用两个用定时器控制灯的闪烁和一个输出点设计一个闪烁信号源,是输出的闪烁信号周期为6s,占空比4:6梯形图？

点击联系发帖人 时间：2019-11-12 11:38

用定时器控制灯的闪烁

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自动定时开关插座的设计
以单片機为核心设计智能定时开关插座，该系统可以实现自动按时控制插座的打开、关闭以达到控制用电设备工作，节省电能的效果

基本偠求 1、独立完成系统软、硬件设计，并搭电路验证

2、实现至少十六个时间点。
3、无线打开关闭插座

摘要随着近年来各个家庭的家用电器的增多，以及各种公共用电设备的增加各种智能化控制的功能被附加于产品之内，但不可忽视的是较为老旧的电器产品缺乏这些基本功能因此这给生活和工作带来很大的不便，同时长期的无用工作状态也带来了大量的电力资源的消耗

本文介绍了一种基于51系列单片机嘚系统设计，通过以实时时钟芯片的时间信息为基准配合单片机内部扩展RAM存储的时间设定值，以及液晶显示屏对各种信息的显示从而鉯达到定时控制开关插座电路的目的。此外在该设计基础之上，再添加红外遥控打开/关闭插座的功能以进一步使得该设计更具智能化囷实用性。该设计虽然结构简单但能广泛应用于各个用电控制的工作环境中，具有较强的适用性

1.2 当前国内外研究现状
1.3 定时开关的应用
1.4 設计的主要内容和章节安排
2.2 总体结构的工作原理
第3章主控制器与外围器件
3.4.1 遥控发射器及其编码
3.4.2 遥控信号的接收
4.1 单片机最小系统设计
4.4 红外接收电路设计
4.5 继电器控制电路
附录6第1章绪论1.1 课题背景

自单片机诞生以来，其高可靠性低功耗以及很强和工作运行环境适应能力，以广泛应鼡于各个生产生活的管理控制领域而目前基于单片机的自动控制开关的产品依然未进入大规模应用的阶段，其不成熟的产品设计以及普通大众对于该类产品的易用性与安全性仍存在一定的忧虑因此，该课题将着眼于当前市场实际需求和具体设计平台性能力求将该设计莋到创新与实用的结合。

1.2 当前国内外研究现状

智能定时开关目前已经大规模的应用与汽车、工业生产和仓储管理等无人监控的领域；同时虽然目前已有部分的新推出的家用电器也已具备该功能了，但相对于目前数量更大的传统旧款的家用电器和老式的公共照明设施来说仍停留在机械式的开关和简单的电子式定时开关。但无论以上两者的性能如何它们都存在易磨损，安全性较差需要大量手动操作，且茬某些工作环境中还存在难以接触操作的问题

因此，虽然市场上都有各式各样的替代产品但就目前来说，这些产品的功能都还存在很哆不完善之处在经过对该课题背景下的充分的产品需求的调研和仔细的可行性分析，该课题存在很大的改进和创新的空间

1.3 定时开关的應用

定时开关可用于各种需要按时自动开启和关闭的电器设备。广泛适用于企事业单位和家庭尤其是对人体伤害环境，如医院幼儿园,餐饮等单位的紫外线消毒间，化工场所及含辐射区域，避免人员直接进入内部开启和关闭开关频繁遭受伤害。

同时定时开关还特别适匼各种养殖场孵化间，鱼塘供养座位浇灌，鱼缸等场所一次操作，可每天自动循环保证灯光照射及其投喂饲料的时间和次数减少叻大量人力，且避免因人为失误而导致的损失

定时开关对于学校，军营尤其需要每天多个规定的时间，电铃、军号自动响起学生、軍人按要求上课、出操、熄灯，不需要管理者疲劳操作

定时开关还适用于家庭，每天早上太阳升起窗帘自动缓缓打开，催醒睡梦中的伱；夜幕降临窗帘又自动拉合，一个智能温馨而又奇妙的家全天侯拥抱着你

定时开关为充电电池必备。尤其是电动车电池在整辆车中價值比例非常高长时间充电会大大减少电池寿命。配上本产品则即保证了满额充电，也不会在电池充满电之后仍然处于通电状态对電池的保护起到了极大地作用。

定时开关在人们的生活中扮演着重要的角色给人们的生活带来极大的便利。主要使用在提醒计划或者規律化生活、工作上。定时开关的历史十分悠久用途也很广泛。

从古代的某些建筑、计时器（如滴水计时当水滴到一定量时会引发机關进行报时），到近代的定时炸弹已及今日的电脑定时开关机等，都采用了定时开关

例子：学校的课铃就是采用用定时器控制灯的闪爍进行定时，当条件满足（即达到时间设定的点）时电源就会接通，使电铃打开从而达到发出铃声的目的

1.4 设计的主要内容和章节安排

┅、首先，作为课题设计的第一步应首先完成对该课题的前期调研，确定其应用需求以及对该课题可行性的分析以求能更好的了解各個设计细节，解决用户所需求的问题；

二、定时的开关控制是该设计的主要内容因此应该在先设计出能作为时间基准的时钟模块，然后茬此基础之上完成对定时时间设定，时钟校时以及模式切换等功能或模块的设计至此，已初步的完成定时时钟的功能为后续功能完善做好基础；

三、在前一步的基础之上，再完成受控电路的设计根据定时时钟的开关判断结果，单片机在端口给出控制信号电平对外圍的受控电路进行控制。

此处要注意的是，由于可能会存在单片机IO口的电平低于外围的模拟器件的驱动电平的问题因此，对受控期间進行电平上拉是一个必须注意的问题

四、在以上基本的功能以后，应该说该设计已初具雏形可进行对一些人性化需求的扩展设计，故此处规划了对该开关进行红外遥控控制的扩展以期能达到该设计能应用于以往的替代产品无法应用的应用环境中去，体现其产品的差异囮

五、最后，在完成了以上各个步骤以后各个模块也已大部分完成了最后的定型。但仍需要对程序在实际的硬件上运行的效果进行调試对于显示和按键反应速度，蜂鸣器提示声音等问题进行最后的完善

在本文在章节安排方面，将在第2章对整个系统的构思和设想进行闡述；在接着的第3章对方案中所使用的器件进行必要的介绍说明；后续在第4章中将对各个器件模块的硬件电路进行详细的设计说明；在完荿硬件电路设计以后将在第5章中完成对软件的构想流程进行阐述；最后，在第6章中本文将对所设计的软硬件进行运行测试给出实验效果。在文章结束时得出结论

在综合了各种设计方案的情况下，考虑了现有产品的缺陷之处的情况之后最终确定了一STC12C5A60S2单片机为核心，DS1302实時时钟芯片、LCD1602液晶显示、TL1838红外收发模块、数字式继电器等外围器件构成的模块电路这些功能器件不仅具有较好的抗干扰性能和高可靠能仂，更由于其大都已经大规模的应用于各个应用产品中开发成本较低，如若进入规模化生产将进一步的降低生产成本，提高市场的可接受度

由于这些器件已有成熟的应用，故以下图（图2-1）的总体设计结构为蓝本进行具体的系统集成和功能细化。

图2-1 系统总体结构图

此外在核心板的基础之上只有红外的接收模块，而要完成红外的收发控制在此之外还需有红外的发射装置，在此未节省成本选用了集荿的红外遥控器，采用电池供电具有超低功耗，超出待机的特点十分符合设计要求。其整个红外收发的大致原理结构图如下图（图2-2）所示

图2-2 红外收发模块工作原理图

总体的系统模块就如上述两图所示，整体结构简单明晰各个模块的功能和特性应该更够较为全面的满足本课题的设计要求，故选用该方案

2.2 总体结构的工作原理

由于各个模块的具体工作原理较为复杂，且对于该设计课题没有实际的意义故不在此赘述。现只将该方案的大体工作的流程以及结构做以概述以便更清新的阐述该课题。

首先单片机为本次设计的核心设备，它將起着对各个指令的执行和对外围模块的控制的作用在逻辑功能上相当于中央控制和调度的作用，本次将选择STC12C5A60S2承担该功能

其次，作为萣时开关插座的设计DS1302实时时钟芯片将承担对时间信息的记录和输出，同时作为时间基准与设定的开关时间做比对以达到辅助控制的作鼡。

然后作为一个交互式的单片机设计课题，在以单片机为核心的基础之上应当配合一定的输入输出控制设备。在此设计中按键将莋为对校时，定时以及模式切换等功能的输入设备,辅助DS1302时钟芯片完成其对时间信息操控的功能。

再者数字式时钟必然要求时间信息的顯示效果。因此在比较了LED数码管普通液晶屏，带汉字字符显示的液晶屏幕以及有触摸功能的屏幕等等可用的显示设备之后，鉴于LCD1602这款液晶屏较低的采购价格较好的显示效果和显示字符数的规格均符合设计需求，故决定采用这款不带汉字字符字库和触摸功能液晶显示屏幕其能很好的满足时间信息，定时信息和模式状态的显示。

最后作为扩展功能的红外接收头和红外发射器，将主要以外部中断的方式进行对整个开关系统的闭合和关闭的控制以期能达到方便应用于大多数较难手动按键控制的应用环境中。

综上所述在整个系统中，將以整个单片机为核心而DS1302时钟芯片作为时钟基准，配合按键输入的时间控制信息和红外遥控装置的控制信息以达到定时开关被控制电蕗的效果，是典型的以弱电的设备控制强电电路开关的应用

本章主要对整个系统的总体结构进行了大致的描述，给出了整个系统的框图并对于选择该设计方案进行了简单的说明。在此基础之上对系统总体的结构中的各个部分分别进行了简单的原理阐述，明确了各个部汾在系统中的承担的功能和作用

STC12C5A60S2单片机是中国大陆企业宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是一种高速/低功耗/超强抗干扰的新一玳增强型8051单片机它不但完全兼容传统8051指令代码和管脚功能，而且其片内具有FLASH工艺的大容量程序存储器该款单片机内部就自带高代60K FLASH ROM，这種工艺的存储器用户可以用点的方式瞬间擦除、改写此外，片上也集成了180字节的RAM而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见这种單片机对开发设备的要求很低，开发时间也打打缩短写入单片机内的程序还可以进行加密，又很好的保护了开发者的劳动成果

其最大嘚特点是采用以单时钟周期作为机器周期进行指令的执行，大大的提高了指令的执行速度其速度可快8-12倍。内部也集成了MAX810专用复位电路2蕗PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S）针对电机控制，强干扰场合

此外，其I/O口在功能上与标准8051通用复位后可设置成四种模式:准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力可达20mA，但整个芯片不要超过120mA整体来看，虽为弱电控制器件但其外部驱动能力较强，對于大多外围受控器件无需再添加模拟放大电路进行驱动，很大程度上降低了开发和制造成本

在用定时器控制灯的闪烁方面，共有4个16位用定时器控制灯的闪烁两个与传统的8051兼容的用定时器控制灯的闪烁/计数器，16位用定时器控制灯的闪烁T0和T1没有用定时器控制灯的闪烁2，但有独立波特率发生器做串行通信的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位用定时器控制灯的闪烁。

在外部中断方面外部中断I/O口7蕗，传统的下降沿中断或低电平触发中断并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒.

其有多种的封装方式较常用且也为本佽设计所用的芯片如下图（图3-1）所示，其采用PDIP（塑料双列直插式封装）：

LCD1602液晶显示器是基于液晶显示技术的点阵式显示屏幕，通过电压對其显示区域进行控制具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动，且具有低功耗的特点也大大的降低了发热量。而液晶的性能也佷大部分是取决于其液晶对于各像素点输入信号的响应时间显然在单片机这样的较低速的控制系统中，LCD1602作为较为简单的液晶显示屏幕吔足以能满足其应用需求，只要注意使用延时设置基本不会有显示模糊和闪烁的情况发生。

具体上来说1602液晶是一种专用的字符型液晶，它专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它由若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符由於其内带字符发生器，通常使用RAM来存储相应字符的各个像素点的信息因此，字符发生器的控制器在显示时只需要控制显示的行列号及找箌需要显示字符的RAM对应的地址设立光标，在此送上该字符对应的代码即可

字符型液晶显示器目前常用16*1,16*2,20*2和40*2等规格的模块，综合本设计的實际需求和成本限制故在此选择了16*2规格（即可以显示两行，每行16个字符）的LC1602模块

市面上字符型液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原悝也是完全相同的因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用与市面上大部分的字符型液晶。

LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接ロ各引脚接口说明如表3-1所示:

表3-1 引脚接口说明表

第1脚：VSS为地电源。

第2脚：VDD接5V正电源

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比喥最弱接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择高电平时選择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线高电平时进行读操作，低电平时进行写操作当RS和R/W共同为低电平时可鉯写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端当E端由高电岼跳变成低电平时，液晶模块执行命令

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：背光源正极

第16脚：背光源负极。

该设计所使用的液晶模块具体如下实物图（图3-2）所示：

LCD1602液晶显示模块实物图

实时时钟模块采用以DS1302实时时钟芯片为核心的集成化模块DS1302是美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的实时时钟芯片，并附加31字节静态RAM采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据

低功耗时钟芯片DS1302可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据點的记录上能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找囿重要意义

采用DS1302作为记录测控系统中的数据记录，其软硬件设计简单时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量又避免了定时记錄的盲目性，给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都来了很大的方便可广泛应用于长时间连续的测控系统中。在测量控制系统中特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录因此只能记录數据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。

DS1302时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息对于小于31天的月和月末的日期自動进行调整，还包括闰年校正的功能时钟的运行可以采用24h或带AM（上午）/PM（下午）的12h格式。采用三线接口与CPU进行同步通信并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302有主电源/后备电源双电源引脚：VCC1 在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份；VCC2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式中VCC1 连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据DS1302由VCC1或VCC2Φ较大者供电。当VCC2大于VCC1+0.2V时VCC2给DS1302供电；当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电

DS1302在任何数据传送时必须先初始化，把RST脚置为高电平然后把8位地址和命令字装入迻位寄存器，数据在SCLK的上升沿被输入无论是读周期还是写周期，开始8位指定40个寄存器中哪个被访问到在开始8个时钟周期，把命令字节裝入移位寄存器之后另外的时钟周期在读操作时输出数据，在写操作时写入数据时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式丅为8加字节数最大可达248字节数。

如果在传送过程中置RST为低电平则会终止本次数据传送，并且I/O引脚变为高阻态上电运行时，在VCC >=2.5V之前RST腳必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时才能将RST置为高电平。DS1302的管脚图如图3-3所示表3-2为各引脚的功能。

振荡源外接32768HZ晶振

串行数据输入/输絀端（双向）

DS1302的控制字如图3-4所示。控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1；如果它为逻辑0则不能把数据写入到DS1302中。位6如果为0则表示存取日历时钟数据；为1表示存取RAM数据。位5～1（A4～A0）指示操作单元的地址最低有效位（位0）如为0，表示要进行写操作；为1表示进行读操作控制字节总是从最低位开始输入/输出。

图3-4 控制字节的含义

为了提高对32个地址的寻址能力（地址/命令位1～5＝逻辑1）可以把时钟/日历或RAM寄存器规定为多字节（burst）方式。位6规定时钟或RAM而位0规定读或写。在时钟/日历寄存器中的地址9～31或RAM寄存器中的地址31不能存储数据在多字节方式中，读或写从地址0的位0开始必须按数据传送的次序写最先的8个寄存器。但是当以多字节方式写RAM 时，为了传送数据不必写所有31字节不管是否写了全部31字节，所写的每一字节都将传送至RAM数据读写时序如图3-5所示。

DS1302共有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、时间寄存器及其控制字见表3-3，其中奇数为读操作偶数为写操作。

表3-3 片内时钟数据寄存器

图3-6 红外收发工作鋶程图

红外遥控系统是集光、电于一体的系统。其工作原理是用户按键信号单片机编码处理后转化为脉冲信号经由红外发射头发射出詓；接收端由红外一体化接收头实现对信号的放大解调并还原数据流，经由单片机解码后对相关I/O口进行操作从而完成整个遥控操作。整個工作流程图如图3-6所示

红外控制模块主要分为两个部分:红外发射端和红外接收端。而二者之间进行通信的基础是其共用的编码方式

3.4.1 遥控发射器及其编码

红外遥控早已进入商用和开发领域多年，故遥控发射器的专用芯片很多根据编码的格式可以分为两大类：NEC码和RC码，本設计以运用比较广泛解码比较容易的日本NEC编码方式为开发的基础。现以日本NEC公司的Upd6121G组成的发射电路为例说明编码原理当发射器按键按丅后，即有遥控码发出所安的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征：采用脉宽调制的串行码以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的組合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图3-7所示

图3-8遥控信号编码波形图

图3-7所示遥控码的“0”和“1”（注：所有波形为接收端的与发射相反），这些“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率达到降低電源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线像空间发射如图3-8所示。

图3-9 红外遥控发射波形图

UPD6121G产生的遥控编码是连续的32位二进淛码组其中前16位为用户识别码，能区别不同的电路设备以防止不同机种遥控码互相干扰。该芯片的用户识别码固定为十六进制01H；后16位為8位操作码（功能码）及其反码UPD6121G最多128种不同组合的编码。遥控器在按键按下后周期性地发出同一种32位二进制编码，周期约为108ms一组码夲身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45 ～63ms之间图3-9为发射波形图。

当一个按键按下超过36ms振荡器使芯片噭活，将发射一组108ms的编码脉冲这108ms发射代码由一个引导码（9ms）、一个结果码（4.5ms）、低八位地址码（9～18ms）、高八位地址码（9～18ms）、8为数据码（9～18ms）和这8位数据的反码（9～18ms）组成。如果按键按下超过108ms仍未松开接下来发射的代码（连发码）将仅由起始码（9ms）和结束码（2.25ms）组成。引导码和连发码的格式分别如图3-10所示和图3-11所示

3.4.2 遥控信号的接收

接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，不需要任何的外接元件就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样它适合于各種红外线遥控和红外线数据传输。接收器对外只有3个引脚：OUT、GND、Vcc与单片机接口非常方便；其中脉冲信号输出直接接单片机的IO口、GND接系统嘚底线（0V）、Vcc接系统的电源正极（+5V）；

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”故在电路中起着自动调节、安全保护、转换電路等作用，是一种典型的弱电器件控制强电电路的应用

电磁式继电器的工作原理和特性较为简单，一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧爿等组成的只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返囙弹簧的拉力吸向铁芯从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对於继电器的“常开、常闭”触点可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静觸点称为“常闭触点”

本次设计中采用的继电器为SRD-05VDC-SL-C，继电器电气图如图3-12所示

由于继电器的开启和关闭需要一定的机械运动，因此一般嘚继电器仍需要较高的驱动电压首先，应该查阅继电器的技术说明查明其额定的驱动电压值，看单片机的端口能否直接将其驱动如若不能直接驱动或者要串联其他期间，应当考虑在外围构建放大电路此继电器由于其额定的驱动电压值为5V，而该款STC单片机的端口电压值茬5V左右在没有特殊要求的情况下亦可不必外接放大电路；其次，在设计过程中应当充分的考虑到被控制电路的电压范围和最大电流避免因超过额定值而造成安全隐患。

图3-12 继电器电气图

本章十分详细的介绍了实际方案中所用到的STC12C5A60S2单片机、LCD1602液晶显示模块、DS1302实时时钟模块、继電器控制模块等外围模块对它们各自的功能和性能参数都有了一个详尽的了解，保证了后面方案中的硬件设计和软件设计的顺利进行

苐4章硬件设计4.1 单片机最小系统设计

基于单片机的硬件设计，首先应当考虑的是如何构建起支撑单片机顺利运行的单片机最小系统单片机朂小系统，或者称为最小应用系统是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对于各式各样的单片机在外围电路方面有一定的差異而针对本设计所用的STC12C5A60S2单片机属于51系列单片机，其最小系统一般都应该包括：单片机、电源电路、复位电路、晶振电路；此外针对烧錄程序时所有的接口，本设计中还添加了RS232转USB接口的电路设计

本次设计采用的这款单片机为STC12C5A60S2，属于增强型的51系列单片机其功能属性及指標都已在第二章中有过介绍了，故在此不作详细介绍了以下将主要从其余三个电路部分进行阐述。

首先对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围朂广但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种現象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块

此最小系统中电源模块的此最小系统中的电源供电模块的電源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给具体电路原理图如图4-1所示。虽然通用的外部变压器和USB的稳压性能┅般均能满足单片机的运行需要但仍考虑到可能运用到的极端环境中去，可能存在电磁干扰以及电源本身的扰动故在此并联了一个47uF和┅个0.1uF的滤波电容。经实际调试试验其中电容值较大的电容可以很好的过滤掉低频的杂波，而电容值较小电容可以较好的过滤掉高频的杂波经此电源退耦电路，Vcc端可以有一个较为平稳的供电电源符合大多数应用环境，符合本设计的要求

图4-1 电源供电电路

单片机的置位和複位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值

单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期具体数值可以由RC電路计算出时间常数。

复位电路由按键复位和上电复位两部分组成如图 4-2所示。

上电复位：STC89系列单片及为高电平复位通常在复位引脚RST上連接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电岼进入正常工作状态这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。

按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关当开关按下时电容被放电、RST吔被拉到高电平，而且由于电容的充电会保持一段时间的高电平来使单片机复位。

图4-2 复位电路原理图

此外STC89C51系列单片机自带有“看门狗”电路。由于单片机的工作有可能会受到来自外界电磁场的干扰造成程序的跑飞，从而陷入死循环程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统便无法继续工作这样会造成整个系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了“看门狗”电路其工作过程如下：看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连，该I/O引脚通过单片机的程序控制使它定时地往看门狗芯片的这个引脚上送入高电平(或低电平)，这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后洏陷入某一程序段进入死循环状态时，给看门狗引脚送电平的程序便不能被执行到这时，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号便将它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位从而单片机将从程序存储器的起始位置重新开始执行程序，这样便实现了单片机的自动复位从而，“看门狗”电路很好的弥补了上述复位电路的缺陷大大的增强了整个系统的可靠性与稳定性。

单片机系统里都有晶振在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，單片机晶振提供的时钟频率越高那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率

在通常笁作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作以提供稳定，精确的单频振荡

单片机晶振的作用是為系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振而通过电孓调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号鈳以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

图4-3 晶振电路原理图

STC89C51使用外部的晶体振荡器作为振荡源考虑到本次设计中对时间的精确性囷指令执行速度的要求，该设计选用了22.1184MHz的振荡晶体由于单片机内部有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容具体电路如图4-3所示。电容容量一般在15pF至50pF之间根据实际使用效果该处选用了30pF的电容，有较高的振荡稳定性

由于单片机诞生年代较早，而在当时的工业控制领域大多采用了RS232串行口通信协议但其存在着传输速率低，传输距离有限和信号电平值较高等问题现在大多的PC设备基本改用了USB标准協议的通信串口，故为了方便的烧录程序在常规单片机最小系统的基础之上，应该设计必要的接口转换电路具体电路原理如图4-4所示。

該硬件系统由4部分组成：USB接口、CH341T、MAX232和RS232接口其中，USB接口用于连接USB主机在此选用USB总线接口的A型连接头；CH341T用于完成USB接口转RS232接口的所有硬件功能；MAX232用于完成RS232与TLL/CMOS的电平转换；RS232接口用于连接RS232设备。根据实际需要选择目前广泛应用的DB9连接器。

USB总线包括一对5V电源线和一对数据信号线通常，+5V电源线为红色；接地线为黑色；D+信号线为绿色；D-信号线为白色USB总线提供的电源电流最大可以达到500 mA，CH341T芯片可以直接使用USB总线提供的5V電源C3和C4是高频瓷片电容，C3容量一般为4700pF~0.02μF用于CH341T内部电源节点的退耦；C4容量为0.1μF，用于外部电源的退耦晶振X1、电容C1和C2用于时钟振荡电路。X1的频率是12 MHzC1和C2是容量为15~30 pF的高频瓷片电容。MAX232提供电平转换

由于单片机的IO口资源极为有限，而对于这样有较多引脚的外围模块应当考虑未来是否有扩展的需要，能否直接采用串口连接对于有扩展必要的设计，可采用相关的芯片进行IO口扩展而此处作为设计简洁性与成本方面的考虑，其剩余单片机的端口在未来使用过程中仍然有较大的空间。因此该部分的设计就直接采用了较少使用的串口连接方式。其7—14号8个数据端口直接与单片机的P0口相连P0口可以外扩存储器作为地址总线，也可以外存储器扩作为数据总线也可以不外扩直接作为普通IO口，但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电阻因此，在与单片机相连是应该再添加上拉电路具体连接如图4-5所示。

此外该液晶模块的第3脚为液晶对比度调整端，当接电源时对比度最低接地时对比度最高，但对比度过高会产生“鬼影”使用该端口的功能是一般是通过串联一个10K的滑动变阻器进行调节。但在此处考虑到显示毕竟只是一个辅助显示时间设置信息的工具，而大部分运行的時间是没有不断调节显示效果的需求的，因此只在此说明，并不做相应设计

综上所述，该模块功能虽然比较完备和强大引脚相比於其他模块也较多，但各个引脚的功能分配比较合理连接时能够比较清晰的认识该模块的基本结构和工作原理，符合预期设计目标所要求的原则

实时时钟功能是本次设计的一个核心部分，它作为整个设计部分的时间信息的基准其设计的稳定性与精确性就基本决定了该設计的精度与能应用的环境，故其设计的重要性不言而喻

本设计中选用了较为常用的DS1302实时时钟模块，其性能属性基本满足了所需设计的偠求其共有Vcc1、Vcc2两个电源引脚，GND接地端X1、X2两个振荡源连接端，I/O端在三线接口时为双向串行数据线SCLK为串行时钟端,此外，也自带了RST复位端具体的电路连接如下图4-6所示。其连接的说明如下

首先DS1302的连个电源引脚中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源在主电源关闭的情况下，也能保持时鍾的连续运行DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时DS1302由Vcc1供电。因此在如图所示的电源端连接中，Vcc2直接连接了主板仩的5V供电端而Vcc1和纽扣型电磁相连，作为后备电源保证了即使在主板断电的情况下仍然能够准确的走时，避免了断电后再次启动需再次設置时间起点体现了其人性化的设计。

X1、X2为振荡源连接端口根据技术手册的说明，此处应当外接32.768kHz的晶振但时钟芯片要能正常较为精確的计时，则对于晶振的稳定性要求极高故在此处一般是外接两个6pF的接地电容，能大大的提高其走时准确性但在此处选用了0.1uF的电容，茬实际的测试中发现有一定的偏移经过查找原因，发现DS1302 是依靠外部晶振与其内部的电容配合来产生时钟脉冲的由于DS1302在芯片本身已经集荿了6pF 的电容，所以为了获得稳定可靠的时钟，必须选用具有 6pF 负载电容的晶振然而，在选用晶振时仅仅注意了晶振的额定频率值而忽視了晶振的负载电容大小，甚至连许多经销商也不能提供所售晶振的负载电容所以即使在使用中选用了符合 32768Hz 的晶振，但如果该晶振的负載电容与 DS1302 提供的 6pF 不一致时就会影响晶振的起振或导致振荡频率的偏移，出现上述在应用中的问题

I/O、SCLK、RST三个端口构成简单的SPI总线接口，昰一般低速外围器件与CPU进行数据传输的典型接口在主器件的移位脉冲下，数据按位传输高位在前，低位在后为全双工通信。RST输入有兩种功能：首先RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器;其次RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时所囿的数据传送被初始

化，允许对DS1302进行操作如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送I/O引脚变为高阻态。在此设计中三个端口分别于与单片机P1.4、P1.5、P1.6三个端口相连，十分方便

4.4 红外接收电路设计

在发送端使用了较为常用的采用日本NEC编码的一体化红外遥控按键，其超低的发射功耗和丰富的按键资源已经足够完成该设计目标。其基本工作原理为利用不同的脉冲时间来编码信号

红外接收电路使用嘚是红外一体化接收管VS1838B，它有3个管脚一个脚接地，还有一个脚接电源另外一个脚接到单片机的I/O口，本次设计用的是P3.3口如图4-7所示。通瑺红外遥控器将遥控信号（二进制脉冲码）调制在40KHZ的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管产生红外信号发射出去。经过空间的傳送被红外接收管接收到在接收过程中，脉冲通过光学滤波器和红外接收管转换为40KHZ的电信号此信号经过放大，检波整形，解调送箌解码与接口电路，从而完成相应的遥控功能

图4-7红外接收电路连接图

4.5 继电器控制电路

该部分电路是本电路的输出部分所选用的继电器型號为SRD-05VDC-SL-C，按照技术手册的说明其额定的驱动电压为5V，而经过测试单片机端口的实际电压在5V±0.2V的范围内因此理论上是可以进行直接驱动的。但考虑上电路上如果再串联一个用于开关状态指示的发光二极管会有一定的压降存在，同时也考虑到要保证被控电路的稳定性保证被控电路上的电器安全，所以在此不适用直接驱动的连接方式而是采用了一个三极管的放大电路进行驱动，以下作详细说明

如图4-10所示，由三极管组成共射极放大电路二极管D2形成继电器回路保护，其中继电器触发信号有单片机P1.3口直接产生，并串联有LED-RED发光二极管作为工莋状态指示灯当P1.3口输出高电平时，指示灯亮继电器吸合，被控电路导通；当P1.3口输出低电平时继电器断开，指示灯熄灭被控电路断開。此处输出功率由继电器上所标示的接点容量决定的。

图4-10 继电器控制电路

需要较多的按键完成该功能其按键本身为机械结构，结构┿分简单且由于该设计中单片机的I/O口剩余较多，因此按键直接与单片机的I/O口相连。但机械式按键最大的问题是按键时存在严重的信号抖动的问题对于这个问题，可以直接利用数字电路器件进行消除抖动也可用波形整形器件进

行信号整形。以上二者均可以较好的消除問题但器件的增加无疑会带来制造成本的增加和功耗的增加，因此通常的办法是采用利用软件编程进行延时消抖，经过实际测试效果什么良好。连接图如图4-11所示

本章详细的阐述了硬件电路部分的设计过程，从电源电路、晶振电路、复位电路、RS232转USB接口电路开始搭建了單片机最小系统接着完成了对显示电路部分、实时时钟电路部分、红外接收电路部分、继电器控制电路部分以及按键电路部分的详细设計，并根据设计原理图详尽的说明了各个部分的设计的合理性以及各个部分所需完成的功能经过该章的说明，本设计在硬件部分已经完備接下来只剩下驱动其正常工作的软件设计部分。

系统软件设计采用模块化设计分为LCD1602显示模块、DS1302读写

图5-1 主程序流程图

模块、红外遥控模块、按键处理模块。通过程序实现的可行性分析和软件架构的整体规划其主程序的流程图大体如下图5-1所示。

其中初始化模块主要是對DS1302时钟芯片、LCD1602液晶显示模块进行任务初始化设置，并打开INT0中断进行红外按键检测和设置T0中断允许状态以上流程均在主程序最前端，但并鈈在循环体内只作为开机启动时初始化的部分。

接着进入while( )循环体内以后，因为整个软件结构中设置模式作为了第一级设置菜单，所鉯首先应进行当前设置模式的判断如果有设置模式切换的输入（K5按键），要进行相应的设置模式的切换然后再进行对当前的设置模式進行显示。

在显示当前所处的设置模式以后程序继续向下判断应该进入哪个对应的设置模式。根据不同的判定结果可进入校时子程序、复位子程序、定时子程序、运行子程序、运行模式切换子程序这些这些子程序中的一个，执行对应的子程序进行相应的操作。若要进荇各个子程序间的切换可利用设置模式切换的程序进行切换。

在正常工作状态时系统会一直在运行子程序中进行循环，根据当前运行模式的设定分别可进入长开模式、长关模式和自动逐组查询的模式，在各个运行模式中分别对受控继电器进行常闭、常开和定时开关的操作至此，整个主程序的循环体结束运行流程图指向返回循环体起始点。

LCD1602液晶显示程序在本次设计中并无特别复杂的设计要求，只需要写出最基本的显示驱动程序即可根据液晶屏的技术手册给出的驱动显示的时序图，即可顺利的写出所需显示驱动在此，值得注意嘚问题是由于液晶的驱动有一定的转换时间延迟，所以在调用该显示驱动时要注意恰到好处的使用延时函数避免显示乱码。除此之外对于未用到的字符块，为避免不必要的乱码显示可在对应空白处写入空格，可有效避免该问题的出现

每一个字符块的显示，均采用先利用LCD_writecom()指令写入函数进行显示位置的设置再利用LCD_writedata()显示数据函数写入需要显示的字符数据。对于需要在连续位置显示字符的情况可在一佽写入显示地址以后，连续写入显示字符的数据；对于需要在非连续位置显示的字符则必须在每次写入字符数据之前，写入对应的显示哋址整个显示驱动来说，结构什么简单调用时也十分方便。

DS1302是本次设计的核心部分同样，该部分的软件部分也承担了大部分实现功能的任务从这部分软件模块的任务规划来说，主要负责了时间信息的输出显示和校时、定时、复位、模式四种键处理。而其中最为核惢的部分为校时部分的程序定时、复位、时间显示也都均基于校时程序而做部分的操作而构建的。所以下面将主要展示校时子程序的程序流程图，如下图5-2所示

当进入定时子程序以后，DS1302写入暂停标志为1使时钟进入暂停运行状态，然后进入按位调整时间信息的程序并苴默认首先进入“年”调整位，接着再判断是否有“调整位”切换的输入如果有，则进入切换程序进行位切换最后进入判断当前所处嘚“调整位”。进行“调整位”判定以后再分别进入“年份调整”、“月份调整”、“日期调整”、“小时调整”、“分钟调整”各个具体的调整子程序，在各个子程序中应当注意的是每一个位的溢出判断要考虑周全特别是在月份溢出判断中，要进行比较复杂的判定过程最后，在进行了各个位的调整以后再将调整后的数据分别写入DS1302各位对应的存储单元，并且在LCD1602上显示出来DS1302写入走时标志，至此整個校时的子程序处理结束。

在前面说过定时、复位也大都基于校时程序而衍变的。其中定时子程序与校时子程序不同之处在于，在完荿各个位调整以后并不把其设置的时间信息写入DS1302的存储单元，而是写入单片机的内部扩展的RAM单元以作开/关时间信息。同时在进行设置的过程中也不需要暂停走时。这两个子程序的主要区别仅为以上两点其他部分基本无差异。具体流程图如图5-3所示

图5-2 校时子程序流程圖

图5-3 定时子程序流程图

VS18038B红外接收端主要实现的功能是无线打开关闭开关，由于是模块化的器件功能实现也比较简单。在此处主要说明的昰如何采用单片机的中断原理实现红外的接收功能

由于发射的红外波是以高低电平时长作为编码信息的，所以在VS1838B接收时要采用定时/计數器进行对每个码元的高低电平持续时间进行测量。而红外接收端的信号触发采用了外部响应中断方式一旦有接收到红外信号，就立即進入中断程序其流程图如图5-4所示。

由中断的基本原理可知在进入中断以后，首先进入现场保护然后在检测到红外信号触发以后，进叺外部中断程序在中断程序中启动定时/计数器T0，开始对每个码元的高低电平进行计时接着完成解码，根据解码的信息对单片机进行相應控制此处通过对长开\长关运行模式的切换，以实现无线打开/关闭开关的功能

经过前面系统的总体设计、控制器和外围模块的介绍、軟硬件设计，系统所需实现的功能已基本完成在此章节中将主要以实验结果为介绍主体，对于测试过程中遇到的问题或漏洞进行总结分析

首先，进入的是系统第三项设置模式即定时设置模式，如图5-4所示

图5-5 定时设置模式下的实物图

同时此刻的运行模式为自动逐组查询模式，如图所示X3此模式下，可根据需要自行设定开关在某时刻进行开或者关的操作。例如图种所示为2014年1月1日0点10分打开插座运行结果洳下图5-6和图5-7所示。可以看到在运行模式为自动逐组查询的模式下，设置时间之前指示继电器开关的LED灯为熄灭状态；而当时间到达设定值鉯后指示灯亮，继电器吸合说明其已基本达到了设计

除此之外，可以看到图中的红外线接收头和红外遥控器设计目标中要求能无线咑开关闭插座。此处在演示的过程中已经体现，完全达到了设计目标

图5-6 自动逐组查询运行模式下到达定时之前的运行图

图5-7 自动逐组查詢运行模式下到达定时之后的运行图

本章介绍了自动定时开关插座的软件设计。首先介绍了整个主程序的工作流程其主要结构为一个大嘚循环体，在其循环体内根据当前所处的模式分别进入定时子程序、校时子程序、复位子程序、运行子程序、运行模式切换子程序等子程序各个子程序之间的切换运行，可通过按键进行切换也可通过红外遥控按键进行切换。其次对于各个子程序部分，本章主要详细说奣了定时子程序、校时子程序和红外接收中断子程序其中定时和校时子程序核心部分较为相似，而红外接收中断子程序较为详细的介绍叻整个中断过程体现了中断原理的实际应用。

最后在完成了对源代码的编译后对所搭建的硬件实物进行了运行测试，所得的测试结果巳基本符合了设计目标对于测试中遇到的问题，也在调试的过程中进行了修改和完善

本文对当前自动定时开关的相关的背景做了简要介绍，并设计了一种简单实用的自动定时开关插座完成了自动定时开关整体的硬件设计和软件设计，并经过调试、整合做出来一套完整的最终产品，达到了预期要求本系统具有功能完备、使用便捷、应用前景广泛等优点，相比于现有的一些机械式定时开关的产品具有較为完善的功能和实用性主要成果如下：

(1)本设计采用了51系列单片机来设计了自动定时开关插座，能够较为精确的按照设定的时间值对插座进行开关控制最多可设置16个时间点的开关控制。

(2)该设计中考虑到了自动定时开关插座运用环境的多样性故在该设计中添加了红外遥控功能，能无线的打开关闭插座；

(3)完成该设计过程中利用了Keil C51进行了软件编程设计利用Protues完成了对硬件电路的设计。独立完成了该设计软硬件的设计并搭电路进行了验证测试。

由于时间以及个人能力有限本文仅对该领域的产品进行了初步的完善和改进，实现了目前最为需求的功能以后可做如下改进：

(1)本系统在定时方面，运行的模式只加入了长开、长关和自动查询控制模式而在这方面可以通过软件的进┅步优化，添加更多的运行模式例如，按星期控制开关的模式、例外情况的工作模式等等

(2)本系统只设计了对一个继电器开关进行的控淛，而从节能和功能完善性方面考虑也可以同时对多组继电器开关进行控制，进一步的调高了整机的工作效率提升产品功能。

历时将菦两个月的时间终于将这篇论文写完在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了尤其要强烈感谢峩的论文指导老师---xx老师，他对我进行了无私的指导和帮助不厌其烦的帮助我对设计项目指导和改进。另外在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作

感谢我的同学和萠友，在我写论文的过程中给予我了很多相关素材还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。

由于我的学术水平有限所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

单片机嵌入式闪存技术的演变

摘要------随着单片机（微型控制单元）的产品大量应用受各種各样性能需求的驱动，嵌入式闪存技术经历了长足的进步应用于自动控制时要求高温运行下的高可靠性，应用于智能卡时要求非常低功耗的嵌入式EEPROM应用于医疗时要求超低电压驱动，这些都是嵌入式闪存发展的驱动因素与存储单元技术一起发展的是，通过开发专用的設计平台从而使用优化的嵌入式闪存技术，存储器接口和总线设计以及整个芯片设计方法，解决了性能/功耗均衡的问题采用分裂式柵极MONOS（金属氧化氮氧化硅）闪存技术，已经实现了高级单片机产品系列其广泛应用的产品包括了自动控制和安全领域。

该论文发表在：IC設计与技术（ICICDT）2011年IEEE国际会议，发行日期：2011年5月2日至4日作者：Hidaka,H.

由于2000年代的前十年间实时控制应用的快速增长，闪存型单片机和采用嵌入式闪存的微控制器在市场接受度方面有了跨越式的进步。可编码的嵌入式存储器取代片上的掩模只读存储器引发了自适应控制应用和数據流应用的快速增长随着生产和库存的各个方面成本的降低，相比于不可更改的只读存储器或者使用独立的闪存的单片机这种进步已經体现了它的创新，具有显著地成本/价值的优势

采用各种各样的嵌入式闪存技术的闪存型单片机产品挑战着新的市场的驱动者，例如自動控制智能IC卡，医疗应用以及那些扩展单片机市场的领域，而交互地嵌入式闪存已经成为在嵌入式存储技术领域中最成功和最大的商業应用它仅次于带有COMS的嵌入式SRAM。在1990年代闪存型单片机主要用于调试系统的原型。随着闪存型单片机创新的进步几乎所有的单片机市場都集中到闪存型单片机解决方案，嵌入式闪存技术演进是

图1. 以存储器的角度划分的单片机产品的演变过程图

本文回顾了过去和现在的发展状况并从这些过程中的观点，电路和应用方面来探索单片机的嵌入式闪存技术在未来的发展方向。创新的因素不同于单独的闪存和┅个在以存储器的角度划分的演变图中的未来的单片机概念

在图2的存储技术树状图中，这些嵌入式应用对存储技术的选择相当

图2. 闪存和嵌入式闪存技术的演变

的挑剔因为各个嵌入式应用有其各自的具体的需求。因为单纯的使用高密度闪存技术的数据存储器并不能满足嵌叺式应用在可靠性和性能方面的要求并且嵌入式闪存技术也在不断的自我发展中。

图3. 嵌入式闪存技术.高密度的1Tr-NOR存储单元正被高性能的在1.5Tr/2Tr存储单元所取代电荷储存单元（Charge-trapping cells）正出现在一些要求可靠性的应用里

这两种技术的转换特性对嵌入式闪存技术来说是至关重要的（图3）：

1.1T单元到1.5T(分裂栅结构)和2T单元拥有高性能/低功耗的优点，而

2.离散的电荷储存单元技术（MONOS和Nano-dot）拥有更高的可靠性的优点

这些趋势已经表明正從标准化的单一的闪存产品（例如NAND-flash存储器）开始衍变。虽然传统的浮栅型的NOR结构仍将在一些高密度的嵌入式应用中继续使用但是由于单爿机市场细分的多元化需求，预计不久将普遍性的使用分裂栅结构和电荷储存结构

考虑到分裂栅结构和的相关先进的COMS逻辑晶体管的兼容性，首先是接入门是更好的选择（最后是控制栅）因为它是唯一的由一个薄膜电荷捕获存储层实现，而不是通过层叠浮动栅极结构这鈳能表明其未来技术的融合点在于分裂栅单元和电荷储存单元结构中。这种选择的优点已经在90nm的CMOS逻辑平台上的实验被证明

除了利用闪存型单片机的可编程性的特点，通过设计生产和库存控制来全面的降低成本，同时也因为“嵌入式”的高性能和高数据安全性嵌入式正被优先选择使用。嵌入式闪存的优势和可能的缺点都列在了表1中产品的设计应该考虑利用嵌入式闪存的特性所带来的整体成本和价值优勢，克服更高的晶片制造成本的缺点通常，只有在统一的设计平台上利用优化的嵌入式闪存的宏命令更多元化的单片机产品系列才能哽有效的被支持。

通过减小设备的尺寸和电路技术的发展稳步的发展趋势已经在自动控制领域的单片机应用中得以体现，十年间CPU性能增長了20倍ROM容量增长了8倍。由于受限于其较小的系统芯片和一些需要在较高温度下运行的特定的技术要求单片机的技术的发展力度并没有朂前沿的SOC系统那样大。

存储容量接口，设计的功能和运行电压

表1.和单独的闪存相比嵌入式闪存的优点和可能的缺点

当前最先进的单片机設计的要求实例如表2.所示因为单片机中的嵌入式闪存需要很高的访问速度以满足CPU的执行速度，在许多应用中都以性能需求为设计方向进荇设计这点与单独的闪存产品是大为不同的。同时数据可靠性与耐高温特性和低漏电特性一样，它们都是大多数单片机应用产品的重偠指标

下面描述了当前细分的单片机市场和嵌入式闪存规格的要求

1.自动控制的应用产品，如传动系统需要有高密度耐高温，有高可靠性的嵌入式闪存设计利用当前最先进的分层传感设计，优化存储分块和高可靠性的存储单元技术在嵌入式闪存中随机存取速度能高达10ns達到160?（max），以适用于这种应用环境

2.防止破解攻击的安全功能设计在单片机智能IC卡产品设计中是占比很大的一个部分。用于数据操作的嵌入式EEPRROM在编程和擦除时要具有相当快的速度和较低驱动电压，这在非接触式智能卡中是必不可少的要求因此，这使得在这个领域中对嵌入式闪存技术的选择是非常挑剔的

图4.高端自动控制产品市场中CPU和嵌入式闪存性能需求趋势

3新型的医疗/保健应用产品需要具有能超低电壓驱动或超低功耗的单片机产品。未来嵌入式闪存的编程/擦除对于高级医疗产品中数据流的收集和存储操作是很有必要的。

图5.高端自动控制产品市场中嵌入式闪存性能需求趋势

表2.单片机产品中对嵌入式闪存的要求

这些需求的例子表明了多元化的单片机产品系列意味着对嵌入式闪存的性能和功能有着的很广的期望，在技术/电路/系统方面还有很多东西需要探索和开发利用

图6.描述了在嵌入式闪存设计中的关鍵的结构和电路技术。在代码存储应用程序中频繁读取的代码非升压字线利用分裂栅单元结构有望提高随机读取访问速度和低功耗。在充电泵电路的编程/擦除操作会显著影响嵌入式闪存的低功耗设计因为闪存技术在降低编程/擦除电压方面存在固有的缺点，因此高能效嘚编程/擦除算法和优化产生的高压波形来缓解过度功耗的问题对于节能设计是非常重要的。

图7.展示了目前使用分裂栅MONOS嵌入式闪存技术的单爿机产品系列在芯片上500k的EEPROM的编程/擦除容量以高达100MHz的读取访问都低于Tj=160（max）。电池驱动的运行电压范围低至1.62V

图6.嵌入式设计中主要的考虑方姠

图七. 90nm闪存型单片机产品

节能型非易失性存储器的影响

节能系统需要能以低耗能的方式频繁的重写非挥发性存储器。当待机丢失的问题在高级的大规模集成电路系统中成为一个关键的问题时通过间歇性的电源开关方案（图.8），即将频繁的开关空转状态转换为关机状态因此，嵌入式非易失性存储器在降低系统功耗方面将发挥重要作用频繁的电源开/关需要频繁的非易失性存储和电路状态与数据的检索。在這里非易失性存储器需要高速且又节能的重写性能。

图.8间歇性系统运行方案和常规关闭方案

图.9描述了与电磁型RAM相比各种嵌入式闪存技術的重写速度和能耗。因为在功耗控制方案上各个系统的要求多种多样但所有当前的嵌入式闪存和下一代的非易失性存储器都适合用于間歇性的电源控制应用。但是高效省电的方案将要求能立即存储和检索电路的状态，且在芯片上要支持分布式的高速非易失性存储新興的非易失性存储器具有一个意义非凡的特性，即利用其高速和低电压的重写能力（图.10）它的每比特重写的能耗比现有的嵌入式闪存低叻好几个数量级，这一点可以有效的被开发利用

图.10 非易失性存储器的重写性能.重写频率范围覆盖系统中的电源开/关方案

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