用AT89C51實(shí)現(xiàn)自設(shè)定時(shí)間控制

　　本期教程用一個(gè)可以人工設(shè)置控制時(shí)間、實(shí)現(xiàn)電器定時(shí)開關(guān)的小系統(tǒng)，詳細(xì)講解數(shù)據(jù)顯示代碼轉(zhuǎn)換，簡單介紹一下單片機(jī)中斷原理的應(yīng)用及相關(guān)指令等問題。

一、本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

　　本系統(tǒng)由AT89C51、LED數(shù)碼管、按鍵、訊響器等部分構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)時(shí)間的調(diào)整、控制時(shí)間的設(shè)定，對(duì)負(fù)載實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制以及秒信號(hào)“嘀嗒”聲提示等功能。系統(tǒng)的功能選擇由SB1、SB2、SB3完成。SB1為功能切換鍵。第一輪按動(dòng)SB1進(jìn)入負(fù)載開關(guān)時(shí)間設(shè)置程序，接下來按動(dòng)此鍵，依次進(jìn)入“時(shí)”十位調(diào)整、“時(shí)”個(gè)位調(diào)整、 “分”十位調(diào)整、“分”個(gè)位調(diào)整和負(fù)載開關(guān)設(shè)置狀態(tài)。第二輪按動(dòng)SB1是負(fù)載開關(guān)時(shí)間上、下限設(shè)置。第三輪按動(dòng)SB1進(jìn)入計(jì)時(shí)時(shí)間調(diào)整。不管是進(jìn)入那種狀態(tài)，按動(dòng)SB2皆可以使被調(diào)整位進(jìn)行不進(jìn)位增量變化。各預(yù)置量設(shè)置完成后，可按動(dòng)SB3 確認(rèn)，系統(tǒng)將所有的設(shè)置存入RAM中，立刻進(jìn)入計(jì)時(shí)程序。上電后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)，起始于“00”時(shí)“00”分。秒數(shù)字不顯示，而是以一種模擬傳統(tǒng)機(jī)械表的運(yùn)行節(jié)奏，發(fā)出清脆的“嘀嗒”聲做秒信號(hào)指示。本系統(tǒng)可將計(jì)時(shí)誤差縮小至每日±0.18s。

二、電原理

1. 顯示原理

　　電原理圖見圖1。P0口的8條數(shù)據(jù)線P0.0 至P0.7 分別與LED數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、dp字段相接，P2口的 P2.7至P2.4分別通過電阻R10至R13與VT1至VT4的基極相連接。這樣通過P0 口送出顯示代碼，通過P2口送出掃描選通代碼輪流點(diǎn)亮LED1至LED4，就會(huì)將要顯示的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管中顯示出來。從P0口輸出的代碼就是段選碼，從P2口輸出的就是位選碼。掃描顯示原理與上期的“活動(dòng)字符顯示屏”相似。

2. 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及代碼顯示

　　共陰LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)、字段及引腳排列見圖2（a），電原理見圖2（b）。

　　由圖可知，共陰LED數(shù)碼管由8只發(fā)光二極管VD1至VD8共陰連接并按“8”字形結(jié)構(gòu)排列而成。這樣，我們將這些二極管的正極接高低不同的電位，把所有的負(fù)極接地，當(dāng)正極為高電位時(shí)相應(yīng)的二極管就會(huì)導(dǎo)通而發(fā)光，從而使數(shù)碼管呈現(xiàn)不同的字符。比如，我們將數(shù)碼管的a、c、d、f、g端接高電位，將GND端接低電位，VD1、VD3、VD4、VD6和VD7就會(huì)發(fā)光，數(shù)碼管的 a、c、d、f、g字段就會(huì)被點(diǎn)亮，數(shù)碼管即顯示出“5”字，在圖1中，數(shù)碼管的a、 b、c、d、e、f、g、dp引腳分別與P0口的P0.0至P0．7相連接。若執(zhí)行MOV P0,#6DH和MOV P2，#80H，P2口輸出的位選碼是“1000 0000B”，只有P2.7呈現(xiàn)高電位，VT1導(dǎo)通，LED1的GND與地相接，LED1位被選中因而具備發(fā)光的使能條件；P0口的段選碼是0110 1101B”，P0.0、P0.2、P0.3、P0.5、P0.6呈現(xiàn)高電位，數(shù)碼管的a、c、d、 f、g字段被點(diǎn)亮，LED1就顯示出“5”字，而LED2至LED4則不會(huì)被點(diǎn)亮?？梢?，在利用P2口送出位選碼，使各位輪流得到發(fā)光使能條件的同時(shí)，通過P0口分別送出不同的段選碼，就會(huì)在LED1至LED4中顯示出不同的數(shù)字來。

三、程序設(shè)計(jì)思想和相關(guān)指令介紹

　　本系統(tǒng)的主程序主要完成時(shí)間控制和按鍵判斷功能。而掃描、計(jì)時(shí)、顯示和發(fā)聲等功能全部在中斷服務(wù)程序中完成。因此，主程序?qū)⑼瓿砂存I判斷、時(shí)間判斷等功能，而中斷服務(wù)程序中有代碼轉(zhuǎn)換及查表子程序、掃描子程序、計(jì)時(shí)子程序、顯示子程序和發(fā)聲子程序。

1．?dāng)?shù)據(jù)與代碼轉(zhuǎn)換及查表程序

　　由前述可知，從P2口輸出位選碼，從P0口輸出段選碼，LED就會(huì)顯示出數(shù)字來。但P0口的段選碼和要顯示的數(shù)據(jù)，也就是顯示出的字符表達(dá)的含義是不一致的?？梢?，CPU將要顯示的數(shù)據(jù)直接送到P0口去驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示是不能正確表達(dá)的，必須在系統(tǒng)內(nèi)部將要顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)過顯示代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)的段選代碼送入P0口，使數(shù)碼管顯示出正確的數(shù)據(jù)表達(dá)符，才能被準(zhǔn)確識(shí)讀。

　　要顯示的數(shù)據(jù)與其段選碼的轉(zhuǎn)換，可以用一段簡單的程序來實(shí)現(xiàn)，我們將所有需要顯示的數(shù)據(jù)的顯示代碼放在一起組成代碼表，使數(shù)據(jù)與其顯示代碼有一個(gè)準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便查找轉(zhuǎn)換。如附表所示，我們將0至9這10個(gè)數(shù)字的段選碼存到RAM 的70H至79H之中，利用一條間接尋址命令，就能很方便地實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)與其段選碼之間的轉(zhuǎn)換。

　　具體轉(zhuǎn)換過程如下：

　　我們先將要顯示的數(shù)據(jù)裝入累加器A中，再將A中的數(shù)據(jù)加上立即數(shù)#70H，再放回A中，然后將A中的值，放入間址寄存器R0中，這便得到了存放該數(shù)據(jù)段選碼的存儲(chǔ)地址，取出該單元內(nèi)的內(nèi)容，就得到了正確的顯示代碼，這個(gè)過程就是查表轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)顯示代碼的過程。比如：我們要將“#05H”送LED顯示，執(zhí)行MOV A，#05H和ADD A，#70H，再執(zhí)行MOV R0，A，結(jié)果是使R0中的值為#75H，這就得到了存放數(shù)據(jù)#05的段選碼的存儲(chǔ)單元地址，利用一條間接尋址指令，MOV P0，@R0，就將75H中的數(shù)據(jù)#05H的段選碼#6DH送到了P0口中，于是“5”字就在LED中顯示出來。

　　在該系統(tǒng)中，我們用LED1和LED2顯示“時(shí)”，用LED3和LED4顯示“分”，并將“時(shí)”、“分”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的段選碼存于片內(nèi)RAM的24H到27H組成的顯示緩存區(qū)之中，利用掃描程序，將4個(gè)單元的內(nèi)容送LED1至LED4中顯示出來。

2．計(jì)時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)與中斷服務(wù)程序

　　作為時(shí)間控制系統(tǒng)，一定要保證在完成有關(guān)操作，比如掃描顯示、按鍵狀態(tài)檢測(cè)、秒信號(hào)“嘀嗒”提示聲輸出等的同時(shí)，保證計(jì)時(shí)正常進(jìn)行，這樣，一定要一邊進(jìn)行操作，一邊計(jì)算時(shí)間，當(dāng)滿1秒或一個(gè)更大或更小的計(jì)時(shí)單位時(shí)，及時(shí)地完成進(jìn)位，并及時(shí)修改顯示緩存區(qū)的段選碼。上述過程，用中斷來實(shí)現(xiàn)是最方便的。

　　明白了重裝定時(shí)方式的中斷，計(jì)時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)就容易理解了，我們將一些運(yùn)行時(shí)間確定的程序統(tǒng)統(tǒng)放到中斷服務(wù)程序中，如掃描、顯示、“嘀嗒”提示聲等功能子程序，然后再加上定時(shí)器定時(shí)時(shí)間，這樣每次中斷所需時(shí)間就是中斷程序的運(yùn)行時(shí)間與定時(shí)器溢出時(shí)間之和，它是個(gè)固定的值，即計(jì)時(shí)單位。因此，系統(tǒng)的計(jì)時(shí)就可以做得很準(zhǔn)確，而在中斷之外的主程序，則可以隨便安放一些諸如按鍵判斷等時(shí)間不確定的隨機(jī)事件處理程序。整個(gè)中斷程序運(yùn)行時(shí)間與定時(shí)器溢出時(shí)間之和是 1s。這樣，當(dāng)完成60次定時(shí)中斷，即為1分鐘，主程序就以此為基本計(jì)時(shí)單位進(jìn)行計(jì)時(shí)顯示操作。

　　進(jìn)入中斷服務(wù)程序以后，執(zhí)行CLR TR0將定時(shí)器0關(guān)閉，執(zhí)行PUSH PSW和PUSH A將程序狀態(tài)寄存器PSW的內(nèi)容和累加器A中的數(shù)據(jù)保存起來，這便是所謂的“保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)”；之后，先調(diào)秒信號(hào)“嘀嗒”聲子程序，完成機(jī)械表運(yùn)行節(jié)奏的模擬，再調(diào)查表子程序?qū)r(shí)間數(shù)據(jù)區(qū)20H～23H的數(shù)據(jù)經(jīng)譯碼后存入顯示緩存區(qū) 24H～27H內(nèi)，然后反復(fù)進(jìn)行掃描顯示；當(dāng)進(jìn)入中斷連續(xù)掃描至999.526ms時(shí)，停止掃描，執(zhí)行POP A和POP PSW 指令，將保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)存起來的數(shù)據(jù)重新送回到累加器A中和程序狀態(tài)寄存器PSW中，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，再執(zhí)行SETB TR0，開啟定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0，使之開始計(jì)時(shí)，然后返回主程序。自停止掃描到中斷返回，執(zhí)行了5條單機(jī)器周期指令，共用時(shí)間10μs，這樣，整個(gè)中斷的總時(shí)間為999.536ms，由于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的定時(shí)時(shí)間為464μs，所以，定時(shí)時(shí)間與中斷服務(wù)程序運(yùn)行時(shí)間之和恰為1s，也就是說每次中斷用時(shí)1s，這樣，每次中斷，將秒計(jì)數(shù)存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)加1 ，就可得計(jì)時(shí)秒數(shù)，然后根據(jù)進(jìn)率，得到時(shí)、分的值，并將時(shí)、分值經(jīng)譯碼后，通過掃描程序送LED中顯示出來。秒的累加是用指令I(lǐng)NC來實(shí)現(xiàn)的。

　　用以保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)存取關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)叫做堆棧。在軟件的控制之下，堆棧可在片內(nèi)RAM中的任一區(qū)間設(shè)定，而堆棧的數(shù)據(jù)存取與一般的RAM存取又有區(qū)別，對(duì)它的操作，要遵循“后進(jìn)先出”的原則。堆棧的設(shè)定和堆棧的讀寫操作，主要靠一個(gè)特殊寄存器SP來完成，SP謂之堆棧指針，對(duì)堆棧的操作，其被操作數(shù)存儲(chǔ)單元的地址是由SP中的內(nèi)容決定的。如 MOV SP，#2FH指令，能使SP中的內(nèi)容修改為#2FH，2FH單元稱之為“棧底”。這樣當(dāng)執(zhí)行堆棧的寫操作時(shí)，被操作數(shù)將從片內(nèi)RAM的30H開始存放。在中斷程序中為了保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，使用了PUSH指令，該指令是將被保護(hù)的數(shù)據(jù)存于堆棧的指令，利用該指令完成的操作叫做壓棧。當(dāng)棧底為2FH時(shí)，CPU執(zhí)行PUSH PSW指令時(shí)，SP首先加1，使其中的值改為#30H，然后再將程序狀態(tài)寄存器PSW中的數(shù)據(jù)存到RAM的30H單元之中，接著執(zhí)行PUSH A，累加器A中的數(shù)據(jù)便被送到了31H之中，我們稱31H為此時(shí)的棧頂。相反的，POP指令是將堆棧棧頂?shù)臄?shù)據(jù)送回指定地址的指令，我們稱之為出棧指令，執(zhí)行結(jié)果是將棧頂?shù)臄?shù)據(jù)送到直接地址的存儲(chǔ)單元中，并將SP中內(nèi)容減 1，建立新棧頂。如前述，棧頂為31H，也就是說SP中的值為#31H，此時(shí)執(zhí)行POP A指令，CPU先將31H單元內(nèi)的數(shù)據(jù)送到累加器A中，再將SP中的值減1，使之變成 #30H，此時(shí)棧指針SP必指向30H，新的棧頂也便是30H，然后執(zhí)行POP PSW，30H中的數(shù)據(jù)又被送到了PSW之中。由于SP具備在壓棧時(shí)使棧頂逐一上升，在出棧時(shí)使棧頂逐一下降的功能，才使棧操作具有“后進(jìn)先出”的特征。所以，在中斷程序的設(shè)計(jì)中，出棧數(shù)據(jù)的目的地址和壓棧數(shù)據(jù)的源地址要嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，還必須遵循“后進(jìn)先出”原則。

3．時(shí)間控制功能與比較指令

　　系統(tǒng)的另一功能就是實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行設(shè)備的定時(shí)開關(guān)控制，其主要控制思想是這樣的：先將執(zhí)行設(shè)備開啟的時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間置入RAM某一單元，在計(jì)時(shí)主程序當(dāng)中執(zhí)行幾條比較指令，如果當(dāng)前計(jì)時(shí)時(shí)間與執(zhí)行設(shè)備的設(shè)定開啟時(shí)間相等，就執(zhí)行一條 CLR P1.7指令，將P1 .7置為低電位，使光耦可控硅K導(dǎo)通，負(fù)載L開啟；如果當(dāng)前計(jì)時(shí)時(shí)間與執(zhí)行設(shè)備設(shè)定的關(guān)閉時(shí)間相等，就執(zhí)行SETB P1.7，將P1.7置高電位，光耦可控硅K截止，負(fù)載L關(guān)閉。實(shí)現(xiàn)此控制功能用到的比較指令為CJNE A，#direct，rel，其轉(zhuǎn)移條件是累加器A中的值與立即數(shù)不等則轉(zhuǎn)移。

四、程序清單