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   基于AT89S51单片机的数字电子钟系统的开发      ★★★ 【字体: 】  
基于AT89S51单片机的数字电子钟系统的开发
收集整理:佚名    来源:本站整理  时间:2012-06-29 22:00:41   点击数:[]    

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第1章  绪    论
1.1  课题背景
单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始,迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点,目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面,几乎“无处不在,无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。
单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的,将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构,称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开,分别寻址的结构,一般需要较大的程序存储器,目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。
本文讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机,配置了外围设备,构成了一个可编程的计时定时系统,具有体积小,可靠性高,功能强等特点。不仅能满足所需要求,而且还有很多功能可供开发,有着广泛的应用领域。
20世纪80年代中期以后,Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家,如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品,准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构(主要是指令系统)相同,采用CMOS工艺,因而,常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机,它们对8051单片机一般都作了一些扩充,更有特点。其功能和市场竞争力更强,不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机,因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容,主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类:基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。
1.2  课题意义
在日常生活和工作中,我们常常用到定时控制,如扩印过程中的曝光定时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的,其定时准确性和重复精度都不是很理想,现在基本上都是基于数字技术的新一代产品,随着单片机性能价格比的不断提高,新一代产品的应用也越来越广泛,大可构成复杂的工业过程控制系统,完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制,甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大,体积小,质量轻,灵活好用,配以适当的接口芯片,可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。
随着电子技术的飞速发展,家用电器和办公电子设备逐渐增多,不同的设备都有自己的控制器,使用起来很不方便。根据这种实际情况,设计了一个单片机多功能定时系统,它可以避免多种控制器的混淆,利用一个控制器对多路电器进行控制,同时又可以进行时钟校准和定点打铃。它可以执行不同的时间表(考试时间和日常作息时间)的打铃,可以任意设置时间。这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动,扩大了数字化的范围,为家庭数字化提供了可能。
1.3  数字钟的应用
数字电子钟具有走时准确,一钟多用等特点,在生活中已经得到广泛的应用。虽然现在市场上已有现成的电子钟集成电路芯片出售,价格便宜、使用也方便,但是人们对电子产品的应用要求越来越高,数字钟不但可以显示当前的时间,而且可以显示日期、农历 、以及星期等,给人们的生活带来了方便。另外数字钟还具备秒表和闹钟的功能,且闹钟铃声可自选,使一款电子钟具备了多媒体的色彩。
时间对人们来说总是那么宝贵,工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情,当事情不是很重要的时候,这种遗忘无伤大雅。但是,一旦重要事情,一时的耽误可能酿成大祸。电子钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品,广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧院、办公室等公共场所,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术,使电子钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点,它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。
1.4  本章小结
本章主要介绍了单片机的历史发展过程,单片机的产生与发展给人们带来了来那些影响。以及数字钟在日常生活中的具体应用给日常生活带来的方便。


第2章 整体设计方案
由于本系统要求具有语音播报功能,所以需采用十六位可处理语音信号的单片机。其主要设计思想是:整个系统用单片机为中央控制器,由单片机执行采集时钟芯片的时间信号并通过显示模块来输出信号及相关的控制功能。时钟芯片产生时钟信号,利用单片机的I/O口传给单片机;并通过I/O口实现LCD的显示。系统设有4个按键可以对时间星期年月日进行调整,还可以设置闹钟。整体框架如图2-1所示。
图2-1  系统整体框图
2.1  单片机的选择
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS 8位单片机,片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)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MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
    AT89S51具有如下特点:40个引脚,4k Bytes Flash片内程序存储器,128 bytes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,片内时钟振荡器。此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,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。
  主要功能特性为:
兼容MCS-51指令系统;
4k可反复擦写(>1000次)ISP Flash ROM;
32个双向I/O口;
4.5-5.5V工作电压;
2个16位可编程定时/计数器;
时钟频率0-33MHz;
全双工UART串行中断口线;
128x8bit内部RAM;
2个外部中断源;
低功耗空闲和省电模式;
中断唤醒省电模式;
看门狗(WDT)电路;
灵活的ISP字节和分页编程;
双数据寄存器指针。
AT89S51单片机与其他品牌单片机相比有着性价比高,性能稳定的特点。
(1)  51单片机的优点
如果是作低成本的智能产品,51构架单片机的成本优势,还是

无人能敌的。比如一片AT89S51和AT89S52单片机的批量价格大概是5元左右,STC89C52单片机的批量价格大概是6元多,这样的芯片价格是很低的。一片简单的74系列通用数字逻辑芯片还要1元左右,而一片51单片机内部集成有成千上万个晶体管开关电路。51构架已经诞生很多年了,到目前依然有着强大的生命力和实用性,从1976年51构架成功面市,多少年过去了,从90年代初全新闪存结构的AT89C51要90元一片,到现在AT89S51只要5元多一片,51依然大量的使用着。使用51单片机能够有效的控制智能产品整机的成本, 51系列还是有着无法替代的重要地位。
(2)  AT89S51与AT89C51的比较
AT89S51相对与AT89C51新增加了很多功能,性能有了较大提升,价格基本不变,甚至比89C51更低!
AT89S51具有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上拔除,可以在线烧写。
AT89S51的最高工作频率为33MHz, 89C51的极限工作频率是24M,就是说S51具有更高工作频率,从而具有了更快的计算速度。
AT89S51具有双工UART串行通道。
AT89S51内部集成看门狗计时器,不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
    AT89S51具有双数据指示器。
    AT89S51具有电源关闭标识。
    AT89S51具有全新的加密算法,这使得对于89S51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。
在兼容性方面,AT89S51向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等产品。也就是说不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等。在89S51上一样可以照常运行,这就是所谓的向下兼容。
AT89S51与AT89C51就如同INTEL的P3向P4升级一样,虽然都可以跑Windows98,不过速度是不同的。
总之,无论是比其他品牌同类产品相比,还是与同品牌产品相比都显示出了AT89S51优良的性能,更高的性价比。所以AT89S51芯片成为了本系统的首选。
2.2  单片机的基本结构
AT89S51单片机基本结构主要包括了以下主要部件:
(1)  控制器
控制器是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。单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。首先从程序存储器中读出指令,送指令寄存器保存,然后送至指令译码器进行译码,译码结果送定时控制逻辑电路,由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号,再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程,执行程序就是不断重复这一过程。控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。
(2)  存储器
AT89S51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器空间截然分开,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.在8051/8751弹片击中,不仅在片内集成了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器,而且还具有极强的外存储器的扩展能力,寻址能力分别可达64KB,寻址和操作简单方便。
(3)  并行I/O口
MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口(Port),分别记作P0-P3,共有32根口线,各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。这四个口除了按字节寻址以外,还可以按位寻址。由于它们在结构上有一些差异,故各口的性质和功能有一些差异。
(4)  时钟电路与时序
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路,为保证同步工作方式的实现,MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下,严格地按时序执行进行工作,而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。
2.3  本章小结
      本章主要介绍了系统的整体构思方案,具体有几个模块组成,以及每个模块的连接方法。核心芯片单片机的基本资料介绍,着重介绍了单片机的对比与选择。再选择了合适的单片机后还介绍了AT89S51单片机最小系统的架构与实验。

第3章  数字钟的硬件设计
3.1  最小系统设计
单片机要正常运行,必须具备一定的硬件条件,其中最主要的就是三个基本条件:(1)电源正常;(2)时钟正常;(3)复位正常。AT89S51的引脚如图3-1所示。在AT89S51单片机的40个引脚中,电源引脚2根,晶振引脚2根,控制引脚4根,可编程输入输出引脚32根。
图3-1  AT89S51的最小系统
(1)  工作电源
电源是单片机工作的动力源泉,对应的接线方法为;40脚(VCC)电源引脚,工作时接+5电源,20脚(GND)为接地线。
(2)  时钟电路
时钟电路为单片机产生时序脉冲,单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下进行的,时钟电路就好比人的心脏一样重要。当采用内部时钟时,连接方法如图2-1所示,在晶振引脚XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)引脚之间接入一个晶振,两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号,电容的容量一般在几十皮法,如30PF。
(3)  复位电路
在复位引脚(9脚)持续出现24个振荡器脉冲周期(即2个机器周期)的高电平信号将使单片机复位。如图2-1所示电容C和电阻R构成了单片机上电自动复位电路。复位后,单片机从0000H单元开始执行程序,并初始化一些专用寄存器为复位状态值,受影响的专用寄存器如表3-1所示。
表3-1  复位寄存器状态表
寄存器 状态 寄存器 状态
PC 000H TC0N 00H
ACC 00H TL0 00H
PSW 00H TH0 00H
SP 07H TL1 00H
DPTR 0000H TH1 00H
P0—P3 FFH SCON 00H
IP XXX00000H SBUF 不确定
IE OXX00

          

000H PCON 0XXX0000H
TMOD 00H  
(4)  控制引脚EA接法
EA/VPP(31脚)为内外程序存储器选择控制引脚,当EA为低电位时单片机从外部程序存储器取指令;当EA接高电平时单片机从内部程序存储器取指令。AT89S51单片机内部有4KB可反复擦写1000次以上的程序存储器,因此要把EA接+5V高电平,让单片机运行内部的程序,这样就可以通过反复烧写来验证程序了。
这就是AT89S51单片机最小化系统的连接,只要把编写好的程序烧写到单片机内部,并接上5V电源就可以正常运行了,在17脚接上的发光二极管可以用来验证系统是否正常。


3.2  数字钟的外围电路设计
3.2.1  时钟电路
(1)  单片机时钟
时钟是单片机的心脏,单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准,有条不紊的一拍一拍地工作。因此,时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式:一种是内部时钟方式,另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式。电路设计如图3-2所示。
图3-2  单片机时钟
AT89S51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容,就构成一个稳定的自激振荡器。
(2)  时钟芯片
采用带 RAM的时钟芯片DS1302。该芯片可以进行时分秒的计数,具有100年日历,可编程接口,还具有报警功能和掉电保存功能,并且可以对其方便的进行程序控制
DS1302它通过串行方式与单片机进行数据传送,向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息,并可对月末日期、闰年天数自动进行调整;还拥有用于主电源和备份电源的双电源引脚,在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。另外,它还能提供31字节的用于高速数据暂存的RAM。有了这些特点,DS1302已在许多单片机系统中得到应用。 
图3-3  DS1302引脚排列图
DS1302的引脚排列如图3-3所示,各引脚的功能见表3-2。
表3-2  DS1302功能表
引脚 功能
X1,X2 32768HZ晶振引脚端
RST 复位端
I/O 数据输入/输出端
SCLK 串行时终端
GND 地
VCC2,VCC1 主电源与后备电源引脚端
DS1302时钟芯片内主要包括移位寄存器、控制逻辑电路、振荡器、实时时钟电路以及用于高速暂存的31字节RAM。DS1302与单片机系统的数据传送依靠RST,I/O,SCLK三根端线即可完成。其工作过程可概括为:首先系统RST引脚驱动至高电平,然后在作用于SCLK时钟脉冲的作用下,通过I/O引脚向DS1302输入地址/命令字节,随后再在SCLK时钟脉冲的配合下,从I/O引脚写入或读出相应的数据字节。因此,其与单片机之间的数据传送是十分容易实现的。DS1302与单片机电路相连如图3-4所示。


图3-4  DS1302与单片机接口图
3.2.2  LCD显示电路
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点,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了。
1602B可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0-D7,和RS、R/W、EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光。
该模块也可以只用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。各引脚的功能见表3-3。
表3-3  LCD引脚功能图
编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明
1 VSS 电源地 9 D2 双向数据口
2 VDD 电源正极 10 D3 双向数据口
3 VL 对比度调节 11 D4 双向数据口
4 RS 数据/命令选择 12 D5 双向数据口
5 R/W 读/写选择 13 D6 双向数据口
6 E 模块使能端 14 D7 双向数据口
7 D0 双向数据口 15 BLK 背光源地
8 D1 双向数据口 16 BLA 背光源正极

   从该模块的正面看,引脚排列从右向左为:15脚、16脚,然后才是1-14脚。
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。
它与单片机的连接如图3-5所示。
图3-5  LCD与单片机接口
3.2.3  语音录放电路
系统要求能够有闹钟、语音播报、按键报时等功能。由单片语音录放芯片来做比较方便简单。ISD2500芯片,可以录放时间60秒。可以满足本设计的要求,性能良好所以选用。
ISD2500和1400语音电路一样,具有抗断电、音质好,使用方便等优点。它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K(1400系列为128K),所以录放时间长;有10个地址输入端(1400系列仅为8个),寻址能力可达1024位;最多能分600段;设有OVF(溢出)端,便于多个器件级联。其封装如图3-6所示。

          

图3-6  ISD封装图
系统要求能够有闹钟、语音播报、按键报时等功能。由单片语音录放芯片来做比较方便简单。ISD2500芯片,可以录放时间60秒。可以满足本设计的要求,但是ISD2500芯片的价格比较昂贵,在现有的条件下还不能实现。所以只作简单介绍以便做相关扩展应用,本设计只用简单的语音模块。
3.2.4  电源电路
电源电路包括变压器、桥式整流器、电容和稳压器。通过变压器变压,使得220V电压变为12 V,在通过桥式整流,电容的滤波作用,稳压器的稳压作用,可输出5V的稳定电压。如图3-7所示。


图3-7  系统电源电路
在系统中要用到2个电源:单片机电源与DS1302时钟芯片电源所以有2路电源VCC和VCC1。   
3.2.5  相关控制电路
(1)  按键电路
按键电路如图3-8所示,按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定,这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态,称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关,一般在5-10ms之间。为了避免CPU多次处理按键的一次闭合,应采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键,直接用I/O口线构成单个按键电路,每个按键占用一条I/O口线,每个按键的工作状态不会产生互相影响。
  

图3-8  按键电路图
P1.0口:表示功能移位键,按键选择要调整的时十位、时个位、分十位或分个位。
    P1.1口:表示数字“+”键,按一下则对应的数字加1。
    P1.2口:表示数字“-”键,按一下则对应的数字减1。
    P1.3口:表示时间表的切换,程序默认为日常时间表,当按下该开关,使输入为低电平时,表示当前执行的是考试时间表。再按键,使按键抬起,输入维高电平时,表示当前执行的是日常作息时间表。
(2)  复位电路
    AT89S51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连,斯密特触发器用来抑制噪声,在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次,然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
上电复位:上电复位电路是—种简单的复位电路,只要在RST复位引脚接一个电容到VCC,接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时,复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号,这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落,所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位,RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。

图 3-9  复位电路
如图 3-9所示,上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
3.3  本章小结
本章介绍了多功能数字钟系统的硬件模块组成。详细介绍了各个模块的组成及功能。MCU的组成和特点、专门的时钟芯片和单片机时钟、显示模块的构建与运用、语音芯片的选择、2路电源的设计制作。基本上是完成了作为单片机所需的硬件结构。同时也显示了对软件支持的强烈要求
第4章  数字钟的软件设计
4.1  系统软件设计内容
本设计的软件程序包括主程序、中断子程序、闹钟设定子程序、时钟显示子程序以及延时子程序等。
在整个系统中,在单片机的30H、31H和32H中存储当前时间的小时、分钟和秒。用LCD显示当前的时间,必须用到分字和合字,因此在33H、34H、35H、36H、37H和38H中存储当前时间的时十位、时个位、分十位、分个位、秒十位和秒个位,方便显示。
本设计有由四个轻触按键组成的小键盘,这些按键可以任意改变当前的状态。按功能移位键一次,表示当前要校对小时的十位;按第二次,表示当前校对的是小时的个位;按第三次,则表示校对的是分钟的十位;第四次,表示的校对的是分钟的个位。按下数字“+” 键和数字“-”键可在当前校对的数字上相应加上1或者减去1。
系统软件采用C语言编写。时钟的最小计时单位是秒,但使用定时器的方式1,最大的定时时间也只能达到131ms。我们可把定时器的定时时间定为50ms。这样,计数溢出20次即可得到时钟的最小计时单位:秒。而计数20次可以用软件实现。秒计时是采用中断方式进行溢出次数的累积,计满20次,即得到秒计时。从秒到分,从分到时是通过软件累加并进行比较的方法来实现的。要求每满1秒,则“秒”单元中的内容加1;“秒”单元满60,则“分”单元中的内容加1;“分”单元满60,则“时”单元中的内容加1;“时”单元满24,则将时、分、秒的内容全部清零。实时时钟程序设计步骤:
(1)选择工作方式,计算初值;
(2)采用中断方式进行溢出次数累计;
(3)从秒——分——时的计时是通过累加和数值比较实现的;
(4)时钟显示缓冲区:时钟时间在方位数码管上进行显示,为此在内部
RAM中要设置显示缓冲区,共6个地址单元。显示缓冲区从左到右依次存放时、分、秒数值;
(5)主程序:主要进行定时器/计数器的初始化编程,然后反复调用显示子程序的方法等待中断的到来,流程如图4-1所示;
(6)中断服务程序:进行计时操作;
(7)加1子程序:用于完成对时、分、秒的加操作,中断服务程序在秒、
分、时加1时共三次调用加1子程序,包括:合字、加1并进行进制调整、分字。
4.2  主程序
主程序主要由main()组成通过对相关子程序的调用,实现了对时间的设置与修改、闹钟的设置与修改、LCD显示等主要功能。相关的调整是靠对功能键的判断来实现的。如对set键的判断,对up键的判断。主程序流程框图如图4-1所示。主要程序段如下:
void main(void)
{ //d_to_b(); 
  //ds1302_write_time();  //对DS1302写数据
  initTimer();
  TR0=1;
  ET0=1;
  EA=1;
  LCD_init();
  LCD_write_string(0,0,"Wellcome to xnkd");
  LCD_write_string(0,1,"123456789-mysy");
  while(1)
 {if((sethour

          

==timereg)&&(setmin==timereg)&&!fspk&&timereg==0)
 fspk=1;
    if(!set)   //功能键判断
.......
……
if(fset)……
   {if(!up)……      //调用+1键子程序
    if(!down)       //调用-1键子程序
}
if(!enter)

 图4-1   主程序MAIN流程框图
4.3  时钟设置子程序
时钟的修改首先要按功能键并停止时间的输出显示,否则系统继续刷新时间则无法修改,所以时间是不输出到LCD的。修改的部分以修改的为准,没有修改的通过中断保护起来。等修改成功后继续显示。主要流程图如图4-2所示,小时设置程序段如下:
if(keycou==5)  //设置小时
{LCD_write_string(0,0,"Hour:");           //将现在时间保存
LCD_set_xy(5,0);                   //对小时重新设置
LCD_write_char(0,timereg/10+0x30); //设置完成后显示修改后的小时部分
LCD_write_char(0,timereg%10+0x30);
}
在时间修改功能中要用到1个数字加减的问题,把它做成1个子程序,流程如图4-3所示。通过判断功能键的状态也就是记录值来确定。主功能键SET是采用循环的方式来实现的,。当标识为相应的值时执行相应的操作。
if(keycou==5)
{//小时加一
if(timereg<23) timereg++;
else  timereg=23;
LCD_set_xy(5,0);
LCD_write_char(0,timereg/10+0x30);
LCD_write_char(0,timereg%10+0x30)
4-2  时钟设置功能子程序流程框
图4-3  加1键修改子程序流程框图
图4-4  时钟修改中断服务子程序流程框图
4.4  中断子程序
MCS-51系列单片机有5个中断源,中断分为2个中断优先级,即高优先级和低优先级,每个中断源的优先级都可以由软件来设定。中断地址如表4-1所示。程序中的中断流程框图如图4-4所示。
表4-1  中断地址表
五个中断源 入口地址
外部中断0(/INT0) 0003H
T0溢出中断 000BH
外部中断1(/INT1) 0013H
T1溢出中断 001BH
串口中断 0023H
/*************************************************************/
*Function: 外部中断1中断服务子程序
*parameter:
*Return:
*Modify:
/*************************************************************/
void Interrupt1 (void) interrupt 2
{
 Int1Flag = 1;
}
/************************************************************/
*Function: 定时器0中断服务子程序
*parameter:
*Return:
*Modify:
/*************************************************************/
void InterruptTime0(void) interrupt 1
{
 TH0 = 0x06; //8ms
 TL0 = 0xed;
 Time0Count++;
}
/************************************************************/
*Function: 定时器1中断服务子程序
*parameter:
*Return:
*Modify:
4.5  LCD显示子程序
LCD显示子程序可对DS1302的时间进行设置和读取DS1302内部的时间、连续的读写操作、RAM的应用、充电部分的应用、写保护、抗干扰等可以实现上述功能。
在编写中应注意的是进制的转换,下面是BCD码到十进制数的转换函数。
/**************************************************************/
/* 函数名:BCD_to_INT();
/* 参  数:无
/* 功  能:用于将时间BCD码转换为十进制码
/******************************************************************/
void BCD_to_INT()
{ uchar i;
  for(i=0;i<7;i++)
  bcd_int(timercur[i]);
 }
4.3  本章小结
本章介绍了本设计的软件设计,所有的功能在流程图里清晰的表现了出来,包括主程序流程图、时钟及闹钟修改流程图、中断流程图等,并附有相关程序的主要部分。在软件的设计中模块化设计很重要,显示很直观不会发生混乱现象,容易上手。


第5章  调试与功能说明
5.1  硬件调试
在实际使用中,我们发现DS1302的工作情况不够稳定,主要表现在实时时间的传送有时会出

          

现误差,有时甚至整个芯片停止工作。我们对DS1302的工作电路进行了分析,其与单片机系统的连接如图2所示。从图中可以看出,DS1302的外部电路十分简单,惟一外接的元件是32768Hz的晶振。通过实验我们发现:当外接晶振电路振荡时,DS1302计时正确;当外接晶振电路停振时,DS1302计时停止。因此,可能是32768Hz晶振是造成 DS1302工作不稳定的主要原因。
图5-1  DS1302与单片机系统的连接图
DS1302时钟的产生基于外接的晶体振荡器,振荡器的频率为32768Hz。该晶振通过引脚X1、X2直接连接至DS1302,即DS1302是依靠外部晶振与其内部的电容配合来产生时钟脉冲的。由于DS1302在芯片本身已经集成了6pF的电容,所以,为了获得稳定可靠的时钟,必须选用具有6pF负载电容的晶振。然而,许多人在选用晶振时仅仅注意了晶振的额定频率值,而忽视了晶振的负载电容大小,甚至连许多经销商也不能提供所售晶振的负载电容。所以即使在使用中选用了符合32768Hz的晶振,但如果该晶振的负载电容与DS1302提供的6pF不一致时,就会影响晶振的起振或导致振荡频率的偏移,出现问题。
利用辅助电容实现负载匹配的方法来解决当所选的晶振负载电容不是6pF时,可以采用增加辅助电容的方法提高或降低DS1302振荡器的电容性负载,使之与晶体所需的电容值匹配。如果已知晶体的负载电容为CI,若CI<6pF,则可以增加一个并联电容CS以产生所需的总负载电容CI,即CI=6pF+CS;若CI>6pF,则可以在晶体的一端增加一个串联电容CS,以产生所需的负载电容CI,即1/CI=1/6pF+1/CS,通过计算即可得出应增加的辅助电容大小。辅助电容的接法如图5-2所示。

图5-2  辅助电容连接图
对于晶体振荡器来说,其振荡频率与负载电容之间的关系是确定的。以本文讨论的DS1302使用的32768Hz晶振为例:当它工作于所要求的负载电容时,能较准确地产生 32768Hz的频率;当它的负载电容小于6pF时,其振荡频率会正向偏移;当它的负载电容大于6pF时,其振荡频率就会负向偏移。因此,对于未知负载电容的晶体应首先采用实验的方法,在其两端加入辅助电容使晶体起振,然后用频率计测出振荡频率。若测得频率大于32768Hz,说明负载电容偏小;若测得频率小于32768Hz,说明负载电容偏大。对辅助电容逐步调整,最终使振荡频率尽可能接近32768Hz,则此时晶体端所接负载电容的总和就是适合该晶体的负载电容。
以上方法经多次使用,证明确实有效。它放宽了DS1302在使用中对晶振的条件要求,增强了DS1302在工作中的稳定性,对DS1302更广泛地应用具有积极的意义。
5.2  系统性能测试与功能说明
5.2.1  系统时钟误差分析
设系统中所选用的晶振的频率为fosc,则机器周期t0由式(5-1)所得。
                                (5-1)
设定时器要求的中断频率为k,计数器位数为n,则定时计数器的初值X设置如下:                                                    (5-2)
于是  而实验测得的数据显示,这个公式所得的结果并不可靠:(下表中的所有数据都是在计数器初始值严格按照原始公式给出的条件下测得,以个人计算机机系统时钟为标准)。从表 5-1 中的数据可知,严格按照原始公式得出的计数初值是存在极大误差的,这个误差总使系统时间变慢,而且,系统时间的误差值随着每秒中断次数的增多而增大,随计时总长的增长而增大,并且总是成比例(在误差允许的范围内)。这就是说,系统的误差跟每秒中断次数和个人计算机标准时长的乘积(即中断总次数)成正比。也就是说,每次中断计时的时间误差是一个常数。
误差来源分析:不考虑晶振等固件的误差,则系统机器周期可以由公式 1 准确给出,因而系统误差不可能来自于硬件,而应该主要来自于软件方面。系统每次调用定时中断程序的过程中,硬件并没有自动进入下一个定时周期,而是在调用中断程序以后由软件置数来实现的。
表5-1  系统时间校正测试数据
每秒定时中断次数K PC标准时长/min △X 系统时间 误差△T/S 备注
160 60 20 00:59:59 -1 显示器无闪烁
160 120 20 01:59:58 -2 显示器无闪烁
160 180 20 02:59:57 -3 显示器无闪烁
160 240 20 03:59:56 -4 显示器无闪烁
160 300 20 04:59:54 -6 显示器无闪烁
160 300 21 04:59:59 -1 显示器无闪烁
160 600 21 09:59:58 -2 显示器无闪烁
     而在程序调用过程中,堆栈建立,参数传递等都是需要耗时的,而这些时间都被无形中加到了定时长度中去。所以,使得每次定时长度都大于理论推导值,在宏观上表现出来就是系统比理论计算出来的结果变慢了(这于表格 1 所得的结论恰好一致)。另外,由于系统每次调用中断处理程序所执行的操作都是相同的,也就是说,系统每次定时的时间误差应该是一个常数(这也恰好跟实验数据相吻合)。由上面的数据和分析可知,原始公式应该修改为:
           &nb

          

sp;              (5-3)
则由表格5-1 可得相关的计算公式为:
                            (5-4)
由表格5-1数据,实际要求 k 最小,而又不影响显示效果,才能使误差越小,故实测中取 k=160 。根据表5-1计算得k≈20(所用晶振频率为 11.0592 MHz )。由表5-1 的实验方法,可得参数优化后的计时测试数据见表 5-2。
表5-2   参数优化后的计时测试数据
每秒定时中断次数 PC标准时长/min 系统计时 误差△T/S 备注
100 10 00:09:58 -2 显示器无闪烁
200 10 00:09:57 -3 显示器无闪烁
400 10 00:09:55 -5 显示器无闪烁
800 10 00:09:49 -11 显示器无闪烁
1600 10 00:09:39 -21 显示器无闪烁
3200 10 00:09:18 -42 显示器无闪烁
3200 20 00:18:38 -82 显示器无闪烁
3200 30 00:27:57 -123 显示器无闪烁
3200 60 00:55:54 -246 显示器无闪烁
3200 120 01:51:46 -494 显示器无闪烁
3200 180 02:47:38 -742 显示器无闪烁
3200 240 03:43:31 -989 显示器无闪烁
3200 300 04:39:24 -1224 显示器无闪烁
表5-2数据和表5-1 数据相比已有了更大的准确性,但与实际应用还有一定差距。末两行是根据前面参数规律稍做改动得到的, 与公式(5-2)有一定出入, 但与个人计算机系统标准时间已经相当接近。由于表5-1 的数据本身是肉眼估出来的,本身就带有很大的误差,实际运用可用精密仪器得到表 5-1的数据,则系统参数可以更进一步接近实用值。
5.2.2  软件调试问题及解决
显示程序开始怎么调试就是不通,后来看了一位网友的文章写的是关于DS1302调试过程中应注意的事项,指出了ds1302的datasheet中的一些错误,这才使我恍然大悟,原来读数据的时间要求是非常严格的。要求在命令字之后的第一个下降沿就要读数据,否则读出的数据就是错误的,也不能说完全错误,那就必须作必要的调整。
下次一定要注意:别人的程序很可能有缺陷,能参考,但不能够完全照抄,数据手册一定要细读。这告诉我,自己的c语言功夫还不够,具体地说差得好远。提醒自己要努力。一定要学会应用汇编,汇编与c的相互调用。
5.3  系统PCB图
 
图5-3  系统PCB图
系统通过调试成功后制作而成的PCB,如图5-3所示。
5.4  本章小节
本章通过了软硬件调试实现了主要功能:二十四进制时间显示 ( 时、分), 秒以"."的闪烁表示;显示时,分,秒,复位;可通过个人计算机机串口设置时,分,设置时连续发送四位十六进制数,依次为时的高,低位,分的高, 低位。完成后秒自动复位。相关操作说明:键盘共 4 个键,从左到右依次标名为SET,DOWN,UP,ENTER, 用来修改和设置系统时钟。同时还可以通过串口来修改和设置系统时钟。
结    论
本设计主要介绍了单片机的历史发展,以及数字钟在日常生活中的具体应用给日常生活带来的方便。在第二章介绍了系统的整体构思方案,有几个模块组成,以及每个模块的连接方法。核心芯片单片机的基本资料介绍,着重介绍了单片机的对比与选择。AT89S51单片机最小系统的架构与实验。多功能数字钟系统的硬件模块组成。详细介绍了各个模块的组成及功能。MCU的组成和特点、专门的时钟芯片和单片机时钟、显示模块的构建与运用、语音芯片的选择。基本上是完成了作为单片机所需的硬件结构。同时也显示了对软件支持的强烈要求。本章介绍了本设计的软件设计,所有的功能在流程图里清晰的表现了出来。包括整体流程图、时钟及闹钟修改流程图、中断流程图等。并附有相关程序的主要部分。
系统的功能基本符合设计任务的要求,经过大量的测试数据显示, 系统的可靠性已经能够达到了实际电子钟的设计要求。同时系统具有很强的扩展性。
在此次的数字钟设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。在涉及到2进制与十进制转换时出现了错误最终准确地找出错误所在并及时纠正了。在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的。例如仿真的连接示意图中,往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电平的7脚或8脚,因此在实际的电路连接中往往容易遗漏。在仿真电路中必须连接反馈线才能正常显示,而在实际电路中无需再连接,因此仿真图和电路连接图还是有一定区别的。在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的。
设计是一个漫长而充满挑战的过程,在发现错误与解决错误的过程中我发现自己的能力得到了很大的提高。但是也留下了些遗憾:由于资金和本地的市场条件语音功能还没有完全实现。希望在以后的扩展中能够不断的完善。
致    谢
本课题及学位论文是在我的导师冯月辉的悉心关怀和精心指导下完成的。他们严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。从课题的开始到最终完成,我不仅学到了扎实、宽广的专业知识,也学到了许多做人的道理。在我的课题开展过程中倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师的为人师表、渊博的知识、宽广的胸怀让我倍受教益,在此谨向导师们致以诚挚的谢意和崇高的敬意!
我能顺利地完成学业,与父母多年来一如既往的支持和关怀是分不开的,在此,向任劳任怨、含辛茹苦的父母致以衷心的感谢!
衷心感谢在我成长的路上

          

指点和帮助我的前辈和朋友们!
衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。

参考文献
张专成 赵怀勋.单片机测控系统中的监视定时器[M].武警技术学院.Mar1997:286-354.
张景元.基于单片机的多用途定时器的设计与实现[J].电子工程师2000年第8期.
李洪涛.一种单片机控制的定时打铃器[J].电子世界.1990年第2期.    
何业军 李超.基于单片机控制的高精度定时打铃器的设计[J].电子技术.2001年第7期.
关宗安 仲丛久.基于单片机实现的多路定时控制器的设计[J].沈阳航空工业学院学报.2004年6月.第21卷第3期.
ATMEL.Microcontroller Data book[M].2002:108-243.
Mark1.Montrose.PRINTED Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance[M].IEE Press series.2000:348-492.
范立南.单片微机接口与控制技术[M].沈阳:辽宁大学出版社.1996:78-206.
[9] 张友德.单片微型机原理、应用与实践[M].上海:复旦大学出版社.1992:347-468.
[10]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M],北京:北京航空航天大学出版社.1993:138-248.
[11]何希庆,高伟.MCS-51单片机原理、实验、实例[M].山东:山东大学出版社.1989:242-298.
[12]张毅刚,彭喜源,潭晓昀.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.1997:442-648.
[13]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社.1996;546-643.
[14]余永权.单片机与家用电器智能化设计[M].北京:电子工业出版社.1995:347-502.
[15]房小翠,王金凤.单片微型计算机与机电接口技术[M].北京国防工业出版社.2002:278-422.
[16]皮红梅,李英顺.单片机开发中的定时方法[J].沈阳石油化工高等专科学校学报.2002年12月.
[17]Maxim公司.Newreleases Data Book 1996[J].

          


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