电子时钟设计

1、1、 绪论1、1基本内容本设计以微机原理与接口技术为基础,以8086CPU为核心,利用INTER 8253可编程定时/计数器,通过引入时钟发生器产生标准时钟进行精准定时；经定时器产生中断源,采用可编程中断控制器8259A进行中断扩展，用可屏蔽中断方式进行时间的采集；以可编程并行I/O接口芯片8255A扩展接口，驱动MSC1602液晶模块进行时间显示。电子时钟实际是一个多重的定时技术系统。对于秒、分技术系统，逢60进1，即当秒计数到60时，秒计数器向分计数器输入一个计数脉冲；而当分计数器计数到60时，向小时计数器输入一个计数脉冲。当小时计数器逢24进1.把秒计数器、分计数器和小时计数器的内容通过

2、七段数码管或其他芯片显示出来，就完成了时间信息的输出。关键字：8086CPU 计数器 LED数码管 中断 脉冲1、2用途及其特点电子钟是一种基于微电子技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。通过该题目的设计和分析，学习微机软、硬件系统设计开发的过程，加深微机原理及其应用课程基础知识的理解和综合运用能力，熟悉集成电路芯片的使用方法，熟悉微机编程及接口电路，学会体会工程实际设计过程，培养学生独立解决实际工程问题的综合能力。初步得到用汇编语言书写程序的训练，全面培养程序设计的分析、设计、编测试及文档规范书写的能力

3、，得到运用汇编语言的综合训练，提高解决实际问题的能力。2、方案选择及论证2、1设计方案为实现设计要求，在8086微机系统中实现计时功能可有多种方式，同时实现显示的方式也有多种，现主要比较计时方式中的中断与非中断方式，及显示常用的LED显示与液晶显示。产生相同频率的计数脉冲，形成中断源。8259再通过INTR引脚向CPU发出中断请求信号，CPU通过中断检测进行计数/计时。该方式的主要缺点：由于芯片8259的引进，使电路相对复杂；该方式的主要优点是：用中断的方式可以大大提高CPU的利用效率，同时可以在该系统上进行更多功能的扩展，同时用中断的方式进行计数/计时，计时更加的准确可靠。2、2、方案比较基

4、于以上非中断方式与中断方式的比较在非中断方式设计常使用的方式为查询法，查询法的设计，可将定时/计数器8253的OUT引脚接至并行I/O扩展芯片8255的PA，PB，PC的任一口上，CPU通过不断的检测该引脚上的高低电平变化，来进行计数。该方式的优点：实现思路相对简单；由于不要引入中断则可不用中断扩展芯片8259电路相对简单；该方式的缺点：由于CPU要不断的去检测单一引脚高低电平的变化，占用的时间比较长，利用率较低；与此同时，CPU要进行数据的运算与控制数据的传输，如果二者冲突，可能会发生计时不准的现象。中断方式的设计思路，将定时/计数器8253的OUT脚接至中断扩展芯片8259的IR引脚上，定

5、的考虑本设计，采用电路稍微复杂，但可靠性强，利用效率高的中断方式。2.2.1 LED显示与液晶显的比较为完成本设计的要求，若采用LED则需6块以上，可以采用二片8255来驱动动这六片LED进行静态显示。也可以采用动态扫描的方式，用一片8255加锁存器（如74LS573）来进行动态显示。若采用液晶显示，则只需用一片8255芯片进行接口的扩展（具体扩展方案将在下面进行介绍），可以得到较为满意的显示效果，但操作的技巧性要求相对较高，成本相对较高。不论从硬件电路驱动的复杂性，还是从软件设计的简洁性及整个系统的外观来看，时尚的液晶显示更能满足系统的需求。鉴于以上考虑，本次设计采用操作要求相对较高的液晶进

6、行数码显示。2、3 总体方案设计思路本方按主要设计思路如右图2-3所示：以8086CPU最小系统为核心,控制可编程定时/计数器INTER 8253,可编程中断控制器8259A，可编程并行I/O接口芯片8255A。通过8253的输出记数脉冲为8259产生中断源，8259将中断信号反馈到CPU，从而产生可屏蔽中断的申请信号，在CPU的合理响应下进行计数，通过8255驱动16*2的液晶显示模块LCM1602进行时间显示。8086CPU8255825982531602驱动产生中断控制中断源控制控制 图2-33、 硬件系统说明 3、1硬件设计思路 本设计主要硬件设计思路是以8086CPU最小系统为核心进

7、行扩展，外加控制可编程定时/计数器INTER 8253,可编程中断控制器8259A，可编程并行I/O接口芯片8255A。通过8253的输出记数脉冲为8259产生中断源，8259将中断信号反馈到CPU，从而产生可屏蔽中断的申请信号的思路来设计，在CPU的合理响应下进行计数，通过8255驱动16*2的液晶显示模块LCM1602进行时间显示达到设计的要求。 3、2系统构成框图 3、2、1 8255与CPU之间的连接关系 通过CPU与8255的读写控制线对接，有效的控制接口芯片的输入输出状态，用第11和12根地址线再加上2-4译码器的的Y0脚接8255片选，为8255的A，B，C及控制口分配了可靠的地

8、址。将8086的低八位数据线与8255数据端对接，为8255的输入输出提供数据。由于为芯片提供的都是偶地址，系统默认访问低八位的数据线。具体连线图见图3-2-1所示：3、2、2 8253与周边电路的连接关系在系统中定时/计数芯片8253主要与CPU及中断扩展芯片8259之间存在着连接关系。同8255，8253的读写控制线与CPU的读写控制线对接，正确控制CPU对8253的读写控制（本次设计只用到了CPU往8253中写入数据，没用到读出状态的功能），第2和3位数据/地址复用线加上译码器的Y1端为8253的定时器0，1，2及控制口确定了可靠的地址（仅用到T0及控制地址），CPU低八位数据线为控制8

9、253提供数据。通过CLK0端引入时钟发生器所产生的标准时钟（本设计采用10KHZ的外部时钟），将OUT0接至8259的IR0引脚上，作为中断源。具体电路如上示：3、2、3 8259与周边电路连接关系为了对8259进行合理分配奇、偶地址，从CPU引入了第A13作为地址线，再加上译码器的Y2端作为片选信号，8259获得了两个可靠的地址。同8255与8253相似8086同样靠低八位的数据线，与8259进行数据交换。IR0为8253的计数输出端，8259通过检测IR一组引脚的输入情况，经过中断判优以后，对当前优先级最高的中断进行响应，同时向CPU发送INTR信号请求中断，在可屏蔽中断允许的情况下CP

10、U对其进行响应，返回INTA非的信号，8259此时发出当中断的中断类型号给8086。程序跳到中断子程序的入口地址处去执行中断操作。具体电路连线如右图所示： 3、3芯片选择 3.3.1 8259A芯片的内部结构及引脚 中断控制器8259A是Intel公司专为控制优先级中断而设计开发的芯片。它将中断源优先排队、判别中断源以及提供中断矢量的电路集中于一片中。因此无需附加任何电路，只需对8259A编程，就可以管理8级中断，并选择优先模式和中断请求方式，即中断结构可以由用户编程来设定。在MD微机系统中，8259芯片工作于单片方式。8259引脚图如图1，各引脚功能如下。D7-D0八条双向数据线；WR（低电

11、平有效）写输入型号；RD（低电平有效）读输入型号；CS（低电平有效）片选输入型号；A0地址信号；INT中断请求信号；INTA（低电平有效）中断响应信号；CAS0-CAS2级联信号，形成一条专用8259A总线，以便多片8259A的级联；SP/EN从编程/允许级联。在缓冲方式中，可用作输出信号以控制总线缓冲器的接收和发送。在非缓冲方式中，作为输入信号用于表示主片还是从片；IR0-IR7外部中断请求输入线。要求输入的中断请求信号是由低电平到高电平的上升沿（并保持高电平到CPU响应时为止）或者是高电平。3.3.2,8255芯片的内部结构及引脚8255可编程外围接口芯片是Intel公司生产的通用并行I/

12、O接口芯片，它具有A、B、C三个并行接口，用+5V单电源供电。能在以下三种工作方式下工作：方式0基本输入/输出方式方式1选通输入/输出方式方式2双向选通输入/输出方式8255引脚图如图2所示，各引脚功能如下。D7-D0与CPU侧连接的八条双向数据线；WR（低电平有效）写输入型号；RD（低电平有效）读输入型号；CS（低电平有效）片选输入型号；A0、A1片内寄存器选择输入信号；PA7-PA0A口外设双向数据线；PB7-PB0B口外设双向数据线；PC7-PC0C口外设双向数据线；RESET复位输入信号。3.3.3 8253芯片的内部结构及引脚8253是可编程计数器/定时器，8253芯片有24条引脚，

13、封装在双列直插式陶瓷管壳内。1.数据总线缓冲器数据总线缓冲器与系统总线连接，8位双向，与CPU交换信息的通道。这是8253与CPU之间的数据接口，它由8位双向三态缓冲存储器构成，是CPU与8253之间交换信息的必经之路。2.读写控制读写控制分别连接系统的IOR#和IOW#， 由CPU控制着访问8253的内部通道。接收CPU送入的读写控制信号， 并完成对芯片内部各功能部件的控制功能， 因此， 它实际上是8253芯片内部的控制器。A1A0：端口选择信号，由CPU输入。8253内部有3个独立的通道和一个控制字寄存器， 它们构成8253芯片的4个端口，CPU可对3个通道进行读写操作3对控制字寄存器进行

14、写操作。 这4个端口地址由最低2位地址码A1A0来选择。如表9.3.1所示。3.通道选择(1) CS#片选信号，由CPU输入，低电平有效，通常由端口地址的高位地址译码形成。(2) RD#、WR#读写控制命令，由CPU输入， 低电平有效。RD#效时，CPU读取由A1A0所选定的通道内计数器的内容。WR#有效时，CPU将计数值写入各个通道的计数器中， 或者是将方式控制字写入控制字寄存器中。CPU对8253的读写操作如表9.3.2所示。4.计数通道02每个计数通道内含1个16位的初值寄存器、减1计数器和1个16位的（输出）锁存器。8253内部包含3个功能完全相同的通道，每个通道内部设有一个16位计数

15、器，可进行二进制或十进制（BCD码）计数。采用二进制计数时， 最大计数值是FFFFH， 采用BCD码计数时。 最大计数值是9999。与此计数器相对应， 每个通道内设有一个16位计数值锁存器。必要时可用来锁存计数值。当某通道用作计数器时，应将要求计数的次数预置到该通道的计数器中、被计数的事件应以脉冲方式从CLK端输入， 每输入一个计数脉冲，计数器内容减“1”，待计数值计到“0”。 OUT端将有输出。表示计数次数到。当某个通道用作定时器时。 由CLK输入一定频率的时钟脉冲。根据要求定时的时间长短确定所需的计数值。并预置到计数器中，每输入一个时钟脉冲，计数器内容减“1”， 待计数值计到“0”。OUT

16、将有输出，表示定时时间到。允许从CLK输入的时钟频在12MHz范围内。因此，任一通道作计数器用或作定时器用，其内部操作完全相同，区别仅在于前者是由计数脉冲进行减“1”计数。 而后者是内时钟脉冲进行减“1”计数。作计数器时， 要求计数的次数可直接作为计数器的初值预置到减“1”计数器中。作定时器时， 计数器的初值即定时系数应根据要求定时的时间进行如下运算才能得到：定时系数需要定时的时间时钟脉冲周期设置通道：向方式控制字寄存器端口写入方式选择控制字，用于确定要设置的通道及工作方式；计数/定时：向通道写入计数值，启动计数操作；读取当前的计数值：向指定通道读取当前计数器值时，8253将计数器值存入锁存器

17、，从锁存器向外提供当前的计数器值，计数器则继续作计数操作。计数到：当计数器减1为0时，通过引脚OUTi向外输出“到”的脉冲信号。计数初值输入存放在初值寄存器中，计数开始或重装入时被复制到计数器中。锁存器在非锁存状态，其值随计数器的变化而变化；一旦锁存了计数器的当前值，直到锁存器值被读取后才能解除锁存状态。5.方式选择控制字3、4存储空间与I/O地址分配 3、4、1 液晶显示模块与8255之间的连线关系液晶显示模块1602的数据线接在8255的A口上，通过对A口进行读写操作，为显示模块提供控制指令及显示数据。8255的PC0和PC1分别接1602的RS（指令/数据控制脚）和EN（使能脚）上，控制

18、指令/数据的输入。其它引脚按典型接法接线，要说明的是，本次对1602只进行了写的操作，故将读写控制脚接低电平。通过延时的方式来解决1602读写操作忙的问题（具体时序见第三章 系统软件设计）。连线图如右示：3、4、2 地址译码器与按键在本次设计中，由于有多片芯片要进行地址编码，使用了一片2-4译码器74LS139进行译码，使地址编码更加的方便。使用的CPU地址端口为第9和10号地址线，输出的Y0，Y1，Y2分别接8255，8253，8259。由于设计要求，在本设计中进行了按键设计，其电路简单，当K未按下时输出为高电平，当K按下时输入给8255PB0口一个低电平，系统通过检测这一引脚是否为低电平来

19、判断系统是否开始从当前时间开始计时。具体设计电路图见2.6总体硬件电路图。总体硬件电路图4软件系统说明 4、1软件系统设计思路4、1、1编址及控制字的确定按照第二章硬件设计电路中，CPU对8253，8255，8259进行的地址分配地址（仅为在编程过程过要使用的地址进行编制），本设计所用编址无用位均置0；8253 定时器0的地址：0200H；控制口：020CH8255 A口地址：0；B口地址：0800H； C口地址：1000H；控制口：1800H8259 奇地址：2400H； 4、1、2控制字根据系统的需要，合理选择各芯片的工作方式。8253：选取定时器0，采用先写高八拉后写低八的初值写入方式，

20、工作方式3方波发生器，采取二进制的方式输入初值，从而CW00110110B36H8255：分别选取A，C口为输出端口，B口为输入端口均采用工作方式0简单的输入/输出方式，故工作方式控制字为；10000010B82H；同时要对PC0和PC1进行复位和置位操作，其复位/置位控制字分别为：PCO复位/置位控制字为：0/01H；PC1口的置位/复位控制字：02H/03H8259：本设计中只有一片8259无从片，故无须写入ICW3，不需要写ICW4采用上升沿触发的方式可得：ICW100010010H12H；使用60H号中断故ICW260H4、1、3分块子程序a、 1602读写操作子程序如右图所示，为16

21、02液晶显示的写时序图：1602的写操作通过不同的时序进行控制，可分为写指令操作（子程序WRITECOM）和写数据（子程序WRITEDATA）。写指令的时序为，先拉低RS小延时（约0.5ms）后将EN拉低，小延时后拉高电平输入指令到液晶，然后拉低EN；写数据的操作时序与之基本类似，只是先拉低指令/数据控制信号RS，然后拉低EN。最体子程序代码如下示：WRITE_COM PROC FAR;1602写指令子程序PUSH AX;将AX压入堆栈PUSH CX;MOV DX,1800H;MOV AL,1;OUT DX,AL;将PC0即RS拉为高电平MOV AL,2;将PC1即EN拉为低电平OUT DX,

22、AL;MOV DX,0;从A口输出数据POP AX;OUT DX,AL;CALL DELAY;短暂延时MOV AL,3;将EN拉高让数据写入液晶MOV DX,1800H;OUT DX,AL;CALL DELAY;MOV AL,2;拉低EN;OUT DX,AL;POP CX;POP AX;RET;WRITE_COM ENDPWRITE_DATA PROC FAR;1602写数据子程序PUSH AX;将AX压入堆栈PUSH CX;MOV DX,1800H;MOV AL,0;OUT DX,AL;将PC0即RS拉为低电平MOV AL,2;将PC1即EN拉为低电平OUT DX,AL;MOV DX,0;从

23、A口输出数据POP AX;OUT DX,AL;CALL DELAY;短暂延时MOV AL,3;将EN拉高让数据写入液晶MOV DX,1800H;OUT DX,AL;CALL DELAY;MOV AL,2;拉低EN;OUT DX,AL;POP CX;POP AX;RET;WRITE_DATAENDPb、中断子程序中断开始保护现场恢复中断现场秒加1并输出秒60秒清0分加1并输出分60分清0时加1并输出时24时清0恢复现场并开中断中断返回保护中断现场NNNYYY中断子程序的设计流程图如右示，进入中断后先保护现场（将寄存器CX，AX，DX及标志寄存器中的内容压入堆栈中），然后恢复中断现场（分别将秒时分

24、计数寄存器BX，SI，DI的数值进行恢复继续计数）然后进行时钟的操作，最后要保护中断现场，即将时分计数寄存器BX，SI，DI的当前数值进行压栈操作进行保护方便下一次的计数，接着要进行现场的恢复（对寄存器CX，AX，DX及标志寄存器进行弹栈操作，并进行开启中断方便下一次中断的到来）。具体子程序设计如下：TIMER PROC FARPUSH CX;保护现场PUSH AX;PUSH DX;PUSHF;POP BX;恢复秒计数寄存器POP SI;恢复分计数寄存器POP DI;恢复时计数寄存器INC BX; 秒加一操作MOV AL,80H+40H+0AH；写指令给1602进行输出定位CALL WRITE

25、_COMMOV AX,BX;AAD;BCD码调整指令MOV CX,10;DIV CX; AX除以10得当前秒的十位和个位CALL WRITE_DATA ；写入秒十位MOV AL,AH;CALL WRITE_DATA；写入秒个位CMP BX,60;比较是否到了60JNZ EXIT; 不是60跳到EXIT的位置MOV BX，0;秒清0INC SI;分加1MOV AL,80H+40H+08H；写指令给1602进行输出定位CALL WRITE_COMMOV AX,SI;AAD;BCD码调整指令MOV CX,10;DIV CX; AX除以10得当前分的十位和个位CALL WRITE_DATA ;写入分的

26、十位MOV AL,AH;CALL WRITE_DATA;写入分的个位CMP SI,60;检测分是否到60JNZ EXIT;不是60跳转到EXIT处MOV SI，0;分清0INC DI;时加1MOV AL,80H+40H+05H；写指令给1602进行输出定位CALL WRITE_COMMOV AX,DI;AAD;BCD码调整指令MOV CX,10;DIV CX; AX除以10得当前时的十位和个位CALL WRITE_DATA;写入时的十位MOV AL,AH;CALL WRITE_DATA;写入时的个位CMP DI,24;检测时是否为24JNZ EXIT;跳到公共点EXITMOV SI，0;时清零

27、EXIT:PUSH DI; 保护中断现场 PUSH SI; PUSH BX;POP DX;恢复现场 POP AX; POP CX; STI;开启中断 IRET;中断返回TIMER ENDP4、1、4主程序设计主程序的主要功能是：1. 完成各主要芯片的初始化；2. 完成液晶显示模块的初始化；开始8255初始化8253初始化8259初始化1602初始化检测K0等待中断NY3. 检测开关按键是否按下；4. 实时检测有无可屏蔽中断其主要流程如右图所示：具体设计代码如下：START: MOV AX,DATAS MOV DS,AX MOV AL,82H;8255初始化MOV DX,1800HOUT DX,

28、AL;MOV AL,36H;8253初始化MOV DX,020CH;OUT DX,AL;MOV AL,27H;MOV DX,0200HOUT DX,AL;MOV AL,10H;OUT DX,AL;MOV AL,12H;8259初始化MOV DX,0204H;OUT DX,AL;MOV AL,60H;OUT DX,AL;MOV AL,60H;将TIMER对应的60号中断写入中断向量表,本设计采用DOS功能调用法写入MOV AH,25H;MOV CX,SEG TIMER;MOV DS,CX;MOV DX,OFFSET TIMER;INT 21H;MOV AL,38H;设置1602为16*2行 5*

29、7点阵CALL WRITE_COM;MOV AL,0BH;开显示,不显示光标,光标不闪烁CALL WRITE_COM;MOV AL,06H;指针自动加一,整屏不移动CALL WRITE_COM;MOV AL,1;清屏指令CALL WRITE_COM;MOV AL,80H+40H+05H;在1602的第二行第5个位置写入数据,正好在1602的正中位置CALL WRITE_COM;MOV CX,8;MOV SI,-1;AA1:INC SI;将BUF里边的内容写入1602,其初始化完成MOV AL,BUFSI;CALL WRITE_DATA;LOOP AA1;MOV BX,0;MOV SI,0;MO

30、V DI,0;AA2:MOV DX,0800H;检测按键K是否按下IN AL,DX;TEST AL,1;JNZ AA2 ;不为0表明K未按下跳转 STI ;开中断JMP $;等待中断4、2源程序清单DATAS SEGMENT BUF DB 00:00:00,$;此处输入数据段代码 DATAS ENDSSTACKS SEGMENT ;此处输入堆栈段代码STACKS ENDSCODES SEGMENT ASSUME CS:CODES,DS:DATAS,SS:STACKSSTART: MOV AX,DATAS MOV DS,AX MOV AL,82H;8255初始化MOV DX,1800HOUT D

31、X,AL;MOV AL,36H;8253初始化MOV DX,020CH;OUT DX,AL;MOV AL,27H;MOV DX,0200HOUT DX,AL;MOV AL,10H;OUT DX,AL;MOV AL,12H;8259初始化MOV DX,0204H;OUT DX,AL;MOV AL,60H;OUT DX,AL;MOV AL,60H;将TIMER对应的60号中断写入中断向量表,本设计采用DOS功能调用法写入MOV AH,25H;MOV CX,SEG TIMER;MOV DS,CX;MOV DX,OFFSET TIMER;INT 21H;MOV AL,38H;设置1602为16*2行

32、5*7点阵CALL WRITE_COM;MOV AL,0BH;开显示,不显示光标,光标不闪烁CALL WRITE_COM;MOV AL,06H;指针自动加一,整屏不移动CALL WRITE_COM;MOV AL,1;清屏指令CALL WRITE_COM;MOV AL,80H+40H+05H;在1602的第二行第5个位置写入数据,正好在1602的正中位置CALL WRITE_COM;MOV CX,8;MOV SI,-1;AA1:INC SI;将BUF里边的内容写入1602,其初始化完成MOV AL,BUFSI;CALL WRITE_DATA;LOOP AA1;MOV BX,0;MOV SI,0;

33、MOV DI,0;AA2:MOV DX,0800H;检测按键K是否按下IN AL,DX;TEST AL,1;JNZ AA2 ;不为0表明K未按下跳转 STI ;开中断JMP $;等待中断 DELAY PROC FARPUSH CX;AA3:MOV CX,50LOOP AA3;POP CX;RETDELAYENDPWRITE_COM PROC FAR;1602写指令子程序PUSH AX;将AX压入堆栈PUSH CX;MOV DX,1800H;MOV AL,1;OUT DX,AL;将PC0即RS拉为高电平MOV AL,2;将PC1即EN拉为低电平OUT DX,AL;MOV DX,0;从A口输出数据

34、POP AX;OUT DX,AL;CALL DELAY;短暂延时MOV AL,3;将EN拉高让数据写入液晶MOV DX,1800H;OUT DX,AL;CALL DELAY;MOV AL,2;拉低EN;OUT DX,AL;POP CX;POP AX;RET;WRITE_COM ENDPWRITE_DATA PROC FAR;1602写指令子程序PUSH AX;将AX压入堆栈PUSH CX;MOV DX,1800H;MOV AL,0;OUT DX,AL;将PC0即RS拉为低电平MOV AL,2;将PC1即EN拉为低电平OUT DX,AL;MOV DX,0;从A口输出数据POP AX;OUT DX

35、,AL;CALL DELAY;短暂延时MOV AL,3;将EN拉高让数据写入液晶MOV DX,1800H;OUT DX,AL;CALL DELAY;MOV AL,2;拉低EN;OUT DX,AL;POP CX;POP AX;RET;WRITE_DATAENDPTIMER PROC FARPUSH CX;保护现场PUSH AX;PUSH DX;PUSHF;POP BX;恢复秒计数寄存器POP SI;恢复分计数寄存器POP DI;恢复时计数寄存器INC BX; 秒加一操作MOV AL,80H+40H+0AH；写指令给1602进行输出定位CALL WRITE_COMMOV AX,BX;AAD;BCD码调整指令MOV CX,10;DIV CX; AX除以10得当前秒的十位和个位CALL WRITE_DATA ；写入秒十位MOV AL,AH;CALL WRITE_DATA；写入秒个位CMP BX,60;比较是否到了60JNZ EXIT;