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1、 吉林大学本科毕业生论文（设计） 吉林大学远程教育本科生毕业论文（设计）中文题目 单片机定时系统设计学生姓名 耿瑞海 专业 计算机科学与技术层次年级 2014春专升本 学号11430108050001指导教师 王新颖 学习中心 山东杏林科技职业学院 成绩 2016年 4 月 19 日摘 要在现代社会各领域中，广泛需要各种不同的定时系统，来完成某段定时操作功能，用单片机实现定时控制，是当前实时控制的发展方向，目前研制的一些定时系统，只能满足特定领域的需要，同时其控制时间的输入，只能根据用户的需要输入到存储器中。本文介绍的通用单片机定时系统，具有很强的通用性，并且其定时时间可以根据需要由用户任意更

2、改，极大地方便了使用者。本系统的定时时间可以到分，根据实际需要也可以定时到秒。本系统以单片开发机为核心，显示板、双向移位寄存器、二位BCD编码器、三位二进制编码器、控制输出、掉电保护等部分组成。该系统具有体积小，价格低廉，运用灵活，使用方便等特点。 关键词: 单片机 定时目 录一 绪论11单片机发展历史及前景.4二 系统硬件介绍及设计.821系统硬件组成及原理.8211 8051单片机 .8三 系统软件介绍及设计 .1931设计思想 1832 显示子程.2133时钟时间输人子程 .2134 控制时间输人子程 2135 时钟子程 .2136 控制比较 l 子程.2237 控制比较 2 子程.23

3、三 参考文献.25四 谢 辞 .26一 绪论11单片机发展历史及前景：单片机出现的历史并不长, 但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步, 自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来, 它的发展到目前为止大致可分为5个阶段：第1阶段（19711976）: 单片机发展的初级阶段。1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2 000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、ROM和移位寄存器, 构成了第一台MCS4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。第2阶段（19761980）

4、: 低性能单片机阶段。以1976年Intel公司推出的MCS48系列为代表, 采用将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址范围有限（不大于4 KB）, 也没有串行I/O, RAM、ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。第3阶段（19801983）: 高性能单片机阶段。这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。片内RAM、ROM的容量加大,且寻址范围可达64 KB, 个别片内还带有A/D转换接口。第4阶段（198380年

5、代末）: 16位单片机阶段。1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS96系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。第5阶段（90年代）: 单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补

6、高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗向电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚

7、至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。12 单片机的应用：单片机的应用，首先应是它的控制功能，即在于实现计算机控制。在线控制应用方面，因单片机有体积小、功耗小、成本低、价格低廉以及控制功能强等特点，可以满足大多数应用系统的要求。按照所使用单片机的类型不同，单片机应用系统结构可分为总线方式和非总线方式。在总线方式的应用系统中，单片机都具有完善的外部扩展总线

8、，如并行总线、串行通信总线，通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等。采用总线方式的应用系统多数为较复杂的工控系统、智能仪表、监测系统，或满足这些应用而构成的多机与网络系统。总线方式的单片机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为I/o口用。非总线方式的应用系统(如80C51系列中的83C751、87C751、83C752、WC752、AT89C2051、MGS97C2051)省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片。采用非总线方式的应用系统多数小型控制器、测控单元、单元仪表等。现在单片机的应用日益广泛，其主要的应用领域包括机电一体化设备的控制核心、数据采集系统的现场采集单元、分布控

9、制系统的前端控制器、智能化仪表的机芯等。单机应用：（1） 测控系统。用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。（2） 智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表, 促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。（3） 机电一体化产品。单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。（4） 智能接口。在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、控系统中, 用单片机进行接口的控制与管理, 加之单片机与主机的并行工作, 大大提高了系统的运行速度。（5） 智能民用产品。如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电

10、子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中, 单片机控制器的引入, 不仅使产品的功能大大增强, 性能得到提高, 而且获得了良好的使用效果。多机应用：单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。（1）功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。（2）并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题, 以便构成大型实时工程应用系统。（3）局部网络系统。正是由于单片机广泛的应用性，使得它已经应用到人们日常生活中的各个领域。因此研究单片机具有广泛的现实应用性。二 系统硬件介绍及设计21系统硬件组成及原理本系统以8051单

11、片开发机为核心，显示板、双向移位寄存器、二位BCD编码器、三位二进制编码器、控制输出、掉电保护等部分组成。本系统利用单片机定时器/计数器具有的两种控制方式，采用将待控时间与时钟时间相比较的方法实现定时。 单片机将待定时时间与时钟时间进行比较，当两者相同时，单片机输出端口发出定时控制脉冲，然后单片机再将下一个待定时控制时间与时钟时间进行比较。定时时间可由用户随意输入给定。211 8051单片机MCS51系列单片机的内部结构框图如图1所示。按其功能部件划分可以看出, MCS51系列单片机是由8大部分组成的。图一·一个8位中央处理机CPU。·128个字节（MCS52子系列为256

12、字节）的片内数据存储器RAM。 ·4 KB（MCS52子系列为8 KB）的片内程序只读存储器ROM或EPROM（8031和8032无）。·18个（MCS52子系列为21个）特殊功能寄存器SFR 。·4个8位并行输入输出I/O接口: P0口、P1口、P2口、P3口（共32线）, 用于并行输入或输出数据。·1个串行I/O接口。·2个（MCS52子系列为3个）16位定时器/计数器。·1个具有5个（MCS52子系列为6个或7个）中断源, 可编程为2个优先级的中断系统。它可以接收外部中断申请, 定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。(1)中央

13、处理器CPU：中央处理器是单片机内部的核心部件, 它决定了单片机的主要功能特性。它由运算部件和控制部件两大部分组成运算部件运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心, 加上累加器A、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态寄存器PSW及专门用于位操作的布尔处理机组成的（见图一）, 它能实现数据的算术逻辑运算, 位变量处理和数据传送操作。算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B算术逻辑单元ALU不仅能完成8位二进制数的加（带进位加）、减（带借位减）、乘、除、加1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、求补、清零等逻辑运算, 并具有数据传送, 程序

14、转移等功能。累加器ACC简称累加器A, 为一个8位寄存器, 它是CPU中使用最频繁的寄存器。进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多来自于A, 运算结果也常送回A保存。寄存器B是为ALU进行乘除法设置的。程序状态字程序状态字寄存器PSW（8位）是一个标志寄存器, 它保存指令执行结果的特征信息, 以供程序查询和判别。其程序状态字格式及含义如下:CY（PSW。7）进位标志位。AC（PSW。6）辅助进位（或称半进位）标志。F0（PSW。5）由用户定义的标志位。RS1（PSW。4）、RS0（PSW。3）工作寄存器组选择位。OV（PSW。2）溢出标志位。由硬件置位或清零。PSW。1未定义位。P（PSW。0）

15、奇偶标志位。布尔处理机布尔处理（即位处理）是MCS51单片机ALU所具有的一种功能。单片机指令系统中的布尔指令集（17条位操作指令）, 存储器中的位地址空间, 以及借用程序状态标志寄存器PSW中的进位标志CY作为位操作“累加器”, 构成了单片机内的布尔处理机。在指令系统中包含了1个指令子集，专用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理及，特别是用于控制目的和解决逻辑问题。（2）控制部件及振荡器控制部件是单片机的神经中枢, 它包括定时和控制电路、指令寄存器、译码器以及信息传送控制等部件。单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的, 而片内的时钟产生有两种方式: 一种是内部时钟方式; 一

16、种是外部时钟方式, 如图二（a）、（b）所示。（a）内部振荡器方式 （b）外部振荡器方式图二采用内部时钟方式时, 如图二所示。片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的片外晶体振荡器（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器, 向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率, 一般晶体可在1。224 MHz之间任选, 电容C1、C2可在530 pF之间选择, 电容的大小对振荡频率有微小的影响, 可起频率微调作用。（3）单片机外部引脚说明MCS51系列单片机芯片均为40个引脚, HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装, 其引脚示意

17、及功能分类如图三所示。CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用方型封装的, 但为44个引脚, 其中4个引脚是不使用的。（a）管脚图（b）引脚功能分类图三1主电源引脚Vcc和VssVCC（40脚）: 接+5 V电源正端;VSS（20脚）: 接+5 V电源地端2外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）: 接外部石英晶体的一端。在单片机内部, 它是一个反相放大器的输入端, 这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时, 对于HMOS单片机, 该引脚接地; 对于CHMOS单片机, 该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18脚）: 接外部晶体的另一端。在单片机内部, 接至片内振荡器的反相

18、放大器的输出端。当采用外部时钟时, 对于HMOS单片机, 该引脚作为外部振荡信号的输入端; 对于CHMOS芯片, 该引脚悬空不接3控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、和等4种形式。（1）RST/VPD（9脚）: RST即为RESET, VPD为备用电源, 所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当振荡器工作时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），使单片机复位。在VCC 掉电期间，该引脚可接上备用电源，由VPD 向内部RAM 提供备用电源，以保持内部RAM 中的数据。（2）ALE/PROG (30脚): 当访问外部存储器时, ALE（允许地

19、址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出, 用于锁存出现在P0口的低8位地址。在片外数据存储器没有工作的时候，ALE 输出频率为振荡频率1/6的固定频率，可以用于外部时钟或外接定时器。但当执行片外数据存取指令的时候，将少一个ALE 脉冲。对于内置了EPROM的单片机，在写EPROM 的时候，通过ALE接受编程脉冲（PROG功能）。（3）PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端。在读取片外数据存储器中的指令时，但每次访问片外数据存储器时，要少2 个PSEN 脉PSEN 在每个机器周期内2 次有效，冲；在执行片内程序存储器的指令的时候， PSEN 无效。（4）EA/VPP：EA当为高电平且PC 值小

20、于0FFFH（4K）时，CPU 执行片内程序存储器中的程序；当EA 为低电平时，CPU 执行片外程序存储器中的程序。因为8031 没有片内数据存储器，所以对于8031 来说，EA 必须接低电平。对于内置了EPROM 的单片机，在对EPROM 进行编程时，本引脚为12V 电源（VPP）的输入端。4输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口（1）P0口（39脚32脚）: P0。0P0。7统称为P0口。P0口是一个8位漏极开路型双向I/O口。在访问外存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线。（2）P1口（1脚8脚）: P1。0P1。7统称为P1口, 可作为准双向I/O接口使用

21、。它是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。（3）P2口（21脚28脚）: P2。0P2。7统称为P2口, 一般可作为准双向I/O接口。它是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外存储器时，它送出高8位地址。（4）P3口（10脚17脚）: P3。0P3。7统称为P3口。它是一个带有内部上5MCS51单片机存储器分类及配置MCS51单片机存储器的分类从物理结构上可分为: 片内、片外程序存储器（8031和8032没有片内程序存储器）与片内、片外数据存储器4个部分; 从寻址空间分布可分为: 程序存储器、内部数据存储器和外部数据存储器3大部分; 从功能上可分为: 程序存储器、内部数据存储器、

22、特殊功能寄存器、位地址空间和外部数据存储器5大部分。MCS51系列单片机存储器的配置除图五所示的片内ROM（或EPROM）和RAM外, 另外还有128个字节的RAM区作为特殊功能寄存器（SFR）区。片内、片外程序存储器和数据存储器各自总容量为64 KB。MCS51系列单片机存储器系统空间结构如图六所示。图六（1）程序存储器程序存储器的编址计算机的工作是按照事先编制好的程序命令一条条循序执行的, 程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数, 它由只读存储器ROM或EPROM组成。程序运行的入口地址实际应用时, 程序存储器的容量由用户根据需要扩展，而程序地址空间原则上也可由用户任意安排。但程

23、序最初运行的入口地址，MCS51单片机是固定的, 用户不能更改。程序存储器中有复位和中断源共7个固定的入口地址见图七。单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H, 故必须从0000H单元开始取指令来执行程序。0000H单元是系统的起始地址, 一般在该单元存放一条无条件转移指（2）内部数据存储器内部数据存储器的编址MCS51系列单片机的内部数据存储器由读写存储器RAM组成, 用于存储数据。它由RAM块和特殊功能寄存器（SFR）块组成。内部数据存储器RAM块内部数据存储器RAM块共分为工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区3个部分。 特殊功能寄存器SFR块特殊功能寄存器SFR, 又称为专用寄存器。它

24、专用于控制、管理单片机内算术逻辑部件、并行I/O口锁存器、串行口数据缓冲器、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作, SFR的地址空间为80HFFH。位寻址空间在MCS51单片机的内部数据寄存器RAM块和特殊功能寄存器SFR块中, 有一部分地址空间可以按位寻址, 按位寻址的地址空间又称之为位寻址空间。位寻址空间一部分在内部RAM的20H2FH的16个字节内, 共128位; 另一部分在SFR的80HFFH空间内, 凡字节地址能被8整除的专用寄存器都有位地址, 共93位。因此, MCS51系列单片机共有221个可寻址位。（3）外部数据存储器外部数据存储器一般由静态RAM芯片组成。扩展存储器容量的

25、大小, 由用户根据需要而定, 但MCS51单片机访问外部数据存储器可用1个特殊功能寄存器数据指针寄存器DPTR进行寻址。由于DPTR为16位, 可寻址的范围可达64 KB, 所以扩展外部数据存储器的最大容量是64 KB。6CPU时序计算机在执行指令时, 通常将一条指令分解为若干基本的微操作, 这些微操作所对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为计算机的时序。振荡周期: 为单片机提供定时信号的振荡源的周期（晶振周期或外加振荡源周期）。状态周期: 2个振荡周期为1个状态周期, 用S表示。机器周期: 1个机器周期含6个状态周期, 用S1、S2、S6表示, 共有12个节拍。MCS51单片机的CPU取指令和

26、执行指令的时序如图八。图八单周期指令的执行从S1P2开始, 在S1P2期间读入操作码并把它锁存到指令寄存器中。双字节指令, 则在同一机器周期的S4期间读出第2个字节。对于单字节指令在S4处仍有一次读操作, 但这时读出的字节（下一条指令的操作码）是不予考虑的, 而且程序计数器PC也不加1。对于单周期指令, 在上述任何情况下, 指令都在S6P2期间完成操作。212 其他元件作用（1）显示板：用于显示输入输出参数。（2）双向移位寄存器：它与单片机串行口相连接。即可作为输入移位寄存器，也可以作为输出移位寄存器。（3）二位BCD编码器及中断1、中断0此编码器将需要输入的参数编成BCD码，通过移位寄存器由

27、串行口输入单片机。当输入的是时钟参数时，启动中断O子程将参数送入相应的存储单元。当输入的参数为控制时间及方式参数时启动中断l子程，将参数送入相应的存储单元。（4）定时控制脉冲输出端当定时时间与时钟时间相同时，由此端口输出定时控制脉冲。（5）三位二进制编码器作为输入参数和输出显示参数的选择编码器，其编码所对应的参数为:0 000 秒 4 100 日1 001 分 5 101 月2 010 时 6 110 年3 011 星期 7 111 方式（6）掉电保护在停电或关机时，启动掉电保护电路向单片机内部和外部RAM充电，以保护RAM中的数据。第三章系统软件介绍及设计软件由显示，时钟时间输入，定时控制时

28、间及方式参数输入时钟，控制比较1，控制比较2，控制几部分组成。见图九。图九31设计思想利用8031/8051单片机的定时器/计数器的定时功能，通过软件可很容易地实现时钟。但如何将单片机提供的时钟参数与控制时间参数相比较，成为单片机定时系统的关键。在现代社会中，一般对实时控制的要求主要有两种方式:(1)以天为周期，周日和待定日(如节假日)休息的定时控制，如工作作息时间就属于此类。(2)以具体月、日、时、分为控制参数的实时控制，其时间进程不等，可以任意确定。如在科学实验中对某个参数变化情况的自动定时检测，对于不同的实验对象，对于不同的要求，其定时检测的时间间隔是不同的，因此，要求实验设备中定时装置

29、的定时时间必须能随时调整，这就需要采用以具体月、日、时、分为参数的定时系统，来实现测定某段时间的实时控制。 本软件在设计上充分地考虑了以上两种情况。采用了两种不同的时间控制比较方式。其方式1:是针对第一种情况设计的，正常日的控制时、分参数由R1间址，周日及待定日的控制时、分参数由R0间址，二者的控制时间周期性循环。特定月、日参数由DPTR间址，顺序读取，这样可以节省内存，方便控制时间输入。 其方式2：是针对第二种情况设计的，控制月、日、分参数由DPTR间址，顺序读取。以上两种方式的定时控制时间可以随意确定，由于在软件设计上采用了两种控制比较方式，因此，使本系统具有较强的通用性，同时也具有较强的

30、灵活性32 显示子程根据三位二进制编码器的编码，将相应内存中的内容，通过串行口送到显示板显示由于单片机运行速度很快，在单位时间内，可将同一参数数千次地送显示板，这势必在视觉上感到显示内容有抖动现象，为此，在软件设计上采取相应措施，其方法是：将需显示的内容送串行口的同时，再将其送入一指定单元，然后单片机将内存中需要显示的内容与指定单元内容相比较，若二者相同，则单片机不将需显示内容送串行口；若二者不同，则单片机将显示内容送串行器的同时，再送指定单元。之后，开始新的比较。34 时钟时间输人子程启动中断 O 后，单片机根据三位二进制编码器的编码，将输人到双向移位寄存器的参数，通过串行口送入内存中相应单

31、元一次中断只输入一个参数。35 控制时间输人子程根据方式寄存器 R 。的内容，按相应的方式将参数送入相应的存储单元一次中断只能输入一个参数，另外，方式参数也是由此子程输人。36 时钟子程置定时器计数器为定时状态，向其装入基数后，每隔 0 。 05 秒必产生一次中断，通过记录中断次数，根据年、月、日、星期、时、分、秒的进位关系，用软件很容易在单片机内部形成一个时钟。其流程图见图3。为了适时地将控制时间参数和时钟时间参数进行；比较，在时钟子程的分与定时中断记数处设置了两个比较子程。37 控制比较 l 子程流程图见图十，本子程是整个软件的关键。选择方式 1 后，单片机首先通过 DPTR 间址读入月、日控制时间参数，将其与时钟月、日参数比较，若结果相同，则执行休息日的时、分控制；若结果不同，则单片机判断此日是否为周日，若是周日，则执行休息日时、分控制，若不是周日，执行正常日时、分控制然后单片机将正常日或休息日的控制时、分与钟的时、分分别比较，相同，则执行控制子程，不同，则数据指针不动，直至两者时间相同。选择方式 2 后，单片机通过 DPTR