交通与汽车工程学院单片机课程设计方案

1、交通与汽车工程学院单片机课程设计方案1.1 问题的提出随着人类科技文明的发展， 人们对于时钟的要求在不断地提高。 时钟已不仅仅被看成 一种用来显示时间的工具， 在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。 高精度、 多功能、小体积、低功耗，是现代时钟发展的趋势。在这种趋势下，时钟的数字化、多功 能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。 本文正是基于这种设计方向， 以单片机 为控制核心，设计制作一个多功能的数字时钟。本设计基于单片机技术原理，以单片机芯片 AT89C51作为核心控制器，通过硬件 电路的制作以及软件程序的编制， 设计制作出一个多功能数字时钟系统。 该时钟系统主要 由时钟模块

2、、 数码管显示模块、 键盘控制模块以及信号提示模块组成。 系统具有简单清晰 的操作界面，可随时进行时间调整。同时，该时钟系统还具有功耗小、成本低的特点，具 有很强的实用性。 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。1.2 任务与分析本次设计的系统的控制中心是 89C51 单片机。首先，在 Protel 软件环境中进行硬件 电路图的设计。然后在 8051 软件环境中进行系统的软件编程，并进行程序源文件的编译 和调试，最后生成.hex文件。此.hex文件是硬件电路运行实现的源代码来源。把.hex文件 加载到AT89C51单片机芯片，然后在Prot

3、eus软件环境中运行硬件电路，时钟的日期就可 以正常显示了。本设计的系统主要由 :AT89C51 为中央处理芯片，用于数据处理，初值设定。时钟芯 片 DS1302 是本例的核心模块，由他提供时钟信息并由 LED 显示，用汇编语言进行编程。 本系统可以分为以下 4 大模块：1、AT89C51模块：用于数据处理，和外围的时钟芯片通信，并控制时钟传输过程， 采集时间信息并予以处理。2、DS1302 模块：实时显示可以通过软件编程来实现，但这种方法需要编制的程序 复杂，代码多，且单片机软件开销大， 时间信息也不容易长期保存。 而采用时钟芯片 DS1302 可以避免这些问题，它可以长期保存此信息，因此本

4、例中我们使用此芯片来实现此系统。3、数码管显示模块： 显示模块采用普通的共阳 LED 数码管， 此模块用于实时的显示 时间信息。4、程序：包括单片机控制时钟芯片的接口程序 （实现单片机和时钟芯片之间的数据传 输过程）和数码管显示程序。2 系统方案设计2.1 系统设计方案通过查阅相关资料，设计初期共有 3 个方案供我选择，分别是： （ 1）采用 89C2051 单片机组成的系统；（2）采用89C51单片机，8155芯片组成的系统；（3）采用89C51单 片机，DS1302实时时钟芯片组成的系统。（ 1）采用 89C2051 单片机组成的系统此系统的硬件部分主要是由89C2051单片机，74LS4

5、8芯片，ULN2003芯片所组成。 该系统硬件结构简单，但是单片机的 I/O 接口太少，不足以实现多种功能，软件设计部 分，程序冗长而复杂，易产生混淆。（2）采用 89C51 单片机， 8155芯片组成的系统这个方案采用89C51单片机，8155芯片，LED显示器，4*4键盘来组成系统的硬件。 该系统采用的是单片机部的定时 /计数器进行中断定时，配合软件延时实现时，分，秒的 计时。但这样的话，程序复杂化，时间信息也不容易长期保存。（3）采用89C51单片，DS1302实时时钟芯片组成的系统此方案在硬件部分采用了 89C51单片机，DS13O2时钟芯片，74LS47芯片，LED 显示器，几个按键

6、。该系统的最大特点是采用了新的芯片即 DS1302。在功能上进行了 扩充，并且使得硬件连线显得较为简单，在软件部分，程序显得层次分明。最后确定设计采用第3方案，即 系统是由89C51单片机，74LS164芯片，DS1302时钟芯片， LED 显示器组成2.2系统总体框图图1系统总体框图当程序启动后，程序进入初始化阶段。单片机将从 DS1302时钟芯片中读出年，月， 日，时，分，秒，。并且经过显示缓存后送入LED显示器进行显示。当需要调整日期和时 间时，按下“调日历”键，进入调整年、月、日。首先“年”的两位数码管闪烁显示，表 示在调整“年”状态，按“加一”键调整到期望的年，再按“调日历”键确认“

7、年” ，同 时进入调整“月”状态。同理，月和日的调整方法也是一样。调整时间也是同样的道理。 闹钟的设置则是当按下闹钟键后，时分秒的显示不变，并且小时部分闪烁，按“加一”键 调整到期望的闹钟时间后，再按“闹钟”键确认小时，同时进入调整分钟的状态。调整好 后再按下“闹钟”键确认，返回正常显示，当到达设定时间时，蜂鸣器响。3系统硬件电路设计3.1 89C51单片机AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器， 俗称单片机。AT89C2

8、051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片 机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制 造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉 的方案。p 1.0匸 vccp 1.12汕PO.O |ADD|p 1z c339 y wp 13 U3FLl P-fl J AD2PL百匚沁 PO.J 1AD3)p 1Ll PO .

9、 4A4 jP V1AOD)PI.7 db小口鮎RSTb321 P0.7 iADT)XD) P3Qt op f AjVPF*(T XDJ P3.1 c11F ALEPROG2 C1 229 PSCM3 Ur 3Th Pi.T 4A1 5(Tfl) P34 CT A P2 61 4.9 U2(ft) P3. c1 &i n p s.7 E；i r244AT 卄XTL2 IIB23Fl P2 2 (AIDktaliZ? PZ 1 (AB)gnc 二2D51 Pi.ft图2 89C51单片机引脚图89C51单片机与早期In tel的8051/8751/8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容, 只不

10、过用Flash ROM替代了 ROM/EPROM而已。89C51单片机部结构如图所示。3 片 A IIL1TB0WKOHE i T ALIIRsr s f图3 89C51单片机部结构示意图各引脚的功能如下：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，每脚可吸收8TTL门电流。当P1 口 的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被 定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校3 验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1 口： P1 口是一个部提供上拉电阻的8位双向

11、I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时， 将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1 口作为第八位地址接 收。P2 口： P2 口为一个部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2 口被写“ 1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入 时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用部上拉优势

12、，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的容。P2 口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号P3 口： P3 口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL门电流。 当P3 口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为 低电平，P3 口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG :当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变

13、的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于 定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR 8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行 MOVX，MOVC指 令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止, 置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN信号将不出现。/EA :当/EA保持低电平时，则在此期间CPL只访问外部程序存储器（0000H

14、-FFFFH， 不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高 电平时，则执行部程序存储器中的程序。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部时钟工作电路的输入。XTAL2 :来自反向振荡器的输出。写出其它硬件芯片的介绍！ ！4 系统软件设计4.1 proteus 软件环境介绍本系统的硬件设计首先是在Proteus软件环境中仿真实现的。Proteus软件是来自英国 Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使 用，除了具有和其它

15、EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能 外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动的。 针对微处理器的应用，还可以直接在基 于原理图的虚拟原型上编程， 并实现软件源码级的实时调试。 如果有显示及输出， 配合系 统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，还能看到运行后输入输出的效果。Proteus建立了完备的电子设计开发环境，尤其重要的是Proteus Lite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果 2 。Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外围电路（如 LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LE

16、D，AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件. ）。其实 Proteus 与 multisim 比较类似，只不过它可以仿真 MCU，当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用 开发板和仿真器当然是最好选择， 可是初学者拥有它们的可能性比较小。 当然，硬件实践 还是必不可少的。在没有硬件的情况下，Proteus能像pspice仿真模拟/数字电路那样仿真MCI及外围电路。另外，即使有硬件，在程序编写早期用软件仿真一下也是很有必要的。 Proteus软件主要具有以下几个方面的特点：1、设计和仿真软件 Proteus 是一个很有用的工具，它可以帮助学生和专业人士提

17、高他们 的模拟和数字电路的设计能力。2、它允许对电路设计采用图形环境，在这种环境中，可以使用一个特定符号来代替元器 件，并完成不会对真实电路造成任何损害的电路仿真操作。3、它可以仿真仪表以及可描述在仿真过程中所获得的信号的图表。4、它可以仿真目前流行的单片机，如 PICS, ATMEL-AVR, MOTOROLA, 8051等。5、在设计综合性方案中，还可以利用ARES开发印制电路板。4.2 Protel 软件环境介绍Protel印制板设计软件包是澳大利亚protel tech no logy公司与1990年推出的电子CAD 产品，具有方便、易学、实用、快速以及高速度、高步通率的特点。它采用了

18、分层 次下拉窗口菜单结构形式，用户基本上不需要记背太多的键盘命令， 用鼠标点击菜单命令 就能操作，protel有着很高的自动布线布通率。布通率是电子产 CAD产品的一项重要指 标，它反映电子元件在电路图中连接关系有多少能在印刷版图中实现。在设计常用的单、双面印制板时只要选择适当的元件布局和布线策略方法，protel就可以轻易的达到98%-1008的布通率。对于极少数不能布通的定方， protel可以用飞线指示出来，引导用户 用手工方法连通。另外，protel有强大的宏命令设置功能，利用宏命令功能多定义的热键1可以大大提高操作速度。Protel对微机的软硬件配置要求很低：cpu在8088以上，d

19、os2.0以上版本，存640kb 以上，双软件（或一个软件一个硬盘），单色显示器（多层板设计时最好用彩色），各种兼 容打印机。也能在Windows9X平台的模拟DOST运行。Protel已成为印制板设计加工方面的工业标准。 据初步统计protel在CAD的市场占有 率达95%,成为电子产品制造业界的首选 CAD软件。4.3系统软件分析（写出你编写程序前，主要要先考虑的地方）任何一个应用系统，它们都有着自己的硬件系统和软件系统， 少了任何一个部分都不 可能称之为一个完整的应用系统，它们之间是相互依存的一个整体，硬件系统是软件系统 的一个基础和前提，为软件系统提供了一个操作平台；而软件系统是硬件系

20、统的灵魂，它 对硬件系统起到扩充和完善的作用。 可想而知软件系统与硬件系统同等重要， 下面为系统 软件设计过程：（1）日历程序设计过程因为使用了时钟芯片DS1302,日历程序只需要从DS1302各寄存器中读出年、周、 月、日、时、分、秒等数据，再处理即可。在首次对 DS1302进行操作之前，必须对它进 行初始化，然后从DS1302中读出数据，在经过处理后，送给显示缓冲单元。（2）确定数值存储地址表3数值存储地址表60H从1302中读出的秒存放的地址单兀61H从1302中读出的分存放的地址单元62H从1302中读出的小时存放的地址单元63H从1302中读出的日期存放的地址单元64H从1302中读

21、出的星期存放的地址单元65H从1302中读出的月份存放的地址单兀66H从1302中读出的年份存放的地址单元4AH-4BH年份的显示缓冲单元48H-49H月份的显示缓冲单元46H-47H日期的显示缓冲单元44H-45H小时的显示缓冲单元42H-43H分钟的显示缓冲单元40H-41H秒的显示缓冲单元58H闹钟的小时存放单元57H闹钟的分钟存放单元(3) 中断允许寄存器IE在程序采用了外部中断1的工作方式。完成闹钟的时间输入的功能。在程序中使用了中 断允许寄存器IE。下面介绍IE。IED7D6D5D4D3D2D1DOIEEAESET1EX1ETOEXO位地址AFHACHABHAAHA9HA8H1、E

22、A :中断总允许位。EA=1, CPU开放中断；EA=O, CPU禁止所有的中断请求。2、ES：串行中断允许位。ES=1，允许串行口中断；ES=O,禁止串行口中断。3、ET1： T1溢出中断允许位。ET1=1，允许T1中断；ET1=0，禁止T1中断。4、EX1 :外部中断1允许位。EX仁1,允许外部中断1中断；EX仁0,禁止外部中断1中断。5、ETO： T0溢出中断允许位。ET0=1，允许T0中断；ETO=O,禁止T0中断。6、EX0 :外部中断0允许位。EX0=1，允许外部中断0中断；EXO=O，禁止外部中断0中断 。(4) LED动态扫描显示方式的设计1、将要显示的数据地址送至 P1 口，

23、让LED接收信号。2、通过单片机P2.0 P2.6控制相应的LED位选线，本设计定义的位选线如下表所示：表4位选线定义表位选线LED被选中位所代表的含义P2.0年份的高位和小时的十位P2.1年份的低位和小时的个位P2.2月份的高位和分钟的十位P2.3月份的地位和分钟的个位P2.4日的高位和秒的十位P2.5日的低位和秒的个位4.4程序流程图(1)主程序流程图图15主程序流程框图主程序流程图说明：因为使用了时钟芯片DS1302,只需要从DS1302各寄存器中读出年、周、月、日、时、分、秒等数据，再处理即可。程序初期，对地址单元赋初值，并且开启中断。在首次 对DS1302进行操作之前，必须对它进行初

24、始化，然后进行按键的判断，如果按下闹钟键, 则转去处理闹钟中断的程序, 若没按下闹钟键,则再判断是否按下了调日历和挑时间按键, 若按下，则转去处理相应的调整子程序， 若没按下，则正常显示当前的日期和时间。将正常显示的时间与闹钟设置的时间相对比，若相等则使蜂鸣器响，若不相等，则正常显示(2)调日历子程序的流程图是曰车是先图 16 调日历子程序流程图框图调日历子程序流程图说明：在此流程图中， 主要说明的是年份的调整方法， 之所以没有说明月份和日的调整， 因为它们的调整方法与年份如出一辙， 故此省略。 通过流程图可以看出日历的调整，通过判断调日历的按键是否按下，以此来确定是否进入调整日历子程序。日历

25、的调整是由 调日历键和+1键来共同实现的，当按下调日历键，调整的相应位闪烁，再按下 +1键，调 整闪烁位的数值，调好后再按下调日历键，确认刚调整位以及使下一调整位闪烁。 当全部 的日历都调整好后，再按下调日历键，返回显示部分。(3) INT1中断程序流程图图 18 中断程序流程图框图中断程序流程图说明：当按下闹钟键，则执行外部中断 1 的程序，跳至中断程序。将小时的部分闪烁，表 示要对此进行调整。按下 +1 键，对闪烁位进行调整，输入闹钟的小时时间。再按下闹钟 键，对小时位进行确认，使分钟位闪烁，再按下 +1 键进行分钟位的调整。将输入的闹钟 的小时，分钟分别放入相应的地址单元保存起来。 再次按下闹钟键， 就跳回主程序， 正常5系统调试过程通过上面的硬件设计和软件设计过程， 设计的工作已经基本完成，接下来的工作就是对所设计好的应用系统进行调试。通过调试可以检查出系统出现的一些错误，从而进行下步的修改。(1) 在Protel 99 SE中，对硬件电路图进行 ERC电气规则检查。日EE日日日TiTmTTT图20 protel原理图| SHEJI.EHCError 尺即匚了七 Fn? - SHEJI . SchEk3 Repor