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1、1 绪 论在当代繁忙的工作与生活中，时间与我们每一个人都有非常密切的关系，每个人都受到时间的影响。为了更好的利用我们自己的时间，我们必须对时间有一个度量，因此产生了钟表。钟表的发展是非常迅速的，从刚开始的机械式钟表到现在普遍用到的数字式钟表，即使现在钟表千奇百怪，但是它们都只是完成一种功能计时功能，只是工作原理不同而已，在人们的使用过程中，逐渐发现了钟表的功能太单一，没有更大程度上的满足人们的需求。因此，数字电子时钟的出现成为必然。数字钟是采用数字电路实现对.时,分.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站, 码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石
2、英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表, 钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义在此设计中所设计的钟表不但具有普通钟表的功能，它还能实现多个额外的功能：温度测量、年，月，日，星期。本设计主要分为硬件电路设计和软件实现两大部分。硬件电路设计采用模块设计：中央处理电路、时钟电路、温度测量电路三大部分；软件采用C语言编程实现，
3、设计采用按功能模块划分，包括：主程序、显示程序、温度测量程序、加1程序。在时间功能上主要依靠时间芯片DS1302来完成大部分功能，DS1302是具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路，它以其接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。它的主要特点是采用串行数据传输，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。采用普通32.768kHz晶振。所以用此款芯片来实现时间功能是完全能满足电路的要求。温度方面工作由数字式温度传感器DS18B20来完成，这款温度传感器是具有线路简单，体积小，方便易用等特点，温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.06
4、25，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。选用这个芯片使电路简化，提高了效率。数字钟实际上是一个对标准频率(1HZ)进行计数的计数电路.由于计数的起始时间不可能与标准时间一致,故需要在电路上加一个校时电路,同时标准的1MHZ时间信号必须做到准确稳定.通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟. （1）晶体振荡器电路 晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的4MHz的方波信号,可保证数字钟的走时准确及稳定.不管是指针式的电子钟还是数字显示的电子钟都使用了晶体振荡器电路. （2）时间计数器电路 时间计数电路由秒个位和秒十位计数器,分个位和分十位计数器电路构成,秒个位和秒十位计数器,分个位和
5、分十位计数器为60进制计数器.3）译码驱动电路译码驱动电路将计数器输出的BCD码转换为数码管需要的逻辑状态,并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流.（4）数码管数码管通常有发光二极管(LED)数码管和液晶(LCD)数码管,本设计提供的为LED数码管.随着电子技术的发展，单片机的功能将更加完善，因而单片机的应用也更加普及。它们将智能化仪器、家电产品、工业控制等方面得到更广泛的应用。总之，单片机的应用将深入到人们的工作与生活的各个领域。单片机将是智能化仪器和中、小型控制系统中应用更多的一种微型计算机。2 PIC单片机在设计中的应用2.1 PIC16F877A单片机功能简介单片机又称微控制器，即
6、MCU，是Microcontroller Unit的英文缩写。PIC系列单片机是美国微芯科技公司（MIicrochip公司）的微控制器产品。PIC的含义是外部接口控制器，是Peripheral Interface Controller的英文缩写。PIC系列单片机硬件采用精简指令的RISC的结构，指令数量少。指令数量少决定了指令简单，便于记忆，易于使用。CPU的性能特点：（1）高性能RISC CPU仅有35条指令；除程序分支跳转指令是双周期指令外，其余指令都是单周期指令；DC-20MHz时钟输入时，指令周期为DC-200ns。（2）高达8K字的FLASH程序存储器（14位指令）；高达368字节的
7、数据存储器（RAM）；高达256字节的EEPROM的程序存储器；可读写的FLASH程序存储器。（3）可选择LP，HS，XT和RC4种不同的振荡器工作方式；具有上电复位电路（POR），上电延时定时器（PWRT），振荡器起振定时器（OST），片内带有RC振荡器的监视定时器（WDT），以保证可靠工作；可进入省电休眠（Sleep）模式。（4）多达14个内部和外部中断源、8级硬件堆栈和支持直接、间接和相对寻址方式。（5）编程的代码保护功能；可以在线串行编程和在线调试，编程和调试时只需要5V电源。（6） 低功耗CMOS FLASH/EEOPOM技术和全静态设计；宽范围的工作电压：2.0-5.5V；I/O的
8、最大拉/灌电流可达25mA。（7）低功耗：在4MHz时钟频率下，电源电压为5V，典型工作电流小于2mA;在32KHz时钟频率下，电源电压为3V，典型工作电流小于20uA；典型待机状态电流小于1uA(8) 相同引脚数的高度兼容性，商业级和工业级的工作温度。2.2 外围功能模块特性（1）定时器TMR0：带有8位前分频器，是8位定时器/计数器。定时器TMR1：带有前分频器的16位定时器/计数器，在休眠时可以通过外部晶振/时钟计数；定时器TMR2：带有前分频器的8位定时器/计数器。（2）捕捉/比较/脉宽调制（PWM）（CCP）模块：CCP引脚配置如下：捕捉输入：16位，最大分辨率为12.5ns；比较单
9、元：16位，最大分辨为200ns(Tcy);脉宽调制输出：分辨率为110位；最高PWM频率：8位分辨率时为156KHz，10位分辨率时为39KHz。（3）10位锁定复位（BOR）的锁定检测电路。（4）用于锁定复位（BOR）的锁定检测电路。（5）同步串行接口（SSP），可满足SPI（主控）和IIC（主动和从动）总线要求；具有地址第9位检测的通用异步接收器和发送器（USART/SCI）。（6）具有并行从动端口（PSP）。2.3 外部引脚说明 PIC16F87XA系列单片机芯片有40个引脚。采用40PT封装。现将各引脚分别说明如下：2.3.1 主电源引脚VDD：接+4.5v电源正端。Vss：接+4.
10、5v电源负端。2.3.2外接晶体引脚 OSC1/CLKIN： 振荡器晶体输入/外部时钟输入； OSC2/CLKOUT：振荡器晶体输出，在晶体振荡器方式下，接晶体或陶瓷谐振器；在RC方式下，输出1/4fosc1。2.3.3输入/输出引脚 A口是双向I/O口：RA0/ANO： RA0还可以做模拟量输入0；RA1/AN1 ：RA1还可以做模拟量输入1；RA2/AN2 ：RA2还可以做模拟量输入2；RA3/AN3： RA3还可以做模拟量输入3；RA4/T0CKI： RA4还可作为Timer0定时器/记数器时钟输入，输出是集电极开路；RA5 /AN4： RA5还可以做模拟量输入口4/同步串行口的从动选择
11、输入。 B口是双向可编程I/O口，所有引脚内部弱位上拉：RB0还可作为外部中断信号输入；RB1引脚电平变化产生中断；RB2引脚电平变化产生 中断；RB3还可作为低电压编程输入；RB4引脚电平变化产生中断；RB5引脚电平变化产生中断；RB6引脚电平变化产生中断/在线调试器引脚，串行编程时钟；RB7引脚电平变化产生中断/在线调试器引脚，串行编程数据线； C口是双向I/O口： RC0可作Timerl振荡器输出/Timerl时钟输入；RC1可作Timerl振荡器输入/捕捉器2输入；RC2可作捕捉器1输入/比较器1输出；RC3可作SPI或IIC方式的同步器的时钟输入/输出；RC4可作SPI通信数据输入线
12、/IIC数据I/O线；RC5可作SPI通信数据输出线；RC6可作异步发送或SCI同步时钟线；RC7可作可作异步发送或SCI同步数据线。 D口是双向I/O端口，也可作为并行从动端口与单片机总线接口 RD0还可作为并行从动口数据线0；RD1还可作为并行从动口数据线1；RD2还可作为并行从动口数据线2；RD3还可作为并行从动口数据线3；RD4还可作为并行从动口数据线4；RD5还可作为并行从动口数据线5；RD6还可作为并行从动口数据线6；RD7还可作为并行从动口数据线7； E口是双向I/O端口 RE0/AN5：RE0可作为并行从动口的读控制线/模拟量输入5；RE1/AN5：RE1可作为并行从动口的读控
13、制线/模拟量输入6；RE2/AN7：RE2可作为并行从动口的读控制线/模拟量输入7。图1 PIC16F877A引脚图2.4 存储器概述PICl6F877单片机内部配置了较完善的多个存储器，可分为数据存储器和程序存储器2种，为一般用户提供了很大的方便。但它们在形式上，具有很丰富的内涵。2.4.1 程序存储器PICl6F877单片机内部配置了8K14位的F1ash程序存储器，可以很方便地进行在线擦除和烧写，寿命可达1000次以上。在PIC系列单片机教学实验和科研开发中，灵活的F1ash功能显示出无穷的魅力和宽广的应用前景。程序存储器具有13位宽的程序计数器PC，有时可以由PCLATH04低5位和8
14、位PCL间接构成，最大可寻址的程序存储器空间为8K，相应的地址编码范围为0000H一1FFFH。PICl6F877是一款功能较强、性能适中、易学通用的中档单片机，其指令字节宽度为14位。PIC指令系统具有较为保守的特点，多数指令均是顺序执行，即便条件跳转也是所谓隔行间跳。具有大范围转移功能的指令只有2条：无条件转移GOTO语句和调用于程序CALL语句。但它们受到2KB范围的约束，这是PIC难点之一。一般将整个程序存储器以2KB为单位进行分页。如图2所示，8KB程序存储器共分作4页，分别称为页0、页1、页2和页3。程序计数器PC高位寄存器PCLATH3-4将决定程序存储器跨页面选择。 对于PIC
15、系列单片机，程序存储器的入口执行地址只有2个：一个是单片机上电等方式的复位地址，即0000H，这是应用程序的起源地址；另一个是单片机14个功能模块中断服务程序的人口地址，即0004H，中断产生时PC指针会自动加载该地址。这样的系统布局，看上去非常简单，但在实际应用时，特别是涉及多个中断同时打开，必须要逐个对中断标志位(XXIF)图2 程序存储器结构进行判断。同时，在0000H0003H单元内不得不放置GOTO转向主程序的指令，以便避开0004H存储器单元。2.4.2 数据存储器PICl6F877单片机内部配置2类数据存储器：普通RAM数据存储器和EEPROM失电保持数据存储器。普通RAM数据存
16、储器和一般概念的内存类似，在单片机工作状态下能暂时保存相关的数据、配置及状态等信息。RAM总的地址空间为512个单元，其中包括部分无效单元，但每一个有效单元均可以像寄存器一样进行移位、置位、复位和位测试等操作。PIC单片机的数据存储器和其他单片机一样，在配置结构上可分为通用寄存器和特殊功能寄存器两大类。前者给用户使用；而后者通常定义给某些功能模块，是一种具有特殊目的的功能寄存器。PICl6F877单片机RAM数据存储器和程序存储器一样，在其512个地址空间进行类似区域划分，分为4个“体(bank)”，如图3数据存储器地址分配所示，从左到右分别记为“体0”、“体1”、“体2”和“体3”，每个“体
17、”均为1288位宽的存储单元。比较程序存储器和数据存储器的结构图便可以看到，前者4等分区域(页)采用串接方式排列；而后者4等分区域(体)采用并接方式排列。RAM数据存储器的内容可读、可写，掉电后，内容消失。同时，在PICl6F877片内又配置另一种可掉电保护的数据存储器EPROM，共有2568位宽的存储单元，可以长期存放用户或系统的重要参数，如时间、配置及数据表格等，是一种非常重要硬件资源。表1 数据存储器地址分配2.5 PIC16F877A单片机的中断 PIC16F877单片机有14个中断源，在这14种特殊事件发生时，可以插入主程序流程中作优先中断处理，每一个中断源都配置有一个中断使能位(1
18、E)和一个中断标志位(1F)。原则上，这14种中断源没有优先级之分，只能依靠软件的前后处理来满足轻重缓急。中断标志位表示中断源是否已发出中断请求，PIC单片机在每个指令周期的稍后部分都将对所有中断标志位进行检测，判别究竟哪个中断源已发出中断请求信号；中断使能位则决定是否开放或允许使用某个中断，只有当已经检测到某个中断标志位置位且对应中断使能的情况下，才能进入相应的中断服务程序。2.5.1 中断源的分类 PIC16F877A单片机14个中断服跃照控制原坦和仅能方式分成两类：一类是基本中断源，或称为内部中断源，共有3个，主要包括外部触发中断INT、TMR0溢出中断和RB端口电平变化中断；另一类是特
19、殊中断源，或称为外部中断源，共有11个，主要涉及外围模块的中断，包括TMRl溢出中断、TMR2中断、AD转换中断、掉电保护存储器EEPROM中断、并行端口PSP中断、SCI同步发送中断、SCI同步接收中断、SSPIC总线冲突中断、主同步串行SSP中断和捕捉比较脉宽调制CCPl、CCP2中断。许多计算机都有一个中断服务程序人口地址矢量表，但PICl6F877A单片机所有14个中断源合用一个中断服务程序入口地址，并且采用相同的中断优先级。2.5.2 中断的使能方式 中断源的使能方式就是允许中断的条件。PICl6F877单片机14个中断源的使能方式是按照2种中断源的分类略有不同。对于3个内部中断源，
20、中断使能条件有2个：一个是中断源本身使能位；另一个是总中断使能位GIE。而对于11个外部中断源，中断使能条件有3个，即中断源本身使能位、总中断使能位GIE和外围中断使能位PEIE。如图4所示为PICl6F877A单片机的中断逻辑，中断使能位就像一个开关一样，打开(使能)所设定的中断使能位才能向CPU发出中断申请。因此，PEIE位就像所有外围中断源的总开关，而GIE位则是所有14个中断源的总开关。不论这2个使能位的设定值如何，或是所有中断的使能位是否设置，当中断发生时，相对应的中断标志位都会被置位，只是无法发出最后的中断信号来执行相应的中断程序。当开放多个中断源时，必须逐个判别中断源的标志位才能
21、惟一确定真正的中断源。图4 PIC16F877A单片机的中断逻辑 PIC系列单片机是美国Microchip公司生产的单片机产品，具有较好的抗干扰性能、简洁的指令集，所需硬件配置较少，因此，在电脑的外设、家电的控制、电信通信、智能仪器、汽车电子以及金融等个领域得到了广泛的应用。3 方案设计3.1 电路框图PIC16F877单片机模块 MCU显示模块按键模块温度模块电源模块时钟模块 图5 电路框图3.1.1 时钟模块 在时钟模块中我使用了DS1302日历时钟芯片，DSl302是DALLAS公司推出的串行接口实时时钟芯片。它既提供实时时钟，又把关键的数据位存储于RAM。芯片使用简单，外部连线少，在智
22、能化仪表及自动控制领域具有广泛用途。其主要特点是： （1）简单的三线串行IO接口； （2）2555V的电压工作范围(在25V工作时耗电小于300 nA)； （3）与TTL兼容(Vcc5V时)； （4）实时时钟包括分、小时、日、月、星期和年(闰年)等信息； （5）318静态RAM可供用户使用； （6）可选的涓流充电方式； （7）工作电源和备份电源双引脚输入； （8）备份电源可由大容量电容来替代。图6 DS1302引脚配置（1） DS1302为8脚DIP或SOIC封装图6为引脚配置图。各引脚的主要功能如表2所列。表2 DS1302各引脚功能引脚符号功能1VCC2工作电源引脚2，3x1,x232.7
23、68kHZ4GND接地引脚5复位输入引脚低电平6I/O数据输入/输出引脚7SCLK串行时钟输入脚8VCC1备用电源引脚串行时钟芯片主要由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成，如图7所示。图7 为开始任何数据的传送，必须把置为高电平，且把提供地址和命令信息的8位装入到移位寄存器。数据在SCLK的上升沿串行输入。在开始的8个时钟周期把命令字装入移位寄存器之后，另外的时钟在读操作时输出数据，在写操作时输入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加到最大可达248的数。（2）DS1302的复位及控制：为驱动传送和中止传送的控制信号。当为高电平时，接通控制逻辑、允许
24、命令地址字节序列送入移位寄存器；当为低电平时，终止单字节或多字节的数据传送，且IO脚变为高阻态。上电时，在Vcc大于或等于25V以前，必须为低电平；当为高电平时，SCI，K逻辑必须为0。 向D51302写人数据时，数据应在时钟下降沿发生变化，上升沿将数据写入DSl302内部移位寄存器。读取DSl302数据时，数据也在时钟下降沿变化，即在下降沿数据从移位寄存器输出，但当CLK时钟为正半周时，IO线变为高阻态，所以应在上升沿前读取，否则将读出全为FFH。命令字节：表3 命令字节格式如下： 每一操作首先传送命令字节，共D7（最高位）必须为逻辑1；D6位的逻辑0或1分别指定正时钟日历和RAM寄存器；D
25、5一D1位指定操作寄存器的地址；D0(最低位)为逻辑1表示要进行读操作，反之为写操作。命令字节由最低有效位(ID)开始写入。（3）数据的写入或读出： 对芯片的所有写入或读出操作都是命令字节引导的。每次仅写入或读出1字节数据称为单字节操作。每次对时钟日历的8字节或31字节RAM进行全体写入或读出操作，称为多字节突发模式操作。 对于单字节操作方式，包括命令字节在内，每次仅需16个时钟，时序如图8所示。如果命令字节的D0位为0，则跟随写命令字节之后的8个CLK时钟的上升沿输入数据字节，数据从0 位开始输入。如果有额外SCLK周期，它们将被忽略；如果命令字节的D0位为1，则跟随在写命令字节之后的8个C
26、LK时钟的下降沿输出数据字节(被传送的第一个数据位发生在写命令字节的最后一位后的第一个下降沿)，数据从0位开始输出。只要保持高电平，那么在有额外的SCLK时钟时，它们将重新发送数据字节。这一操作使之具有连续的多字节方式的发送能力。图8 DS1302单字节传送时序图 如果命令字节中的寻址值A0-A4均为l，可以把时钟日历或RAM存储器规定为多字节(burst)方式。当命令字节为FFH或FEH，可以对片内31字节RAM进行读写操作；当命令字节为BFH或BEH时，可对8个时钟日历寄存器进行读写操作。在时钟日历寄存器中的地址931或RAM存储器中的地址31均不能使用。在多字节方式中读或写都是从地址0的
27、第0位开始。 当以多字节方式写时钟日历寄存器时，必须按传送的次序写满8个寄存器；但是，当以多字节方式写RAM时，根据传送要求，数据不必写入所有31字节。不管是否写入全部31字节，所写的每个字节都将传送至RAM。 另外，应注意在读操作时，CLK的每一个时钟上升沿，IO引线将为高阻态，数据必须在CLK上升沿前读取。多字节传送时序如图9所示：图 9 DS1302多字节传送时序图（4）RAM的读写： DSl302共有318位RAM供用户使用，地址为00000至11110，可分为单字节或多字节读写。Vccl引脚的备用电源为RAM提供了掉电保护功能。寄存器和RAM的操作利用命令字节的D6位加以区别，当D6
28、位为1时，对RAM进行寻址；否则对时钟日历寄存器寻址。当RAM的5位地址为11111时，为多字节突发模式操作。 3.1.2 DS1302的电路原理图 图10 DS1302与单片机接口图中5号(RST)引脚连接PIC16F877的18号（RC3）引脚;6号(I/O)引脚连接PIC16F877的17号（RC2）引脚;7号(SCLK)引脚连接PIC16F877A的16号（RC1）引脚;2号(x1)，3(x2)号引脚连接32.768KHZ晶振。DS1302使用的是3V直流稳压电源供电。3.2 温度模块 本设计中我在温度模块中采用的是DS18B20温度传感器，DSl8B20是DALLAS公司生产的一线式
29、数字温度传感器。它将地址线、数据线和控制线合为一根双向串行传输数据的信号线，允许在这根信号线上挂接多个DSl8B20；因此，单片机只需通过一根IO线就可以与多个DSl8B20通信。每个芯片内还有一个64位的ROM，其中存有各个器件自身的序列号，作为器件独有的ID号码。DSl8B20简化了测温器件与计算机的接口电路，使得电路简单，使用更加方便。DSl8B20的特性如下：（1）测温范围：一55至十125；（2）转换精度：9至12位二进制数(包括符号1位)，可编程确定转换精度的位数；（3）测温分辨率：9位精度为05，12位精度为0.0625；（4）转换时间：9位精度为9375ms，10位精度为187
30、5ms，12位精度为750ms；（5）具有非易失性上、下限报警设定的功能。图 11 DS18B20内部结构预置斜率累加器计数比较器预置温度寄存器减到0减法计数器2高温度系数振荡器减到0减法计数器1低温度系数振荡器停止增加图12 内部测温电路图DS18B20的测温原理如图12所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡
31、器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图12中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是D
32、S18B20的测温原理。使用DSl8B20时应注意以下事项： (1)由于DSl8B20的测温分辨力提高到12位，因此它对时序及电特性参数要求较高需严格按照DSl8B20的时序要求进行操作。 (2)DSl8B20作三线制应用时，应将UDD、IO、GND端焊接牢固；作两线制应用时,应将UDD与GND连在一起焊牢。若UDD端漏焊或者虚焊，传感器就只能输出十850的温度数据。 (3)测温电缆线可采用带屏蔽层的4芯双绞线，其中两根线分别接信号线与地线，另两根线依次接UDD和地线，屏蔽层在源端单点接地。3.2.1 DS18B20的电路原理图图13 DS18B20的电路原理图图中Thermometer引线连
33、接PIC16F877的3号（RA1）端口。以便单片机从中读取温度进行显示。3.3 显示模块 发光二极管是一种由半导体PN结构成的固态发光器件，在正向导电时能发出可见光，常用的有红色的、绿色的，也有蓝色的，其发光颜色与发光效率取决于制造的材料与工艺，发光强度与其工作电流有关。它的发光时间常数约为10一200us，其工作寿命可长达十万小时以上，工作可靠性好。 它具有类似于普通半导体二极管的伏-安特性。在正向导电时其端电压近于恒定，通常约为1.62.4V，其工作电流一般约为10200mA左右。它适合与工作于低电压的数字集成电路器件匹配工作，如图14所示。 单个发光二极管常被用于智能设备或微机系统面板
34、上、用作状态显示器。例如，将它设置于有关按键上，实时地反应无锁按键操作所致工作状态的变化。它的体积小，耗电少，使用十分简便。 微机系统经数据总线输出待显示的状态信息，设置于输出接口。当其输出端Q0为低电平时，LED显示器导通并发光。与它串联的电阻，用于限制其工作电流。若接口输出端为高电平，则LED显示器截止并熄灭。该输出接口能同时驱动8个LED显示器，分别显示8个状态信息。LED七段显示器及其接口： 用七段或十六段LED适当地排列并封装在一起，便可构成数字或字符显示器。采用适当的段码经输出接口驱动它，可使其中某些段的LED导通并发光，并使另一些段的LED截止并熄灭。这样，它们便能方便地显示不同
35、的数字或字符。前者较适合于显示数字信息，后者能用于显示常用的字符。 在常用的七段显示器内、各个LED可按共阳极或共阴极连接，如图14所示。它们应分别用不同的段码，经不同的驱动电路来驱动。对于共阳极显示器，其段驱动电路的输出为低电平时，该段的LED导通并点亮，段驱动电路应能吸收额定的段导通电流。在共阴极显示器的情况下，其段驱动电路的输出为高电平时，该段的LED导通并点亮，段驱动电路应能供给额定的段导通电流。 多位数字静态显示及其接口 在多位数字静态显示系统中，每位数字显示器分别都应有各自的锁存、译码与驱动器。用它们分别锁存每位待显数字的BCD数码，经各自的译码器将四位BCD数码变换为七位段码，供
36、段驱动电路去连续地驱动相应数字显示器的每个显示段。仅在待显数字需要改变时，才需更新其数字显示器的锁存、译码与驱动器的内容。 现在，有若干现成的数字显示集成电路块可供选用。如图15所示，每片器件内包含有供一个七段lED显示器用的锁存、译码与驱动器。此外，该器件还具有若干附加的逻辑功能。利用链式级联用的消隐控制输入(RBl)与输出(RBO)端，可以向后(或向前)逐位串行传送消隐控制信号。当输入的BCD数码为零时，它能自动地抑制若干连续前置(或后随)数字“0”的显示。消隐控制输入(面)信号可强行抑制任意数码输入的显示，并能用于控制数字的闪烁显示。在任意数码输入时，显示测试()输入信号可使显示器的各段
37、强行地点亮。 在微处理器系统中，待显数字的BCD数码可经数据总线传送到各个显示器的锁存器输入端。同时利用来自三位数据(或地址)总线的编码信息，经译码器译码形成8个锁存使能(LE)控制信号，可用于选通各个显示器的锁存器。这样，利用这种具有多路分配功能的输出接口，并借助于调用显示驱动软件，便可方便地将待显数字的BCD数码分别依次装入各自的缓存器，经译码供驱动各个数字显示器。由于该系统工作于静态直接显示方式，以及所用单片数字显示集成电路器件的功能较强，大大地简化了显示驱动软件的操作。 在多位数字动态显示系统中，各个数字显示器共同使用一个公共的锁存、译码与驱动器。在锁存器内，待显数字的BCD数码经译码
38、供驱动器，去驱动各个数字显示器并联着的每个显示段。这样，究竟哪个数字显示器能被驱动点亮，显示出相应于BCD数码的数字，便取决于哪个数字显示器的公共极已被选通，因为它们的公共极是被各自的驱动电路分别选通的。因此，利用分时缓存各个待显数字的BCD数码，并同步的分时选通各个数字显示器公共电极驱动电路的方法，便可实现动态扫描，分别在各个数字显示器上分时地显示出相应于各个BCD数码的数字。在多路分时显示的情况下，必须适当地选用动态扫描周期，有效的利用显示余辉效应与人眼视觉残留功能，以避免讨厌的显示闪烁现象。为此，通常要求定时地刷新显示，扫描刷新周期应不大于20ms。 LED显示器的发光亮度，不仅取决于它
39、的工作电流，并与其工作方式有关。在静态显示方式下，数字显示器显示段的工作电流是恒定的；在动态显示方式下，数字显示器显示段的工作电流是脉动的。如果使后者的脉动工作电流等于前者的恒定工作电流，显然后者的显示亮度远不及前者。为了使两者具有相同的显示亮度，后者的脉动工作电流应远大于前者的恒定工作电流，后者的平均工作电流可略低于前者的恒定工作电流。例如，如果前者的恒定工作电流为10mA，那么后者的平均工作电流可取为8mA。设在动态显示方式下，数字显示器显示段的平均工作电流I sA8mA，则其脉动工作电流为：I spIsAN8864mA这就是说，段驱动电路驱动显示段的脉动驱动能力应不小于其脉动工作电流。因
40、为段驱动电路需依次驱动各个数字显示器的显示段(它是被分时共享的)，因此段驱动电路需驱动显示段的最大平均驱动电流也应不小于其脉动工作电流。也就是说，段驱动电路驱动显示段的平均负载电流有可能等于其脉动负载电流。 对于数字显示器公共电极的驱动电路来说，它需能负载一个数字显示器各个显示段的工作电流的总和。设数字显示器的显示段数n7，则它的字驱动电路最大平均负载电流I wA为：I wAI sAn8756mA其最大脉动负载电流I wP为：I wPI sPn647448Ma这就是说，字驱动电路的平均驱动能力不必要求与其脉动驱动能力相同，因为字驱动电路是按分时多路方式工作的。 在动态显示系统中，一位数字的显示
41、持续时间不允许超过其额定值，更不允许系统长久地停止扫描刷新。否则，数字显示器及其字驱动电路将因长久地流过较大脉动电流而被损伤或损坏。同样，必须注意到动态显示方式所能控制显示数字的个数是有限的(N16)，因为它要受到显示系统所能容许最大脉动工作电流与最小平均工作电流的限制(静态显示方式无上述限制)。 为了保证动态显示系统定时地获得必要的扫描刷新，通常采用定时中断调用显示驱动软件处理的办法来实现。微处理器系统事先应将每个待显数字的BCD数码及其位码(指定其显示位置的编码)分别拼装成一个字，依次存入RAM缓存区中规定的各个相邻存储单元之内。然后，开放定时显示中断。微处理器系统将定时地响应显示刷新中断
42、，调用显示驱动软件。将一个待显数字的BCD数码及其位码由相应的内存读出，写入显示输出接口(包括4D触发器与译码锁存器)。待显数字的位码经译码锁存器，供字驱动器去选通相应的数字显示器。在此以后。主程序随时可以更新RAM显示缓存区内存储的内容，以便及时地改变显示器显示的数字。 选通显示输出接口的写入信号，将同时触发单稳触发器。单稳触发的持续时间，按所需扫描刷新周期由其RC时间常数确定。在单稳触发的持续时间内，其触发信号使待显示数字位码的译码锁存器与其字驱动器被使能。当单稳触发结束时，其输出信号不仅用作请求刷新显示的中断信号，而且使待显数字位码的译码锁存器与其字驱动器被禁止。这样，即使微处理器系统没
43、有响应刷新显示的中断请求，或由于其他原因没有能及时刷新显示，该动态显示系统仍然不致于被损伤或损坏。这里，单稳触发器对动态显示系统，提供了双重的保护作用。用单稳触发器作模拟定时(与计数定时相比)简便有效。 与静态显示方式相比，动态显示方式虽然大大地节省了系统软件，但是它却需占用微处理器系统的工作时间。设中断调用的显示驱动软件的执行时间t越等于100ns，则它占用系统工作时间的百分比h为htt0.125这就是说，为了维持连续稳定的数字显示，即使采用硬件中断定时，由软件执行简单的频繁刷新操作，也是需要付出一定代价的。如果采用软件定时与刷新显示，则它将占用系统100的工作时间。LED四个dp点输入信号
44、的放大图 14 LED四个dp点输入信号的放大显示原理： (1)数字显示原理 如图13所示，若采用七段数码管a、b、c、d、e、f、g，组成图中的“日”字形符号，然后根据不同的需要，点亮相应段的数码管，即可显示出09相应的数字符号。图15 数码管的显示原理数码管显示分共阴极显示和共阳极显示方式。共阴极数码管显示是指七段数码管的每一个阴极接在一起，信号从数码管的阳极输入，而输入信号为高电平，共阴极端接低电平。共阳极数码管显示是指七段数码管的每一个阳极接在一起，信号从数码管的阴极输入，而输入信号为低电平，共阳极端接高电平。本设计中采用的是共阳极接法，当阴极输入低电平时导通数码管。 (2）七段译码器
45、是指将二进制编码译成七段数码中相对应的十进制数。七段译码器逻辑电路原理图如下表 4 所示。用组合逻辑电路的分析方法从表 4 中写出各段数码管的逻辑表达式并化简如下： 表4 七段显示译码器真值表dpgfedcba显示的字符编码110000000C0H111100111F3H101001002A4H101100003B0H10011001499H10010010592H10000010682H111110007F8H10000000880H10010000990H 在实际中，不论二进制译码器还是二十进制译码器，以及七段译码器，都被制成集成电路。常见的二进制译码器有：74151383线8线译码器、7
46、415139双2线4线译器、74151544线16线译码器、74151554线16线译码器(有公共地址输入端，0C)、C300EY及CC45144位锁存4线。16线译码器、C95154位锁存4线。16线译码器等。常见的二十进制译码器有：74151454线10线译码器、C301BCD码十进制码译码器、C304BCD码十进制码译码器等。常见的七段译码器有：7415264线七段译码器、7415247(7415248，74L249)4线。七段译码器、C302(C305)BCD八段显示译码器、CCl4547BCD七段译码大电流驱动器、CU5U(CCl4513、CCl4543、CCl45K)BCD锁存七段译码驱动器