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1、目录1 课程设计目的12 系统方案设计及确定22.1 方案的提出22.2 方案的论证及确定22.2.1 单片机简介及选择22.2.2 键盘电路的简介及选择42.2.3 LED数码管的简介及选择53 系统的硬件设计73.1 AT89S51最小系统设计73.1.1 时钟电路硬件设计73.1.2 复位电路硬件设计73.2 键盘电路硬件设计93.3 显示电路硬件设计93.4 蜂鸣器电路硬件设计104 系统软件设计114.1 系统主程序设计114.1.1 系统软件设计内存分配及芯片地址介绍114.1.2 系统主程序流程图114.2 定时器的设计124.3 整点报时145 系统调试155.1 调试步骤15
2、5.2 调试过程中的问题及解决方法226 总结237 参考文献24附录25附录一：程序清单25附录二 系统硬件原理图及PCB图461 课程设计目的单片机体积小、成本低，嵌入到工业控制单元、机器人、智能仪器仪表、汽车电子系统、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、玩具、个人信息终端及通讯产品中。单片机是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。 由于体积小，很容易地嵌入到系统之中，以实现
3、各种方式的检测、计算或控制，这一点，一般微机根本做不到。 由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等方面，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。所以单片机的课程设计是十分必要的。灵活运用单片机的基础知识，依据课程设计内容，能够完成从硬件电路图设计，到PCB制版，再到软件编程及系统调试实现系统功能，完成课程设计，加深对单片机基础知识的理解，并灵活运用，将各门知识综合应用。能够上网查询器件
4、资料，培养对新知识新技术的独立的学习能力和应用能力。独立完成一个小的系统设计，从硬件设计到软件设计，增强分析问题、解决问题的能力，为日后的毕业设计及科研工作奠定良好的基础。2 系统方案设计及确定2.1 方案的提出用单片机及6位LED数码管显示时、分、秒，以24小时计时方式运行，能整点提醒（短蜂鸣，次数代表整点时间），使用按键开关可实现时、分调整，秒表（或闹钟）/时钟功能转换，以及实现省电（关闭显示）功能。系统框图如下图2.2 方案的论证及确定2.2.1 单片机简介及选择单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给工业自动化等领域带来了一场重大
5、革命和技术进步。 由于体积小，很容易地嵌入到系统之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，这一点，一般微机根本做不到。 由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控制系统、智能仪器仪表等。20世纪80年代以来，发展迅速，世界一些著名厂商投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种，Intel公司的MCS-48、MCS-51，Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501、6502等。此外，荷兰的Philips公司、日本的NEC公司、
6、日立公司等也相继推出了各自的产品。 尽管机型很多，但是在20世纪80年代以及90年代，在我国使用最多的8位单片机还是Intel公司的MCS-51系列单片机以及与其兼容的单片机（称为51系列单片机）MCS-51系列单片机主要包括 基本型：8031/8051/8751（低功耗型80C31/80C51/87C51）增强型：8032/8052/8752。已为我国广大技术人员所熟悉和掌握。在上世纪80年代和90年代，MCS-51系列是在我国应用最为广泛的单片机机型之一。（1）基本型典型产品：8031/8051/8751。 8031内部包括1个8位CPU、128B RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、
7、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，5个中断源，但片内无程序存储器，需外扩程序存储器芯片。8051是在8031的基础上，片内又集成有4KB ROM作为程序存储器。所以8051是一个程序不超过4KB的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。8751与8051相比，片内集成的4KB EPROM取代了8051的4KB ROM来作为程序存储器。（2）增强型 Intel公司在基本型基础上，推出增强型-52子系列，典型产品：8032/8052/8752。内部RAM增到256B，8052、片内程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个，6个中断源，串行
8、口通信速率提高5倍。 表2-1列出了基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源。表2-1MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源。与MCS-51系列的87C51单片机相比，AT89C51/AT89S51单片机片内的4KB Flash存储器取代了87C51片内的4KB EPROM。AT89S51片内的Flash存储器可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低。因此AT89C51/AT89S51单片机作为代表性产品受到用户欢迎，AT89C5x/AT89S5x单片机是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。本书重点介绍AT89S51单片机的原理及应用系统设计。 AT89S5x的“
9、S”档系列机型是ATMEL公司继AT89C5x系列之后推出的新机型，代表性产品为AT89S51和AT89S52。基本型的AT89C51与AT89S51以及增强型的AT89C52与AT89S52的硬件结构和指令系统完全相同。使用AT89C51的系统，在保留原来软硬件的条件下，完全可以用AT89S51直接代换。 与AT89C5x系列相比，AT89S5x系列的时钟频率以及运算速度有了较大的提高，例如，AT89S51工作频率的上限为24MHz，而AT89S51则为33MHz。AT89S51片内集成有双数据指针DPTR，看门狗定时器、具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式。目前，AT89S5x系列已逐渐取
10、代AT89C5x系列。此次设计使用的是AT89S51。2.2.2 键盘电路的简介及选择键盘具有向单片机输入数据、命令等功能，是人与单片机对话的主要手段。键盘可分为两类：非编码键盘和编码键盘。本报告主要介绍非编码键盘。非编码键盘是利用按键直接与单片机相连接而成，这种键盘通常使用在按键数量较少的场合。使用这种键盘，系统功能通常比较简单，需要处理的任务较少，但是可以降低成本、简化电路设计。按键的信息通过软件来获取。非编码键盘 分为两种结构：独立式键盘和矩阵式键盘(1)独立式键盘独立式键盘特点是：一键一线，各键相互独立，每个键各接一条I/O口线，通过检测I/O输入线的电平状态，可容易地判断哪个按键被按
11、下，如图10-8所示。对于图3-1的键盘，图中的上拉电阻保证按键释放时，输入检测线上有稳定的高电平。当某一按键按下时，对应的检测线就变成了低电平，与其他按键相连的检测线仍为高电平，只需读入I/O输入线的状态，判别哪一条I/O输入线为低电平，很容易识别哪个键被按下。(2) 矩阵式键盘矩阵式（也称行列式）键盘用于按键数目较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。如图3-2所示，一个44的行、列结构可以构成一个16个按键键盘。在按键数目较多的场合，要节省较多的I/O口线。矩阵中无按键按下时，行线为高电平；当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。列线的电平如果为低，
12、则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线的电平也为高，这是识别按键是否按下的关键所在。由于本设计键盘数目较少故采用独立式键盘。 图3-1独立式键盘 3-2矩阵式键盘2.2.3 LED数码管的简介及选择LED（Light Emitting Diode）发光二极管缩写。LED数码管是由发光二极管构成的。常见的LED数码管为“8”字型的，共计8段。每一段对应一个发光二极管。有共阳极和共阴极两种，如图3-3所示。共阴极发光二极管的阴极连在一起，通常公共阴极接地。当阳极为高电平时，发光二极管点亮。同样，共阳极LED数码管的发光二极管的阳极连接在一起，公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，
13、发光二极管被点亮，相应的段被显示。图3-3LED数码管有静态显示和动态显示两种显示方式。静态显示方式的显示无闪烁，亮度都较高，静态显示方式接口编程容易，但是占用口线较多（图3-4）。动态显示的优点是硬件电路简单，显示器越多，优势越明显。缺点是显示亮度不如静态显示的亮度高。如果“扫描”速率较低，会出现闪烁现象（图3-5）。 图2-4静态显示 图2-5动态显示基于以上原因本设计采用动态显示。总结以上选择，我们单片机选用了AT89S51，键盘选用了非编码式独立式键盘，数码管选择动态显示。3 系统的硬件设计3.1 AT89S51最小系统设计AT89S51的最小系统包括时钟电路、复位电路，和AT89S5
14、1芯片。3.1.1 时钟电路硬件设计AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，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，构成一个稳定的自激振荡器。C1和C2的典型值通常选择为30pF。电容大小会影响振荡器频率高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振频率范围通常是1.212MHz。晶体频率越高，单片机速度就越快。速度快对存储器的速度要求就高，印制电路板的工艺要求也高，即线间的寄生电容要小。晶体和电容应尽可能与单片机靠近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定、可靠地工作。为提高温度稳定性，采用温度稳定性能好的电容。常选6MHz或12MHz
15、的石英晶体。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，已达33MHz。本设计选用的是11.0592MHZ。图3-1时钟电路3.1.2 复位电路硬件设计单片机的初始化操作，给复位脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就使AT89S51复位。 复位电路采用上电自动复位和按钮复位两种方式。上电自动复位是给电容C 充电加给RST引脚一个短的高电平信号，此信号随着VCC对电容C 的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C 充电时间。为保证系统可靠复位，RST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位,本设计采用上电自动复位和按钮复位结合的方式。图3-2复位电路下图为AT89S51的最小系统图3-3AT89S51的最小系统3.2 键盘电路硬件设计对于图3-8的键盘，图中的上拉电阻保证按键释放时，输入检测线上有稳定的高电平.与门U5B的输出为高电平。当某一按键按下时，对应的检测线就变成了低电平，与其他按键相连的检测线仍为高电平
