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1、课课 程程 设设 计计课程名称 数字电子技术 A 题目名称 功能数字钟的设计 学生学院 物理与光电工程学院 专业班级 08 电子科学与技术（2）班 学 号3108009188 学生姓名 谢 晋 秦 指导教师 唐 惠 玲 2010 年 7 月 3 日- 2 -目录1、 设计题目.32、 设计任务和要求.33、 原理电路和程序设计.4(1)、方案比较4 (2)、整体电路 5 (3)、单元电路设计 6 （4） 、电路工作原理. 10 （5） 、原件选择.114、电路和程序调试过程和结果.175、总结 286、附录.29- 3 -1、设计题目设计题目：功能数字钟的设计2、设计任务与要求、设计任务与要求
2、1）时钟显示功能，能够以十进制显示“时” 、 “分” 、 “秒” 。 2）具有校准时、分的功能。 3）整点自动报时，在整点时，便自动发出鸣叫声，时长 1s。 选做： 1）闹钟功能，可按设定的时间闹时。 2）日历显示功能。将时间的显示增加“年” 、 “月”、 “日” 。- 4 -3、原理电路和程序设计 1)、方案比较 单片机的选择单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软
3、件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过 1、2、3、3 代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强 I/O 功能及较好的结构兼容性方向发展。其发展趋势不外乎以下几个方面：1、多功能 单片机中尽可能地把所需要的存储器和 I/O 口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。比如 A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器-看家狗）、高速 I/O 口及计数器的捕获/比较逻辑等。有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。例如，有的芯片以 51 内核为核心，集成了 USB 控制器、SMART
4、CARD 接口、MP3 解码器、CAN 或者 I*I*C 总线控制器等，LED、LCD 或 VFD 显示驱动器也开始集成在 8 位单片机中。2、高效率和高性能为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用 RISC、流水线和 DSP 的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内 ROM（FLASH）和 RAM 的容量都突破了以往的数量和限制。由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如 C 语言）来开发单片机的程序。使用高级语言可以降低开发 难度，缩短开发周期，增强软件的可读
5、性和可移植性，便于改进和扩充功能。- 5 -3、低电压和低功耗单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。由于 CMOS 等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2V 或 0.9V），功耗已经降低到 uA 级。这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。4、低价格单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。2）整体电路- 6 -3）单元电路设计MCS-52 单片机内部结构8052 单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器
6、、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)8052 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。单
7、片机 8052 的内部结构程序存储器(ROM)：8052 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(ROM)：8052 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。- 7 -并行输入输出(I/O)口：8052 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8052 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8052 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一
8、个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。时钟电路：8052 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但 8052 单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL 的 MCS-52 系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的 MCS-96 系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是 MCS-52 系列单片机的内部结构示意图。MCS-52 系列单片
9、机的内部结构- 8 -MCS-52 的引脚说明：MCS-52 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，右图是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：MCS-51 的引脚说明：MCS-52 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，右图是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个
10、I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：单片机的引脚图Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当 8052 通电，时钟电路开始工作，在RESET 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器 PC 指向 0000H，P0-P3 输出口全部为高电平，堆栈指针写入 07H，其它专用寄存器被清“0” 。RESET 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变 RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的状态，8052 的初始态。- 9 -8051 的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图
11、。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部 RAM 的数据不丢失。上电自动和手动复位电路图内部和外部时钟方式图 Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉- 10 -冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE 会跳过一个脉冲。 如果单片机是 EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC 的 16位地址
12、数据将出现在 P0 和 P2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上，由 CPU 读入并执行。Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051 和 8751 单片机，内置有4kB 的程序存储器，当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时，读取内部程序存储器指令数据，而超过 4kB 地址则读取外部指令数据。如 EA 为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA 端必须接地。4）电路工作原理数字钟的原理图 工作原理 ： 数字电子钟是一个将“ 时” ， “分” ， “秒”显示于人的视觉器官的计时装置。- 11 -它的计时周期为
13、 24 小时，显示满刻度为 23 时 59 分 59 秒，另外还有校时功能。因此，一个基本的数字钟电路主要由显示器“时” ， “分” ， “秒”和单片机，还有校时电路组成。8 个数码管的段选接到单片机的 P0 口，位选接到单片机的 P2口。数码管按照数码管动态显示的工作原理工作，将标准秒信号送入“秒单元” ，“秒单元”采用 60 进制计数器，每累计 60 秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分单元”的时钟脉冲。 “分单元”也采用 60 进制计数器，每累计 60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时单元” 。 “时单元”采用24 进制计时器，可实现对一天 24 小时的累计。显示电路
14、将“时” 、 “分” 、 “秒”通过七段显示器显示出来。校时电路时用来对“时” 、 “分” 、 “秒”显示数字进行校对调整，按一下 ksec,秒单元就加 1 ，按一下 kmin,分就加 1，按一下khour，时就加 1。整点报时是当 fen=00 和秒=00 时，发出一个报时脉冲信号以驱动蜂鸣器报警。闹钟功能可在程序设置调节显示，当时钟走到所设置的时间时，发出一个定时信号以触动蜂鸣器，驱动产生闹钟声音。5）原件选择单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/EA=1 组成，下面介绍一下每一个组成部分。1.电源引脚 Vcc 电源端GND 接地端工作电压为 5V，另有 AT89LV51 工作电压则是
15、2.7-6V, 引脚功能一样。 2.外接晶体引脚- 12 -图 3-2 晶振连接的内部、外部方式图XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2 则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频率就为 6MHz。晶振的频率可以在 1MHz-24MHz 内选择。电容取 30PF 左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快
