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1、基于单片机控制的多功能计时器系统的设计与实现第一章 系统的总体设计1 . 1功能要求本系统要求能能完成电子时钟显示，调整，节能运行，电子秒表记数等多种功能，由按键电路或遥控电路完成功能的设置，秒表时钟计时器要求用六位LED数码管显示时、分、秒，以24h（小时）计时方式。使用按键开关或遥控开关可实现时分调整、秒表时钟功能转换、省电(关闭显示)等功能。1 . 2方案论证为了实现LED显示器的数字显示，可以采用静态显示法和动态显示法。由于静态显示法需要数据锁存器等硬件，接口复杂一些。考虑时钟显示只有六位，且系统没有其它复杂的处理任务，所以决定采用动态扫描法实现LED的显示。单片机采用易购的AT89C
2、51系列，这样单片机可具有足够的空余硬件资源实现其它的扩充功能，如考虑到要使用电池供电的话，则可采用LV系列单片机。硬件系统的总体构成框架如图1所示。 图1 单片机控制的多功能计时器系统的设计总体框图 1 . 3系统总体设计本单片机控制的多功能计时器系统，采用单片机作为控制核心，具有控制灵活，简单可靠，造价便宜等诸多优点。单片机虽然是一个五脏俱全的计算机，但由于本身无开发能力，必须借肋开发工具来开发应用软件以及对硬件系统进行诊断。因此，我们要研制一个较完整的单片机产品时，必须完成以下几步工作：硬件电路设计、组装、调试应用软件的编制、调试应用软件的链接调试、固化、脱机运行（即脱离开发装置）。本单
3、片机控制系统的开发过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段，但各阶段不是绝对分开的，有时是交叉进行的。本系统在设计上特点有如下所示1） 系统硬件结构结合应用软件方案一并考虑。因为硬件结构与软件设计方案会产生相互影响，我们考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注意如用软件来实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件来实现花的时间长，而且占用CPU时间。因此，选择软件方案时，要考虑到这此因素。2） 整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。3） 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。4）
4、单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。本电路的硬件设计包括：加1电路、减1电路、复位电路、振荡电路与驱动电路、显示电路等。在完成各个单元电路的设计与调试后，我们与软件系统进行了联调，且达到了一个较为理想的结果。单片机控制的多功能计时器系统总体开发与设计的流程图如图2所示。图2单片机控制的多功能计时器系统总体开发与设计的流程图第二章系统硬件电路设计2 . 1硬件系统设计应考虑的问题本单片机控制的多功能计时器系统在硬件系统设计上主要考虑下列几点：(1) 尽可能选择典型电路(2) 系统的扩充与外
5、围装置，应充分满足应用系统的要求，并留一些扩充槽，以便进行二次开发。(3) 硬件结构应结合应用软件一并考虑。软件有执行的功能尽可能由软件来执行，以简化硬件结构。但必须注意，由软件执行硬件的功能，其响应时间比直接使用硬件要长，且占用CPU时间。(4) 整个系统器件尽可能做到性能匹配。(5) 可靠性及抗干扰设计是硬件设计极其重要的部分，包括器件选择、电路板布线、通道隔离等。(6) 单片机微处理器外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，驱动能力不足时，系统工作不可靠。解决办法是增加驱动能力，或减少IC功耗，降低总线负载。2 . 2电路各部分硬件电路介绍1）单片机控制的多功能计时器系统的设计总体框图如图3
6、所示。图3 单片机控制的多功能计时器系统的设计总体框图2）控制核心采用目前较为流行的、且价格低廉的89C51为控制核心，主要包括：单片机电路、加1电路、减1电路、复位电路、振荡电路、数字驱动与显示电路，下面我们一一进行阐明。硬件电路原理图如图4所示。 图4 硬件电路原理图2 . 2 . 1单片机AT89C51及其特点本系统以单片机AT89C51为控制核心，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器
7、可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 图4 89C2051引脚排列
8、图和主要参数2管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接
9、收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后
10、，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/
11、PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部
12、数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程
13、以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2 . 2 . 2振荡器电路单片机振荡器电路如图所指示。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉
14、冲的高低电平要求的宽度。如图（）所示：图（）振荡电路2 . 2 . 3复位电路：MCS-51单片机的复位条件是在RST端出现正脉冲，并能保持10ms以上的高电平，其复位电路一般采用上电复位和开关复位两种形式，本系统复位如图所示： 图系统复位电路2 . 2 . 4驱动与显示电路.缓冲器74LS244本系统为了加大驱动显示能力采用74LS244作为驱动器，74LS244是一种三态输出的八缓冲器和线驱动器。74LS244缓冲器主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器等。其管脚图如图7所指示，参数表如表174LS244是三态输出的八缓冲器，由2组、每组四路输入、输出构成。每组有一个
15、控制端，由控制端的高或低电平决定该组数据被接通还是断开。图 7 74LS244管脚排列图.5数码管显示电路本系统数码管显示电路如图 所示，采用6个数码管，数码管管脚排列图如图所指示，在电子钟里能分别显示小时，分和秒，如13.26.21，在电子秒表中，分别显示，分，表和毫秒，如99.56.86 数码管管脚排列图在本系统中，由于用到的LED显示器的位数较多时，为减少I/O口数目，简化电路，降低成本，我们在LED显示器采用动态显示方式，如图8所示。动态LED显示器接口及工作原理 动态LED显示器的电路连接特点是将各位LED显示器的所有对应段线并联在一起，由一个8位I/O口控制输出字段码，而每位LED显示器的公共端（共阳极点或共阴极点）不直接接地或+5V电源，而是分别由另外的I/O口线控制（称为位选）。LED显示器的显示内容通过段码I/O口和位选I/O口的相互配合控制，以动态扫描显示的工
