单片机在数字时钟中的运用(定稿).doc

成都市技师学院2011年毕业论文

单片机在数字时钟中的运用

作者姓名: 韩 波
班 级： 09三高机电2班
指导老师： 李 艳
联系电话： [phone]

【摘要】单片机全称单片机微型计算机（Sing Chip MicroComputer）,又称MCU(MicroContrnller Unit)是将计算机的五大组成部分（即运算器.控制器.存储器.输入设备.输出设备）微型化。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 目前，单片机的应用领域 主要包括：办公自动化设备；单片机在电子中的应用；在实时过程控制中的应用；单片机在日常生活及家用电器领域的应用；在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比；在计算机网络和通信领域中的应用；商业营销设备；单片机在医用设备领域中的应用；汽车电子产品；航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域.因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

【关键词】单片机 微处理器 自动控制 单片机应用

一、前言
我国开始使用单片机是在1982 年，短短五年时间里发展极为迅速。1986 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的《单片机与嵌入式系统应用》杂志现以风靡电子界，在2003年7月，在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。一块小小的片子，为何有这样的魔力？我们首先从它的构成说起：单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达1——3 亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。

二、单片机的特点应用
单片机的特点主要有：高集成度，体积小，高可靠性 ；控制功能强；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；易扩展；优异的性能价格比。目前，单片机的应用领域 主要包括：办公自动化设备；单片机在机电一体化中的应用；在实时过程控制中的应用；单片机在日常生活及家用电器领域的应用；在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比；在计算机网络和通信领域中的应用；商业营销设备；单片机在医用设备领域中的应用；汽车电子产品；航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域，单片机的应用更是不言而喻。

三、AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片计。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除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，AT89C2051是它的一种精简版本。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。

图1 AT89C51单片机外形图

图2 AT89C51和AT89C2051单片机引脚图

（一）主要特性
1. 与MCS-51 兼容
2. 4K字节可编程闪烁存储器
3. 寿命：1000写/擦循环
4. 数据保留时间：10年
5. 全静态工作：0Hz-24MHz
6. 三级程序存储器锁定
7. 128×8位内部RAM
8. 32可编程I/O线
9. 两个16位定时器/计数器
10. 5个中断源
11. 可编程串行通道
12. 低功耗的闲置和掉电模式
13. 片内振荡器和时钟电路
（二）管脚说明
1. VCC：供电电压。
2. GND：接地。
3. 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。
4. 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收。
5. 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。
6. 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，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：

表1 P3口的特殊功能
P3.0 RXD
P3.1 TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4 T0
P3.5 T1
P3.6 /WR
P3.7 /RD
串行输入口
串行输出口
外部中断0
外部中断1
记时器0外部输入
记时器1外部输入
外部数据存储器写选通
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。
7. 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。
8. ALE/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。
9. /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。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
10. /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）。
11. XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
12. XTAL2：来自反向振荡器的输出。
（三）振荡器特性
　　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，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
（四）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。
四、单片机的实例
时钟，自从它被发明的那天起，就成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是在现在这个讲究效率的年代， 时钟更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。然而随着时间的推移，人们不仅对于时钟精度的要求越来越高，而且对于时钟功能的要求也越来越多，时钟已不仅仅是一种用来显示时间的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。
例如单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，结合dvcc实验箱上的集成电路芯片74LS47、LED数码管以及实验箱上的按键来设计计时器。将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，数码管能够正确地显示时间。其中本实验设计了四个开关按键：其中一个按键按下去时以1秒加一开始计时，即秒表开始键（本实验中当开关从1变为0时开始计时），另一个按键按下去时暂停计时，使秒表停留在原先的计时（本实验中当相应开关从1变为0时即停止计时），第三个按键按下去时清0（本实验中当相应开关从1变为0时即停止计时），第四按键按下去则是以每10ms秒快速加一计时（本实验中当开关从1变为0时开始计时）。本实验中开始时都要使各按键回到各初始位置，即都处于1状态。
用AT89C51设计一个2位LED数码显示“秒表”，显示时间为00~99秒，每秒自动加一。另设计一个“开始”按键和一个“复位”按键。再增加一个“暂停”按键和一个“快加”按键（每10ms快速加一）。按键说明：按“开始”按键，开始计数，数码管显示从00开始每秒自动加一；按“复位”按键，系统清零，数码管显示00；按“暂停”按键，系统暂停计数，数码管显示当时的计数；按“快加”按键，系统每10ms快速加一，即数码显示管在原先的计数上快速加一。如图3则是一个秒表系统原理图。

图3简易秒表的原理图

图4秒表系统流程图
以下是秒表系统程序:
SECOND  EQU     30H
TCOUNT  EQU     31H
KCOUNT  EQU     32H
KEY     BIT     P3.7
ORG     00H
SJMP    START
ORG     0BH
LJMP    INT_T0
START:  MOV     DPTR,#TABLE
     MOV     P0,#3FH
    MOV     P2,#3FH；          开始,数码管显示"00"
     MOV     SECOND,#00H
     MOV     TCOUNT,#00H
     MOV     KCOUNT,#00H
     MOV     TMOD,#01H；          定时器0工作在方式1
     MOV     TL0,#(65536-50000)/256
     MOV     TH0,#(65536-50000) MOD  256
K1:    JB     KEY,$；           等待按键
     LCALL   DELAY
     JB     KEY,$
     MOV     A,KCOUNT
     CJNE    A,#00H,K2；          判断按键次数
     SETB    TR0；             第1次按键,启动定时器
     MOV     IE,#82H
     JNB     KEY,$
     INC     KCOUNT；           按键抬起,按键次数值加1
     LJMP    K1K2:   
CJNE    A,#01H,K3
     CLR     TR0；             第2次按键,关闭定时器
     MOV     IE,#00H
     JNB     KEY,$
     INC     KCOUNT；         按键抬起,按键次数值加1
     LJMP    K1
K3:    CJNE    A,#02H,K1；        第3次按键,返回初始状态
     JNB     KEY,$
     LJMP    START
INT_T0: MOV     TH0,#(65536-50000)/256
     MOV     TL0,#(65536-50000) MOD 256
     INC     TCOUNT
     MOV     A,TCOUNT
     CJNE    A,#2,I2；           是否计够0.1秒
     MOV     TCOUNT,#00H
     INC     SECOND
     MOV     A,SECOND
     CJNE    A,#100,I1；         是否计够10秒
     MOV     SECOND,#00H
I1:    MOV     A,SECOND
     MOV     B,#10
     DIV     AB
      MOVC    A,@A+DPTR；         显示时间
     MOV     P0,A
   MOV     A,B
  MOVC    A,@A+DPTR
MOV     P2,A
I2:    RETI               
TABLE: DB     3FH,06H,5BH,4FH,66H
DB     6DH,7DH,07H,7FH,6FH
DELAY:  MOV  R6,#20
D1:   MOV  R7,#250
DJNZ    R7,$
DJNZ    R6,D1
RET
END

五、结束语
综上所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。此外在开发和应用过程中我们更要掌握技巧，提高效率，以便于发挥它更加广阔的用途。

六、致谢
在即将毕业之际，我想借此机会对关心和支持我的所有人表示感谢！
感谢电气系的各位老师尤其是我的指导老师李艳老师，在她的悉心指导下，我才得以完成毕业设计。另外，在整个设计的过程中，我还得到了同组其他同学的真诚帮助，在此一并表示感谢！
大学生活即将结束，我感到自己树立了正确的世界观、人生观、价值观。在此，我感谢学院领导和班主任老师，是他们教会我做人的道理。
回顾这难忘的学习和生活，还有许多的朋友和同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后。在此我要感谢所有关心和爱护我的人，今后我会继续努力，不辜负您们对我的期望。

【参考资料】
1. 劳动和社会保障部教材办公室.《单片机原理与应用 》.中国劳动社会保障出版社，2004
2. 中国电力办公室.《PLC应用技术》.中国电力出版社，2005
3. 劳动和社会保障部教材办公室.《可编程序控制器配置》.中国劳动社会保障出版社，2005.6

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