利用单片机制作数字式时钟[附图]

1、利用单片机制作数字式时钟利用单片机制作数字式时钟 目录目录 中文摘要中文摘要.4 英文摘要英文摘要.5 绪绪 论论.6 1.1 问题的背景.6 1.2 基本构想.6 第一章第一章 单片机知识介绍单片机知识介绍.7 1.1 什么是单片机.7 1.2 单片机应用的特点.7 1.3 单片机的应用领域.7 1.4 单片机的中断与定时系统.8 1.4.1 mcs51 单片机中断系统 .8 1.4.2 mcs-51 单片机的定时器/计数器. 11 第二章第二章 可编程逻辑器件的原理介绍可编程逻辑器件的原理介绍.15 2.1 发展概述.15 2.2 可编程逻辑器件的分类.16 2.3 cpld 的基本结构.

2、16 第三章第三章 系统的需求分析系统的需求分析.17 第四章第四章 系统的硬件组成系统的硬件组成.18 4.1 硬件模块的实现.19 4.2 硬件可行性方案概述.24 4.3 外围电路的 cpld 实现.28 4.4 使用 8155 进行并行的显示.32 4.5 使用 8279 进行外部的显示.33 4.6 单片机直接驱动.34 第五章第五章 .具体的设计实现具体的设计实现.35 5.1 硬件的选择.35 5.2 选用单片机的资料概述.36 5.3 软件的选择.37 5.4 软件的具体实现.37 5.4.1 主程序设计.38 5.4.2 显示程序设计.39 5.4.3 按键部分：.41 5.

3、4.4 按键去抖问题.44 5.4.5 时钟模块程序.45 5.4.6 定时模块程序实现.47 5.4.7 时间间隔模块的实现.51 5.4.8 时间比较模块的实现.49 5.5 调试中遇到的问题.52 第六章第六章 原理图的设计原理图的设计.54 6.1 软件介绍.54 6.2 原理图的设计.55 6.3 pcb 图的设计.61 结束语结束语.64 致致 谢谢.64 参考文献参考文献.64 摘摘 要要 近几年，单片机在各个领域得到广泛的应用。从工业到人们的日常生活，大部 分的科技产品都是通过单片机来控制。在它问世之前，自动控制设备不能被广泛的 应用，这是因为控制设备的体积庞大，耗电量大，价格

4、昂贵。在第一台微处理器成 功研制不久，第一个单片机就问世了。因为其小巧的体积，低功耗，以及高效的性 能，单片机受到了大家的欢迎。 今天，单片机成为了解决低复杂度，中等复杂度控制问题的传统选择。文章介 绍了单片机在定时方面的基本功能。生活中，我们发现，有时病人要在注射药物之 前作皮试试验，防止过敏。护士们有必要在一定时间后记录结果。这时，时间的准 确显得很重要的。但是，有些时候，由于病人的人数众多，忘了记录时间。根据这 种情况，我们设计了一个设备解决此问题。 我们选择的方法是单片机开发设计使用的传统方法，通过本次设计，可以了解 整个单片机开发的流程。文章首先介绍了单片机的基本知识。下来比较了一些

5、可行 的方法。同时给出了框图，流程图等。论文涵盖了从需求分析，系统设计，编程， 原理图，pcb 图以及最后的试验板焊制等产品开发的基本过程。 关键词：单片机，软件仿真，原理图，关键词：单片机，软件仿真，原理图，pcb 图图 abstract single chip microcomputer has achieved a immemse popularity in all fileds in recent years.from industry to peoples common lives,most of technical applications are controlled by sc

6、m. before it appeared,the automatic devices couldt be widely used because of their huge size ,large quantity of power cost and high price.the first scm appeared as soon as the first mcu(microcontroller unit) was successfully developed.due to its small size,low power cost and high performance,it has

7、been welcomed by people. nowadays, scm has been selected as a traditional solution for low or medium complexity problems about devices controlling.this essay shows a basic application of scm in timing for peoples life. we often find that patients sometimes has to receive medical tests before using m

8、edcines for fear that patients may get allery,so it is necessary for nurses to record the result after a fixed time interval. under this condition,time accuracy is a vital factor that effects the results.unfornately,some nurses ignore some patients when a large number of patients waiteing for tests.

9、form this point,we design a device which can solve this problem. the approach we choose is the common way for scm developing from which we can get an acknowledge about the scm develop flowing process.the paper first introduces knowledge on 51 serial scm,then compares some possible methodologies.at t

10、he same time,it also shows block diagrams,flowing process diagrams and so on. it presents the process including requirement analysis ,system design,scm programming ,program emulation , pcb design and final welding of the board which forms a complete procedure for product manufacture。 key words: scm，

11、software emulation，schemetic ，pcb 绪绪 论论 人类跨入 21 世纪，科学技术突飞猛进，人民的生活发生了翻天覆地的变化。现 代化的设备频繁出现在我们的身边，产生这一变化的重要的原因时计算机技术的飞 速发展。第一台计算机 eniac（electronic numberical integrator and computer）诞生， 到现在仅仅是几十年时间，计算机的性能已经大大提高，价格不断下降，从而使之 可以广泛而迅速地应用于人类生产和生活的各个领域。 计算机最初的设计目的是为了提高计算数据的速度和完成海量数据的计算。随 着技术的发展，人们发现计算机在逻辑处理以及

12、工业控制等方面也具有非凡的能力。 在控制领域，人们更多的关心计算机的低成本，小体积，运行的可靠性和控制灵活 性。特别是智能仪表，智能传感器，智能家电，智能办公设备，汽车以及军事电子 设备等应用系统要求将计算机嵌入这些设备中。单片机体积小，价格低，可靠性高， 其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。目前，单片机 应用技术已经成为电子应用系统设计最为常用的手段。 问题的背景问题的背景 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时 间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一 但重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。例如，许多火灾都

13、是由于人们一时忘记了 关闭煤气或是忘记充电时间。尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人 是否对药物过敏。注射后，一般等待 5 分钟后，一但超时，所作的皮试试验就会无 效。手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的 皮试到时间却难以判断。所以，使用单片机的制作一个定时系统。随时提醒这些容 易忘记时间的人。 基本构想基本构想 本次设计为制作一个基于单片机的定时器,其主要的使用人群是在医院里工作的 医生。目的是为所作的皮试定时，提醒定时的时间已到。避免医生因为工作繁忙， 病人较多。错过了查看皮试结果的时间。在没有病人的时候，改定时的装置可以当 作时钟的作用。 第一章

14、第一章 单片机知识介绍单片机知识介绍 1.11.1 什么是单片机什么是单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器 cpu（central process unit） ，随机存储 器 ram（random access memtory） ，只读存储器 rom（read only memtory） ，中 断系统，定时器/计数器以及 i/o 接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片 机单片机具有体积小，价格低，可靠性高和易于嵌入式应用等特点，适合用作智能 仪器仪表和工业测控系统的前端装置。单片机本身没有开发能力，必须借助开发机 完成应用系统的硬件故障和软件故障错误的排除，调试完程序必须固化到单片机

15、的 内部或外部程序存储器芯片中。新的单片机应用系统开发技术在近几年有了快速的 发展。 1.21.2 单片机应用的特点单片机应用的特点 控制功能和可靠性高控制功能和可靠性高 单片机是为了满足工业控制而设计的，所以实时控制功能特别强，其 cpu 可以 对 i/o 接口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的，另外，由于 cpu，存储器，以及 i/o 接口集成在同一芯片内，各部件之间的连接紧凑，数据在 传送时受到干扰小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。 体积小，价格低，易于产品化体积小，价格低，易于产品化 每一片单片机既是一台完整的微型计算机，对于批量的专用场合，一方面可以

16、 在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时还可以专门进行芯片设计，使芯片功能 与应用具有良好和对应关系。对单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减 少到 8 个或更少，从而使应用系统的印刷板减小，按插件减少，安装简单。 在现代的各种电子器件中，单片机具有良好的性能价格比，这正是单片机得以 广泛应用的重要原因。 1.31.3 单片机的应用领域单片机的应用领域 （1） 智能仪器仪表 单片机用于各种仪表，一方面提高了仪表仪器的使用功能和精度，使仪器仪表 智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表的升级 代换。如各种智能化电气测量仪表，智能传感器等。 (2)机电一体化 机电一

17、体化产品是集机械技术，微电子技术，自动化技术和计算机技术于一体， 具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大 的作用。典型的产品如：机器人，数控机床，自动包装机，点钞机，医疗设备，打 印机，传真机，复印机等。 (3)实时工业控制 单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流，电压，温度，液位，流量等 物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机 作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的 控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电动机转速控制，温度控制， 自动生产线等。 (4)分布系统的前端模式 在

18、较复杂的工业系统中，经常要采用分布式控制系统完成大量的分布参数的采 集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块。系统具有运行可 靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列有点。 (5)家用电器 家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广泛如空调，电冰箱，洗衣 机 电饭煲，高档洗浴设备，高档玩具。另外，交通领域中，汽车，火车，飞机，航天 等均有单片机的广泛应用。 1.41.4 单片机的中断与定时系统单片机的中断与定时系统 1.4.1 mcs51 单片机中断系统 中断是一项重要的计算机技术，这一技术在单片机中得到了充分的继承。cpu 在面对多项任务，但是由于资源有限，有可能出现资源竞

19、争的局面，即多个任务来 争夺一个 cpu。而中断技术就是解决资源竞争的有效方法。采用中断技术可以使多 项任务共享一个资源，所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。在单片机中， 中断技术主要用于实时控制。所谓实时控制，就是要求计算机能及时地响应被控对 象提出的分析，计算和控制等请求，使被控对象保持在最佳工作状态，以达到预定 的控制效果。由于这些控制参量的请求都是随机发出的，而且要求单片机必须作出 快速响应并及时处理，因此，只有靠中断技术才能实现。 中断源中断源 (1)外中断 外中断是由外部信号引起的，共有 2 个，即外部中断“0”和外部中断“1” 。它们的 请求信号通过引脚引入。）（和）（ 3

20、. 313.20 pintpint 外部的中断请求方式有两种，即电平方式和脉冲方式。可以通过有关位进行设 置 电平方式的中断请求是低电平有效。只要单片机在中断请求引入端 上采样到有效的低电平时，就激活外部中断。而脉冲方式则）（或）（ 3 . 313.20 pintpint 是脉冲的后沿负跳有效。因此在这种方式下，cpu 的两个相邻机器周期对中断请求 引入端进行采样中，如果前一次为高电平，后一次为低电平，即为：有效中断请求。 因此在这种中断请求信号方式下，中断请求信号的高电平状态和低电平状态都应该 至少维持一个机器周期，以确保电平变化能被单片机采样到。 (2) 定时中断 定时中断是为了满足定时或

21、计数的需要而设置的。为此，在单片机芯片内部有 两个定时器/计数器，以对其中的计数结构进行技术的方法，来实现定时或技术功能。 当计数结构发生溢出的时候，即表明计数时间到或计数值已满，这就是以计数溢出 信号作为中断请求，去置位一个溢出标志位，作为单片机接受中断请求的标志。由 于这种中断请求是在单片机芯片内部发生的，因此，无需在芯片上设置引入端。 (3) 串行中断 串行中断是为串行数据传送的需要而设置的。每当串行口接收或发送完一组串 行数据时，产生一个中断请求。 中断控制中断控制 这里所说的中断控制时指提供给用户使用的中断控制手段，实际上就是一些寄 存器。在 mcs-51 单片机中，用于此目的的控制

22、器共有 4 个，即定时器控制寄存器， 中断允许控制寄存器，中断优先控制器以及串行控制寄存器。这 4 个寄存器都属于 专用寄存器之列。 定时器控制寄存器（定时器控制寄存器（tcon） 该寄存器用于保存外部中断请求以及定时器的计数溢出。寄存器地址 88h，位 地址(8fh88h)。寄存器的内容以及位地址表如下 位地址8fh8eh8dh8ch8bh8ah89h88h 位符号tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0 这个寄存器既有定时器/计数器的定时控制功能又有中断控制功能，其中中断有 关的控制有 6 位。 （1.） ie0 和 ie1发出外部中断请求 cpu 采样到（或）端出现有效的中断请求

23、后，ie0（或 ie1）位由硬件置 0 int 1 int “1”在中断响应完成后转向中断服务时，再由硬件自动清“0” 。 (2)it0 和 it1-外部中断请求出发方式控制位 it0(it1)=1 脉冲触发方式，后沿负跳有效。 it1(it0)0 电平触发方式，低电平有效。 此位由软件置“1”或清“0” (3)tf0 和 tf1-计数溢出标志位 当计数器产生计数溢出时，相应的溢出标志位由硬件置“1” ，当转向中断服务 时，再由硬件自动清“0” ，计数溢出标志位的使用用两种情况，采用中断方式是， 作中断请求标志位来使用。采用查询状态位使用。 串行口控制控制寄存器（串行口控制控制寄存器（scon

24、） (1)中断允许控制寄存器(ie) 寄存器地址 0a8h，位地址 0afh0a8h，寄存器的内容以及位地址表示如下： 位地址0a8h0aeh0adh0ach0abh0aah0a9h0a8h 位符号ea/eset1ex1et0ex0 其中与中断有关的控制位共 6 位。 ea中断允许总控制所有中断 ea0 中断总禁止，禁止所有中断。 ea1 中断总允许，总允许后中断的禁止或允许由各中断允许控制位进行设置。 (2) ex0 和 ex1外部中断允许控制位 ex0（ex1）0 禁止外中断 ex0（ex1）1 允许外中断 (3) et0 和 et1 定时/计数中断允许控制位 et0( et1) =0 禁

25、止定时（或计数）中断 et0( et1) =1 允许定时（或计数）中断 (4) es-串行中断允许控制位 es= 0 禁止串行中断 es= 1 允许串行中断 mcs51 通过中断允许控制寄存器对中断的开放实行两级控制。即以 ea 位作 为总控制位，以各中断源的中断允许位作为分控制位。mcs51 单片机复位， （ie）00h，因此中断系统处于禁止状态。单片机再中断响应后不会自动关闭中 断。因此在转中断服务程序后，应根据需要使用有关指令禁止中断。即以软件方式 关闭中断。 中断优先级控制器中断优先级控制器(ip) mcs51 的中断优先级控制简单。通过中断优先级寄存器（ip）进行设定，ip 寄存器地

26、址 0b8h，位地址为 0bfh0b8h。寄存器的内容及位地址表示如下： 位地址0bfh0beh0bdh0bch0bbh0bah0b9h0b8h 位符号/pspt1px1pt0px0 其中： px0外部中断 0 优先级设定位 pt0定时中断 0 优先级设定位 px1外部中断 1 优先级设定位 pt1定时中断 1 优先级设定位 ps串行中断优先级设定位。 为“0”的位优先级为低；为“1”的位优先级为高。 中断优先级控制原则和控制逻辑中断优先级控制原则和控制逻辑 中断优先级是为中断嵌套服务，因为 mcs51 具有两级优先级，因此它也就具 备两级中断服务嵌套的功能。其中，中断优先级的控制原则是：优先

27、级高的中断服 务可以打断优先级低的服务程序，从而实现中断嵌套。如果一个中断请已经被响应， 则同级的其它中断服务将被禁止。即同级不能嵌套。如果同级的多个中断请求同时 出现，则按 cpu 查询的次序确定哪个中断请求被响应。查询次序：外部中断 0定 时中断 0外部中断 1定时中断 1串行中断。 1.4.2 mcs-51 单片机的定时器/计数器 在单片机的控制应用中,定时是必不可少的,可供选择的定时方法有: (1) 软件定时 软件定时是靠执行一个循环程序以进行的时间延迟.软件定时的特点是时间精确， 且不需外加硬件电路。但软件定时要占用 cpu，增加 cpu 开销，因此软件定时的 时间不易太长。此外，软

28、件定时方法在某些情况下无法使用。 (2) 硬件定时 对于时间较长的定时，常使用硬件电路完成。硬件定时方法的特点是定时功能 全部由硬件电路完成，不占 cpu 时间。但需通过改变电路中的元件参数来调节定时 时间，在使用上不过灵活，方便。 (3) 可编程定时器定时 这种定时的方法是对通过系统时钟脉冲的计数来实现。计数值通过程序设定， 改变计数值，也就改变了定时时间，使用起来即方便，又灵活。此外，由于采用计 数方法实现，因此，可编程定时器都兼有计数的功能，可以对外来脉冲进行计数。 单片机应用中，定时与计数的需求较多，为了使用方便并增加单片机的功能， 就干脆把定时电路集成在芯片中，成为定时器/计数器。m

29、cs51 内部就有两个定 时器/计数器。 定时器定时器/计数器的定时和计数功能计数器的定时和计数功能 作为基本组成内容，mcs51 单片机共有 2 个可编程的定时器/计数器，分别 称定时器/计数器和定时器/计数器 1。它们都是 16 位加法计数结构，分别由 th0(地 址是 8ch)和 tl0（地址是 8ah）及 th1（地址是 8dh）和 tl1（地址是 8bh）l 两 个 8 位计数器组成。这 4 个计数器均属专用寄存器之列。 计数功能计数功能 所谓计数是指对外部时间进行计数。外部时间的发生以输入脉冲表示，因此计 数功能的实质就是对外来脉冲进行计数。mcs51 芯片有 t0 （ ） 和 t

30、1（ 4 . 3 p ）两个信号的引脚，分别是两个计数器的计数输入端。外部输入的脉冲在负跳 5 . 3 p 变时有效，进行计数器加 1（加法计数） 。 定时功能定时功能 定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机的 内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲。也就是每个机器周期计数器加 1，由于 一个机器周期等于 12 个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的 1/12。如果单片 机采用 12mhz 晶体，则计数器频率为 1mhz,即每微妙计数器加 1。这样不但可以根 据计数器计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的预置值。 定时器控制寄存器（定时器控制寄存

31、器（tcon） tcon 寄存器既参与中断控制又参与定时控制 (1) tf0 和 tf1计数溢出标志位 当计数器计数溢出（计满）时，该位值“1” ；使用查询方式时，此位作为状态 位提供查询，但是此时的查询有效后，应以软件方法及时将该位清零，使用中断方 法时，此位作中断标志位，在转向中断服务程序时，由硬件自动清“0“。 (2) tr0 和 tr1定时器运行控制位 tr(tr1)0 停止定时器、计数器工作 tr(tr1)1 启动定时器、计数器工作 该位根据需要以软件方法使其置“1“或清”0“ 工作方式控制寄存器（工作方式控制寄存器（tmod） tmod 寄存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器/

32、计数器的工作方式，但 是 tmod 不能位寻址。只能用字节传送指令设置其内容。 位序b7b6b5b4b3b2b1b0 位符号gatec/tm1m0gatec/tm1m0 定时器/计数器 1 定时器/计数器 2 4 位一组的结构使它不能位寻址，一定义就是 4 位。从寄存器的位格式中可以 看到，它的低半字节定义定时器/计数器 0，高半字节定义定时器/计数器 1 其中： (1)gate门控位 gate0 以运行控制位 tr 启动定时器 gate1 以外中断控制位（，或）启动定时器( 1 int 0 int (2)定时方式或计数方式选择位tc / 0 定时工作方式tc / 1 计数工作方式tc / (

33、3) m1m0工作方式选择位 m1m000 方式 0 m1m001 方式 1 m1m010 方式 2 m1m0=11 方式 3 中断允许控制寄存器中断允许控制寄存器(ie) (1).ea中断允许总控制位 (2)et0 和 et1定时/计数中断允许控制位 et0（et1）0 禁止定时/计数中断 et0（et1）1 允许定时/计数中断 定时器的工作方式定时器的工作方式 mcs51 的定时器、计数器共有四种 4 种工作方式 (1)方式 0 方式 0 是 13 位计数结构的工作方式，其计数器又 th0 全部 8 位和 tl0 的低 5 构成。tl0 的高 3 位弃之不用。0 方式下，定时时间的计算公式

34、为： （计数初值）*晶振周期*12 或 （计数初值）*机器周期 13 2 13 2 (2)方式 1 方式 1 是 16 位计数结构的工作方式，计数器由 th0 全部 8 位和 tl0 全部 8 位 构成。其逻辑电路和工作情况与方式 0 完全相同。所不同的只是组成计数器的位数。 mcs-51 单片机计数的范围 ：1-65536 （计数初值）*晶振周期*12 或（计数初值）*机器周期 16 2 16 2 从图 1 可知”开关k1 闭合方向由 c/t 控制，以确定是定时或计数，而”开关 “k2 能否闭合由 tr0,gate 和 int0 共同控制，其允许定时计数器的工作条件为: tr01i 当 ga

35、te = 0 时，由 tr0 控制定时计数器 t0 的启动与停止;当 gate1 时， 由 tr0 和 into 共同控制定时计数器 t0 的启动与停止.由此假定 gate1,tr0=1， 则定时计数器的启动和停止完全由 intn0 引脚输人电平直接控制。 （3）方式 2 方式 2 具有自动重新加载功能即：自动加载计数初值，因此方式 2 是自动重新 加载工作方式。在这种工作方式下，把 16 位计数器分为两部分，即以tl 作为计 数器，以 th 作为预置寄存器，初始化把计数初值分别装入 tl 和 th。当计数溢出 后，不是像前两种工作方式都通过软件方法，而是由预置寄存器 th 以硬件方法自 动给

36、出计数器 tl，重新加载，变软件加载为硬件加载。 （4）方式 3 在方式 3 下定时器/计数器 0 在工作方式 3 下，定时器/计数器 0 被拆成两个独立的 8 位计数器（tl0 和 th0，其中 tl0 既可以计数使用，又可以定时使用，定时其/计数器的各控制位和引 脚信号全归它使用。 工作方式 3 下的定时器/计数器 如果定时器/计数器 1 只能工作在方式 0，方式 1 或 2 因为它的运行控制位 tr1 及计数器溢出标志位 tf1 已经被定时器/计数器 0 借用。 第二章第二章 可编程逻辑器件的原理介绍可编程逻辑器件的原理介绍 2.12.1 发展概述发展概述 自 20 世纪 60 年代以来

37、，数字集成电路已经历了 ssi，msi 到 lsi，vlsi 的发 展过程。20 世纪 90 年代以来，由于新的 eda 工具不断出现，使设计者可以直接设 计出系设计所需要的专用集成电路，从而给电子系统的设计带来了革命性的变化。 专用集成电路（asic-application specific intergrated circiut）是指专门为某一应用 领域或为专门用户需要而设计，制造的 lsi（大规模集成电路）或 vlsi 电路。它可 以将某些专用或电子系统设计在一个芯片上，构成单片集成系统。asic 可分为数字 asic 和模拟 asic，数字 asic 又分为全定制和半定制两种。 可编程

38、逻辑器件（pldprogrammable logic device）是 asic 的一个重要的 分支。pld 是厂家作为一种通用型器件生产的半定制电路，用户可以通过对器件编 程使之实现所需要的逻辑功能。pld 是用户可以配置的逻辑器件，它的成本比较低。 使用灵活，设计周期短。而且可靠性高。承担风险小，因而得到很快的普遍应用发 展迅速。 20 世纪 80 年代末，lattice 公司提出了系统可编程技术后，相继出现一系列具备在 系统可编程能力复杂可编程逻辑器件（cpldcomplex pld）cpld 在 epld 的基 础上发展起来。采用了工艺制作，增加了内部的连线，改进了内部结构体cmose

39、 2 系，因而比 epld 性能更好。设计更加灵活。其发展也非常迅速。20 世纪，90 年代 以后高密度 pld 在生产工艺，器件个编程和测试技术等方面都有了非速的发展。 2.22.2 可编程逻辑器件的分类可编程逻辑器件的分类 按密度分： 可编程逻辑器件从集成密度上分为：低密度可编程器件（ldpld）和高密度可 编程逻辑器件（hdpld）两类。ldpld 主要指早期发展起来的 pld，它包括 prom，pla,pal 和 gal 四种。其密度一般小于 700 门/片。 （门：是指 pld 等效 门） 按编程方式分类 可编程逻辑器件编程方式可分为两类：一类一次性编程（one time progr

40、amable,简 opt）另一类是可多次编程器件。opt 器件只允许对器件编程一次。编程后不能修 改。其优点是集成密度高，工作频率和可靠性高，抗干扰性强。可多次编程器件的 优点是可多次修改设计，特别适合于系统样机的研制。 可编程逻辑器件的编程信息均存储在可编程元件中。根据各种可编程元件的结 构及编程方式，可编程逻辑器件通常又分为四类： 采用一次性编程的熔丝（fuse）和反熔丝（antifuse）元件的可编程逻辑器件。 采用紫外线擦除，电可编程元件，即采用 eprom，uvcmos 工艺结构的可编程器 件。 采用电擦除，电可编程元件。一种是，一种是采用快闪存储单元(flash prome 2 m

41、emory)的结构 的可编程器件。 基于静态存储器 sram 的结构的编程器件。 2.32.3 cpldcpld 的基本结构的基本结构 cpld 是从 pal，gal 发展起来的阵列型高密度 pld 器件。它们大多数采用 额 cmos，eprom，和快闪存储器等编程技术。大多数的 cpld 包含了：prome 2 可编程逻辑宏单元，可编程 i/o 单元，可编程内部连线。 可编程逻辑宏单元。可编程逻辑宏单元。 逻辑宏单元内部主要包括了与或门阵列，可编程触发器和多路选择器等电路。 能独立的配置为时序或组合工作方式。cpld 器件的宏单元在内部，称为内部逻辑 宏单元。 多触发器结构和多触发器结构和“

42、隐埋隐埋”触发器结构触发器结构。 gal 器件每个输出宏单元只有一个触发器。而 epld 和 cpld 的宏单元通常含 有两个和两个以上的触发器。其中只有一个触发器和输出端相连。其余触发器的输 出不与输出端相连。但是可以通过相应的缓冲电路反馈与阵列，从而与其它触发器 一起构成较复杂的时序电路。这些不和输出端相连的触发器称为“隐埋”触发器。 这种结构对于引脚有限的 cpld 来说，可以增加触发器的数目。 乘积共享结构乘积共享结构 (1)异步时钟和时钟选择 一般 gal 器件只能实现同步时序电路。在 cpld 器件中各触发器的时钟可以异 步工作有些器件中的触发器时钟还可以通过数据选择器或时钟网络进

43、行选择。此外， 逻辑单元内触发器的异步清零和异步置位也可用乘积项进行控制。因而使用更灵活。 (2)关于使用软件的简介 实现 cpld 的平台是 maxplusii。alter 公司的 maxplusii 的开发系统是一 个完成集成化且易学，易用的可编程逻辑设计环境。可以在多种平台上运行。支持 gdf.vhdl 格式等。 第三章第三章 系统的需求分析系统的需求分析 功能概述：功能概述： 需要设计一个医院皮试中用到的时间提醒装置。在平时可以显示时间，相当于 是一个时钟。一但有病人，根据皮试的药物不同可以输入不同的时间间隔，并且显 示。按下定时按钮，计时开始。这时，如果有病人需要进行皮试，可以再进行

44、输入 定时。定时时间到后，显示病人的号码。即完成多个病人的并行计时。 系统的性能分析系统的性能分析： (1)该系统的工作电压：4.5v6v (2)可以显示当前的时间，精确到分位。 (3)可以调整各个位的时间。 (4)显示时间间隔。 (5)显示当前到时人的号码。 (6)可以输入的时间间隔是 99 分钟。 (7)可以计时的最大人数是 99 人。 第四章第四章 系统的硬件组成系统的硬件组成 该系统的硬件电路可分为系统部分、显示部分和输出控制部分。系统部分由 8051 单片机组成。8051 单片机为系统的核心部件，通过它的运行程序来协调、控制 各芯片和部件的工作。由于 8031 的 po 分时复用为

45、8 位数据线和地址线的低 8 位 显示部分由 8 个七段码显示器。8 个七段码显示器可用来显示时间(时、分、时间间 隔，号码)或者控制参数等。输出控制部分:这里只设置了四个开关量的输出控制， p1.0,p1.1,p1.2,p1.3。现对应开关的开与关，达到对开关量的输出控制。 led1-led4 led5led6 led7 led8 时 1 时 2 分 1 分 2 分 1 分 2 号码 1 号码 2 时钟显示时间间隔显示到时号码显示 软件的模块实现 定 时 器 时钟显示时间间隔设置定时报警显示电路 硬件性能硬件性能 单片机由其内部固化程序在 12 mhz 晶振的准确支持运行，将时钟芯片中的时、

46、 分读取到缓冲区内，并将时、分送到显示电路，同时与程序设定的开启和关闭时间 进行比较.，决定是否报时。 主要性能指标主要性能指标 i、工作电压:-220v 土 10% 2、工作电流:小于 20 mn 3 输出方式:，声音报时，或显示报时。 4.14.1 硬件模块的实现硬件模块的实现 引言 单片机系统中的时钟是一切与时间有关过程的运行基础，在实时控制系统中尤 其 如此。钟有绝对时钟和相对时钟两种。绝对时钟是与当地的时钟同步的，有月、日, 时、秒等功(有的系统还有年、星期等功能)。相对时钟则与当地时间无关，一般只 有时、分、自动控制定时时间长短的功能。mos-51 系列单片机只有 t0,t1 两个

47、 16 位定时器，若都用作系统时钟的绝对时钟和相对时钟定时，则当系统再用于通信等 需要定时器资源的情况下，会出现定时器不够用的情况.为此，统一设计单片机的时 钟系统，用一个定时器完成绝对和相对时钟等多项定时任务是有实际意义的。 模块概述模块概述 1. 功能概述 本时钟使用四个 led 显示模块，显示的基本格式为：时（秒点跳动）分 。随时可以调整时钟的时间。当按下时钟调整模式键时，进入调整时间状态。 通过不同的按钮次数，调整不同的位置的数字。单片机时钟的基本框图如下： 晶振复位电路 单片机 输入模式键 输入调整键 led 显示 晶振复位电路：产生计数信号，完成时钟的运行。 输入模式键：选择调整的

48、位：时，分 输入调整键：调整相应位的时间，每按一次，加一。 2.技术方案 一个完整的数字钟电路相当于一个简单的系统，每个部分都要设计。mcs51 单片机的片内结构由八部分组成。微型处理机（cpu） ，数据存储器（ram） 。程序 存贮器（rom，eprom） ，i/o 口，定时器，计数器。中断系统及特殊的功能寄存 器（sfr） 。 数据存储器和程序存储器的可寻址的范围是：64k 地址范围是：0000h-ffffh 扩 展的 i/o 均占用存储器的地址。 （1） led 显示原理 可供选择的方法 led 显示有四种方法 使用单片机芯片本身的并行口。 使用单片机芯片本身的穿行口 使用通用芯片接口（

49、例如。8255，8155 等） 使用专用接口芯片 8279 （2） led 的分类 led 发光器一般有两类，数码管和点阵。常用的数码管一般为 8 字节数码管， 分别为：a，b，c，d，e，f，g，dp。其中 dp 为小数点。数码管常用的有 10 根管脚。 段中间两根管脚为一个数码管的公用端。两根之间的相互连通。如图所示： 八段显示： 图 2 八段显示 图 3 从尺寸上分，led 数码管的种类很多，常用的有 0.3 ，0.5，0.8，1.0 1.2，1.5，1.8，2.3，3.0，4.0，5.0 等。一般小 1.0 的单管芯。1.2-1.5 为双芯管。 1.8 以上为 3 个以上芯管。因而它们

50、的要求不同，一般每个管芯压降为 2.1v 左右。 通常，0.8 以下采用 5v 供电。1.02.3 采用 12v 供电，3.0 以上的选择更高电压供电。 从电路上分为共阴极和共阳极两种。图 3 为共阳极八段显示器。 （3）可供选择的 led 显示的基本原理： 用单片机驱动 led 的方法有很多种，按显示方式分，有静态显示和动态显示两 种。按译码方式分为硬件译码和和软件译码。 1. 静态显示：所谓静态显示就是指显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管 导通或截止。静态显示有并行和串行输出出两种方式。对于静态显示方式。led 显 示器由接口芯片直接驱动。采用较小的驱动电流就可以得到较高的显示亮度。

51、但是， 并行输出显示的十进制位数多时，需要并行的 i/o 接口芯片的数量较多。采用串行 输出可以大大节省单片机的内部资源。 （【1】高教，单片机原理及接口技术）静态 显示具有锁存的能力，单片机将要显示的数据送出后不再控制 led，直到下次显示 是才传送数据。静态显示的数据稳定，占用的 cpu 时间少。每一位都有锁存器和译 码器。电路图如 4。 图 4 2. 动态显示：所谓动态显示，就是一位一位的显示轮流点亮显示器的各个位（扫描 ） 。对于每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工 作（点亮） 。但是由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余晖，我们看到却 是多个字符“

52、同时”显示。显示器亮度即与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间 长短和时间间隔有关。调整电流和时间参数，即可以得到较稳定的显示。 动态显示接口是单片机中应用最广泛的一种显示方式。其接口把所的 leda gdp 连在一起。而公共的 com 端是各自独立受 i/o 控制。尽管实际上各位显示器 并非同时点亮。但是是要扫描的速度足够快，给人一种稳定的感觉，不会有闪烁感。 总结总结 静态显示虽然数据显示稳定，占用 cpu 时间少，但是使用硬件较多。动态显示占 用 cpu 时间多，但是使用硬件少。节省电路板空间。从上述分析，动态显示方案有 一定的实用性，也是目前单片机数码管显示较为常用的一种显示方式。所以，

53、在本 设 计中，使用动态显示方式。 3 显示驱动电路方案 单片机对于数码管的驱动分为并行和串行两种，适用不同的场合，二者的硬件和 程序差别比较大。 (1)串行驱动 某些情况下，可供使用的单片机并行 i/o 口不足 8 根，数据的并行输出已不可能。 此时可以考虑串行输出方法。显示电路使用单片机 p1.7，p3.0，p3. 0 口，并配置 4 片串入并出移位寄存器 74ls164（led）显示驱动。74ls164 引脚 q0 到 q7 是 8 位 并行输出端，引脚 a，b 为串行输入端，引脚 clk 为时钟脉冲输入端。在 clk 脉 冲的上升沿作用下实现移位。在 clk 为 0 的时刻 清除端 m

54、r1，74ls164 保持原来状态。mr0 时，74ls164 输出清 0。如图 5 图 5 (2)并行驱动 在一般情况下，单片机使用并行驱动方式进行 led 显示。并行驱动的结构较为 简单，并且非常适用于说明地址和数据总线复用的情况。 led 并行驱动的电路原理图如下： 图 6 图 6 中 8155 与 6 位 led 显示器的接口。8155 的 pb0pb7 作为段选码口，经过 7407 驱动与 led 相连。8155 的 pa0-pa5 作为位选码口，经过 7406 驱动与 led 的位相连。图中 p2.7 反相后作为 8155 的片选信号，p2.6 接 8155 的 i/o 端。这样确

55、 定 8155 片内的 4 端口。 (3)单片机直接驱动 将各个位选线直接连接在单片机的其中一个输出口，进行位扫描，完成动态的显示。 总结上述提到的各种方式都有各自的可行性。下面对各种可行性进行比较。 4.24.2 硬件可行性方案概述硬件可行性方案概述 对于焊接板子和设计电路没有把握的时候，直接焊制电路板可以说是一个非常 不明智的选择。在前一章中，阐述了那么多的显示选择方案。但是在不了解硬件， 焊接技术不一定可靠的情况下，第一次焊制的板子，不一定可以正常运行，这就大 大的影响了开发的效率。所以，希望找到一个灵活的，可以随时修改的方案进行题 目的开发。这是可以选择可编程逻辑器件进行硬件的搭建。在

56、遇到问题，不能正常 运行的情况下，可以直接检查原理图，对电路进行修改和编译，并重新运行。 具体实现 所需软件：所需软件： keil c51 编程与开发、调试软件； zlgicd 在线编程下载软件； altera 开发软件 maxplus ii； atmel 下载软件 atmelisp.exe ； atmel 文件转换软件 pof2jed.exe ； protel99se 电子设计软件 实验板资料实验板资料： atmel 公司的芯片 atf1508as(2500 可用门、68 个 i/o 引脚、8 个逻辑阵列块、 128 个宏单元)。 4 位 7 段共阳 led 数码管，由 atf1508as

57、直接驱动。 蜂鸣器一只。 4mhz 晶体振荡器和 32.768khz 两个时钟信号源。 按键开关 8 个。 编程插座：isp 编程输入插座。 串行口 2 个。 led 逻辑状态指示管 8 只。 lcd 液晶显示 1 只 8 位单片机 1 个（p89c60x2） 8 位单片机晶振 1 个 11.0592mhz 实验板如图所示：实验板如图所示： 图 7 实验板芯片简述实验板芯片简述 单片机部分 1.选用的单片机类型:philip p89c60x2 p89c60x2 器件采用高性能的静态 80c51 设计，以先进的 cmos 工艺制造并包含 非易失性 flash。程序存储器可通过并行编程或在系统编程

58、(isp)的方法进行编程。支 持 6 时钟模式。 p89c60x2 包含 512 字节 ram ，64k 字节 flash，32 个 i/o 口， 3 个 16 位定时/计数器 6 中断源，4 中断优先级，嵌套的中断结构，1 个增强型 uart ，看门狗定时器以及片内振荡器和时钟电路。 扩展数据扩展数据ram 寻址寻址 p89c60x2 内部数据存储器分为四部分低128 字节ram 高128 字节ram 128 字节特殊功能寄存器sfr 和256 字节扩展ram(eram) p89c61x2 为768 字节 1 ram 低128 字节地址00h 到7fh 可直接或间接寻址 cpld 部分 ep

59、m7128s： altera 的 epm7128s 系列 cpld 是基于第二代 max 结构体系 地高性能 eeprom 结构的 cpld。完全符合 ieee1149.1 jtag 边界扫描标准，具有 5v isp 的功能。具有最小 5ns 的引脚到引脚的逻辑时延，最高可 175.4mhz 的计数 频率。引脚可配置为开漏输出。每个宏单元都有独立的可编程电源控制，最多可以 节省 50%的功耗。宏单元内的寄存器具有单独的时钟和复位等信号。支持多种电压 接口。实验板上使用的是一个 plcc84 封装的 epm7128s ，epm7128s 内部有 128 个宏单元、8 个逻辑阵列块和 2500 个

60、门电路。 cpld 的管脚表如下 led 位选w1w2w3w4 管脚 11 10 9 8 led 段码a b c d e f g h 管脚 6 5 4 81 80 79 77 76 状态指示led1led2 led3 led4 led5 led6 led7 led8 管脚 63 61 60 58 57 56 55 54 按 键key1key2key3key4key5key6key7key8 管脚74 73 70 69 68 67 65 64 地址线低 8 位/数据 总线 ad0 ad1 ad2 ad3 ad4 ad5 ad6 ad7 管脚 12 15 16 17 18 20 21 22 地址高