多路定时器的电路设计与制作.doc

毕业 论文 设计 第 I 页 多路定时器的电路设计与制作 摘 要 多路定时器的电路简单，实现容易，操作方便，在日常生活中有广泛的应 用。以单片机 AT89S51 为核心的多路定时控制器，可以对多路家用电器进行定 时开关控制，实现一个控制器可以控制多路用电设备，同时还具有时钟校准、 时间显示、报警等功能，为以后实现网络控制的数字家庭提供一些基础。在本 文中，着重介绍了多路定时器的实现方法，元器件的选择。 首先，本文介绍了多路定时控制器的背景及其设计思路。 其次，本文着重介绍了单片机应用系统的设计和元器件的选择，以及他 们的工作原理。 最后，实物的制作，介绍了电路板的焊接以及焊接时的注意事项。 在附录中，本文给出了定时控制器的设计程序。 关键词：单片机，定时器，元器件 第 II 页 The design and production of multiple timer circuit Author: Jiang shuangshuang Tutor: Tang hailing Abstract Summary multiple timer circuit is simple, achieving easy, easy to operate and has a wide range of applications in everyday life. With the core of single-chip AT89S51 multiplex time controller, time switch controls over multiple appliances, implements a controller can control multiple devices, and also has a time clock calibration, display, alarm function, implemented for the future digital home provides some basis for network control. In this article, focuses on the method of multiplexing timer and The choice of components. First of all, this article discusses an overview of multiplex time controller and the emergence of the inevitability and design ideas. Second, this article focuses on single-chip microcomputer application system design and component selection, and how they work. Finally, the article was using universal plate made in kind, introduced the Board's considerations for welding and soldering. In the Appendix, the time controller design procedures are given in this article. Keywords: Monolithic integrated circuit，Timer，Components 目 录 第 III 页 1 绪论.1 1.1 设计背景1 1.2 设计内容1 2 整体设计方案整体设计方案.1 2.1 设计思路. 2.2 硬件电路设计框图 .2 3 单片机应用系统的硬件设计3 3.1 单片机的选择.3 3.2 单片机最小应用系统3 3.2.1 时钟电路的设计.5 3.2.2 复位电路的设计.6 3.3 蜂鸣器电路的设计7 3.4 按键电路设计与器件选择8 3.5 LED 显示器电路设计与元器件的选 择9 3.5.1 LED 显示器的选 择.9 3.5.2 LED 段驱动芯片的选择.10 3.5.3 LED 位驱动芯片的选 择.11 3.5.4 LED 显示器接口电路.12 3.6 继电器电路的设计 .13 3.7 串行接口 RTC 芯片 DS1307 的介绍. .13 3.7.1 DS1307 时钟芯片的引脚功能13 3.7.2 DS1307 时钟格式和地址分配15 第 IV 页 3.7.2.1 DS1307 的内部寄存器与 RAM 地址分 配15 3.7.2.2 时钟和日历格式15 3.7.2.3 DS1307 操作时序16 3.8 定时控制器的硬件电路原理图18 4 单片机应用系统的软件设计19 5 实物的制作及调试20 5.1 实物的制作流程.20 5.2 实物的调试. 5.3 元件焊接的相关知识20 结论23 致谢24 参考文献25 附录 A26 附录 B34 第 1 页 第 1 页 1 绪 论 1.1 设计背景 人类最早使用的定时工具是沙漏或水漏，但在钟表诞生发展成熟之后，人 们开始尝试使用这种全新的计时工具来改进定时器，达到准确控制时间的目的。 随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检 测的更新，定时、延时装置在工业控制中得到广泛利用。它可以实现信号的异 步传送，同时它也被广泛的利用在仪表、通信、家电控制等。在实时检测和自 动控制的单片机应用系统中，单片机通常是作为一个核心部件来使用，根据硬 件结构和具体应用对象的特点，通过与软件的结合来加以完善。单片机由于具 有独特的定时和计数功能得以广泛利用1。 定时器一般分两种类型，一种是基于模拟技术的传统产品，曾经被广泛的 应用过，但现在已进入淘汰之列。另一种是基于数字技术的心产品，该产品功 能强大，已取代了前者。随着单片机性能比的不断提高，新一代产品的应用越 来越广泛，大的可以构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能，小 的可以用于家电控制，甚至能够用来做儿童的电子玩具等。新产品功能强大， 灵活好用，体积小，与适当的接口芯片配合连接，可以构成各种功能各异的微 电子产品2。 1.2 设计内容 本文主要设计一个多路定时控制器，它是在完成单片机最小系统板设计与 制作的基础上通过软件设计的一款多路定时器，使它具有正常数字钟功能，包 括时间校正，具有至少两路定时开关控制功能，每路定时时间可以任意设置。 其可以控制多种家电如点灯、电视、录音机、热水器、空调、电饭煲等。要求 控制精确、时间误差小，主要考虑如何实现精确定时及定时长度问题。 第 2 页 2 整体设计方案 2.1 设计思路 本设计是基于 AT89S51 的多路定时器的设计，所以 51 单片机是核心 （1） 用时钟芯片 DS1307 作为系统的时钟/日历，当前的时间通过它来读出。 （2） 系统的显示采用的 4 位数码管，分别用 74LS48 和 ULN2803 来作为 LED 的段驱动和位驱动芯片，从而控制数码管的显示。 （3） 时间调整与定时时间的输入通过接入按键电路实现，分别定义为： SET 键（时间调整设置位）：其功能是当该键按下时，进入时间调整功 能。 ALM 键（定时时间设置键）：其功能是当该键按下时，进入定时时间输 入功能。 +1 键：其功能是当该键按下时，被调整位加一。 RET 键：其功能是当该键按下时，指向下一个要调整的位 （4） 报警声响由蜂鸣器产生 （5） 外部电路电源的通断用继电器来完成 2.2 硬件电路的设计框图 根据设计思路，硬件电路设计框图如图 1.1 所示。其中包括七个部分：按 键输入电路、时钟与复位电路、蜂鸣器电路、LED 显示器及驱动电路、继电器 电路、电源电路和时钟、日历电路。 第 3 页 图 1.1 硬件电路设计框图 第 4 页 3 硬件设计 单片机应用系统是指以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，能实 现某种或几种功能的应用系统。一个单片机应用系统的硬件设计包括两部分内 容：一是单片机系统的扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩展。存储器 扩展指 EPROM、EEPROM 和 RAM 的扩展。接口扩展是指 8255、8155、8279 以及其他功能器件的扩展。二是各功能模块的设计，根据系统功能要求配置相 应的 A/D，D/A，键盘，显示器，打印机等外围设备1。 2.1 单片机的选择 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器 件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令 系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储 单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高 性价比的解决方案。AT89S51 具有如下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程 序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/输 出（I/O）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器2。 第 5 页 图 2.1 AT89S51 引脚配置图 AT89S51 各引脚功能： VCC：AT89S51 电源正端输入，接+5V。 VSS:电源地端。 XTAL1：系统时钟的反相放大器输入端。 XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接一个石英振荡晶体系统就可以了，此外可以在两引脚与地之间加 入一 个 30PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰从而死机。 RESET：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的 高电平时间。 EA/Vpp：访问程序存储器控制信号/编程电源输入。当 EA 端保持高电平 时，访问内部程序存储器，访问地址范围为 0-4KB。在 FLASH 编程期间，此引 脚也用于施加 12V 编程电源（Vpp） 。 ALE/PROG：低八位地址锁存器启用信号。AT89S51 可以利用这支引脚来 触发外部的 8 位锁存器（如 74LS373），将端口 0 的地址总线（A0A7）锁进 锁存器中，可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。 PSEN：外部程序储存的读选信号输出端，低电平有效。AT89S51 可以利用 PSEN 及 RD 引脚分别启用存在外部的 RAM 与 EPROM，使得数据存储器与程 第 6 页 序存储器可以合并在一起而共用 64K 的定址范围。 PORT0（P0.0P0.7）：8位通用输入/输出端口和片外8位数据，低8位地 址复用总线端口。当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器）， P0就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7）。必须外加一 个锁存器将端口0送出的地址锁存成为A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合 成一个完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。 PORT1（P1.0P1.7）：一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，其输 出缓冲器可以推动 4 个 LS TTL 负载，同样地若将端口 1 的输出设为高电平，便 是由此端口来输入数据。 PORT2（P2.0P2.7）：8位通用输入/输出端口和片外8位数据，高8位地 址复用总线端口。将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使 用。P2除了当作一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数 据存储器时，也提供地址总线的高字节A8A15，这个时候P2便不能当作I/O来 使用了。 PORT3（P3.0P3.7）：8 位通用输入/输出端口，具有第二功能：串行通 信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等 功能。 其引脚分配如下： P3.0：RXD，串行通信输入。 P3.1：TXD，串行通信输出。 P3.2：INT0，外部中断 0 输入。 P3.3：INT1，外部中断 1 输入。 P3.4：T0，计时计数器 0 输入。 P3.5：T1，计时计数器 1 输入。 P3.6：WR，外部数据存储器的写入信号。 P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号3。 第 7 页 2.2 主单片机最小应用系统 用 AT89S51 芯片构成最小应用系统时，只需将单片机接上时钟电路和复位 电路即可。如图 2.4 所示。 2.2.1 时钟电路的设计 单片机的晶振电路是一种典型电路，分为内部时钟和外部时钟，本文采用 的是内部时钟方式。选择一个 12MHZ 的晶振外接两个 30PF 的谐振电容，电路图 如图 2.2 所示： 图 2.2 时钟电路 AT89S51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增 益反向放大器的输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。这两个引 脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。由于该晶 振使用的是 12MHZ 的晶体，因此它的时间周期是 0.167us，机器周期为 1us。 2.2.2 复位电路的设计 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的，只要在 REST 复位引脚接一 个电容到 VCC，接一个电阻到地就可以了。其原理：在给系统通电时，电容两 端相当于是短路，从而加到 REST 复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位 信号随着 VCC 对电容的充电过程而回落，单片机开始正常工作。电路图如下： 第 8 页 图 2.3 复位电路 图 2.4 单片机最小应用系 2.3 蜂鸣器电路的设计 按设计要求，当定时时间到时要有声音提醒信号产生，可选择一只蜂鸣器 来实现这一功能。压电式蜂鸣器（HA）工作时约需 10mA 的驱动电流，并设计一 个相应的驱动及控制电路。电路设计如图 2.5 所示，蜂鸣器（HA）作为三极管 VT1 的集电极负载，当 VT1 导通时，蜂鸣器发出鸣叫声音，VT1 截止时，蜂鸣器 不发声。R3 是限流电阻（防止 BE 结过流损坏以及减轻对前级的影响） 。 第 9 页 图 2.5 蜂鸣器电路原理图 蜂鸣器电路与单片机的接口：VT1 的基极接到单片机 P1 口的 P1.7 引脚， P1.7 引脚作为输出口使用。当 P1.7=0 时，VT1 导通，使蜂鸣器中有电流通过， 而产生蜂鸣音。当 P1.7=1 时，VT1 截止，蜂鸣器的两引脚间的直流电压接近于 0V，蜂鸣器不发生。 2.4 按键电路设计与器件的选择 按键是一组常开的按键开关，闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达 到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。为了 消除抖动，本文在软件中采用了相应的软件程序来处理，当发现有键按下时， 延时 10-20ms 再查询是否有键按下，若没有键按下，说明上次查询结果为干扰 或抖动；若仍有键按下。则说明闭合键已稳定。 在本设计中需要 4 个按键，因此选择独立式键盘。如图 2.6 所示，电路由 按键和 4 个电阻组成，按键分别命名为 SET、ALM、+1 和 RET 键，按键可以采用 轻触开关。 第 10 页 图 2.6 键盘接口电路原理图 （1）当 SET 键被按下时，在单片机的 INT1 引脚产生一个低电平触发中断请 求信号，CPU 响应中断请求时，就转移到 INT1 中断服务程序入口地址，执行 INT1 的中断服务程序。设计 INT1 的中断服务程序的功能是调整当前时间。 （2）当 ALM 键被按下时，在单片机的 INT0 引脚产生一个低电平触发中断信号， CPU 响应中断请求时，就转移到 INT0 中断服务程序的入口地址，执行 INT0 的 中断服务程序。INT0 的中断服务程序的功能是输入定时时间。 （3）+1 调整健功能：分别对时间值的分十位、分个位、秒的十位、秒的个位 进行+1 调整，即该键每按下一次，对应的时间调整位+1 闸管的伏安特性和主 要参数。 （4）RET 确认键功能：确认，即对+1 调整位进行确认，当该键按下时，说明 被调整位的值已经确定，转去调整下一位46。 2.5 LED 显示器电路设计与元器件的选择 LED 显示器的驱动是一个非常重要的问题，由系统硬件设计框图可知，显 示电路由 LED 显示器、段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口不 能直接驱动 LED 显示电路，必须采用专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的 电流，显示器才能够正常工作。如果驱动能力差，即负载能力不够时，显示器 第 11 页 亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏。因此，在实际使用中 必须接入 LED 驱动电路。 本文用到的 4 个数码管均是共阴极的。当发光二极管导通时，它就会发光。 每个二极管就是一个笔划，若干个二极管发光时，就构成了一个显示字符。将 单片机的 I/O 口控制相应的芯片与数码管的 a-g 相连，高电平的位对应的发光 二极管亮，这样，由 I/O 口输出不同的代码，就可以控制数码管显示不同的字 符。例如：当 I/O 口控制芯片输出的代码是 00111111 时，数码管显示的字符 为 0。这样形成的显示字符的代码称为显示代码或段选码。 2.5.1 LED 显示器的选择 本设计中，选择 4 位一体的时钟型 LED 显示器，简称“4-LED” ，如图 2.7 所 示。用“：”前的 2 位显示“分”的十位和个位，用“：”后的 2 位显示“秒” 的十位和个位。 图 2.7 4-LED 显示器引脚 4-LED 显示器引脚如图所示，是一个共阴极接法的 4 位时钟型 LED 显示器。 其中 a、b、c、d、e、f、g 为 4 位 LED 各段的公共引出端。D1、D2、D3、D4 分 别是每一个的共阴极输出端，dp 是小数点引出端。4 位一体时钟型 LED 显示器 的内部结构是由 4 个单独的 LED 和一个“:”LED 组成，每个 LED 的段输出引脚 在内部并联后，引出到器件的外部。 对于这种结构的 LED 显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于 4 位 LED 阴极的各段已经在内部接在一起，所以是用动态扫描方式。 第 12 页 2.5.2 LED 段驱动芯片的选择 在本设计中，可以选择 BCD-7 段译码/驱动器作为段驱动电路。这类芯片的 型号有 74LS47、74LS48、74LS247、74LS248 等，该类芯片具有译码、驱动的功 能。即在输入端输入要显示字形的 BCD 码，在输出端可以得到具有一定驱动能 力的 7 段显示字形码。 图 2.7 74LS48 芯片引脚 如图 2.7 所示，引脚图中大写字母 A、B、C、D 为 BCD 码的输入端，小写字母 a、b、c、d、e、f、g 为字形码输出端，LT 测试输入端，RBI 为消隐输入，RBO 为消隐输出。在使用时，将该芯片的输入端引脚 A、B、C、D 与单片机的 P0 口 连接，该芯片的输出端 7 个引脚，与 LED 显示器的 7 个段码引脚相连接。 74LS48 的作用 是接受来自单片机的 BCD 码型的输入信号，经过译码和放大后， 输出 7 段字形码到 LED 显示器，完成对 BCD 码到 7 段字形码的译码和驱动的功 能。 表 2.1 给出了 74LS48BCD-7 段译码/驱动器的输入与输出信号的对应关系。 表表 2.1 74LS48 BCD-7 段译码器输入段译码器输入/ /输出端信号对照表输出端信号对照表 输入端电平输出端电平 显示字形输入端电平输出端电平 显示字形 D C B A gfedcba D C B A gfedcba 0 0 0 0011 1111 0 0 1 0 1110 1101 5 0 0 0 1000 0110 1 0 1 1 0111 1101 6 0 0 1 0101 1011 2 0 1 1 1000 0111 7 0 0 1 1100 1111 3 1 0 0 0111 1111 8 第 13 页 0 1 0 0110 0110 4 1 0 0 1110 1111 9 2.5.3 LED 位驱动芯片的选择 LED 的位驱动较常用的芯片有 ULN2003A 和 ULN2803。前者是具有 7 个达林 顿电路的集成芯片，后者是具有 8 个达林顿电路的集成芯片。2803 芯片的电路 原理和 2003 完全相同，只是在结构上 2803 比 2003 多一路驱动器。本文采用 ULN2803，其引脚图和电路原理图如图 2.8 所示： 图 2.8 ULN2803 芯片引脚图 上图中的 IN1IN8 引脚为输入端，OUT1OUT8 引脚为输出端。 在本设计中选用 ULN2803 作为位驱动电路，将该芯片的输入端引脚 IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6、IN7 与单片机的 P2 口连接，该芯片的输出端 引脚 OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 与 LED 显示器的 4 个位码引脚 D1D4 相连接。 ULN2803 的作用是接受来自单片机的位码输入信号，经过反相放大后输出，送 到 LED 显示器的位码引脚，完成对位码信号的反向和驱动的功能。 2.5.4 4-LED 显示器接口电路 可以采用单片机的 P0 口作为与 LED 的输出接口，即 P0 口的低四位作为 LED 的段码输出信号，P2 口的低四位作为 LED 位码的输出控制信号。硬件电路 连接如图 2.8 所示。 第 14 页 图 2.9 4-LED 显示器接口电路原理图 工作原理：当 P0 口的低四位输出段码信号的 BCD 码后，通过 74LS48 芯片 的译码和驱动作用，在其输出端输出具有一定驱动能力的七段字形码，由于 4- LED 的段码输入引脚是并联在一起的，所以每一位 LED 的段码输入引脚都能获 得这个段码信号。若要控制在每一时刻只有一位 LED 被点亮，必须靠位码信号 控制。P2 口的低 4 位输出位码信号，经 ULN2803A 反向后接到 LED 的位码控制 端，因此 P2 口的位码信号在每一时刻只有一位是“1” ，其他位全为“0” ，然后 按时间顺序改变输出“1”的位置，控制在每一时刻只有一位 LED 被点亮，达到 动态显示的目的。 2.6 继电器电路设计 外部电路采用继电器控制，继电器的触点控制外部电源的通与断，触点闭 合接通电源，触点断开切断电源。三极管 VT2 电阻 R4 续流二极管 VD1 组成的继 第 15 页 电器的控制电路。当 VT2 的基极为低电平时，VT2 导通，继电器线圈通电，控 制触点闭合；当 VT2 的基极为高电平时，VT2 截止，继电器线圈断电，控制触 点断开。从而实现了外部电路控制67。控制电路如图 2.9 所示： 图 2.9 继电器输出电路图 2.7 串行接口 RTC 芯片 DS1307 DS1307 串行实时时钟芯片，是一种具有 I2C 总线接口的外围器件，该芯片 内部具有 BCD 码时钟/日历和 56 个自己的非易失性 SRAM 的数据存储器；两线串 行接口和频率可变的单方波输出；自动的掉电保护和开关循环等功能。由于它 具有可编程、低功耗、体积较小和引脚少的特点，特别适用于单片机应用系统 中。 2.7.1 DS1307 时钟芯片的引脚功能 DS1307 的封装方式有 8 引脚 DIP 和 16 引脚 SOIC 方式，8 引脚 DIP 封装方 式如图 2.10 所示。 图 2.10 DS1307 引脚图 第 16 页 图 2.11 DS1307 内部结构图 各引脚功能如下： Vcc，GND：直流电源接入引脚。 Vbat：电池接入端，电池电压必须在 2.0V 和 3.5V 之间，能使 DS1307 再没有电 源的情况下工作十年。 SCL：时钟信号输入端，使数据在串行接口的传送同步进行，需外接上拉电阻。 SDA：串行数据输入/输出的引脚，需外接上拉电阻。 SQW/OUT：频率可变的方波输出端，有 4 种频率信号：1Hz，4kHz，8kHz 和 32kHz 可以选择。SQW/OUT 引脚需要外部上拉电阻。 X1，X2：外接晶振引脚，与标准 32kHz 晶振相连，可以修正时钟的精确性。 2.7.2 DS1307 时钟格式和地址分配 2.7.2.1 DS1307 的内部寄存器与 RAM 地址分配 DS1307 的内部有存储器 RAM 与 RTC 时间寄存器两部分组成，地址分配如图 2.13 所示。RTC 时间寄存器的地址从 00H 到 07H。RAM 有 56 个字节，地址从 08H 到 3FH。在多字节数据存取时，地址指针自动加一，当地址指针指到 RAM 最 后一位 3FH 时，自动循环到 00H 地址。使用时，只要在程序中规定好第一个字 节地址及读写字节数，读写 N 个字节与一个字节是一样方便。 第 17 页 图 2.11 地址分配 2.7.2.2 时钟和日历格式 时间和日期都以 BCD 码形式分别存放在 7 个寄存器中，通过读这些相应的 寄存器字节可以得到时钟和日期的信息。通过写入相应寄存器字节可以设置时 间和日期。 （1）秒寄存器（地址 00H） 。最高位 CH（bit7）是时钟工作控制位， CH=0，晶振工作，当 CH=1 时，晶振停止工作。其他 7 位是“秒”的时间值， bit6bit4 三位是“秒”的个位数。数的范围：00H59H。最初上电时，寄存 器的状态没有被定义。因此，在初始化时，首先将 CH=0 时振荡器工作。 （2）分寄存器（地址 01H） 。最高位 bit=0，其他 7 位的含义与秒寄存器相 同。 （3）小时寄存器（地址 02H） 。DS1307 可以选择 12 小时或 24 小时两种工 作模式：小时寄存器的最高位 bit=0，第 6 位（12/24）小时模式选择位。若 12/24 位为 1，选择 12 小时模式。在 12 小时模式时，第 5 位是 AM/PM 设置位， 高电平时为 PM，第 4 位是小时的十数位；当 12/24 位为 0 时，DS1307 工作在 24 小时模式。在 24 小时模式下，第 5 位和第 4 位是小时的十数位，低 4 位是 小时的个位数。 第 18 页 （4）星期寄存器（地址 03H）只使用了后 3 位表示星期值。 （5）控制寄存器（地址 07H） 。控制寄存器的功能是设置 SQW/OUT 引脚的 输出方式以及输出方波的频率。控制寄存器由 8 位组成，其中有 4 位的设置如 下： SQWE：SQW/OUT 引脚输出方波控制位，当 SQWE=1 时，SQW/OUT 引脚的输出 固定频率方波，方波频率决定于 RS1、RS0 位的值。当 SQWE=0 时，SQW/OUT 引 脚的输出由 OUT 位控制。当输出方波的频率为 1Hz 时，时钟寄存器的值在方波 下降沿时被更新。 OUT：当方波输出无效时，控制 SQW/OUT 引脚的输出。如果 SQWE=0，当 OUT=1 时，SQW/OUT 引脚输出高电平，当 OUT=0 时，SQW/OUT 引脚输出低电平。 RS1、RS0：当方波输出有效时，这两位的值控制方波输出频率。表列出了 输出方波的频率。 表 2.2 SQW/OUT 引脚输出方波的频率与 RS1、RS0 的对应关系 RS1 RS0输出方波的频率 0 01Hz 0 14.096kHz 1 08.192kHz 1 132.768kHz 2.7.2.3 DS1307 的操作时序 DS1307 的操作时序是由起始信号 START、停止信号 STOP、器件寻址、读/ 写操作、应答信号 ACK 和非应答信号 NACK 等组成，可以概括的归纳为以下几个 步骤：（1）发送起始信号 START。 （2）发送 DS1307 的读/写命令字。 （3）发送 DS1307 的读/写地址。 （4）执行读写数据操作。 （5）接受或发送应答信号。 （6）发送停止信号 STOP。 1.器件地址格式与读写命令 第 19 页 器件地址字含有 2 个部分。第一部分是高 7 位，它们称为 DS1307 标识。第 二部分是最低位，它是读/写操作选择位，并用 R/表示。当 R/=1 时，执WW 行读操作；当 R/=0 时，执行写操作。W 2.DS1307 工作时有两种工作模式，即 DS1307 写操作和 DS1307 读操作 （1）DS1307 写模式 串行数据和时钟数据可通过 SDA 和 SCL 接受。在接受 到每一字节后，发送一个 ACK 信号表示数据收到。在主机产生开始状态后，第 一个接收到的是设备地址与读写命令字节，该字节包括两部分内容：高 7 位是 DS1307 设备地址(1101000） ，最低位是读写操作选择位（R/） 。在写操作时，W 该位 R/=0，DS1307 接受并译码设备地址后，对主机地址和写位地址确认后，W 在 SDA 输出一个确认信号 ACK。接下来主机传送一个 DS1307 寄存器地址，使 DS1307 设置寄存器地址指针，然后主机开始传送数据字节。DS1307 在每个字节 收到后，发出确认信号 ACK，终止写数据时由主机产生一个 STOP 信号来实现。 （2）DS1307 读模式 在主机传送模式下，数据传送方向将改变。在这个模 式下，当串行时钟从 SCL 引脚输入时，串行数据从 DS1307 的 SDA 引脚被送出。 第一个字节（设备寻址字节）仍由 7 位 DS1307 地址 1101000 和读写标识位组成。 在 DS1307 读模式时，R/W=1，即 DS1307 的设备读命令字位 D1H。设备寻址完成 后，DS1307 从寄存器指针所指向的寄存器地址开始传送数据。如果寄存器指针 在读模式初始化时没有定义，则所读第一个数据的地址将由寄存器指针的当前 值确定。DS1307 收到一个 NOT ACK（没有确认）信号时将结束读操作8。 第 20 页 2.8 定时控制器的硬件电路原理图 图 2.12 多路定时器的原理图 上图是定时控制器的硬件电路图，与电子时钟比较，多了 4 个 LED 数码管， 位驱动电路芯片采用 8 位驱动器的 2803 芯片，显示器与单片机的接口是通过 P0、P2 二个并行端口与 74LS48、UNL2803 相连接组成。用 P0 口输出段码信号 BCD 码，P2 口输出位码信号值。VT1、R3 组成蜂鸣器控制电路。VT4、R6、R7 组 成 DISP 小数点驱动电路。由 DS1307 芯片产生标准时间，通过读 DS1307 获得。 外部电路采用继电器控制，多个继电器并联实现多路的控制。 通过按键来调整当前时间以及设定好定时时间，再通过时钟芯片来显示当 前时间，设定好定时时间后，由单片机 P0 口的低四位输出 BCD 码通过 74LS48，经过译码和放大后，输出 7 段字形码送到 LED 显示器的段码引脚。同 时由单片机 P2 口的低四位接位驱动芯片，经过反相放大后输出，送到 LED 显示 器的位码引脚，从而使得 LED 显示器显示倒计时，当定时时间到时，断开继电 器，并且蜂鸣器发出报警。该定时器的具有以下特点：定时时间精确，定时时 间长；应用范围广，可同时控制多个电器；操作简单，功能实用10。 第 21 页 3 软件设计 定时控制器程序设计包括主程序设计，当前时间调整子程序的设计，定时 时间输入子程序设计，LED 动态扫描子程序设计，读时钟子程序设计等等。相 关程序在附录 A 中10，主程序流程图如图 3.1 所示： 图 3.1 主程序流程图 第 22 页 4 实物的制作及调试 如下图所示，是该多路定时控制器的印制电路板接线图，此图是在电路原 理图的基础上，利用 PROTEL 99 SE 画图工具生成的。 PROTEL 99 SE 是应用于 Windows9X/2000/NT 操作系统下的 EDA 设计软 件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开 放性及 3D 模拟功能，是一个 32 位的设计软件，可以完成电路原理图设计， 印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作11。 图 4.1 PCB 板图 由于芯片太多不好排线，我利用双面布线画了一个双面板的 PCB 板图，但 是因为学校的设备有限，只能制作出单面板的 PCB 板，所以我最终采取了用万 能板焊接电路，完成实物的制作。 第 23 页 4.1 实物的制作流程 本文采用的是万能板焊制电路板，首先，要绘制电路原理图，如 2.12 的电 路原理图所示，根据电路图的排版在万能板上大致的对应位置进行元器件的插 装及焊接，焊接的方法：一般遵循，先小后大（先焊接电阻、瓷片电容等较 小的器件，然后焊接三极管，最后焊接较大的器件如电解电容） 、先里后外 （先焊接电路板中间的再焊接边上的）、先低后高 （先焊接瓷片电容后焊接 电解电容） 。 焊完之后进行连线，确定整个电路全部焊接完毕之后，对照电路图和实际 线路检查连线是否正确，有没有少接或错接等，再用万用表检测电路中有用万 用表电阻档检查焊接和接插是否良好；元器件引脚之间有无短路，连接处有无 接触不良，二极管、三极管、集成电路和电解电容的极性是否正确；电源供电 包括极性、信号源连线是否正确；电源端对地是否存在短路（用万用表测量电 阻） 。 最后是最重要的一步，就是将附录中的程序导入到 51 芯片中去，在这之前 得先确保程序的正确性，最后接通电源进行实物调试。 4.2 实物的调试结果 4.3 元件焊接的相关知识 1 在焊接元器件时，需要注意以下几点： （1） 在焊接时，元器件的选择要由小到大，由低到高，即先焊接个头小 的元器件再焊接大元件。 （2）焊接时间不宜过久，以免将铜线焊断，但也要将焊锡完全熔著，以免 造成冷焊和虚焊。 （3）在焊接时，焊点完全冷卻前，不可移动，否则，会造成虚焊，同时焊 点的表面要平滑、有光泽。 第 24 页 （4）电烙铁不用时要放置于电烙铁架上，防止烫伤人，并要随时保持烙铁 头的清洁，防止有异物附着。 （5）焊接完毕，要在烙铁头镀上薄层焊锡，避免氧化，并等冷却后再收存。 2 焊接要领： （1）烙铁头与两被焊件的接触方式 接触位置：烙铁头应同时接触要相互连接的 2 个被焊件（如焊脚与焊盘） ， 烙铁一般倾斜 45 度，应避免只与其中一个被焊件接触。当两个被焊件热容量悬 殊时，应适当调整烙铁倾斜角度，烙铁与焊接面的倾斜角越小，使热容量较大 的被焊件与烙铁的接触面积增大，热传导能力加强。如 LCD 拉焊时倾斜角在 30 度左右，焊麦克风、马达、喇叭等倾斜角可在 40 度左右。两个被焊件能在 相同的时间里达到相同的温度，被视为加热理想状态。 接触压力：烙铁头与被焊件接触时应略施压力，热传导强弱与施加压力大 小成正比，但以对被焊件表面不造成损伤为原则。 （2）焊丝的供给方法 焊丝的供给应掌握 3 个要领，既供给时间，位置和数量。 供给时间：原则上是被焊件升温达到焊料的熔化温度是立即送上焊锡丝。 供给位置：应是在烙铁与被焊件之间并尽量靠近焊盘。 供给数量：应看被焊件与焊盘的大小，焊锡盖住焊盘后焊锡高于焊盘直径的 1/3 既可。 （3）焊接