单片机课设.docx

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单片机课设

一、设计要求

1以MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个电子时钟系统。

2系统显示由4位数字型数码管组成，分别显示时间值的小时和分。

3能够随时对当前时间进行调整。

4能够随时输入定时（闹钟）时间。

5定时（闹钟）时间到，发出闹钟提醒信号。

6闹钟提醒信号的声音为连续形式，最长不超过1min。

二、设计思路

根据设计要求，初步思路如下：

1计时单元由单片机内部的定时器/计数器1来实现。

2时间显示采用8段LED数码管，动态扫面方式。

动态扫描的定时时间，由单片机内部的定时器/计数器0来实现。

3LED数码管的断码输入，由并行端口P1低四位产生。

4LED数码管的位码输入，由并行端口P1高四位产生。

5时间调整与定时时间的输入，通过接入键盘电路实现。

系统共设计四个按键，分别定义为：

SET键（时间调整设置键）：

其功能是当该键按下时，进入时间调整输入功能；

ALM键（定时时间设置键）：

其功能是当该键按下时，进入定时（闹钟）时间输入功能；

+1调整键：

其功能是当该键按下时，被调整位加一；

RET键：

其功能是当该键按下时，指向下一个要调整的位。

6按键的接入方式：

SET：

通过P3口INT0引脚接入，中断工作方式；

ALM：

通过P3口INT1引脚接入，中断工作方式；

+1：

通过P3口P3.0引脚接入，查询工作方式；

RET：

通过P3口P3.1引脚接入，查询工作方式；

7报警声响用蜂鸣器产生，蜂鸣器接入P3口的P3.7引脚。

三、硬件电路的设计方案及框图

四、根据设计要求与设计思路，确定该系统的设计方案，图1为该系统设计方案的硬件电路设计框图。

硬件电路由8部分组成，即按键输入电路、单片机、时钟电路、复位电路，LED显示器断码驱动电路、LED显示器位码驱动电路、4位显示器电路和蜂鸣器电路。

图1硬件电路设计框图

硬件电路的设计原理图与各部分电路功能介绍

一、单片机的选择

AT89C2051是ATMEL公司生产的带2K字节可编程闪速存储器的8位CMOS单片计算机，工作电压范围为2.7~6V，全静态工作频率为0~24Mhz。

AT89C2051芯片采用DIP-20封装形式，引脚配置如图2所示，与8051进行对比后可发现，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），因而芯片尺寸有所减少。

AT89C2051芯片的20个引脚的功能为：

VCC、GND：

电源电压、接地引脚。

RST：

复位信号输入引脚。

当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”电平。

XTAL1、XTAL2：

反向振荡放大器内部时钟工作电路的输入、并能直接驱动LED显示器。

P3.0~P3.5与P3.7：

为7个带内部上拉的双向I/O引脚。

P3口的输出缓冲器能接收20MA电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用作输入。

P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。

P3口也可用作特殊功能口，P3.0~P3.5引脚功能与8051相同，P3.7作为普通I/O引脚。

AT89C2051内部结构与MCS-51系列基本相同，P1口是8位双向I/O口。

不同的是引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻，当作为输入并被外部下拉为低电平时，他们将输出电流（Il）。

P1.0和P1.1需要外接上拉电阻，可用作片内精确模拟比较器正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1）;P3口引脚P3.0~P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/O引脚。

P3.6在内部与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。

图2AT89C2051引脚配置图

时钟与复位电路设计与器件选择

1时钟电路的设计

单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。

在单片机的XTAL1和XYAL2的两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图3a所示。

电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。

电路中，电容器C1和C2对振荡频率有微调作用，通常的取值范围为30±10PF；石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。

其结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计数初值。

2.复位电路的设计

单片机的RST引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。

复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。

复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态，单片机从ROM的0000H开始执行程序、

单片机的复位方式有上电复位和手动复位两种，图3b是51系列单片机常用的上电复位和手动复位组合电路，只要VCC上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。

阻容器件的参考值如图中所示，即R1=200Ω，R2=1kΩ，C3=22μF。

RET按键可以选择专门的复位按键，也可以选择轻触开关。

图3时钟与复位电路

a）时钟电路b）复位电路

二、LED显示电路设计与器件选择

1LED显示器的选择

在本设计中，选择4位一体的时钟型LED显示器，如图4所示。

用“：

”前的2位显示“小时”的十位和个位，用“：

”后的2位显示“分”的十位和个位。

4-LED显示器引脚如图4所示，是一个共阴极接法的4位时钟型LED显示器。

其中a、b、c、d、e、f、g为4位LED各段的公共引出端。

D1、D2、D3、D4分别是每一位的共阴极输出端，dp是小数点引出端。

4位一体时钟型LED显示器的内部结构如图5所示。

它是由4个单独的LED和以一个“：

”LED组成。

每个LED的段输出引脚在内部并联后，引出到器件的外部。

图47-LED显示器引脚

a）4位LED引脚排列图b）4位LED原理图

对于这种结构复杂的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式。

图54-LED显示器内部结构原理图

2.LED的段驱动芯片的选择

LED的段驱动电路有很多种，在本例中，可以选择BCD-7段锁存/译码/驱动器作为段驱动电路。

图6给出了74LS48的引脚图和结构原理图。

引脚图中大写字母A、B、C、D为BCD码的输入端，小写字母a、b、c、d、e、f、g为字型码输出端，LT为灯测试输入端，RBI为消隐输入，RBO为消隐输出，

图674LS48芯片电路结构原理及引脚

表1给出了74LS8BCD-7段锁存/译码/驱动器作为段驱动器的输入与输出信号的对应关系，详细内容可查阅数字电路芯片手册。

在使用时，将该芯片的输入端引脚A、B、C、D与单片机的P1口或者P3口连接，该芯片的输出端7个引脚，与LED显示器7的断码引脚相连接，74LS48的作用是接收来自单片机的BCD码型的输入信号，经过锁存、译码和放大后，输出7段字型码到LED显示器，完成对BCD码到7段字型码的锁存、译码、和驱动的功能。

表174LS48BCD-7段译码输入/输出端信号对照表

3.LED的位驱动芯片的选择

图7中的IN0~IN7引脚是输入端，OUT0~OUT7引脚是输出端。

第9脚接有续流二极管。

输出与9脚配合，可驱动感性负载，如打印头等。

图7ULN2803芯片的引脚图和电路原理图

a）引脚图b）电路原理图

在本例中选用ULN2003作为位驱动电路，将该芯片的输入端引脚IN0、IN1、IN2、IN3与单片机的P1口或者P3口连接，该芯片的输出端引脚OUT0、OUT1、OUT2、OUT3与LED显示器的4个位码引脚D1~D4相连接。

ULN2003的作用是接收来自单片机的位码输入信号，经过反相放大后输出，送到LED显示器的位码引脚，完成对位码信号的反向和驱动的功能。

4.LED驱动电路与单片机的连接

可以采用单片机的P1口作为与LED的输出接口，即P1口的低四位作为LED的段码输出信号，P1口的高四位作为LED位码的输出控制信号。

硬件电路如图8所示。

R1是上拉电阻，作用是保证LED可靠导通与截止，可以选择8脚排电阻（7×100Ω）。

图84-LED显示器接口电路原理

该电路的工作原理是：

当P1口的低四位输出段码信号的BCD码后，通过74LS48芯片的锁存、译码和驱动作用，在其输出端输出具有一定驱动能力的七段字型码，由于4-LED的断码输入引脚是并联在一起的，所以每一位LED的断码输入引脚都能获得这个断码信号。

若要控制在每一时刻只有一位LED被点亮，必须靠位码信号控制。

P1口的高4位输出位码信号，经ULN2003反向后接到LED的位码控制端，因此P1口位码信号在每一时刻只有一位是“1”，其他位全为“0”，然后按照时间顺序改变输出“1”的位置，控制在每一时刻只有一位LED被点亮，达到动态显示目的，若要显示“0123”时，P1口的控制信号及4-LED的显示状态如表2所示。

表24-LED动态扫描显示状态

例如：

要完成“0123”的显示，必须对P1口进行编程：

4-LED：

MOVP1,#80H;将D１位选通码“1000B”与“0”的BCD码＂0000B＂送P1口

LCALLDYI;调用延时1ms子程序

MOVP1,#41H;将D2位选通码“0100B”与“1”的BCD码“0001B”送P1口

LCALLDYI;调用延时1ms子程序

MOVP1,#22H;将D3位选通码“0010B”与“2”的BCD码“0010B”送P1口

LCALLDYI;调用延时1ms子程序

MOVP1,#13H;将D4位选通码“0001B”与“3”的BCD码“0011B”送P1口

LCALLDYI;调用延时1ms子程序

……

上述程序每隔10ms执行一次，就可以实现动态显示的目的。

三、按键电路设计与器件选择

四、在本案例中只需要4个按键，因此选择独立式键盘。

如图9所示，电路由按键和4个电阻组成，按键分别命名为SET、ALM、+1和RET键，按键可以采用轻触开关，电阻可以采用5脚排电阻（4×100kΩ）。

2.键盘与单片机的接口电路设计

如图9所示，将键盘直接与单片机的P3口连接。

用P3.2、P3.3引脚通过两个按键SET、ALM接入两个外部中断信号的请求信号INT0、INT1；P3.0、P3.1引脚作为I/O口使用，通过两个按键+1和RET接入两个输入信号。

4个按键功能的设计思想如下：

SET键功能：

设置当前时间。

当SET键被按下时，在单片机的INT0引脚产生一个低电平触发中断请求信号，CPU响应中断请求时，就转移到INT0中断服务程序的入口地址，执行INT0的中断服务程序。

ALM键功能：

设置定时（闹钟）时间。

当ALM键被按下时，在单片机的INT1引脚产生一个低电平触发中断请求信号，CPU响应中断请求时，就转移到INT1中断服务程序的入口地址，执行INT1的中断服务程序。

+1调整键的功能：

分别对时间值的小时十位、小时个位、分的十位、分的个位进行+1调整。

RET确认键的功能：

确认，即对+1调整位进行确认，该键按下时，说明被调整位的值已经确定，转去调整下一位。

五、蜂鸣器电路的设计

电路设计如图10所示，蜂鸣器（HA）作为三极管VT1的集电极负载，当VT1导通时，蜂鸣器发出鸣叫声，VT1截止时，蜂鸣器不发声。

R4是限流电阻。

蜂鸣器电路与单片机的接口：

VT1的基极接到单片机P3口的P３.7引脚，P3.7引脚作为输出口使用。

当P3.7=0时，VT1导通时，使蜂鸣器的两个引脚获得将近5V的直流电压，蜂鸣器中有电流流过，而产生蜂鸣音。

当P3.7=1时，VT1截止，蜂鸣器的两引脚间的直流电压接近于0V，蜂鸣器不发音。

通过前面的设计过程，可设计出电子时钟的硬件电路原理图如图11所示。

由于74LS48是BOD码7段译码器，对小数点没有驱动作用，因此，必须给4-LED显示器中的“：

”符号一个驱动电路。

图11电子时钟硬件电路原理图

dp（“：

”）的驱动电路VT2、R4、R5器件组成，R4、R5分别为发射极、基极的限流电阻。

当VT2的基极为低电平时，VT2导通，dp段被点亮。

即“：

”与LED数码管的第二位一起被点亮；当VT2的基极为高电平时，VT2截止，dp段熄灭。

第三节电子时钟软件的设计方案

一、电子时钟系统软件设计方案及框图

划分模块时应遵循下述原则：

1）每个模块应具有独立的功能。

2）模块之间的控制参数应尽量简单，数据参数应尽量少。

3）模块长度适中。

4）根据模块划分的原则，将该程序划分成7个模块，如图12所示。

图12电子时钟软件设计框图

二、内存空间的分配

内存空间的分配如表3所示。

表3内存地址空间的分配

第四节电子时钟应用程序设计

一、主程序的设计

主程序的内容一般包括：

主程序的起始地址，中断服务程序的起始地址，有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等。

主程序设计框图如图13所示。

1.程序的起始地址

MCS-51系列单片机复位后，（PC）=0000H，而0003H～002BH分别为各中断源的入口地址。

所以编程时应在0000H处写一跳转指令。

2.主程序的初始化内容

3.所谓初始化，是对将要用到的MCS-51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定。

MCS-51系列单片机复位后，特殊功能寄存器IE、IP的内容均为00H，所以应对IE、IP进行初始化编程，以开放CPU中断，允许某些中断源或设置中断优先级等。

3．代码转换程序

人们日常习惯使用十进制数，而计算机的键盘输入、输出以及显示常采用二进制编码的十进制或ASCII码。

因此，在程序设计中经常要进行代码转换。

4.主程序设计框图

主程序设计框图如图13所示。

5.主程序清单

ORG0000H

LJMPMAIN;转入主程序

ORG0003H;外部中断0中断服务程序入口地址

LJMPINTA;转外部中断0中断服务程序

ORG000BH；T0定时中断服务程序入口地址

LJMPT0＿SEV;转T0定时中断服务程序

ORG0013H;外部中断1中断服务程序入口地址

LJMPINTB;转外部中断1中断服务程序

ORG001BH；T1定时中断服务程序入口地址

LJMPT1＿SEV;转T1定时中断服务程序

ORG0030H;设置主程序起始地址=0030H

MAIN:

MOVSP,#60H;设置堆栈指针

MOVA,#00H

MOV30H,A

MOV31H,A

MOV32H,A

MOV33H,#0CH

MOV34H,A

MOV35H,A

MOV44H,#80H

MOV45H,#40H

MOV46H,#20H

MOV47H,#10H

CLRRS0

CLRRS1;选择0组工作寄存器

MOVR2,#0

MOVR3,#0;设置时间初值=12：

00

MOVR4,#0

MOVR5,#12

MOVTMOD,#11H;设置T1、T0的工作方式:

定时器，工作方式1

MOVTH1,#3CH

MOVTL1,#0B0H;T1计数初值=3CB0

MOVTH0,#0ECH

MOVTL0,#78H;T0计数初值=EC78

MOVIP,#08H;设置中断优先级

MOVTCON,#50H;启动定时器T1、T0

MOVIE,#8FH;开中断

LOP:

MOVB,#10;将二进制数转换为十进制数

MOVA,33H;并送到显示缓冲区40H～43H

DIVAB

MOV40H,A

MOV41H,B

MOVB,#10

MOVA,32H

DIVAB

MOV42H,A

AA:

MOV43H,B

SETBRS1

CLRRS0

A1:

MOVR2,35H;判断是否有定时时间

CJNER2,#0,NT

MOVR2,34H

CJNER2,#0,NT

SJMPBB

NT:

MOVA,35H

CJNEA,33H,BB

MOVA,34H

CJNEA,32H,BB

CLRP3.7

SJMPLOP

BB:

SETBP3.7

SJMPLOP

二、LED动态显示程序模块的设计

在采用动态扫描显示方式时，要使得LED显示的比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率。

1.定时器T0的计数初值

设置时钟频率为6Mhz，1个机器周期时间为2us。

T0定时器产生10ms的定时，可以计算出计数值和计数初值：

计数值=定时时间/机器周期时间=10ms/2us=5000

计数初值=65537-5000=15536=EC78H

初值寄存器的初值为:

TH0=0ECH;TL0=78H

工作方式寄存器TMOD=××××0001B=×1H，T0定时器，工作方式1，定时。

2.T0定时器中断服务程序流程

T0定时器中断服务程序流程如图14所示。

图13主程序框图

图14LED动态扫描程序框图

程序清单如下:

T0_SEV:

PUSHA;LED定时扫描程序

PUSHPSW;保护现场

SETBRS1;R31、RS0=11H

SETBRS0;选择3组工作寄存器

CLRTR0;停止T0定时器

MOVR2,#04H;设置显示器位数

MOVR0,#40H;设置段码首地址

MOVR1,#44H;设置位码首地址

GO_ON:

MOVA,R2;送显示数位到A

CJNEA,31H,NO_FLASH;判断是否闪烁位

DJNZ30H,FLASH；是闪烁位，转移到FLASH

NO_FLASH:

MOVA,@R1;送位码地址到A累加器

ADDA,@R0;将段码和位码组成8位二进制数

MOVP1,A;输出段码、位码数据到P1口

LCALLDELAY1;调延时子程序，延时1ms

FLASH:

INCR0;断码地址+1

INCR1;位码地址+1

DJNZR2,GO_NO;判断4位都显示完否？

没完继续显示下一位

MOVTH0,#0ECH

MOVTL0,#78H;重置T0计数初值

POPA;恢复现场

SETBET0允许T0中断

SETBTR0;启动T0开始定时

SETBEA;开中断

RETI;中断返回

DELAY1:

MOVR3,#02H

AGAIN:

MOVR4,#0F8H

DELAY:

DJNZR4,DELAY

DJNZR3,AGAIN

RET

三、时钟计时程序模块的设计

电子时钟系统的主要任务是：

采用单片机为核心器件产生24h时间，并用LED显示器将它显示出来。

1.程序设计框图

程序设计框图如图15所示。

2.计时程序清单

T1＿SEV：

MOVTH1,#3CH;重置T1计数初值

MOVTL1,#0B0H

CLREA;关中断

PUSHA;保护现场

PUSHB

PUSHPSW

CLRRS1

CLRRS0;选择0区工作寄存器

INCR2;中断次数+1

CJNER2,#0AH,EN;判断中断10次否？

否，转EN标号地址

MOVR0,#0;T1中断10次的累计时间为1s，技术寄存器R2清零

INCR3;秒计时单元R3+1

CJNER3,#3CH,EN;判R3=60秒？

否，转EN标号地址

MOVR3,#0;60秒时间到，R3=0

INGR4;分计时单元R4+1

MOV32H,R4;分值送32H单元

CJNER4,#3CH,EN;判R4=60min？

否，转EN标号地址

MOVR4,#0;60min时间到。

R4=0

MOV32H,R4;分值送32H单元

INCR5;小时单元R5+1

MOV33H,R5;小时值送33H单元

CJNER5,#18H,EN;判R5=24H?

否，转EN标号地址

MOVR5,#0;24h到。

R5=0

MOV33H,R5;小时值送33H单元

EN:

POPPSW

POPB

POPA

SETBEA;开中断

RETI；中断返回

图15时间计时程序框图

五、键盘接收子程序的设计

键盘接收子程序是由INTA和INTB两个子程序组成，两个子程序的功能是实现对当前时间的调整和输入定时（闹钟）时间。

1.程序框图

程序框图如图16所示。

2.设置当前时间程序清单

INTA:

SETBP3.0;输入键之前，先将P3.0、P3.1置1

SETBP3.1

CLRTR1;T1停止定时

CLRET1;T1禁止中断

CLREX0;/INT0禁止中断

CLREX1;/INT1禁止中断

SETBEA;开中断

SETBET0；允许T0中断

SETBPT0

PUSHA;保护现场

PUSHB

PUSHPSW

MOV31H,#04H;（31H）=04H（LED的位数）

MOV29H,#00H;（29H）=00H

LP0:

JBP3.0,NEXT0;判断P3.0键（+1键）按下否，无键按下转NEXT0

LCALLDELAY1;有键按下，延迟1ms

JBP3.0,LP0;判断是否松开？

否，转LP0

LP1:

JNBP3.0,LP1;等待键松开

INC29H;键松开后，（29H）+1

MOV30H,#1H

SJMPLO1;转LO1标号地址

NEXT0:

JBP3.1,L1;判断P3.1是否按下？

否，转L1

LCALLDELAY1;有键按下延迟1ms;

JBP3.1,NEXT0;是否松开？

否，转NEXT0

LD1:

JNBP3.1,LD1;是否松开？

否，转LD1

MOV29H,#0

MOV30H,#1

DJNZ31H,LO1

SJMPLL

LO1:

MOVA,31H

CJNEA,#04H,LO2;是时针的十位吗？

不，转LO2

MOVA,29H

CJNEA,#03H,LA1;十位大于3吗？

不，转LA1

MOV29H,#00H;是的，清0

LA1:

MOV40H,29H;（29H）→（40H）

SJMPL1;转L1

LO2:

MOVA,31H

CJNEA,#03H,LO3;是时针的个位吗？

不，转LO3

MOVA,40H

CJNEA,#2,A1

MOVA,29H

CJNEA,#4,LA2

MOV29H,#0

SJMPLA2

A1:

MOVA,29H

CJNEA,#0AH,LA2;是，大于9？

不，LA2

MOV29H,#00H;（29H）清零

LA2:

MOV41H,29H;（29H）→（41H）

SJMPL1;转到L1

LO3:

MOVA,31H

CJNEA,#02H,LO4;是分针的十位吗？

不，转LO4

MOVA,29H

CJNEA,06H,LA3;大于6？

不，转LA3

MOV29H,#00H;（29H）清零

LA3:

MOV42H,29H;（29H）→（42H）

SJMPL1;转L1

LO4:

MOVA,29H

CJNEA,#0AH,LA4;分针个位大于9？

不，转LA4

MOV29H,#00H;（29H）清零

LA4:

MOV43H,29H;（29H）→（43H）

L1:

MOVA,31H

CJNEA,#00H,LP0;（31H）=0返回，否则转LP0

LL:

MOVA,49H;将输入的当前时间值BCD码转换为二进制数。

MOVB,#10H

MULAB

ADDA,41H

MOV33H,A

MOVA,42H

MOVB,#10

MULAB

ADDA,43H

MOV32H,A

PUSHPSW

CLRRS0

CLR