基于51單片機的電子表設計

1緒論電子表是20世紀50年代才開始出現(xiàn)的新型計時器。最早的一款電子表被稱做“擺輪游絲電子表”，它誕生于1955年。這種手表用電磁擺輪代替發(fā)條驅動，以擺輪游絲作為振蕩器，微型電池為能源，通過電子線路驅動擺輪工作。它的走時局部與機械手表完全相同，被稱為第一代電子手表。1960年，美國布洛瓦公司最早開始出售“音叉電子手表”。這種手表以金屬音叉作為振蕩器，用電子線路輸出脈沖電流，使機械音叉振動。它比擺輪式電子手表結構簡單，走時更精確，被稱為第二代電子手表。1969年，日本精工舍公司推出了世界上最早的石英電子表。石英電子表的出現(xiàn)，立刻成為了鐘表界主流產品，它走時精確，結構簡單，輕松地將一、二代電子表，甚至機械表淘汰出局。石英表又稱“水晶振動式電子表”，因為它是利用水晶片的“發(fā)振現(xiàn)象”來計時的。當水晶受到外部的加力電壓，就會產生變形和伸縮反響；如果壓縮水晶，便會使水晶兩端產生電力。這樣的性質在很多結晶體上也可見到，稱為“壓電效果”。石英表就是利用周期性持續(xù)“發(fā)振”的水晶，為我們帶來準確的時間。單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能〔可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路〕集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域的廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8為單片機，開展到現(xiàn)在的32位300M的高速單片機。1.1單片機的介紹單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器〔MicrocontrollerUnit〕，常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格廉價、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最正確選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領域。1.2單片機應用的特點控制功能和可靠性高單片機是為了滿足工業(yè)控制而設計的，所以實時控制功能特別強，其CPU可以對I/O接口直接進行操作，位操作能力更是其它計算機無法比較的，另外，由于CPU，存儲器，以及I/O接口集成在同一芯片內，各部件之間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時受到干擾小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機的可靠性非常高。體積小，價格低，易于產品化每一片單片機既是一臺完整的微型計算機，對于批量的專用場合，一方面可以在眾多的單片機品種間進行匹配選擇，同時還可以專門進行芯片設計，使芯片功能與應用具有良好和對應關系。對單片機產品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到8個或更少，從而使應用系統(tǒng)的印刷板減小，按插件減少，安裝簡單。在現(xiàn)代的各種電子器件中，單片機具有良好的性能價格比，這正是單片機得以廣泛應用的重要原因。1.3單片機的應用領域(1)能儀器儀表單片機用于各種儀表，一方面提高了儀表儀器的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結構，從而可以方便地完成儀器儀表的升級代換。如各種智能化電氣測量儀表，智能傳感器等。(2)機電一體化機電一體化產品是集機械技術，微電子技術，自動化技術和計算機技術于一體，具有智能化特征的各種機電產品。單片機在機電一體化產品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型的產品如：機器人，數(shù)控機床，自動包裝機，點鈔機，醫(yī)療設備，打印機，機，復印機等。(3)實時工業(yè)控制單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流，電壓，溫度，液位，流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(xiàn)期望的控制指標，從而提高生產效率和產品質量。典型應用如電動機轉速控制，溫度控制，自動生產線等。(4)分布系統(tǒng)的前端模式在較復雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式控制系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊。系統(tǒng)具有運行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，本錢低廉等一系列有點。(5)家用電器家用電器是單片機的又一重要應用領域，前景十分廣泛如空調，電冰箱，洗衣機、電飯煲，高檔洗浴設備，高檔玩具。另外，交通領域中，汽車，火車，飛機，航天等均有單片機的廣泛應用。1.451系列單片機51單片機是對目前所有兼容Intel8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著Flashrom技術的開展，8031單片機取得了長足的進展，成為目前應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內將占有大量市場。51單片機是根底入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機一般不具備自編程能力。當前常用的51系列單片機主要產品有：*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；*ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；*Philips、華邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的許多產品。目前，國產宏晶STC單片機以其低功耗、廉價、穩(wěn)定性能，占據(jù)著國內51單片機較大市場。1.5硬件設計當編寫自己的程序信手拈來、閱讀別人的程序能夠發(fā)現(xiàn)問題的時候，說明你的單片機編程水平相當不錯了。接下來就應該研究的硬件了。硬件設計包括電路原理設計和PCB板設計。學習做硬件要比學習做軟件麻煩，本錢更高，周期更長。但是，學習單片機的最終目的是做產品開發(fā)----軟件和硬件相結合形成完整的控制系統(tǒng)。所以，做硬件也是學習單片機技術的一個必學內容。電路原理設計涉及到各種芯片的應用，而這些芯片外圍電路的設計、典型應用電路和與單片機的連接等在芯片數(shù)據(jù)手冊〔DATASHEET〕都能找到答案，前提是要看得懂全英文的數(shù)據(jù)手冊。否那么，照搬別人的設計永遠落在別人的后面，你做的產品就沒有創(chuàng)意。電子技術領域的第一手資料〔DATASHEET〕都是英文，從第一手資料里你所獲得的知識可能是在教科書、網(wǎng)絡文檔和課外讀物等所沒有的知識。雖然有些資料也都是在DATASHEET的根底上撰寫的，但內容不全面，甚至存在翻譯上的遺漏和錯誤。當然，閱讀DATASHEET需要具備一定的英文閱讀能力，這也是阻礙單片機學習者晉級的絆腳石。良好的英文閱讀能力能讓你在單片機技術知識的海洋里自由遨游。做PCB板就比較簡單了。只要懂得使用Protel軟件或AltimDesigner軟件就沒問題了。但要想做的板子布局美觀、布線合理還得費一番功夫了。嫻熟的單片機C語言編程、會使用Protel軟件或AltimDesigner軟件設計PCB板和具備一定的英文閱讀能力，你就是一個遇強那么強的單片機高手了。1.6芯片簡介AT89C51單片機引腳圖如下：圖1.1AT89C51引腳圖MCS-51單片機是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片其各引腳功能如下：VCC：+5V電源。VSS：接地。RST：復位信號。當輸入的復位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用完成單片機的復位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當使用芯片內部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，當作輸出口使用時，必須接上拉電阻才能有高電平輸出；當作輸入口使用時，必須先向電路中的鎖存器寫入“1”，使FET截止，以防止鎖存器為“0”狀態(tài)時對引腳讀入的干擾。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口它不再需要多路轉接電路MUX；因此它作為輸出口使用時，無需再外接上拉電阻，當作為輸入口使用時，同樣也需先向其鎖存器寫“1”，使輸出驅動電路的FET截止。P2口：P2口電路比P1口電路多了一個多路轉接電路MUX，這又正好與P0口一樣。P2口可以作為通用的I/O口使用，這時多路轉接電路開關倒向鎖豐存器Q端。P3口：P3口特點在于，為適應引腳信號第二功能的需要，增加了第二功能控制邏輯。當作為I/O口使用時，第二功能信號引線應保持高電平，與非門開通，以維持從鎖存器到輸出端數(shù)據(jù)輸出通路的暢通。當輸出第二功能信號時，該位應應置“1”，使與非門對第二功能信號的輸出是暢通的，從而實現(xiàn)第二功能信號的輸出，具體第二功能如表1所示。2設計方案2.1主程序設計思路通過單片機內部的計數(shù)/定時器，采用軟件編程來實現(xiàn)時鐘計數(shù)，一般稱為軟時鐘，這種方法的硬件線路簡單，系統(tǒng)的功能一般與軟件設計相關，通常用在對時間精度要求不高的場合。采用時鐘芯片，它的功能強大，功能部件集成在芯片內部，具有自動產生時鐘等相關功能，硬件本錢相對較高；軟件編程簡單，通常用在對時鐘精度要求較高的場合。先對顯示單元和定時器/計數(shù)器初始化，然后重復調用數(shù)碼管顯示模塊和按鍵處理模塊，當有按鍵按下時，那么轉入相應的功能程序。2.2定時器/計數(shù)器T0中斷效勞程序T0用于計時，選中方式一，重復定時，定時時間設為50ms，定時時間到那么中斷，在中斷效勞程序中用一個計數(shù)器對50ms計數(shù)，計20次那么對秒單元加一。秒單元加到60那么對分單元加一，同時秒單元清0；分單元加到60那么對時單元加一，同時分單元清0；時單元加到24那么對時單元清0，標志一天時間計滿。在對各單元計數(shù)的同時，把他們的值放到存儲器單元的指定位置。2.3示意圖現(xiàn)場保護，重置初值，啟動下一個現(xiàn)場保護，重置初值，啟動下一個50ms是開始顯示單元清0T0、T1設為16位計數(shù)模式允許T0中斷調用顯示子程序進入功能程序按下鍵否開始中斷返回50ms計數(shù)器加一秒單元加一，50ms計數(shù)器清0分單元加一，秒單元清0時單元加一，分單元清0時單元清050ms計數(shù)器=20？秒單元=60?分單元=60？時單元=24？主程序流程圖T0中斷效勞程序NONONONO圖2.1程序示意圖2.4按鍵處理按鍵設置為：如果沒有按鍵嗎，那么時鐘正常走時。當按下K0鍵時，進入調分狀態(tài)，時鐘停止走動；按K1和K2按鍵可以進行加一和減一操作；繼續(xù)按K0鍵可以分別進行分和小時的調整；最后按K0鍵啟動計時。3匯編語言程序ORG0000H LJMPSTART ORG000BH LJMPINIT0START: MOVR0,#70H ;主程序開始 MOVR7,#0CHINIT: MOV@R0,#00H INCR0 DJNZR7,INIT MOV72H,#10 ;對連字符進行裝值 MOV75H,#10 MOVTMOD,#01H ;選擇定時器/計數(shù)器T0的方式1 MOVTL0,#0B0H ;對低位賦初值 MOVTH0,#03CH ;高位賦初值 SETBEA SETBET0 SETBTR0START1: LCALLSCAN LCALLKEYSCAN SJMPSTART1DL1MS: MOVR6,#14H ;延時1子程序DL1: MOVR7,#19HDL2: DJNZR7,DL2 DJNZR6,DL1 RET DL20MS: ACALLSCAN ;延時20ms子程序 ACALLSCAN ACALLSCAN RET;數(shù)碼管顯示程序開始SCAN: MOVA,78H MOVB,#0AH DIVAB;時間秒的十位送給A，時間秒的個位送B MOV71H,A ;時間秒要顯示的十位 MOV70H,B ;時間秒要顯示的個位 MOVA,79H MOVB,#0AH DIVAB ;時間分的十位送給A，時間分的個位送B MOV74H,A ;時間分要顯示的十位送地址 MOV73H,B ;時間分要顯示的個位送地址 MOVA,7AH MOVB,#0AH DIVAB ;時間時的十位送給A，時間時的個位送B MOV77H,A ;時間時顯示的十位送地址 MOV76H,B ;時間時要顯示的個位送地址 MOVR1,#70H MOVR5,#0FEH MOVR3,#08HSCAN1: MOVA,R5 ;數(shù)碼管的顯示程序 MOVP2,A MOVA,@R1 MOVDPTR,#TAB MOVCA,@A+DPTR ;對字段表取值顯示 MOVP0,A MOVA,R5 LCALLDL1MS INCR1 MOVA,R5 RLA MOVR5,A DJNZR3,SCAN1 MOVP2,#0FFH MOVP0,#0FFH RET ;"0~9"和"-"的字段表TAB: DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0BFH;定時/計數(shù)器T0中斷程序INIT0: PUSHACC PUSHPSW CLRET0 CLRTR0 MOVTL0,#0B0H MOVTH0,#03CH SETBTR0 INC7BH MOVA,7BHCJNEA,#14H,OUTT0 ;50ms是否到20次，沒有到就繼續(xù)執(zhí)行50ms的延時 MOV7BH,#00 INC78H MOVA,78HCJNEA,#3CH,OUTT0 ;一秒的延時是否計到60次，沒有就繼續(xù)執(zhí)行 MOV78H,#00 INC79H MOVA,79H CJNEA,#3CH,OUTT0 MOV79H,#00 INC7AH MOVA,7AH CJNEA,#18H,OUTT0 ;60分鐘的延時是否計到24次，沒有就繼續(xù)執(zhí)行程序 MOV7AH,#00OUTT0:SETBET0 ;啟動定時器T0 POPPSW POPACC RETI ;按鍵處理程序KEYSCAN:CLREA JNBP1.0,KEYSCAN0 ;P1.0有按鍵按下那么跳轉到子程序 JNBP1.1,KEYSCAN1 ;P1.1有按鍵按下那么跳轉到子程序 JNBP1.2,KEYSCAN2 ;P1.2有按鍵按下那么跳轉到子程序KEYOUT: SETBEA RETKEYSCAN0:LCALLDL20MS ;20ms的延時消抖 JBP1.0,KEYOUTWAIT0: JNBP1.0,WAIT0 ;判斷按鍵是否松手，松手就往下執(zhí)行程序 INC7CH MOVA,7CH CLRET0 CLRTR0 CJNEA,#03H,KEYOUT ;按下第一次和第二次對時、分選定 MOV7CH,#00 ;按下第三次時就啟動計時 SETBET0 SETBTR0 SJMPKEYOUTKEYSCAN1:LCALLDL20MS ;按鍵加一的程序 JBP1.1,KEYOUTWAIT1: JNBP1.1,WAIT1 MOVA,7CH CJNEA,#02H,KSCAN11 ;如果功能鍵按下那么對時加一調整 INC79H CJNEA,#3CH,KEYOUT ;如果加到60那么清零 MOV79H,#00 SJMPKEYOUTKSCAN11:INC7AH ;如果功能鍵是按下第二次那么對分進行加一調整 MOVA,7AH CJNEA,#18H,KEYOUT MOV7AH,#00 SJMPKEYOUTKEYSCAN2:LCALLDL20MS ;延時消抖程序 JBP1.2,KEYOUTWAIT2: JNBP1.2,WAIT2 ;判斷是否放開按鍵 MOVA,7CH CJNEA,#02H,KSCAN21 ;如果功能鍵是按下第一次對時進行減一 DEC79H MOVA,79H CJNEA,#0FFH,KEYOUT MOV79H,#3BH SJMPKEYOUTKSCAN21:DEC7AH ;如果功能鍵是按下第二次那么對分進行減一 CJNEA,#0FFH,KEYOUT MOV7AH,#17H SJMPKEYOUT END4硬件系統(tǒng)4.1硬件概況硬件系統(tǒng)包括系統(tǒng)的硬件主要包括單片機芯片，數(shù)碼管顯示，按鍵開關電路等，其運作方式如下列圖：晶振復位電路晶振復位電路單片機輸入模式鍵輸入調整鍵LED顯示圖4.1單片機時鐘的根本框圖片機系統(tǒng)中的時鐘是一切與時間有關過程的運行根底，在實時控制系統(tǒng)中尤其如此。鐘有絕對時鐘和相對時鐘兩種。絕對時鐘是與當?shù)氐臅r鐘同步的，有月、日,時、秒等功。相對時鐘那么與當?shù)貢r間無關，一般只有時、分、自動控制定時時間長短的功能。MOS-51系列單片機只有T0,T1兩個16位定時器，假設都用作系統(tǒng)時鐘的絕對時鐘和相對時鐘定時，那么當系統(tǒng)再用于通信等需要定時器資源的情況下，會出現(xiàn)定時器不夠用的情況.為此，統(tǒng)一設計單片機的時鐘系統(tǒng)，用一個定時器完成絕對和相對一個完整的數(shù)字鐘電路相當于一個簡單的系統(tǒng)，每個局部都要設計。MCS－51單片機的片內結構由八局部組成。微型處理機〔CPU〕，數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕。程序存貯器〔ROM，EPROM〕，I/O口，定時器，計數(shù)器。中斷系統(tǒng)及特殊的功能存放器〔SFR〕。數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的可尋址的范圍是：64K地址范圍是：0000H-----FFFFH擴展的I/O均占用存儲器的地址。時鐘等多項定時任務是有實際意義的。4.2protues仿真硬件電路圖4.2硬件電路圖4.3調試一、硬件調試的主要任務是排除硬件故障，其中包括設計錯誤和工藝性故障。(1)脫機檢查。用萬用表逐步按照電路原理圖檢查印制電路板中所有器件的各引腳，尤其是電源的連接是否正