1 概述 ： 加入世貿組織以后，中國會面臨激烈的競爭。這種競爭將是一場科技實力、管理水平和人才素質的較量，風險和機遇共存。 于是老師 在單片機理論課程學習的基礎上，為我們安排了一個涉及 MCS 51 單片機多種資源應用及具有綜合功能的電子時鐘設計。 關鍵字 ： 顯示時間 定時 溫度采集 系統仿真 1 引 言 單片原理及應用是一門技術性、應用性很強的學科，實踐教學是它的一個極為重要的環節。不論是硬件擴展、接口應用還是編程方法、程序調試，都離不開實驗教學。如果不在切實認真地抓好學生的實踐技能的鍛煉上下功夫，單憑課堂理論 課學習，勢必出現理論與實踐脫節的局面。任隨書本上把單片機技術介紹得多么重要、多么實用多么好用，同學們仍然會感到那只是空中樓閣，離自己十分遙遠，或者會感到對它失去興趣，或者會感到它高深莫測無從下手，這些情況都會令課堂教學的效果大打折扣。 本次仿真設計的目的就是讓同學們在理論學習的基礎上，通過完成一個涉及 MCS 51 單片機都種資源應用并具有綜合功能的小系統目標板的設計與編程應用，使學生不但能夠將課堂上學到的理論知識與實際應用結合起來，而且能夠對電子電路、電子元器件、印制電路板等方面的知識進一步加深認識，同時在軟 件編程、排版調試、焊接技術、相關儀器設備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高，為今后能夠獨立進行某些單片機應用系統的開發設計工作打下一定的基礎。 該電子時鐘不但具有定時作用還有溫度采集作用。定時部分可以顯示時、分、秒，而且用按鍵還可以實現時間的調整和鬧鈴的設定。溫度采集部分實現環境溫度數據的采集。 在上一學期進行的 EDA 課程設計中，同學們完成了單片機數據采集與定時系統的硬件電路設計。本次綜合實踐是在此基礎上，焊接制作電路板，完成該系統的軟件設計與調試。待仿真成功后，再將程序燒寫入單片機中。 2 系統結構 整個電子時鐘系統電路可分為五大部分：中央處理單元（ CPU）、電源電路部分、顯示部分、鍵盤輸入部分、溫度采集部分。 2 1 中央處理單元 CPU 選用 AT89C 2051 對整個系統進行控制： 1）它將定時數據輸出到 LED，實現時間的顯示； 2）根據鍵盤輸入調用相應鍵處理子程序，實現時間的調整和鬧鈴的設定； 3）接收溫度傳感器輸入的溫度數據，進行一定的轉換，然后輸出到 2 位的 LED 2 顯示器顯示出來。 2 2 電源電路部分 在各種電子設備中，直流穩壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設備唯一能量來源，它 的設計思路是根據我們以前學過的模電電子技術，要想得到我們所要的+6V 輸出電壓，就需將交流 220V 的電壓經過變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四個部分。 2 3 顯示部分 顯示部分是整個電子時鐘最為重要的部分， 它分為時間的顯示和溫度的顯示兩部分，共需要 8 位 LED 顯示器。采用動態顯示方式， 所謂動態顯示方式是時間（或溫度）數字在 LED 上一個一個逐個顯示，它是通過位選端控制在哪個 LED 上顯示數字，由于這些 LED 數字顯示之間的時間非常的短，使的人眼看來它們是一起顯示時間數字的，并且動態顯示方式所用的接口少，節省了 CPU 的管腳。由于端口的問題以及動態顯示方式的優越性，在此設計的連接方式上采用共陰級接法。顯示器 LED 有段選和位選兩個端口，首先說段選端，它由 LED 八個端口構成，通過對這八個端口輸入的不同的二進制數據使得它的時間（或溫度）顯示也不同，從而可以得到我們所要的時間顯示和溫度。但對于二十個管腳的 AT89C2051 來說， LED 八個段選管腳太多，于是我選用 74LS164 芯片來擴展主芯片的管腳， 74LS164 是數據移位寄存器，還選用了 74LS244 作為數據緩存器。 2 4 鍵盤部分 它是整個系統中最簡單的部分，根據功能要 求，本系統共需四個按鍵：功能移位鍵、功能加鍵、功能減鍵、定鬧鍵。并采用獨立式按鍵。 溫度采集部分 此部分選用 DS18B20 傳感器，主要由四部分組成： 64 位 ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器 TH 和 TL、配置寄存器。有三個管腳： DQ 為數字信號輸入 /輸出端； GND 為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端。電源有兩種接法： 1）遠端因入； 2）寄生電源方式。它是 支持“一線總線”接口的溫度傳感器，測量溫度范圍為-55C+125C，在 -10+85C 范圍內 ， 可編程為 9 位 12 位 A/D 轉換精度，工作電壓在 3V 5V 之間 。 現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。 何為“一線總線”：獨特的電源和信號復合在一起；僅使用一條口線；每個芯片唯一編碼，支持聯網尋址；簡單的網絡化的溫度感知；零功耗等待。 2電路制作 根據電路圖（如圖示 1）將元器件布置在電路板上： 3 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 7- S e p - 2 0 05 S he e t o f F i l e : F : 單片機課程設計 溫度采集和時鐘電路付琳琳 時鐘和溫度計 .d dbD r a w n B y:S3R 1 24 7KVGND dataU4 d s 1 8 b2 0abcdefgdpVD P YD S 1L E DabcdefgdpVD P YD S 2L E DabcdefgdpVD P YD S 3L E DabcdefgdpVD P YD S 8L E DabcdefgdpVD P YD S 4L E DabcdefgdpVD P YD S 7L E DabcdefgdpVD P YD S 5L E DabcdefgdpVD P YD S 6L E DE D A 課程設計X1X T A L 2C23 3pC33 0p FE N 11E N 2191 A 1 I N21 A 2 I N41 A 3 I N61 A 4 I N82 A 1 I N112 A 2 I N132 A 3 I N152 A 4 I N172 Y 4 O U T32 Y 3 O U T52 Y 2 O U T72 Y 1 O U T91 Y 4 O U T121 Y 3 O U T141 Y 2 O U T161 Y 1 O U T18U27 4L S 2 44 ( 2 0 )S1S W - P BC12 2u FR91 0KR S TP 3. 0 / R X DP 3. 1 / T X DX T A L 2X T A L 1P 3. 2 / I N T 0P 3. 3 / I N T 1P 3. 4 / T 0P 3. 5 / T 1GNDV c cP 1. 7P 1. 6P 1. 5P 1. 4P 1. 3P 1. 2P 1. 0P 3. 7P 1. 1S E R I N A1S E R I N B2Q03Q14Q25Q36C L K I N8C L R9Q410Q511Q612Q713U?7 4L S 1 64 ( 1 4 )R1 3 00 R2 3 00 R3 3 00 R4 3 00 R5 3 00 R6 3 00 R8 3 00 R7 3 00 +5+5GNDGND+5GNDGNDR?4 K 7R?4 K 7S2GND+5如圖（ 1） 根據元器件種類和體積以及技術要求將其布局在電路板上的適當位置。可以先從體積較大的器件開始，如單片機底座、電源穩壓器、變壓線圈、鎖存器、溫度傳感器等。待體積較大的元器件布局好之后，小型的電子元器件就可以根據間 隙面積靈活布置。二極管、電感器、阻容元件的裝配方式一般有直立式、俯臥式和混合式三種。 直立式。電阻、電容、二極管等都是豎直安裝在印刷板上的。這種方式的特點是：在一定的單位面積內可以容納較多的電子元件，同時元件的排列也比較緊湊。缺點是：元件的引線過長，在一個平面上，欠美觀，元器件引腳彎曲，且密度較大，元器件之間容易引腳碰觸，可靠性欠佳，且不太適合頻率較高的電路采用。 俯臥式。電阻、電容、二極管等都是俯臥式安裝在印刷板上的。這樣可以明顯地降低元件的排列高度，可實現薄形化，同時元器件的引腳也最 短，適合于較高工作頻率的電路采用，也是目前采用最廣泛的一種安裝方式。 混合式。為了適應各種不同條件的要求或某些位置受面積所限，在一塊印刷電路板上，有的元器件則采用俯臥式。這受到電路結構各式以及機殼內尺寸的限制，同時靈活處理。 元器件配置布局應考慮的因素： 電路板是矩形，元件排列的長度方向一般應與電路板的長邊平行，這樣不但可以提高元件的裝配好的印刷電路板更美觀。 應盡可能地縮短元件及元件之間的引線。盡量避免電路板上的導線的交叉，設法減小它們的分布電容和互相之間的電磁干擾，以提高系統工作的可靠性。 應以 功能電路的核心器件為中心，外圍元件圍繞它進行布局。 4 要注意各種門電路多余的處理，或接電源端或接地端，并按照正確的 方法實現不同邏輯門的組合轉換。 元器件的配置和布局應有利于設備的裝配、檢查、高度和維修。 元器件焊接注意事項： 焊接前務必認準元件數值，會認元件上的標識和會用數字多用表測試。焊接時速度要快，電烙鐵不可長時間停留在電路板和元件的焊腳上。特別是晶振、發光二極管、電解電容、 9041 三極管等元件，時間過長容易導致元器件損壞。 3軟件仿真 3 1 仿真器介紹 仿真器采用偉福仿真器系統，該仿真器介紹如下 ： 系統的特點介紹 本仿真器系統由仿真主機 +仿真頭、 MULTIA 用戶板、實驗板、開關電源等組成。本系統的特點是： 1主機 +仿真頭的組合，通過更換不同型號的仿真頭即可對各種不同類型的單片機進行仿真，是一種靈活的多 CPU 仿真系統。采用主機 +POD 組合方式，更換 POD，可以對各種 CPU 進行仿真。本仿真器主機型號為 E2000/S，仿真頭型號為 POD8X5X（可仿真系列 8X5X 單片機）。 2雙平臺，具有 DOS 版本和 WINDOWS 版本，后者功能強大，中 /英文界面任選，用戶源程序的大小不再有任何限制，支持 ASM， C,PLM 語言混合編程，具有項目管理功能，為用戶的資源共享、課題重組提供強有力的手段。支持點屏顯示，用鼠標左鍵點一下源程序中的某一變量，即可顯示該變量的數值。有豐富的窗口顯示方式，多方位，動態地顯示仿真的各種過程，使用極為便利。本操作系統一經推出，立即被廣大用戶所喜愛。 3雙工作模式 1）軟件模擬仿真（不要仿真器也能模擬仿真）。 2）硬件仿真。 4雙 CPU 結構， 100%不占用戶資源。 全空間硬件斷點，不受任何條件限制，支持地址、數據、外部信號、事件斷點、支持實時斷點計數、軟件運行時間統計。 5雙集成環境 編輯、編譯、下載、調試全部集中在一個環境下 多種仿真器，多類 CPU 仿真全部集成在一個環境下。可仿真 51 系列， 196 系列，PIC 系列，飛利蒲公司的 552、 LPC764、 DALLAS320，華邦 438 等 51 增強型 CPU。為了跟上形勢，現在很多工程師需要面對和掌握不同的項目管理器、編輯器、編譯器。他們由不同的廠家開發，相互不兼容，使用不同的界面，學習使用都很吃力。偉福WINDOWS 調試軟件提供了一個全集成環境，統一的界面，包含一個項目管理器，一個功能強大的編輯器，匯編 Make,Build 和調試工具并提供千個與第 三方編譯器的接口。 5 由于風格統一，大大節省了精力和時間。 6強大的邏輯分析儀綜合調試功能。 邏輯分析儀由交互式軟件菜單窗口對系統硬件的邏輯或時序進行同步實時采樣，并實時在線調試分析，采集深度 32K（ E2000/L），最高時基采樣頻率達 20MHz， 40路波形，可精確實時反映用戶程序運行時的歷史時間。系統在使用邏輯分析儀時，除普通的單步運行、鍵盤斷點運行、全速硬件斷點運行外，還可實現各種條件組合斷點如：數據、地址、外部控制信號、 CPU 內部控制信號、程序區間斷點等。由于邏輯儀可以直接對程序的執行結果進行分 析，因此極大地便利于程序的調試。 7強大的追蹤器功能 追蹤功能以總線周期為單位，實時記錄仿真過程中 CPU 發生的總線事件，其觸發條件方式同邏輯分析儀。追蹤窗口在仿真停止時可收集顯示追蹤的 CPU 指令記憶信息，可以以總線反匯編碼模式、源程序模式對應顯示追蹤結果。屏幕窗口顯示波形圖最多追蹤記憶指令 32K 并通過仿真器的斷點、單步、全速運行或各種條件組合斷點來完成追蹤功能。總線跟蹤可以跟蹤程序的運行軌跡。可以統計軟件運行時間。 偉福系統仿真如圖（ 2）所示 ： 如圖（ 2） 3 2 仿真器編程 雙擊桌 面上的 WAVE 圖標或從開始 /程序 /WAVE FOR WINDOWS/WAVE 進入本開發環境。在實驗開始時要先根據需要設置好仿真器類型、仿真頭類型以及 CPU 類型，并注 6 意是否“使用偉福軟件模擬器”，若使用硬件仿真，請注意去掉“使用偉福軟件模擬器”前的選擇。在文件窗口下可進行包括新建、打開、保存等文件操作。在編譯文件窗口下可將源文件編譯成目標文件。在窗口窗口下可以觀察各種窗口信息，其中最常用到的是 CPU 窗口和數據窗口。在 CPU 窗口下可以通過 CPU 窗口看到編譯正確的機器碼及反匯編程序，可以更清楚地了解程序執行過程。 CPU 窗口中還有 SFR 窗口和位窗口，了解程序執行過程中寄存器內容的變化。在數據窗口下有 DATA 內部數據窗口；CODE 程序數據窗口； XDATA 外部數據窗口； PDTA