基于at89c2051单片机的电子钟设计

基于at89c2051单片机的电子钟设计内容摘要：

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。 这就是南京化工职业技术学院自动控制系毕业设计论文 6 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 MCS51 单片机共有 4 个双向的 8 位并行 I/O 端口（ Port），分别记作 P0P3，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 P0P3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 MCS51 单片机工作时所必需的时钟信号。 MCS51 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， MCS51 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。 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。 南京化工职业技术学院自动控制系毕业设计论文 7 第 3 章 数字钟的硬件设 计 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 31 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 31 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南京化工职业技术学院自动控制系毕业设计论文 8 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 21 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 21 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 31 所示。 表 31 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 OXX00000H 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。 南京化工职业技术学院自动控制系毕业设计论文 9 数字钟的外围电路设计 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 32 所示。 图 32 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。 南京化工职业技术学院自动控制系毕业设计论文 10 图 33 DS1302 引脚排列图 DS1302 的引脚排列如图 33 所示，各引脚的功能 见表 32。 表 32 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 34 所示。 南京化工职业技术学院自动控制系毕业设计论文 11 图 34 DS1302 与单片机接口图 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 D0D7，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 D4D7 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 33。 表 33 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 南京化工职业技术学院自动控制系毕业设计论文 12 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， － ，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 35 所示。 图 35 LCD 与单片机接口 南京化工职业技术学院自动控制系毕业设计论文 13 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 36 所示。 图 36 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。 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 37 所示。 V CCDP / RX CL KE O MPDCEO V FA n a O u tA n a InA G CM ic Re fM icV CCASP 1 2 3 4 5 6 7 8 91011121314A 0/ M 0 A 1/ M 1A 2/ M 2A 3/ M 3A 4/ M 4A 5/ M 5A 6/ M 6A7A8A9V S S D V S S A S P +2827262524232221201918171615IS DA u x In2 5 0 0南京化工职业技术学院自动控制系毕业设计论文 14 图 37 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。 相关控制电路 (1) 按键电路 按键电路如图 38 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 510ms 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。