高 但对比度过高时会产生 鬼影 因此通常使用一个 10K 的电位器来 调整对比度 或者直接串接一个电阻到地 RS MCU 写入数据或者指令选择端 MCU 要写入指令时 使 RS 为低电平 MCU 要写入数据时 使 RS 为高电平 R W 读写控制端 R W 为高电平时 读取数据 R W 为低电平时 写入数据 E LCD 模块使能信号控制端 写数据时 需要下降沿触发模块 D0 D7 8 位数据总线 三态双向 如果 MCU 的 I O 口资源紧张的话 该模块也 可以只使用 4 位数据线 D4 D7 接口传送数据 本充电器就是采用 4 位数据传送方式 BLA LED 背光正极 需要背光时 BLA 串接一个限流电阻接 VDD BLK 接地 实测该模块的背光电流为 50mA 左右 BLK LED 背光地端 12 表表 3 13 1 LCDLCD 显示屏引脚说明显示屏引脚说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VCC电源地9D2双向数据口 2VDD电源正极10D3双向数据口 3VL对比度调节11D4双向数据口 4RS数据 命令选择12D5双向数据口 5R W读 写选择13D6双向数据口 6E模块使能端14D7双向数据口 7D0双向数据口15BLK背光源地 8D1双向数据口16BLA背光源正极 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 22 3 43 4 喇叭部分的电路喇叭部分的电路 扬声器的电路部分比较简单 如图 3 3 通过单片机发出的控制信号经过简单的放 大和处理后直接控制 LS1 喇叭 9 图图 3 3 SPEAKER 部分电路图部分电路图 其中 2N5088 的参数为 类型 NPN 集电极 发射集最小雪崩电压 Vceo V 30 集电极最大电流 Ic max mA 0 050 直流电流增益 hFE 最小值 dB 350 直流电流增益 hFE 最大值 dB 最小电流增益带宽乘积 Ft MHz 50 封装 温度 TO92 55 150 采用 2N5088 将获得更好更纯净的声音信号 LS1 是经典常见的喇叭 硬件总电路图如图 3 4 所示 R9 1k Q1 2N5088 R10 100 LS1 SPEAKER R11 1k K1 中国地质大学江城学院毕业论文 设计 23 图图 3 4 硬件总电路硬件总电路 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