因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
1.3 数字电子钟的应用 数字钟已成为人们日常生活中:必不可少的必需品,广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术,使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点,它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。
2 整体设计方案2.1 单片机的选择 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 、WDT(监视定时器以实现更多的功能。
比如 A/D、PWM、PCA(可编程计数器阵列) 、高速 I/O 口及计数器的捕获/比较逻辑等。
---看家狗) 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 CARD 接口、MP3 解码器、CAN 或者 IIC 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,增强软件的可读性和可移植性,便于改进和扩充功能。
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, ,功耗已经降低到 uA 很多单片机可以在更低的电压下工作(1.2V 或 0.9V)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。
下面大致介绍一下单片机的主要应用领域和特点。
(1)家用电器领域 用单片机控制系统取代传统的模拟和数字控制电路,使家用电器(如洗衣机、空调、冰箱、微波炉、和电视机等)功能更完善,更加智能化和易于使用。
(2)办公自动化领域 单片机作为嵌入式系统广泛应用于现代办公设备,如计算机的键盘、磁盘驱动、打印机、复印机、电话机和传真机等。
(3)商业应用领域 商业应用系统部分与家用和办公应用系统相似,但更加注重设备的稳定性、可靠性和安全性。
商用系统中广泛使用的电子计量仪器、收款机、条形码阅读器、安全监测系统、空气调节系统和冷冻保鲜系统等,都采用了单片机构成的专用系统。
与通用计算机相比,这些系统由于比较封闭,可以更有效地防止病毒和电磁干扰等,可靠性更高。
(4)工业自动化 在工业控制和机电一体化控制系统中,除了采用工控计算机外,很多都是以单片机为核心的单片机和多机系统。
(5)智能仪表与集成智能传感器 目前在各种电气测量仪表中普遍采用了单片机应用系统来代替传统的测量系统,使得测量系统具有存储、数据处理、查询及联网等智能功能。
将单片机和传感器相结合,可以构成新一代的智能传感器。
它将传感器变换后的物理量作进一步的变化和处理,使其成为数字信号,可以远距离传输并与计算机接口。
(6)现代交通与航空航天领域 通常应用于电子综合显示系统、动力监控系统、自动驾驶系统、通信系统以及运行监视系统等。
这些领域对体积、功耗、稳定性和实时性的要求往往比商用系统还要高,因此采用单片机系统更加重要。
目前,我国生产很多型号的单片机,在此,我们采用型号为 STC89C52 的单片机。
因为: STC89C52 是一个低电压,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 4k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器 ,件 (RAM) 器 采 用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准 MCS-52 指令系统,片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元,内置功能强大的微型计算机的 AT89C52 提供了高性价比的解决方案。
STC89C52 是一个低功耗高性能单片机,40 个引脚,32 个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含 2 个外中断口,2 个 16 位可编程定时计数器2 个全双工串行通信口,STC89C51 可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和 Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。
2.2 单片机的基本结构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、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。
图 2-1 单片机 8052 的内部结构程序存储器ROM: 805 2 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。
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。
图 2-2 MCS-52 系列单片机的内部结构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
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