基于89S52单片机的时钟显示电路设计毕业设计Word格式.docx
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由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
2时钟电路的硬件结构
2.1时钟电路的基本组成
时钟计时器的硬件电路如图2.1所示,采用89s52系列单片机,最小化应设计;
采用共阳七段LED显示管,P0口输出段码数据,P2.2~P2.5口作列扫描输出,P1.0、P1.1口接两个按钮开关,用以调时计功能设置,为提供共阳LED数码管的驱动电压,用三极管8550作电源驱动输出,采用12MHZ晶振,有利于提高时、分的精确性。
(如图2-1所示)
2-1时钟电路组成图
2.2控制模块
MOS-52系列单片机的典型产品有89s52系列、8752系列、8031、80C52系列、80C31等。
它们结构基本相同,其主要差别反映在内存储器的配置上有所不同。
本章以MOS-52系列的典型产品89s52系列为例对单片机结构做一下简单介绍:
89s52系列单片机内部由CPU、4KB的ROM、256B的RAM、4个8位并行I/O端口、一个串行口、两个16位定时器/计数器组成。
(如图2-2所示)
图2-252系列单片机内部结构
由图可以看出,单片机内部各功能部件通常都挂靠在内部总线上,它们通过内部总线传送数据信息和控制信息,各功能部件分时使用总线,即所谓的内部单总线结构。
下面对89s52系列各功能部件的作用分述如下:
1.CPU
CPU是单片机内部的核心部件,是单片机指挥和控制的中心。
从功能上看,CPU可分为运算器和控制器两大部分。
(1)控制器
控制器的功能是接受来自程序存储器的指令,并对其进行译码,通过定时和控制电路,按时序规定发出指令功能所需要的各种控制信息,使各部分协调工作完成指令所需要的操作。
控制器主要包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器及定时控制电路等。
(2)程序计数器
程序计数器PC(PROGRAMCOUNT)是一个十位的专用寄存器,用来存放CPU要执行的存放在程序存储器中的下一条指令地址。
程序计数器PC是当前指令所在的地址指示器,CPU所执行的每一条指令,必须由PC提供指令地址,对于一般顺序执行的指令,PC内容自动指向下一条指令;
而对于控制类指令,则是通过改变PC的内容来改变指令所执行的顺序。
当系统上电复位后,PC内容为0000H,CPU是从该入口地址执行程序,所以单片机的主控程序的首地址是0000H。
2.运算器ALU
运算器ALU的功能:
对数据进行算术和逻辑运算。
运算器可以对单字节、半字节二进制数进行加、减、乘、除运算和与、或、异或、取反、移位等逻辑运算。
运算器由算术逻辑运算部件ALU、累加器ACC、程序状态字寄存器PSW等组成。
(1)ALU由加法器和逻辑电路组成,ALU主要用于对数据进行算术和各种逻辑运算,运算结果一般送回累加器ACC中,运算结果的状态信息送给程序状态字寄存器PSW中。
(2)累加器ACC是一个8位寄存器,简写为A,CPU和大多指令都要通过累加器A与其他部件进行交换信息。
ACC常用存放使用次数较多的操作数或中间结果。
(3)程序状态字寄存器PSW是一个8位寄存器,用于寄存当前指令执行的某些状态信息,它工某些指令的查询和判断,不同的特征用不同的状态标志来表示。
(如表2-1所示)
表2-1PSW的各位定义表
位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
位地址
D7H
D6H
D5H
D4H
D3H
D2H
D1H
D0H
位名
CY
AC
F0
RS1
RS0
OV
F1
P
CY(PSW.7):
即PSW的D7位,进位/借位标志。
在进行加减运算时,如果运算结果的最高位D7有进位或借位时,CY置“1”,否则CY置为“0”。
在进行位操作时,CY又是位运算中的累加器。
CY指令助记符用C表示。
AC(PSW.6):
即PSWD6位,辅助进位标志
在进行加减运算时,如果运算结果的低四位(低半字节)向高四位(高半字节)产生进位或借位时,AC置“1”否则AC置“0”
F0(PSW.5)及F1(PSW.1):
即PSW的D5位和D1位,用户标志位。
可由用户需要置位、复位,作为用户自定义的状态标志。
RS1及RS0(PSW.4及PSW.3):
即PSW的D4位和D3寄存器组选择控制位,用于选择当前工作的寄存器组,可由用户通过通过指令RS1、RS0,以确定当前程序中选用的寄存器组,当前寄存器组的指令助记符为R0-R7.它们占用RAM地址空间。
RS1、RS0与寄存器组的对应关系见表2-2。
表2-2RS1、RS0与寄存器组关系表
寄存器组
片内RAM地址
指令助记符
0组
00H-07H
R0-R7
1
1组
08H-0FH
2组
10H-17H
3组
18H-1FH
单片机上电复位后,RS1和RS0均为0,CPU自动选中0组,片内RAM地址为00H-07H的8个单元为当前工作寄存器,即R0-R7。
OV(PSW.2)即PSW的D2位,溢出标志位。
在进行算术运算时,如果运算结果超出一个字长所能表示的数据范围即产生溢出,该位由硬件置“1”,若无溢出则置“0”.例如MCS-52系列单片机的CPU在运算时字长为8位,对于有符号数来说,其表示范围为-128--+127,运算结果超出此范围即产生溢出。
RAM为单片机内部数据存储器,其存储空间包括随机存储器区、寄存器区、特殊功能寄存器即位寻址区。
3.ROM
ROM为单片机内部程序存储器,主要用于存放处理程序。
4.并行I/O口
P0-P3是四个8位并行I/O口,每个口既可作为输入也可作为输出。
单片机在与外部存储器及I/O端口设备交换信息时,必须由P0-P3完成,P0-P3口提供CPU访问外部存储器是所需的地址总线、数据总线及控制总线。
P0-P3作为输出时,数据可以锁存,输入时具有缓冲功能,每个口既可以传送8位数据,又可以按位寻址送出其中一位数据。
使用十分方便。
5.定时器/计数器
定时器/计数器用于定时和对外部事件进行计数,当他对具有固定时间间隔的内部机器周期进行计数时,它是定时器;
当他对外部事件产生的脉冲进行计数时,它是计数器。
6.中断系统
MOS-52系列有5个中断源,中断系统方便灵活,使单片机处理问题的灵活性和工作效率大大提高。
7.串行接口
串行接口提供对数据各位按序一位一位的传送。
MOS-5中的串行接口是一个全双工通信接口,可以同时发送和接收数据。
8.时钟电路OSC
CPU执行指令的一系列动作都是在时序电路的控制下一拍一拍的进行的。
时钟电路用于产生单片机中的最基本时间单位。
【1】
2.2.189s52系列单片机的引脚功能
89s52系列单片机的引脚功能MOS-52系列的封装有两种形式;
一种是双列直插式PDIP(PLASTICDUALINLINEPACKAGE)封装的形式;
另一种是方形封装形式PLCC(PLASTICLEDADECHIPCARRIED).HMOS工艺的89s52系列单片机采用40引脚的PDIP封装;
而CHMOS工艺的单片机80C52系列除采用PDIP封装外还采用PLCC的封装形式。
采用40引脚PDIP封装的89s52系列单片机引脚排列如图2-3所示。
图2-3单片机引脚排列图
电源及电源复用引脚:
1 VCC(40脚):
电源端,接+5V。
2 VSS(20脚):
接地端。
3 RST/VPD(9脚):
复位信号输入端。
单片机刚接上电时,其内部各寄存器处于随机状态,在该引脚上输入24个振荡周期以上的高电平将使单片机复位。
该引脚还具有第二功能,作为备用电源输入端,如果接上+5V备用电源,一旦芯片在使用中VCC突然下降或断电(称掉电或断电),能保护片内RAM中信息不丢失,使复电后能正常运行。
4 EA/VPP(31引脚):
读片内与片外程序存储器选择端。
当EA端接入高电平时,根据存储单元的地址所在可读片内或片外的程序存储器。
若EA端接入低电平,则CPU只能读片外存储器。
(2)外接晶体引脚或外部振荡信号输入引脚:
1 XTAL1(19脚):
外接石英晶体和微调电容引脚之一。
它是片内振荡电路反向放大器的输入端。
采用外部振荡器时此引脚接地。
2 XTAL2(18脚):
外接石英晶体和微调电容引脚之二。
它是片内振荡电路反向放大器的输出端。
采用外部振荡器时,此引脚为外部振荡信号的输入端。
(3)地址锁存信号及读片外程序存储器选通信号的输入引脚:
1 ALE/PROG(30脚):
低8位地址锁存允许信号输出引脚,当访问片外程序存储器或片外数据存储器时,用它的输出来使锁存器锁存P0口送出的低8位地址信号。
即使不访问片外存储器时,该端也以1/6振荡器频率输出正脉冲信号。
可供其他需要使用。
但要注意,在访问片外数据存储器时,会丢失一个脉冲。
它的第二个功能是在对片内EPROM编程时,作为编程脉冲输入引脚。
2 PSEN(29脚):
读片外程序存储器选通信号输出端。
在访问片外数据存储器时输出负脉冲作为选通信号。
PSEN在12个振荡周期中两次有效。
但在此期间内,每当访问片外数据存储器时候,这两次有效信号将不出现。
(4)并行双向输入/输出(I/O)引脚:
1 P0口的P0.0-P0.7引脚(39-32引脚):
用作8位通用输入/输出口和片外8位数据/低8位地址复用总线的端口。
2 P1口的P1.0-P1.7引脚(1-8脚):
用作8位通用输入/输出的端口。
3 P2口的P2.0-P2.7引脚(28-21脚):
用作8位通用输入/输出口和片外高8位地址总线的端口。
4 P3口的P3.0-P3.7引脚(10-17引脚):
用作8位通用输入/输出的端口,并具有用于串行通信、外中断、技术和外部数据存储器选通的第二功能。
【2】
2.3显示模块
2.3.1LED显示器
1.LED显示器的结构原理
LED(lightemittingdiode,发光二极管)是当外加电压超过额定电压值时而发出可见光,LED的工作电流通常是2-20ma,工作压降为5v左右,使用时需要加限流电阻。
LED发光器件一般常用的有两类:
数码管和点阵。
本次设计的数字时钟电路为数码管显示。
七段数码管又称七字形数码管,分为七段,即abcdefg外加小数点dp,由八个发光二极管构成,因此也称为八段数码管。
从内部电路上看,数码管又分为共阴极接法(8个发光二极管的阴极接在一块)和共阳极接法(8个发光二极管的阳极接在一块),通过对公共端com接地或接高电平的控制,可使共阴极或共阳极数码管根据由a-g引脚的输入代码来显示数字或字符。
对数码管公共端的电位控制操作称为位选。
为了显示数字或字符,要为LED提供显示代码,这些代码是为了显示字型的,所以也称之为字形代码、段选码。
应用中要将一个8位并行码选送到LED显示器的对应引脚。
2.数码管及其限流电阻的选用
数码管共阳型和共阴型的外型相同,共阴极是把所有的发光二极管的阴极俩在一起,通常接地,通过控制每一只的阳极电平来使其发光或者熄灭。
阳极为高电平发光,为低电平熄灭。
共阳极是把所有的阳极连在一起,通常接高电平(+5V),通过控制每一只的阴极电平使其发光或者熄灭,阴极为低电平发光,为高电平熄灭。
COM口作为位选端,8只发光二极管被分成两个组,所以有两个COM端,在使用时把它们并联起来。
为了保证发光二极管经久耐用而不被烧毁,需要外接限流电阻。
取值一般是流经的电流在10~20mA,由于高亮度数码管的使用,电流还可以取得小一些。
2.3.2数码管显示技术
(1)静态显示技术
静态显示技术就是当数码管显示某一字符时,相应的发光二极管连续恒定地处于点亮或熄灭状态,直到更换显示内容为止。
采用这种显示方式占用的硬件资源多,以七段LED显示器为例,如果用软件进行字段译码,每显示一个字符就需要一个锁存器,如果用硬件进行字段译码,每显示一个字符就需要一个锁存译码器。
静态显示的数码管由于连续地工作,因此功耗大,但程序简单,亮度高。
随着高度数码管的出现,动态显示同样可以达到很好的显示效果,所以在多数应用情况,不会采用静态显示方式,而采取动态显示方式。
(2)动态显示技术
在多位LED显示时,为了降低成本和功耗,将所有位的段选线并联起来,由一个8位口控制,由另一个端口进行显示位的控制。
但是,由于段选是公用的,要让各位数码管显示不同的字符,就必须采用扫描方式,即动态扫描显示方式。
首先从段选线上送出字段码,再控制位选线,字符就显示在指定位置上,持续1~5ms时间,然后关闭所有显示;
接下来又送出新的字段码,按照上述过程又显示在新的位置上,直到每一位数码管都扫描完为止,即为一个扫描周期。
由于人的视觉停留效应,因此当扫描周期小到一定程度时,人就感觉不出字符的移动或闪烁,觉得每位数码管到一直在显示,达到一种稳定的视觉效果。
动态扫描显示的扫描方式有程序控制和定时中断扫描两种。
程序控制扫描方式要占用许多CPU时间,在计算机的任务较重时,难以得到好的效果,所以在实际中常采用定时中断扫描方式,这种方式是每隔一定时间(如1ms)显示一位数码管,假设有8位数码管,显示扫描周期为8ms,显示效果十分良好。
本次设计采用这种方法。
2.3.3数码管的字型码设计
八段LED显示器由8个发光二极管组成。
基中7个长条形的发光管排列成"
日"
字形,另一个贺点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用,它能显示各种数字及部份英文字母。
LED显示器有两种不同的形式:
一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的,称之为共阳极LED显示器;
另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的,称之为共阴极LED显示器。
如下图所示。
`共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。
当二极管导通时,相应的笔划段发亮,由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。
8个笔划段HGFEDCBA对应于一个字节(8位)的D7D6D5D4D3D2D1D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。
例如,对于共阴LED显示器,当公共阴极接地(为零电平),而阳极HGFEDCBA各段为0111011时,显示器显示"
P"
字符,即对于共阴极LED显示器,"
字符的字形码是73H。
如果是共阳LED显示器,公共阳极接高电平,显示"
字符的字形代码应为10001100(8CH)。
这里必须注意的是:
很多产品为方便接线,常不按规则的方法去对应字段与位的关系,这时字形码就必须根据接线来自行设计了。
设发光二极管为共阳型,也就是相应的输出位为0时笔段亮,则字型码为:
显示字符hgfedcba字型码
011000000C0H
111111001F9H
210100100A4H
310110000B0H
41001100199H
51001001092H
61000001082H
710000111F8H
81000000080H
910010000C0H
不亮11111111FFH
假如LED显示器0-9的字形显示段码在程序存储器中存放情况如下;
210AH:
0C0H;
字符"
0"
的段码
210BH:
0F9H;
1"
210CH:
0A4H;
2"
210DH:
0B0H;
3"
210EH:
99H;
4"
从段码表中取出“3”并送LED端口地址为1200H显示,可用如下指令完成:
2100H:
MOVA,#0AH;
2102H:
MOVCA,@A+PC;
2103H:
MOVDPTR,#1200H;
2106H:
MOVX@DPTR,A;
显示输出“3”
执行结果:
A=0B0H,PC=2107H,字符“3”的段码送入1200显示。
延时子程序
例子:
较长时间的延时子程序,可以采用多重循环来实现。
利用CPU中执行一条指令都有固定的时序这一特点,令其重复执行某些指令从而达到延时的目的。
子程序如下:
源程序机器周期数
DELAY:
MOVRT#0FFH1
LOOP1:
MOVR6#0FFH1
LOOP2:
NOP1
NOP1
DJNZR6LOOP22
DJNZR7LOOP12
RET
程序中:
内循环一次所需的机器周期数-(1+1+2)个=4个。
内循环共循环255次的机器周期数=4*255个=1020个。
外循环一次所需机器周期数=(4*255+1+2)个=1023个。
外循环共循环255次,所以该子程序总的机器周期数=(255*1023+1+2)个=260868个。
因为一个机器周期为12个时钟周期,不允许有中断,否则严重影响定时的准确性,如果需要延时更长时间,可采用多重循环。
如延时1min,可采用三重循环。
程序中所用标号DELAY为改程序的入口地址,以便由主程序或其他子程序调用。
最后一句RET指令,可实现子程序的返回。
2.4调时功能模块
2.4.1简单并行I/O口的扩展
应用系统需要扩展的I/O口数量较少而功能单一时,可采用锁存器、三态门等结构简单的I/O接口芯片。
这种接口一般通过P0口扩展,由于P0是数据/地址复用总线,因此扩展输入接口面向总线必须要求有三态功能:
扩展的输出接口连接外围设备,应具有锁存功能。
输入接口若用于瞬态量的输入,也应具有锁存功能。
MOS-52系列单片机扩展I/O口与外部数据存储器统一编址,I/O口的地址占用外部数据存储器的地址空间。
CPU对扩展I/O口的访问与外部RAM的访问一样都使用MOVX指令,用/RD、/WR作为输入输出的控制信号。
本文扩展8位并行输入口的扩展用的是三态门电路74LS244。
74LS244是一种三态输入的8位总线缓冲驱动器,无锁存功能,其引脚图和逻辑图如图2-4所示。
图2-474LS244
74LS244/1G和/2G连在一起,受89s52系列P2.4和RD的控制,该扩展口的地址为0EFFFH。
2.4.2时钟电路
计算机执行指令的过程可分为取指令、分析指令和执行指令三个步骤,每个步骤又有许多个微操作组成,这些操作必须在一个统一的时钟脉冲的控制下才能按照正确的顺序执行。
时钟脉冲由时钟振荡器产生。
MOS-52系列的始终振荡器是由单片机内部反向放大器和外接晶振及微调电容接到89s52系列的XTAL1和XTAL2端即可产生自激震荡。
通常振荡器输出的时钟频率fosc为6-16MHZ,调节微调电容可以微调振荡频率fosc.MOS-52系列也可以使用外部时钟,如图2-5所示。
图2-5时钟振荡器
2.4.3复位电路
89s52系列的RST位外部复位信号的输入引脚,它接到单片机内部一个施密特触发器的输入端,这样可以滤掉施密特触发器的噪声干扰信号。
当在89s52系列单片机的RST引脚上的输入高电平并至少保持两个机器周期(即24个振荡周期)以上时,复位过程即可完成。
如果RST引脚持续保持高电平,单片机就处于循环复位状态,实际应用中,复位操作通常有两种基本形式,即上电自动复位和手动复位。
如图2-6所示。
图2-6复位电路
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- 基于 89 S52 单片机 时钟 显示 电路设计 毕业设计