《单片机技术》秒表设计.docx

1、摘 要近年来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技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的秒表，随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中秒表就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，

2、一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。关键词 ：单片机；数字式秒表；设计程序 ABSTRACTWith the rapid development of science and technology in recent years, the application of SCM is the deepening of the traditional control while driving detection technology is increasingly updates. Real-time detection and automatic control of microcompu

3、ter application system, the microcontroller is often as a core component to use microcontroller knowledge alone is not enough, should be based on the specific hardware structure of hardware and software combination, to be improved. With the progress and development of the times, the single-chip tech

4、nology has spread to the way we live, work, research in various fields, has become a relatively mature technology, this paper describes a microcontroller-based control stopwatch With the continuous improvement of peoples living standard, single-chip control is undoubtedly one of the goals of the peo

5、ple to pursue, it brings convenience is undeniable, which stopwatch is a typical example, but its increasingly demanding high, to work for the modern, scientific research, life, provide better and more convenient facilities will need to start from the number of single-chip technology, all toward dig

6、ital control, intelligent control direction. Key words: Microcontroller; digital stopwatch; design program目 录1 设计目的与要求 81.1 设计目的8 1.2 设计要求8 1.3 工作原理说明82 数字式秒表电路的设计10 2.1 时钟电路10 2.2 键盘电路10 2.3 复位电路10 2.4 驱动及显示电路11 2.5 单片机下载口电路123 数字秒表的硬件系统设计图13 3.1 电路原理图13 3.2 PCB图134 数字式秒表软件系统的设计14 4.1 数字式秒表使用单片机资源情

7、况14 4.2 主程序流程图14 4.3 中断服务程序流程图15 4.4 显示程序流程图16 4.5 软件系统程序清单175 设计总结22 5.1 数字式秒表的设计结论及使用说明22 5.2 调试软件介绍22 5.3 误差分析及解决方法23结束语. 24致谢25参考文献26附录271 设计目的与要求1. 1 设计目的使用单片机AT89S52作为主要控制芯片，以四位一体共阳极数码显示管通过三极管驱动作为显示部分，设计一个具有特定功能的数字式秒表。1.2 设计要求数字式秒表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。该数字式秒表通过按键控制可实现开始计时、暂停计时、连续计时、清

8、零和停止功能。1.3 工作原理说明使用AT89S52单片机作为核心控制部件，采用12M晶体振荡器及微小电容构成振荡电路；采用S8550作为数码管的驱动部分；用两个四位一体共阳极或共阴极数码显示管作为显示部分，构成数字式秒表的主体结构，配合独立式键盘和复位电路完成此秒表的复位、计时、连续、清零、停止各项功能。对于时钟，它有两方面的含义：一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求

9、不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法。 LED数码显示器有如下两种连接方法：共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。 键盘部分方案：键盘控制采用独立式按键，每个按键的一端均接地，另一端直接和P1口相连，在按键和P1口之间通过10K电阻与+5V电源相连。键盘通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断哪个键被按下了，这种方法操作速度高而且软件结构很简单，比较适合

10、按键较少或操作速度较高的场合，这种独立式接口的应用很普遍。 显示部分方案：显示部分采用动态显示。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受

11、控显示，这就是动态驱动。动态显示是利用人眼视觉暂留特性来实现显示的。事实上，显示器上任何时刻只有一个数码管有显示。由于各数码管轮流显示的时间间隔短、节奏快，人的眼睛反应不过来，因此看到的是连续显示的现象。为防止闪烁延时的时间在1ms左右，不能太长，也不能太短。本设计可采用P0口直接驱动八段数码管显示。此方案成本低，而且单片机的I/O口占用较少，可以节约单片机接口资源，而且功耗更低。 此电路采用单片机的P0口作为数码显示管的段控，采用P2口作为数码管的位控。8个独立式键盘分别接在单片机的P1口上，以及其他部分构成数字式秒表的硬件电路。通过编写程序使用单片机的定时计数器，以及软件延时，中断资源来实

12、现秒计时和相关控制。此数字式秒表的硬件整体结构如图1所示。AT89S52电源振荡电路复位电路独立式键盘驱动电路数码管显示限流图 1 2 数字式秒表电路的设计2.1 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。在AT89S52芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚TXAL2，在芯片的外部通过这两个引角跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。 此电路采用12MHz的石英晶体。时钟电路如图2：图2 时钟电路2.2

13、 键盘电路 本设计使用独立式键盘接在单片机的P1口上但通过软件赋予其中三个按键功能，其中S2是计时开始按键，第二功能为停止，S3为计时暂停按键，第二功能为继续计时按键，S4是清零按键。注意使用时只有在暂停状态下才能继续计时，只有在停止状态下才能清零，在停止时不能继续计时，在暂停时不能清零。键盘电路如图3：图3独立式键盘电路图2.3 复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。RST引脚是单片机复位信号的输入端，复

14、位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。在本设计中采用了按键电平复位方式，其复位电路如图4所示：图4 复位电路2.4 驱动及显示电路数码管实际上是由二极管构成发光二级管正常工作时，其两端正向压降约为1.6v，正向电流约为10mA，为了使数码管达到一定的亮度而又不至于由于电流过大而损坏，我们使用三极管S8550作为数码管的驱动，同时在P

15、0口和P2口上串上470欧姆的电阻。此处使用四位一体共阴极数码管，由于驱动电路决定了此处共阴极数码管和共阳极数码管均可以采用而且均采用共阳极代码来编写显示程序，具体电路如图5所示：图5 数码管驱动及显示电路图2.5 单片机下载口电路下载口主要是一个十芯的座子，可以通过使用USB下载线对单片机进行程序下载。方便整个软件的设计，也能让我们使用起来更加方便。图6 单片机下载口电路图3 数字秒表的硬件系统设计图3.1 电路原理图此处电路原理图以及PCB原理图的绘制均使用protel99软件完成，Protel99是基于Win95/Win NT/Win98/Win2000的纯32位电路设计制版系统。Pro

16、tel99提供了一个集成的设计环境，包括了原理图设计和PCB布线工具，集成的设计文档管理，支持通过网络进行工作组协同设计功能。根据硬件接线要求设计绘制电路原理图，详见附录1。3.2 PCB图PCB图设计时，首先要使元器件尽量少，这样既可以节约材料，又可以是布线更加短，减少干扰，同时还应注意尽量减少线路之间的寄生电容和电感，布线时需要将线宽设置得比较宽这样可以提高腐蚀电路板时的成功率，焊盘大小也要设置的比较大，这样在腐蚀环节和焊接环节比较容易成功。不易出现短线的现象和焊盘剥离的现象。双面布线时芯片和针脚多的元件需将焊接点置于底层，这样才能比较方便的焊接。制作电路板PCB见附录2。4 数字式秒表软

17、件系统的设计4.1 数字式秒表使用单片机资源情况本次电子钟设计除了了使用单片机工作所必须的硬件资源（如连接晶振的引脚XTAL1和XTAL2，复位引脚RESET）外，对单片机的硬件资源还做了具体的安排。(1).P0口：P0.0-P0.7作为数码管显示器的段控。(2).P1口：P1.0-P1.3作为独立式键盘的输入端。(3).P2口：P2.0-P2.7分别控制数码管LED0-LED7的位控码驱动。(4).定时/计数器：使用定时器0工作方式2实现数字式计数器的运行。(5).专用寄存器：定时器控制寄存器TCON，通过设置该寄存器TR0位的状态来控制定时/计数器0的启动/停止；中断允许寄存器IE，通过设

18、置该寄存器EA/ET0位的状态来设置定时/计数器0中断允许/禁止；定时/计数器工作方式寄存器TMOD，设置定时/计数器0的工作方式。4.2 主程序流程图MAIN定义堆栈显示缓冲单元清零定时器0工作方式1装载计数初值定时开始开中断设置循环次数调用显示子程序等待定时中断请求键盘扫描图7 主程序流程图4.3 中断服务程序流程图PDJW现场保护计数器重加载循环次数减1是否满8次毫秒值加1是否满60毫秒缓冲清零秒值加1是否60S秒显缓冲清零秒显缓冲清零是否满60分显示清零现场恢复YNNNNYYY图8 中断服务程序流程图4.4 显示程序流程图DISP现场保护寄存器初始化显示代码查表送段控代码送位控代码延时

19、送段控代码位控代码左移左移8次？恢复现场NY图9显示程序流程图4.5 软件系统程序清单按照流程图应用软件keil汇编语言编程实现秒表功能。程序如下：ORG 0000H START: LJMP MAIN ORG 000BH LJMP PDJW；*；系统监控程序区 ORG 0030HMAIN: MOV PSW, #00H MOV SP, #7FH ；确立堆栈区 MOV R0, #20H ；RAM区首地址 MOV R7, #96 ；RAM区单元个数 MOVTMOD,#01H SETB EA SETBET0ML: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, MLTSF: MOV DPTR

20、, #DISBH ；系统初始化后提示符“P.”字符代码表首地址 MOV R5, #08H MOV R0, #78HDISPTSF:CLR A MOVC A, A+DPTR MOV R0, A INC R0 INC DPTR DJNZ R5, DISPTSFKEY0:LCALLDISP LCALL KEYJB 20H.0, K1JB 20H.1, K2JB 20H.2, K3LJMP KEY0KEY00: LCALL KEY LCALL DISPJB 20H.2, K3LJMP KEY00 K1: JB 22H.1, KEY0；如果此时为暂停状态，本次按键K1无效CPL 22H.0 JB 22H

21、.0, K01 ；高电平则计时 CLR TR0 ；低电平则停止 LCALL DISPLJMP KEY00K01: MOV 7AH, #12H ；从零开始计时 MOV 7DH, #12H MOV 7FH, #10H MOV 78H, #00H MOV 79H, #00H MOV 7BH, #00H MOV 7CH, #00H MOV 7EH, #00H MOV 7FH, #00H LCALL DISP MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F0H SETB TR0；启动定时器 LJMP KEY0K2: JB 22H.0, K21 ；判断秒表是否启动，如不是启动状态则此次按键无效 LJM

22、P KEY0K21: CPL22H.1 JB 22H.1, K22 SETB TR0 ；继续计时LJMP KEY0K22: CLR TR0 ；暂停秒表 LCALL DISPLJMP KEY0 K3:JB22H.0, KEY0 ；只有当停止是，清零键才有效MOV R0, #79H ；秒表清零 LCALL CLR00MOV R0, #7CH LCALL CLR00MOV R0, #7FH LCALL CLR00 LJMP KEY0PDJW: PUSH PSW PUSH ACCMOV TMOD, #01H ；定时器以工作方式1工作SETB RS1 ；设定组号为2组CLR RS0MOVTH0,#0D8

23、HMOVTL0,#0F0HMOV R0, #79HLCALL ADD01CJNE R2, #99, RETT ；判断1秒到没MOV R0, #7CH LCALL ADD01CJNE R2, #60, RETT ；判断60毫秒到没LCALL CLR00MOV R0, #7FHLCALL ADD01CJNE R2, #60H, RETT ；判断60分到没LCALL CLR00RETT: POP ACC POP PSWRETI；*；常数表格区；系统初始化后提示符“P.”字符代码表；DISBH: DB 10H,10H,10H,10H,10H,10H,10H,11H ；提示符“P.”字符序号；显示字符段

24、选码表(共阳极代码)TAB: DB 0C0H, 0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H ；0-8 DB 90H, 88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH,0CH,0BFH ；9,A,B,C,D,E,F,灭,p.,-；*；子程序区；ADD01: MOVA, R0 DEC R0SWAP AORL A, R0ADD A, #01HDA AMOV R2, AANL A, #0FHMOV R0, A MOV A, R2ANL A, #0F0HSWAP AINC R0MOV R0, ARETCLR00: MOV R0, #00H DEC R0MOV R

25、0, #00HRET；键扫描子程序KEY:LCALL KEYCHULI；调P1口数据处理子程序 JZ EXIT；没有键按下，转返回 LCALLDISP ；调显示子程序去抖动 LCALLDISP LCALL KEYCHULI；调P1口数据处理子程序 JZ EXIT；没有键按下，转返回 MOVB,20H ；保存取反后的键值KEYSF:LCALLKEYCHULI；调P1口数据处理子程序JZKEY1 ；键释放，转恢复键值LCALLDISPLCALL DISP ；调显示子程序延时 LJMP KEYSF；等待释放KEY1:MOV 20H,B；键值送20H保存EXIT:RET ；子程序返回；P1口数据处理子

26、程序KEYCHULI:PUSH PSW；保护现场CLR RS1 ；改变当前寄存器组为组1SETB RS0MOV P1,#0FFH ；先向P1口写1MOV A,P1 ；读P1口数据CPL A ；P1口数据取反MOV 20H,A ；保存取反后的键值CLR RS1 ；恢复当前寄存器组为组0 CLR RS0POP PSW ；恢复现场RET ；子程序返回；显示子程序；入口:78H,79H,7AH,7BH,7CH,7DH,7EH,7FH, DISP: PUSHDPHPUSHDPLPUSHACCPUSHPSW CLR RS1 ；改变当前寄存器组为组1 SETB RS0 MOV R1, #78H ；显示缓冲存

27、储单元首地址 MOV R2, #0FEH ；从右至左显示 MOV R5, #08H ；循环次数，即驱动数码管的位数 DISP1: MOVA, R1MOVDPTR, #TABMOVCA, A+DPTRMOVP0, A ；送段控 MOVP2, R2 ；送位控LCALLDL ；延时1毫秒MOVA,R2 ；位控码送ARLA ；获得新的位控码MOVR2, A ；保存新的位控码INCR1 ；获得新的显示缓冲单元地址DJNZR5,DISP1 ；循环没有结束则继续 DISP2:POPPSW ；恢复当前寄存器组的组号POPACCPOPDPLPOPDPHRET；延时1ms子程序(晶振频率12MHz)DLDL:MO

28、VR7, #02HDL1:MOVR6, #0FFHDL2:DJNZR6, DL2DJNZR7, DL1RETEND5 设计总结5.1 数字式秒表的设计结论及使用说明通过设计和调试，数字式秒表能顺利完成各项功能。上电或复位后显示“P.”提示符，此时按1键便可开始计时。在计数状态下，按下2键即可实现暂停，再次按下2键即可实现继续计数，在计数状态下按下1键，实现计数停止，在停止状态下按下3键，便可实现计数清零。计数状态下按下清零键，无效。5.2 调试软件介绍本电子钟的设计用的pretues仿真软件设计电路并仿真。Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行

29、于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察

30、各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。因为pretues仿真软件中所有的情况都是在理想想的条件下，但是与实际电路的工作还是有很大的差别，所以我们必需考虑到实际情况应接入驱动限流等电路它才能被实际所应用。5.3 误差分析及解决方法我们可以发现数字式秒表计数一段时间的我们的标准时间相比较出现了误差，所设计的数字式秒表比我们的标准时间要慢，而且相比较的时间越长他的时差越大。经过分其主要原

31、因与硬件和软件都有关。软件原因：我们从外部中断请求有效到转向中断区入口地址所需的机器周期数来计算中断时间，51系列单片机最短响应时间为3个机器周期。在一般情况下中断响应时间通常无需考虑，但在精确定时的应用场合需知道中断响应时间，以保证定时的精确控制。硬件原因：单片机的时钟信号是由外部的振荡电路所提供，在芯片的外部通过接XATL1与XATL2这两个引角跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。因为电子原件不可以就有我们所设计的那么理想（电容的容量，振晶的输出频率）所以会造成我们的时间准确。结束语通过对数字式秒表的设计与制作，我们把理论与实际相结合。加深了对理论知识的理

32、解，也增强了我们的动手能力。 在电路设计过程中，我们学会了自己收集信息和处理信息的能力，为以后的学习和制作奠定了一定的基础，数字式秒表看似简单，但当我们自己着手设计与制作的时候我们才发现是困难重重的。 在元器件采购过程中发现的问题更大，在电路计算式我们根本没有考虑到元器件的型号和性能参数，然而在实物购买时我们就不得不开始考虑其型号和性能参数，这也是理论与实际的差别。还有，一些阻值的电阻与某些大小的电容根本就没有这种型号的买，这样我们不得不考虑改变设计电路中的参数，或者采用电路的等效方式来解决这样的问题。 在制作PCB时，发现一定要有细心、耐心和恒心才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用

33、和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的。比如在做PCB板时，因为缺乏经验把板上的线画得太细了，焊盘太细导致后面的腐蚀环节稍微有点失误将使电路板出现断线，打孔后无焊盘等问题，把PCB板浸在三氯化铁里浸得太久可能导致PCB板上的铜几乎全都溶解了。双面布线时必须做到两面完全对齐，否则板子有可能无法使用，还有在有芯片的电路布线时不能将从芯片引脚引出的线布在两面，否则将无法完成焊接任务。 从刚刚接触单片机开始，此设计是我迄今为止，编写的最大的一个程序，在调试过程中，我学会了怎样去根据实验现象解决问题，分析问题的所在点。它不仅加强了我们解决问题的能力，同时也锻炼了我们的逻辑思维能力。 此次课程设计，学

34、到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，使我们在实际动手能力方面得到了较大的提高。致 谢刚开始接到课程设计任务，认为挺简单的，然而真正开始动手制作时才知道并不是那么简单，从初期的资料收集以及原理图的绘制都受到了老师以及同学的帮助，在遇到困难时请教老师和同学都能得到耐心的解答,帮助我们少走弯路。感谢我的老师，以及我的同学，在整个硬件电路的设计与制作过程中，他们都给了我很大的支持，是我从此次课程设计过程中获益匪浅，本人对设计过程中给予了通力合作，以及精神的支持，对王韧老师和同学深表感谢。如果没有他们我想我的设计不会这样顺利的完成。由于本人水平有限，在技术指标和论文写作中

35、可能存在一些缺陷，恳请各位老师和同学们批评指教。参考文献1李朝青.单片机原理及接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，1988.1Li Zhaoqing. SCM Theory and Interface Technology M. Beijing: Beijing Aerospace University Press, 1988.2李勋等.单片机实用教程M.北京：北京航空航天大学出版社，20002 Li Xun and so on. microcontroller Practical Guide M. Beijing: Beijing Aerospace University Press, 20003王幸之等.单片机应用系统抗干扰技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，19993 Wangxing the other. microcomputer application system interference technology M. Beijing: Beijing Aerospace University Press, 19994何为民.低功耗单片微型计算机系统设计M. 北京：北京航空航天大学出版社，19944 What the people. low-power single-chip micro-computer system design M. Beijin