基于单片机的比赛用计时器设计

基于单片机的比赛用计时器设计沈阳航空航天大学2010年6月摘要随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子线路。单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注。而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。本次设计以AT89S51、DS1302芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个多功能的电子计时器，该系统由5V直流电源供电，采用六位LED数码管动态扫描显示，并能准确显示时、分；两个按键实现对时间的设置。软件方面采用汇编语言编程。整个电子计时器系统能实现对时间的显示、调时、定时报警、计时和复位等功能，具有硬件结构简单、成本低、工作可靠、流程清晰等优点。关键词AT89S51DS1302计时器ABSTRACTWITHRAPIDDEVELOPMENTOFELECTRONICTECHNOLOGY,CONTROLSYSTEMSBASEDONSINGLECHIPHASBEENWIDELYUSEDININDUSTRY,AGRICULTURE,ELECTRICITY,ELECTRONICS,INTELLIGENTBUILDINGS,ETC,EMBEDDEDMICROCOMPUTERCONTROLSYSTEMASACORESUBJECTAND,INSTEADOFTHETRADITIONALCONTROLSYSTEMOFCONVENTIONALELECTRONICCIRCUITSSCM70YEARSSINCETHEINCEPTIONOFTHE20THCENTURY,WITHITSHIGHPERFORMANCEANDLOWCOST,BYTHEPEOPLESATTENTIONANDCONCERNTHESCM51SCMISTHEMOSTTYPICALANDMOSTREPRESENTATIVEONETHEDESIGNAT89S51,DS1302CHIPASTHECORE,SUPPLEMENTEDBYTHENECESSARYPERIPHERALCIRCUITS,DESIGNEDAMULTIFUNCTIONELECTRONICTIMER,WHICHCONSISTSOF5VDCPOWERSUPPLYITUSEOFSIXLEDDIGITALTUBETOBEDISPLAYEDWITHADYNAMICSCANNING,THROUGHTHELEDCANBEMOREACCURATETIMEINHOURSTWOSIMPLEKEYSTOACHIEVETHEADJUSTMENTOFTHETIMESOFTWAREUSINGASSEMBLYLANGUAGEPROGRAMMINGCOMPLETIONOFTHEENTIREELECTRONICTIMERSYSTEMCANDISPLAYTHETIME,TRANSFERTIME,TIMEALARM,TIMEANDRESETANDOTHERFUNCTIONS,HAVESOMEADVANTAGESABOUTSIMPLEHARDWARECONSTRUCTION,LOWCOST,RUNNINGDEPENDABLE,DISTINCTTECHNOLOGICALPROCESS,ETCKEYWORDSAT89S51DS1302TIMER目录1绪论111课题背景1111计时器的发展历史1112计时器的种类与应用212课题任务及要求313课题内容及安排32核心芯片简介421DS1302时钟芯片4211DS1302引脚功能与内部结构4212DS1302的控制字5213DS1302的复位引脚5214DS1302的数据输入输出6215DS1302的寄存器622单片机概述723AT89S51系列单片机8231AT89S51芯片的引脚及特点8232AT89S51的主要性能参数12233AT89S51的新功能133设计方案1431FPGA设计方案1432NE555时基电路设计方案1433单片机设计方案154软硬件设计1741硬件电路设计17411单片机AT89S51外围电路设计17412DS1302与单片机的接口设计18413显示电路设计19414复位电路设计21415报警电路设计22416键盘电路设计2342软件设计245调试运行2751系统的调试2752软件调试问题及解决2753焊接的问题及解决296课题总结30参考文献32致谢33附录元件清单34附录硬件电路图35附录程序清单361绪论近年来，随着科学技术的迅猛发展，生活水平的不断提高，在当今社会竞争如此激烈的大环境下，时间对与人们来说是越来越重要了，把握住了时间，就相当于把握住了机会，也把握住了自己的命运。怎么才能随时掌握时间呢当然，计时器的产生解决了这一难题，随着人类对计时器的不断探索和改进，使得大家能够更便捷更准确的掌握时间，计时器慢慢走进了我们生活的各个角落。本文阐述的数字钟计时器是日常生活中不可或缺的一个重要元素，广泛应用于家庭、个人以及车站、医院、机场、比赛场馆等公共场所，在完善服务的同时也给我们带来了许多方便。11课题背景进入21世纪以来，社会快速的发展改变了我们的生活节奏，在这快节奏的生活圈里，人们不断的强迫自己去适应并赶上发展的脚步。计时器的发展可以说是日新月异，早期的计时器普遍功能单一，性能不稳定。随着单片机的产生与发展，之前的一些问题将会被一一解决。这对于计时器的发展来说，将是一次飞跃性的突破。目前，单片机的使用已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。选择单片机作为计时器的控制模块，将在以往计时器的原有功能上增加一些附加的功能，用途更广泛，效率更高，而且稳定性高，有很好的保障性。111计时器的发展历史有关钟表计时器的发展历史，大致可以分为三个演变阶段一、从大型钟向小型钟演变；二、从小型钟向袋表过渡；三、从袋表向腕表发展。每一阶段的发展都是和当时的技术发明分不开的。早在14世纪中期，欧洲的英、法等国的高大建筑物上出现了报时钟，钟的动力来源于用绳索悬挂重锤，利用地心引力产生的重力作用。15世纪末、16世纪初出现了铁制发条，使钟有了新的动力来源，也为钟的小型化创造了条件。1583年，意大利人伽利略建立了著名的等时性理论，也就是钟摆的理论基础。1656年，荷兰的科学家惠更斯应用伽利略的理论设计了钟摆，第二年，在他的指导下年轻钟匠科斯勒制造成功了第一个摆钟。1675年，他又用游丝取代了原始的钟摆，这样就形成了以发条为动力、以游丝为调速机构的小型钟，同时也为制造便于携带的袋表提供了条件。18世纪期间发明了各种各样的擒纵机构，为袋表的进一步产生与发展奠定了基础。19世纪后半叶，在一些女性的手镯上装上了小袋表,作为装饰品。那时人们只是把它看成是一件首饰，还没有完全认识到它的实用价值。直到人类历史进入20世纪，随着钟表制作工艺水平的提高以及科技和文明的巨大变革，才使得腕表地位的确立有了可能。20世纪初，护士为了掌握时间就把小袋表挂在胸前，人们已经很注重它的实用性，要求方便、准确、耐用。我国的钟表的发展已经有三千多年的历史了，到了十九世纪末期，我国造钟工艺达到了一个崭新的水平。1875年由上海“美利华”作坊制造的南京钟，屏风式样，钟面镀金，镌刻花纹，以造型古朴典雅、民族风格鲜明和报时清脆、走时准确而闻名于海内外，曾于1903年在巴拿马国际博览会上获特别奖。112计时器的种类与应用计时器，是利用特定的原理来测量时间的装置。计时器的种类包括电磁打点计时器、电火花计时器、坚持计时器、停车计时器、反应计时器、放大计时器以及等等。其中电磁打点计时器和电火花打点计时器最为常见。电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，其工作电压是46V，电源的频率是50HZ，它每隔002S打一次点。电火花计时器是利用火花放电在纸带上打出小孔而显示出点迹的计时仪器，使用220V交流电压，当频率为50HZ时，它每隔002S打一次点，电火花计时器工作时，指导运动所受到的阻力比较小，试验误差比电磁打点计时器的要小。近年来，随着科学技术的迅猛发展，计时器的种类也逐步多样化，应用在城市的各个角落，适用于不同人群的生活和工作需要。无论是个人使用还是在公共场合使用，计时器的产生和发展都给我们带来了越来越多的方便。12课题任务及要求本次设计要求完成一个基于单片机的比赛用计时器的电路设计。主要采用AT89S51单片机与时钟芯片DS1302为核心芯片，利用键盘控制LED数码管等元件来显示北京时间，以及一个24秒违例的报警功能。并可以用按键来调试时间，对其进行一定范围内的大小调控，并能实现启动、暂停、复位等附加功能。具体要求为（1）分计时能实现099分和059秒任意调整，具有启动、暂停和复位功能。（2）秒计时能实现099秒任意调整，具有复位、启动、暂停功能。（3）报警24秒违例自动声、光报警、终场自动声响。（4）时钟能显示北京时间和日期。13课题内容及安排本文对比赛用计时器单元的设计进行了详细的介绍，共分六章。第1章简要介绍了整个课题的研究背景、目的、意义及整个任务的要求安排；第2章是对AT89S51单片机等核心芯片的详细介绍；第3章具体介绍了本次课题的相关设计方案；第4章阐述了本次课题的软硬件设计，包括显示电路设计，单片机外围电路设计以及报警电路设计。第5章针对硬件调试、软件调试进行了具体的分析和说明。2核心芯片简介21DS1302时钟芯片DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的时钟芯片，它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2555V。时钟可工作在24小时格式或12小时（AM/PM）格式。DS1302与单片机的接口使用同步串行通信，仅用3条线与之相连接。可采用一次传送一个字节或突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源后备电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。211DS1302引脚功能与内部结构DS1302的引脚功能如表21所示，外形及内部结构如图21所示表21DS1302引脚功能表引脚号引脚名称功能1VCC2主电源2、3X1、X2振荡源，外接32768HZ晶振4GND地线5RST复位/片选线6I/O串行数据输入/输出端（双向）7SCLK串行时钟输入端8VCC1后备电源图21DS1302管脚图及内部结构图212DS1302的控制字DS1302的控制字节如图22所示765432101RAMCKA4A3A2A1A0RAMK图22DS1302控制字节的含义控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据位5至位1指示操作单元的地址最低有效位（位0）如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。213DS1302的复位引脚通过把输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。输入有两种功能RSTRST首先，接通控制逻辑，允许地址命令序列送入移位寄存器；其次，提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。当为高电平时，所有的数据传送被初RST始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中置为低电平，则会终止此次数据传送，并且I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC25V之前，必RST须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。214DS1302的数据输入输出在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位至高位7，数据读写时序如图23所示图23数据读写时序215DS1302的寄存器DS1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。其日历、时间寄存器及其控制字见表22。此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器的内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。76541076543210ADTI/OBYE2DTI/OBYERCR/WI/OSTCLK表22DS1302的日历、时钟寄存器及其控制字命令字各位内容寄存器名写操作读操作取值范围76543210秒寄存器80H81H0059CH10SECSEC分寄存器82H83H0059010MINMIN时寄存器84H85H0112或002312/24010HRHR日寄存器86H87H0128,29,30,310010DATEDATE月寄存器88H89H011200010MMONTH22单片机概述单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件CPU、内存、内部和外部总线系统。单片机是将中央处理器，随机存储器。只读存储器，定时器芯片和I/O接口电路集成于一个芯片上的微控制器。单片机是依据程序指令运行，并且可以通过辅助工具对程序进行修改。通过不同的程序实现不同的功能。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTELI960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHZ，性能直追90年代中期的专用处理器。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、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。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。在单片机的发展和应用历史中，MCS51系列单片机已经得到科技界和工业界广大用户最广泛的认可。目前，许多生产出的单片机产品采用了多种创新技术，产品的性能和可靠性都有了极大地改进和提高，但这些单片机产品大都采用了8051的核心技术作为其内核，例如美国ATMEL公司研发的AT89系列、ADI公司的ADUC系列、PHILIPS公司研发的80C51系列、MOTOROLA公司推出的M68HC05系列等。本次设计采用的是ATMEL公司推出的AT89系列的单片机。23AT89S51系列单片机AT89S51美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTESISPINSYSTEMPROGRAMMABLE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MCS51指令系统及AT89C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元。单片机AT89S51强大的功能可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。231AT89S51芯片的引脚及特点AT89S51芯片的引脚结构如图24所示图24AT89S51引脚图（1）功能特性概括AT89S51提供以下标准功能40个引脚、4KBYTESFLASH片内程序存储器、128BYTES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个数据指针、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、片内振荡器及时钟电路。此外，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM、定时/计数器、串行通信口、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。（2）管脚说明VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，能驱动8个TTL逻辑门电路。对端口写“1”时，被定义为高阻输入。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。在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。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I。IL在FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。部分端口还有第二功能，如表23所示表23P1口部分引脚第二功能端口引脚第二功能P15MOSI用于ISP编程P16MISO用于ISP编程P17SCK用于ISP编程P2口P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2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I。IL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MOVXDPTR指令时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据寄存器例如执行MOVXRI指令时，P2口线上的内容也即特殊功能寄存器SFR区中P2寄存器的内容,在整个访问期间不改变。在FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口P3口是一个带有内部上拉电阻的双向8位I/O口，P3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P3口写“1”时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入口使用时，被外部信号拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。ILP3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24所示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。表24P3口引脚第二功能端口引脚第二功能P30RXD串行输入口P31TXD串行输出口P32外中断00INTP33外中断11P34T0定时/计数器0P35T1定时/计数器1P36外部数据存储器写选通WRP37外部数据存储器读选通DRST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平时间将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFRAUXR的DISRTO位地址8EH可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/当访问外部存储器或数据存储器时，ALE地址锁存允许输出脉PROG冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部寄存器,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。值得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，可禁止ALE操作。该位置位后,只要一条MOVX和MOVC指令才会激活ALE。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无效。程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号,当PSENPSENAT89S51由外部程序存储器取指令或数据时,每个机器周期两次有效,即输出PSEN两个脉冲。当访问外部数据存储器时,没有两次有效的信号。PSENEA/VPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），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端保持高电平接VCC端，CPU则执行内部程序存储器中的指令。FLASH存储器编程期间，该引脚用于施加12V编程电压（VPP）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入端。XTAL2反向振荡放大器器的输出端。（3）晶体振荡器特性AT89S51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为该反向放大器的输入端和输出端。这个反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体，电容应该使用30PF10PF。还可以使用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2应悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的,所以外部时钟信号的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。232AT89S51的主要性能参数（1）与MCS51产品指令系统完全兼容；（2）4K字节在系统可编程（ISP）FLASH闪速存储器；（3）1000次擦写周期；（4）4055V的工作电压范围；（5）全静态工作模式0HZ33HZ；（6）三级程序加密；（7）128X8字节的内部RAM；（8）32个双向可编程I/O口线；（9）2个16位可编程定时/计数器；（10）6个中断源；（11）全双工UART串行通道；（12）低功耗空闲和掉电模式；（13）中断可从空闲模式唤醒系统；（14）看门狗（WDT）及双数据指针；（15）掉电标识和快速编程特性；（16）灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）。233AT89S51的新功能AT89S51兼容标准MCS51指令系统及AT89C51引脚结构，它相对于AT89C51增加的新功能包括ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能；最高工作频率为33MHZ，AT89C51的极限工作频率是24M，所以AT89S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度；具有双工UART串行通道；内部集成看门狗计时器，不再需要像AT89C51那样外接看门狗计时器单元电路；双数据指示器；电源关闭标识；全新的加密算法，这使得对于AT89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯；兼容性方面向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、AT89C51等早期MCS51产品。3设计方案电子计时器可以通过纯硬件实现，也可以通过软硬件结合实现，根据电子时钟里的核心部件秒信号的产生原理，通常有以下三种形式31FPGA设计方案现场可编程门阵列（FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY，FPGA），是20世纪70年代发展起来的一种可编程逻辑器件，是目前数字系统设计的主要硬件基础。FPGA在结构上由逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的内部连线连接这些功能块，来实现一定的逻辑功能。可编程逻辑器件的设计过程是利用EDA开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。由于EDA技术拥有系统的模拟和仿真功能，可读性、可重复性、可测性非常好，所以利用EDA开发FPGA是目前比较流行的方式。当然，有时根据需要，也会应用MAXPLUS开发集成环境进行设计。正因为FPGA在设计过程中方便、快捷，而且FPGA技术功能强大，能够应用其制作诸如基代码发生器、数字频率计、电子琴、电梯控制器、自动售货机控制系统、多功能波形发生器、步进电机定位控制系统、电子时钟等。应用FPGA能够将时钟设计为为四种类型全局时钟、门控时钟、多级逻辑时钟和波动式时钟。多时钟系统能够包括上述四种时钟类型的任意组合。32NE555时基电路设计方案555定时器是美国SIGNETICS公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5K的电阻而得名。目前，流行的产品主要有4种BJT两个555，556（含有两个555）；CMOS两个7555，7556（含有两个7555）。555定时器是一种数字与模拟混合型的集成电路，应用广泛。成本较低，外加电阻、电容等元件就可以构成多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等，常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等领域。采用NE555时基电路或其他振荡电路产生秒脉冲信号，作为秒加法电路的时钟信号或微处理器的外部中断输入信号，可构成电子钟。由555构成的秒脉冲发生器电路见图31。输出的脉冲信号V0的频率F为CR2/4311（31）可通过调节公式31中的3个参数，使输出V0的频率为精确的1HZ。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE9JUN2008SHEETOFFILEH业业业业业业业业业业业555业业业DDBDRAWNBYRDIS7THR6TRIG2GND1CVOLT5R4VCC8Q3555CCRVCCV012图31基于的秒脉冲发生器采用555定时器设计电子时钟，成本低，容易实现。但是受芯片引脚数量和功能限制，不容易实现电子时钟的多功能性。33单片机设计方案单片机是微型机的一个主要分支，它在结构上的最大特点使把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。单片机的应用非常广泛，其具有集成度高、体积小、可靠性高、性价比优异、控制功能强、低功耗、低电压以及便于生产等特点。在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统以及人们的生活中均有用武之地。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思路和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种用软件代替硬件的控制技术，是对生产控制技术的一次革命。利用单片机的智能性，可方便地实现具有智能的电子钟设计。单片机均具有时钟振荡系统，利用系统时钟借助微处理器的定时器/计数器可实现电子钟功能。然而系统时钟误差较大，电子钟的积累误差也可能较大，所以可以通过误差修正软件加以修正，或者在设计中加入高精度时钟日历芯片，以精确时间。另外很多功能不同的单片机是兼容的，这就更便于实现产品的多功能性。电子钟计时器具有显示直观、读取方便、精度高等优点，在计时中广泛使用。本设计用单片机组成电子钟计时器，力求结构简单、功能稳定为目标。设计中包括硬件电路的设计和系统程序的设计。其硬件电路主要有主控制器，计时与显示电路和启动、暂停和复位电路等。主控制器采用单片机AT89S51，显示电路采用共阴极LED数码管显示计时时间。利用AT89S51单片机的定时器/计数器定时和计数的原理，使其能精确计时,利用中断系统使其能实现开始暂停的功能。本设计要求显示北京时间和日期，所以需要用到六位七段数码管来显示。其系统结构图如图32所示控制按钮AT89S51单片机控制器六位数码管位驱动图32系统结构图4软硬件设计41硬件电路设计该设计的硬件电路由主控部分单片机AT89S51、计时部分（实时时钟芯片DS1302）、显示部分（八段数码管）、等部分组成。各部分之间相互协作，构成一个统一的有机整体，实现数字时钟的功能。各部分的硬件电路设计如下。设计总电路图见附录二。411单片机AT89S51外围电路设计单片机AT89S51作为主控芯片，控制整个电路的运行。单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。该设计采用含有二极管的复位电路，复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等引起的问题，在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。复位电路的设计图如图41示图41单片机复位电路图AT89S51具有在系统可编程功能，可以很方便的改写单片机存储器内的程序不需要把芯片中从工作环境中剥离，把AT89S51ISP下载口接入电路，可使电路实现该功能。AT89S51需要接入一个普通12MHZ晶振，为其提供稳定的时钟脉冲。该设计中有6个八段数码显示管LED，所以，在单片机AT89S51外围需要接入6个三极管来驱动数码显示管。此外，单片机外围需要接入3个开关，用来调整时钟。单片机外围电路的设计图如图42所示图42AT89S51外围电路图412DS1302与单片机的接口设计时钟芯片DS1302与单片机AT89S51的接口是由3条线来完成的，单片机AT89S51的P10控制DS1302的复位输入端，P11用来作为DS1302输入时钟SCLK控制端，P12与时钟芯片的数据传输端相连。DS1302接标准32768KHZ石英晶振。DS1302与单片机的接口电路如图43所示图43DS1302与AT89S51连接图413显示电路设计1LED结构与原理常用的LED显示器共有7段、8段和“米”字段三种显示形式，8段比7段多了一个小数点DP段，如图44A所示。这种显示器有共阳极和共阴极两种结构，如图44B和44C所示。共阴极LED显示器所有发光二极管的阴极连在一起，通常此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管所有阳极连接在一起，通常此共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段显示。由此可以看出，二者原理不同但功能相同。图44LED显示原理图其中图44B为共阴极结构。即把8个发光二极管阴极连在一起。这时如果需要点亮AG中的任何一盏灯，则只需要在相应端输入高电平即可；输入低电平则截止。比如我们现在要显示数字“3”，则只要在对应的A、B、C、D、G段送入高电平，在其他端送入低电平即可，点亮为“3”。图44C为共阳极结构。其显示端输入低电平有效，高电平截止。本设计采用共阴极数码显示管做显示电路，所以只要数码管的A、B、C、D、E、F、G、H引脚为高电平，那么其对应的二极管就会发光，使数码显示管显示09的编码见表41。表41共阴极数码显示管字型代码共阴极代码字型共阴极代码03FH56DH106H67DH25BH707H34FH87FH466H96FH2LED显示器显示方式点亮LED显示器有两种方式一是静态显示；二是动态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。如图45所示为4位静态LED显示器电路。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器扫描，对于显示器每一位而言，每隔一段时间点亮一次。在同一时刻只有一位数码管在工作点亮，利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时”图45位静态LED显示器电路显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低。但在控制系统运行过程中，要保证数码管正常显示，CPU必需每隔一段时间执行一次显示子程序，占用CPU的大量时间，降低了CPU的工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。本设计为动态显示，时间显示选用6个共阴八段数码管LED，其电路如图46所示图46八段共阴数码管LED414复位电路设计单片机的第9脚RST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，其电路如图47所示图47复位电路按键以及电解电容C3、电阻R2构成按键及上电复位电路。由于单片机是高电平复位，所以当按键RESET1按下时候，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，由于电容的缓慢充电，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，此时单片机上电复位完毕，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了倒计时时间的记忆功能，该功能的实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位，所以设定了软复位功能。软复位实际上就是当程序执行完毕之后，将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。415报警电路设计（一）蜂鸣器的介绍1蜂鸣器的作用。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。2蜂鸣器的分类。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。3蜂鸣器的电路图形符号。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。（二）蜂鸣器的结构原理1压电式蜂鸣器。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1525KHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。2电磁式蜂鸣器。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。（三）实验报警电路设计声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高、低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。本文设计如图48所示。图中单片机的17脚输出具有复合功能，此处用到了单片机17脚的IO端口功能，单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的波形输出驱动扬声器发声。图48报警电路设计416键盘电路设计键盘是人与单片机打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文献和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程序。站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和操作失控现象。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。其次就是消除在按键过程中产生的“毛刺”现象。这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几MS，而我们按键的时间一般远远大于这个时间，所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间这里我们取10MS后再判断此电平是否保持原状态，如果是则为有效按键，否则无效。在本次设计中采用了独立键盘的方式，共使用了5个按键进行控制，这5个按键分别与单片机AT89S51中的P30P34这5个I/O口相连。其中K1为菜单切换键，K2为数字加键，K3为数字减键，K4为启动计时及复位键，K5为中断键。具体按键设计如图49所示图49抢答按键及调整按键按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于5MS，例如取1020MS。如果监控程序中的读键操作安排在主程序（后台程序）或键盘中断（外部中断）子程序中，则该延时子程序便可直接插入读键过程中。如果读键过程安排在定时中断子程序中，就可省去专门的延时子程序，利用两次定时中断的时间间隔来完成抖动处理。42软件设计软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了。软件任务分析环节是为软件设计做一个总体规划。从软件的功能来看可分为两大类一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量，计算，显示，打印，输出控制和通信等，另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色的软件。这两类软件的设计方法各有特色，执行软件的设计偏重算法效率，与硬件关系密切，千变万化。软件任务分析时，应将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义（输入输出定义）。在各执行模块进行定义时，将要牵扯到的数据结构和数据类型问题也一并规划好。各执行模块规划好后，就可以监控程序了。首先根据系统功能和键盘设置选择一种最适合的监控程序结构。相对来讲，执行模块任务明确单纯，比较容易编程，而监控程序较易出问题。软件任务分析的另一个内容是如何安排监控软件和各执行模块。整个系统软件可分为后台程序（背景程序）和前台程序。后台程序指主程序及其调用的子程序，这类程序对实时性要求不是太高，延误几十MS甚至几百MS也没关系，故通常将监控程序（键盘解释程序），显示程序和打印程序等与操作者打交道的程序放在后台程序中执行；而前台程序安排一些实时性要求较高的内容，如定时系统和外部中断（如掉电中断）。也可以将全部程序均安排在前台，后台程序为“使系统进入睡眠状态”，以利于系统节电和抗干扰。根据以上设计思想，本系统总体结构见图410所示系统初始化模块按键模块时间调节日期调节显示切换启动暂停数码显示模块图410软件总体结构1时间调节模块通过按键可以控制分计时，可以实现099分和059秒任意调整。还可以控制秒计时，能实现099秒任意调整。2日期调节模块通过按键可以对显示的年、月、日、时、分、秒进行调节。3显示切换模块通过一个按键可以任意选择所要显示的效果，可以对显示日期，显示24秒倒计时以及显示分秒时间计时任意进行调换。4启动暂停模块第一次按此按键的时候，显示的数字都停止，再次按下去的时候就又重新启动了。程序清单见附录III。5调试运行51系统的调试系统调试包括硬件调试和软件调试，而且两者是密不可分的。我们设计好的硬件电路和软件程序，只有经过联合调试，才能验证其正确性；软硬件的配人情况以及是否达到设计任务的要求，也只有经过调试，才能发现问题并加以解决、完善，最终开发成实用产品。硬件调试分单元电路调试和联机调试，单元电路试验在硬件电路设计时已经进行，这里的调试只是将其制成印刷电路板后试验电路是否正确，并排除一些加工工艺性错误（如错线、开路、短路等）。这种调试可单独模拟进行，也可通过开发装置由软件配合进行。硬件联机调试则必须在系统软件的配合下进行。软件调试一般包括分块调试和联机调试两个阶段。程序的分块调试一般在单片机开发装置上进行，可根据所调程序功能块的入口参量初值编制一个特殊的程序段，并连同被调程序功能块一起在开发装置上运行；也可配合对应硬件电路单独运行某程序功能块，然后检查是否正确，如果执行结果与预想的不一致，可以通过单步运行或设置断点的方法，查出原因并加以改正，直到运行结果正确为止。这时该程序功能块已调试完毕，可去掉附加程序段。其它程序功能块可按此法进行调试。程序联机调试就是将已调试好的各程序功能块按总体结构联成一个完整程序，在所研制的硬件电路上运行。从而试验程序整体运行的完整性、正确性和与硬件电路的配合情况。在联调中可能会有某些支路上的程序、功能块因受条件制约而得不到相应的输入参数，这时，调试人员应创造条件进行模拟调试。在联调中如发现硬件问题也应及时修正，直到单片机系统的软件、硬件全部调试成功为止。系统调试完成后，还要进行一段时间的试运行，从而检验系统的稳定性和抗干扰能力，验证系统功能是否达到设计要求，是否达到预期的效果。52软件调试问题及解决首先对所用软件及使用方法介绍如下1、KEIL是德国开发的一个51单片机开发软件平台，最开始只是一个支持C语言和汇编语言的编译器软件。后来随着开发人员的不断努力以及版本的不断升级，使它已经成为了一个重要的单片机开发平台，不过KEIL的界面并不是非常复杂，操作也不是非常困难，很多工程师的开发的优秀程序都是在KEIL的平台上编写出来的。可以说它是一个比较重要的软件，熟悉他的人很多很多，用户群极为庞大，要远远超过伟福等厂家软件用户群，操作有不懂的地方只要找相关的书看看，到相关的单片机技术论坛问问，很快就可以掌握它的基本使用了。2、总调，即应用软件的链接调试，程序固化，软、硬件结合的应用系统软硬件联合仿真系统由一个硬件执行环境和一个软件执行环境组成，通常软件环境和硬件环境都有自己的除错和控制界面，KEIL与PROTEUS的整合调试可以实现系统的总调，在该系统中，KEIL作为软件调试界面，PROTEUS作为硬件仿真和调试界面，下面说一下如何在KEIL中调用PROTEUS进行MCU外围器件的仿真。安装KEIL与PROTEUS。把安装PROTEUSMODELS目录下VDM51DLL文件复制到KEIL安装目录的C51BIN目录中。修改KEIL安装目录TOOLSINI文件，在C51字段加入TDRV5BINVDM51DLL“PROTEUSVSMMONITOR51DRIVER“,保存。（注意不一定要用TDRV5，根据原来字段选用一个不重复的数值就可以了。引号内的名字随意）3、打开PROTEUS，画出相应电路，在PROTEUS的DEBUG菜单中选中USEREMOTEDEBUGMONITOR。4、在KEIL中编写程序。5、进入KEIL的PROJECT菜单OPTIONFORTARGET工程名。在DEBUG选项中右栏上部的下拉菜单选中PROTEUSVSMMONITOR51DRIVER。6、在KEIL中进行DEBUG，同时在PROTEUS中查看直观的结果（如LCD显示，