单片机的发展史
单片机的发展史
单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机。随着大规模集成电路技术的发展,可以将中央处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)定时器计数器以及输入/输出(I/O)接口电路等主要计算机部件,集成在一块电路芯片上。虽然单片机只是一个芯片,但从组成和功能上,都已具有了微机系统的含义。由于单片机能独立执行内部程序,所以又称它为微型控制器(Microcontroller)。
单片机自从问世以来,性能在不断的提高和完善,它不仅能够满足很多应用场合的需要,而且具有集成度高、功能强、速度快、体积小使用方便、性能可靠、价格低廉等特点。因此,在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信、智能接口、商业营销等领域得到广泛的应用,并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视,所以更扩大了单片机的应用范围,也进一步促进了单片机技术的发展,单片机的发展史大致可分为三个阶段。
第一阶段(1976-1978):初级单片机微处理阶段。该时期的单片机具有 8 位CPU,并行 I/O 端口、8 位时序同步计数器,寻址范围 4KB,但是没有串行口。
第二阶段(1978-1982):高性能单片机微机处理阶段,该时期的单片机具有I/O 串行端口,有多级中断处理系统,15 位时序同步技术器,RAM、ROM 容量加大,寻址范围可达 64KB。
第三阶段(1982-至今)位单片机微处理改良型及 16 位单片机微处理阶段。 单片机的应用
由于单片机具有显著的优点,它已成为科技领域的有力工具,人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域,主要表现在以下几个方面:
1 单片机在智能仪表中的应用
单片机广泛地用于各种仪器仪表,使仪器仪表智能化,并可以提高测量的自动化程度和精度,简化仪器仪表的硬件结构,提高其性能价格比。
2 单片机在机电一体化中的应用
机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体,具有智能化特征的机电产品,例如微机控制 1 包洪:单片机数字时钟的设计床、钻床等。单片机作为产品中的控制器,能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点,可大大提高机器的自动化、智能化程度。
3 单片机在实时控制中的应用
单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如,在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中,都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能,可使系统保持在最佳工作状态,提高系统的工作效率和产品质量。 4 单片机在分布式多机系统中的应用
在比较复杂的系统中,常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成,各自完成特定的任务,它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机,安装在系统的某些节点上,对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力,使它可以置于恶劣环境的前端工作。
5 单片机在人类生活中的应用
自从单片机诞生以后,它就步入了人类生活,如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后,提高了智能化程度,增加了功能,倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。1.3 单片机发展趋势目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展,其发展趋势将是进一步向着CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低
价格和外围电路内装化等几个方面发展。
单片机的主要发展趋势:
1 CMOS 化
近年,由于 CHMOS 技术的进小,大大地促进了单片机的 CMOS 化。CMOS 芯片除了低功耗特性之外,还具有功耗的可控性,使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以 80C51 取代 8051 为标准 MCU 芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用 CMOS(金属栅氧化物)半导体工艺生产。CMOS 电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快,但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高,又出现了 HMOS(高密度、高速度MOS)、CHMOS 工艺以及 CHMOS 和 HMOS 工艺的结合。目前生产的 CHMOS 电路已达到 LSTTL 的速度,传输延迟时间小于 2ns,它的综合优势已大于 TTL 电路。因而,在单片机领域,CMOS 电路正在逐渐取代 TTL 电路。
2 低功耗化
单片机的功耗已从 mA 级,甚至 1uA 以下;使用电压在 36V 之间,完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低,而且带来了产品的高可靠性、高抗 3 重庆文理学院技术师范学院本科毕业论文设计干扰能力以及产品的便携化。
3 低电压化
几乎所有的单片机都有 WAIT、STOP 等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽,一般在 36V 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达 12V。目前 0.8V 供电的单片机已经问世。
4 低噪声与高可靠性
为提高单片机的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。 1.4 数字时钟方案论证比较 1.4.1 数字电路与单片机性能比较数字时钟系统可采用数字电路实现,也可以采用单片机来完成。若用数字电路完成,所设计的电路相当复杂,大概需要十几片数字集成块,其功能也主要依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现,焊接的过程比较复杂,成本也非常高。若用单片机来设计制作完成,由于其功能的实现主要通过软件编程来完成,那么就降低了硬件电路的复杂性,而且其成本也有所降低,所以在该设计与制作中采用 AT89S52 单片机,它是低功耗、高性能的 CMOS 型 8 位单片机,内带有 8KB 的Flash 程序存储器,且允许在系统内改写或用编程器编程。另外,AT89S52 的指令系统和引脚与 8051 完全兼容,片内有 256B 的 RAM、32 条 I/O 口线、2 个 16位定时计数器、
1.4.2 数码管与 LCD 液晶显示性能比较
单片机应用系统最常用的显示器 LED(发光二极管显示器)和 LCD(液晶显示屏),这两种显示器器件都可显示数字、字符及系统的状态,他们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉,因此得到广泛应用。同时由于数码管只能显示数字数码管显示内容单一,液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点,没有电磁辐射、寿命长等优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用,而这个毕业设计中,要求功能较多,为了使电路显示的更清晰明了,在该设计当中我们决定采用 LCD1602 液晶作为我们单片机数字时钟的显示设备。 4 包洪:单片机数字时钟的设计
1.4.3 单片机编程时钟与时钟芯片性能比较
在单片机系统的应用过程中,经常需要一个时钟电路定时、测控之用;数字时钟的实现方法有很多种,最简单的就是利用单片机中都集成的定时器,通过软件编程来构成一个时钟来使用,但是基于这种方法,由于定时器工作在中断方式,它会频繁地中断 CPU 的工作。
每次开机都要重新设置标准时间,使用不方便而且还占用单片机的定时器资源,单片机直接编程做时钟电路虽然节省成本,但功能却有许不足,而且单片机工作不是很稳定,容易出现死机、跑错等等,电路一复位就又要从新调整时间,显然这在实际情况中是很麻烦的,与社会的主流发展——智能化,不相符合。但是美国 DALLAS 公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路 DS1302,它可以对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿等多种功能。采用串行数据传输,可为掉电保护电源提供可编程的充电功能,并且可以关闭充电功能,因此我们在这里将会采用采用DS1302 作为我们单片机数字时钟的时钟芯片。
第二章系统的硬件设计与实现
2.1 系统概述
本系统是由 AT89S52 单片机为控制核心,具有在线编程功能,低功耗,能在 3V 超低压环境中工作;时钟电路由内部时钟电路外接晶振提供,它是一种高性能、低功耗、带 RAM 的可随时调整时钟电路,工作电压为 3V~5V;所以采用 DS1302 作为本设计的日历芯片;显示部份使用 LCD1602B 液晶模块进行数字显示,有 1602B 液晶模块可以显示 2 行 16 个字符, 8 位数据总线 D0—D7和 RS、R/W、EN 三个控制端口,工作电压为 5V,并且带有字符对比度调节和背光。该模块也可以只用 D4-D7 作为四位数据分两次传送,这样就可以节省 MCU 的 I/O口资源,系统主要由晶振电路、复位电路、时钟电路部分、中央处理单元、晶显示部分组成,单片机数字时钟的设计流程如图 2.1 所示。
5 重庆文理学院技术师范学院本科毕业论文设计电路总体框图设计蜂鸣器 DS1302 时钟芯片复位电路单片机 AT89S52 LCD1602 按键电路晶振电源 2.1 电路总体框架图2.2 模块电路的设计 2.2.1 时钟电路时钟电路为整个单片机系统产生时间基准,是单片机系统必须的部分;本系统采用美国 DALLAS 公司推出的 DS1302 实时时钟芯片,工作电压为2.5V-5.5V,采用三线接口与 CPU 进行同步通信,并可采用突发式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据,该芯片是采用串行方式的实时时钟芯片,串行方式的实时时钟芯片大多数是将地址线、数据线、控制线合为一根串行传输数据的传号线,这种方式的有点是信号线少、电路连接简单、节省系统资源和电路板的面积,缺点是程序编写复杂、工作量比较大,且操作速度较慢,接下来我们来分析一下 DS1302 的性能与原理。 6 包洪:单片机数字时钟的设计1、DS1302 的性能、计算 2100 年之前的秒、分、时、日、星期、月和年,能进行闰年调整;B、31 字节数据 RAM;C、引脚与 TTL 兼容;D、工作电流小于 300nA有备份电源和涓流充电能力;2、DS1302 引脚定义 I/O:数据输入/输出引脚 VCC2 1 8 VCC1 SCLK:串行时钟输入引脚 X1 2 7 SCLK X2 3 6 I/O RST 复位引脚 GND 4 5 RST GND:接地引脚 DS1302 Vcc1、Vcc2:工作电源、备份电源引脚 X1、X2:晶振接入管脚。晶振频率为 32.768KHz。三、DS1302 的操作命令字格式如图 2.2 所示:位: D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 R/C A4 A3 A2 A1 A0 R/W 图 2.2 命令字格式 D7 位:固定为 1 R/C 位:为 0 时选择操作时钟,为 1 时选择操作 RAM A4A3A2A1A0:操作地址 R/W 位:为 0 时进行写操作,为 1 时进行读操作单字节操作如图 2.3 所示: RST SCLK I/O 0 写命令数据字节图 2.3 写操作 7 重庆文理学院技术师范学院本科毕业论文设计 RST SCLK I/O 1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 读命令数据字节图 2.4 读操作多字节操作(突发模式) : 每次写入或读出 8 个字节时钟日历数据或 31 个字节 RAM 数据。与单字节时相似,仅需将 A0A4 换成“11111” 。四、DS1302 的寄存器 DS1302 有 12 个寄存器,其中有 7 个寄存器与日历、时钟相关,存放的数据位为 BCD 码形式其日历、表时间寄存器及其控制字, 2.2 为日历寄存器功能表。 2.2 日历时钟寄存器功能表 8 包洪:单片机数字时钟的设计五、DS1302 与单片机的接口 3.6V Ni-Cd电 5V VCC2 VCC1 池 X1 SCLK P1.0 X2 I/O P1.1 GND RST P1.2 DS1302 89S51 图 2.3 DS1302 与单片机的接口图 2.2.2 液晶
LCD1602 显示电路 1602B 液晶模块可以显示 2 行 16 个字符,有 8 位数据总线 D0—D7和 RS、R/W、EN 三个控制端口,工作电压为 5V,并且带有字符对比度调节和背光。该模块也可以只用 D4-D7 作为四位数据分两次传送,这样就可以节省 MCU 的 I/O口资源,液晶 LCD1602 引脚情况如下表 2.4 所示;液晶 LCD1602 最小系统图如2.5 所示。 2.4 LCD1602 引脚功能表 9 重庆文理学院技术师范学院本科毕业论文设计图 2.5 液晶 LCD1602 最小系统图 2.2.3 复位电路与晶振电路复位电路是单片机系统必须的,用来为单片机提供正确的复位信号;振荡电路就为单片机工作提供了所需要的时钟脉冲信号,使单片机的开始正常工作;如图 2.6 所示 18 脚和 19 接时钟电路,XTAL1 接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,XTAL2 接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出;第 9 引脚为复位输入端,接上电容,电阻及开关后能够形成上电复位电路。 10 包洪:单片机数字时钟的设计图 2.6 复位电路与晶振电路2.3 总体电路图设计下图为总体电路设计图,如图 2.7 所示。 LED1 4LED4 a 11 A b 7 JP30 JP31 B c 4 P0_0_D P1_0_D P2_0_D RXD_D C .