51单片机数字秒表设计报告论文.doc

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1、目 录摘要IABSTRACTII第一章 引言11.1秒表的概述11.2本设计任务11.3系统主要功能2第二章 硬件设计32.1总体方案的设计32.2 单片机的选择42.3各部分电路设计52.3.1系统时钟电路的设计52.3.2系统复位电路的设计62.3.3 按键与按钮电路设计72.4显示电路的选择与设计72.4.1数码管的内部结构82.4.2 数码管的外部结构82.5系统总体电路的设计9第三章 软件设计113.1主程序设计113.2中断程序设计12第四章 系统调试16第五章 总结17参考文献18 摘要近年来随着科学技术的发展，单片机的应用正在不断发展。本文阐述了基于51单片机的数字秒表的设计。

2、计时秒表是一种先进的电子计数器，较多的应用在教学器材、比赛计时等，而且采用数字显示，具有直观、读取方便、功能方便等诸多优点。本设计是由硬件电路和软件程序两部分组成，硬件电路由AT89C51单片机、按键控制电路、数码显示电路、晶振电路以及复位电路组成，它使用元件少，电路结构简单，功能强大；软件采用C语言程序设计，使用keil编译源程序，产生的可执行性文件能够让单片机快速执行。该设计充分利用单片机内部资源，通过程序利用定时器中断服务程序对计时秒表开始、暂停、清零等操作进行处理，提高单片机的工作效率，使得系统能实现099秒的计时。 关键字：51单片机 ；秒表；定时器；中断服务程序ABSTRACTad

3、vanced electronic counter, more application in teaching equipment, timing, etc., and adopts digital display, intuitive, easy to read, convenient features, and many other advantages. This design is consists of two parts, hardware circuit and software program, the hardware circuit is controlled by AT8

4、9C51, key circuit, digital display circuit, crystals circuit and reset circuit, it USES less component, the circuit structure is simple, powerful; Software using C language program design, use the keil compiler source code, can let the enforceability file microcontroller rapid execution. This design

5、 make full use of the single chip microcomputer internal resources, through the application using the timer interrupt service routine for timing stopwatch start, pause, reset operations such as processing, improve the work efficiency of the single chip microcomputer system can realize the timing of

6、0 99 seconds.Key words: 51 single chip， microcomputer A stopwatch，The timer， Interrupt service routinII第一章 引言20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对于我们每个人来说都是很宝贵的，市场上出现的各式个样的钟表都很受消费者的欢迎和喜爱，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，满足大家的需求，而且大大地扩展了钟表原先的报

7、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、定时启闭电路、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等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。本秒表设计就是利用单片机体积小、成本低、抗干扰能力强、面向控制、可以实现分机各分布式控制等优点，采用目前市场上性能价格比较高的MCS-52单片机设计而成的最小系统。1.1秒表的概述秒表是电器制造，电国，工业自动化控制、国防、实验室及科研单位理想的计时仪器，它广泛应用于各种继电器、电磁开关，控制器、廷时器、定时器等的时间测试。目前所使用的电秒表大多是指针式或集成电路型的，结构相对复杂、测试功能单一。但我们这次设计的秒表比

8、较简单，所以使用很简单。1.2本设计任务利用AT89C51单片机来制作一个手动计数器，在AT89C51单片机的P3.5管脚接一个轻触开关，作为手动计数的按钮，用单片机的P0.0P0.7接两个共阳数码管，作为0099计数的位显示。（1）按下开始键后，开始计时。（2） 按下暂停键后，计时停止。（3） 按下清零键后，计时归零。1.3系统主要功能 99秒计时器主要是用在精确计时方面。比如：学校里的校运会、答题倒计时等方面。它通过一个按键来控制它的开和停，它能及时有效的记录瞬间时间。而且它在我们生活中运用很广泛，希望我们做的这个计时器对以上方面有所帮助。它也许比较简单，而且有可能达不到很多人的要求，但我

9、相信通过我们过一步的学习，我们一定会制造出更好的系统，为社会大众服务。第二章 硬件设计 2.1总体方案的设计数字秒表具有显示直观、读取方便、精度高等优点，在计时中广泛应用。本设计中用单片机和数码管组成数字秒表力求结构简单。设计中包括硬件电路的设计和系统程序的设计。硬件电路主要有主控制器、控制按钮与显示电路组成。主控制器采用单片机AT89S52，显示电路采用两位共阳极数码管显示计时时间。本设计利用AT89S52单片机的定时器，使其能精确计时。利用中断系统使其实现启动和暂停的功能，P0口输出段码数据，P2.0P2.1连上译码器作为位选，P3.2和P3.3接口的两个按钮分别实现启动和暂停功能。设计的

10、基本要求是正确性。硬件电路按下图2-1进行设计。 AT89C52单片机控制开关两位数码管位控制图2-1硬件设计总框图计时器采用T0中断实现，定时溢出中断周期为1ms，当溢出中断后向CPU发出溢出中断请求，每发出1000次中断请求就对1s位（即最后一位）加1，1s位加到10就对10s位加1，以此类推，直到99s为止。再看按键的处理。两个按键采用中断的方法，设置外部中断0和外部中断1位脉冲边沿触发方式，这样一来每当按键按下时便会触发中断，从而实现启动和暂停。2.2 单片机的选择本设计在选取单片机时，充分借鉴了许多成型产品使用单片机的经验。并根据自己的实际情况，选用了ATMEL公司的AT89S52。

11、ATMEL公司的89系列单片机以其卓越的性能、完善的兼容性、快捷便利的电擦写操作、低廉的价格完全替代了87C51/62和8751/52，低电压、低功耗，有DIP、PLCC、QFP封装，是目前性能最好、价格最低、最受欢迎的单片机之一。AT89S52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52相同，其主要用于汇聚调整时的功能控制。功能包括对汇聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，汇聚调整控制，汇聚测试图控制等。 AT89S52单片机采用40脚的DIP封装，如下图2-2所示。图2-2 80C51引脚图（1）主电源引脚

12、Vss和VccVss接地Vcc正常操作时为+5V接地，外接晶振引脚XTAL1和XTAL2a、XTAL1内部振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡时，此引脚接地。b、XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的的另一端。当采用外部振荡时，此引脚接外部振荡源。（2）控制或与其他电源复用引脚a、RST/VPD 当振荡器运行是，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。b、ALE/PROG 正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存

13、到外部存储器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性的发出正脉冲信号。因此，它可以用作对外输出的时钟，或用于定时目的。c、PSEN 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，PSEN在每个机器周期内两次有效。d、EA/Vpp 内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA/Vpp位高电平时，访问内部程序存储器，当EA/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM编程期间，此引脚上加21VEPROM编程电源（Vpp）。（3）输入/输出引脚P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7，P3.0P3.7。a、P0口（P0.0P0.7）是一个8位

14、漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。b、P1口（P1.0P1.7）是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口。能驱动四个LSTTL负载。c、P2口（P2.0P2.7）是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动四个LSTTL负载。d、P3口（P3.0P3.7）是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口。能驱动四个LSTTL负载。2.3各部分电路设计2.3.1系统时钟电路的设计80C52单片机内有一个高增益反相放大器，其频率范围为1.2MHz12MHz，

15、XTAL1和XTAL2分别为放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式或外部方式产生。80C52内部方式时钟电路如图2-3（a）所示。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，就能构成自激振荡电路。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。电容器C1和C2主要起频率微调作用，电容值可选取为30pF左右（外接晶体时）或40pF左右（外接陶瓷谐振器时）。80C52外部方式时钟电路如图2-3（b）所示。XTAL1接外部振荡器，XTAL2悬空。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。图2-3 80C51单片机的时钟电路2.3.2系统复位电路的设计 电

16、路中C3、R15组成复位电路，该电路采用的是上电复位，即整个系统从新开始工作。复位电路有很多种，分别可由不同的元件组成，可靠性也各有不同，本设计采用简单的上电复位。如图2-4所示。图2-4复位电路2.3.3 按键与按钮电路设计 本设计中只使用一个按键开关SET，来对时、分、秒进行调整。SET还作为复位按钮，也可以进入省电（不显示LED数码管）和正常显示三种状态。图2-5所示为按钮电路。图2-5 按钮电路2.4显示电路的选择与设计对于数字显示电路，通常采用液晶显示或数码管显示。对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且液晶显示作为一种被动显示，可视性差，不适合远距离观看；对于具有驱动电路和单

17、片机接口的液晶显示模块，一般多采用并行接口，对单片机的接口要求较高，占用资源多；另外，AT89S52单片机本身没有专门的液晶驱动接口。而数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、响应速度快、价格便宜、易于购买等优点，而且有远距离视觉效果，很适合夜间或者远距离操作。因此在本设计中，我们采用7段数码管作为显示介质。数码管显示可以分为静态显示和动态显示两种。由于本设计需要采用两位数码管显示时间，如果静态显示则占用的口线多，硬件电路复杂，所以采用动态显示。驱动数码管采用动态显示。动态驱动是将所有的数码管的8个显示笔画“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外每个数码管中的公共极COM增加

18、位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控制显示。P0口加上拉电阻， P0端口必须外接上拉电阻才能正常输出“0”和“1”电平，保证P1端口所接的LED数码管能够正常显示数字，和软件相配合来驱动数码管显示。2.4.1数码管的内部结构数码管的结构有单个数码管和集成数码管（即一个封装内至少有两个数码管集成在一起）两种，结构图如图7 所示，其中（a）为数码管的引脚图，有共阴极和共阳极两种。本设计采用共阳极数码管，其内部结构图如图（b）所示。它们都是由基本的7个条状的发光二极管（LED）排列而成的，可实现数字“0-9”及少量字符的显示。另

19、外，为了显示小数点，增加了1个点状的发光二极管，因此数码管就由8个LED组成，把这些发光二极管命名为“a、b、c、d、e、f、g、DP”，对应引脚如图 2-6 所示。图2-6 数码管的内部结构与引脚图2.4.2 数码管的外部结构数码管的外部结构图，如图 2-7 所示。图 2-7数码管的外部结构图动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的公共阳极位选线由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管轮流选通，要使其稳定显示必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管并送出相应的段码，在另一时

20、刻选通另一数码管，并送出相应的段码，依次规律循环，即可以使各位数码管显示将要显示的字符，虽然这些字符是在不同时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。数码管显示总体框图如下图2-8所示。AT89C52段驱动位驱动两位数码管图2-8数码管显示总体框图2.5系统总体电路的设计系统总体电路如下图2-9所示。AT89S52单片机为主电路的核心部分，各个电路均与单片机相连，由单片机统筹协调各个电路的运行工作。开始键和暂停键使用了外部中断，所以需要连到单片机的P3.2和P3.3引脚上，这两个I/O口的第二功能是单片机的外部中断0端口和外部中断1端口。显示电路

21、由四位数码管组成，采用动态显示方式，因此有8位段控制和2位位控制，8位段控制位接P0口，P0.0P0.7分别控制数码管的a b c d e f g dp显示，位控制分别接在P2.0和P2.1口实现位控制。图2-9系统总体电路第三章 软件设计3.1主程序设计本系统程序主要模块由主程序、定时中断服务程序、外部中断0服务程序和外部中断1服务程序组成。其中主程序是整个程序的主体。可以对各个中断程序进行调用。协调各个子程序之间的关系。主程序主要是设置定时器大的工作模式，对定时器赋初值，开总中断、两个外部中断以及定时器溢出中断。并设置外部中断为脉冲边沿触发方式。其主程序执行流程见图3-1 所示。显示单元清

22、零TR0设为计数器模式允许中断调用显示子程序TR0=0？进入计时程序NY开始图 3-1主程序流程图3.2中断程序设计本方案中用到了三个中断:外部中断0、外部中断1和定时器T0溢出中断。CPU在响应中断时，先处理高级中断，后处理低级中断，若有多个同级中断时，则应按自然优先顺序处理。例如当CPU正在处理一个中断申请时，又出现了另一个优先级比它高的中断请求，这时，CPU就暂停对当前优先级较低的中断源的服务，转去响应优先级比它高的中断请求，并为其服务。待服务结束，再继续执行原来较低级的中断服务程序。而当CPU为级别高的中断服务程序服务时，如果级别低的中断发出中断请求，此时CPU是不会响应的，所以为了避

23、免开始和暂停两个按键中的一个出现没有响应的情况，在进行编程是要注意中断的使用，避免出现中断的嵌套。合理分配中断对本设计是很重要的。（1）外部中断0服务程序外部中断0服务程序结合外部P3.2键实现数字秒表的启动功能。流程如下图3-2所示。图3-2外部中断0服务程序框图（2）外部中断1服务程序外部中断1服务程序结合外部P3.3键实现数字秒表的停止功能。流程图如下图3-3所示。图3-3外部中断1服务程序框图（3）定时器T0中断服务程序当T0=1后，向CPU发出中断请求信号。CPU跳转到定时中断程序执行。当中断次数为1000时为1s。具体流程如下：定时器中断入口重置计数初值 中断次数加1 中断次数等于

24、1000？中断次数清零， 1秒位加1 1秒位到10？1秒位清零，10秒位加110秒位到10？ 10秒位清零中断返回。3.3程序清单#includesbit TR1=P35; unsigned int data table= 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e; /显示码值unsigned int i,j,count;void delay(unsigned int z) /延时程序unsigned int x;for(x=z;x!=0;x-);void ex0() int

25、errupt 0 /外部中断0TR0=1; /开定时器，开始计数void ex1() interrupt 2 /外部中断0TR0=0; /停止计数 void timer0() interrupt 1 /定时器T0溢出中断 TH0=0xfc; /重装计数初值TL0=0x18;count+; /溢出中断次数加一if(count=1000)count=0;i+; /溢出1000次，1s位加一if(i=10)i=0; /1s位到10了，清零，10s位加一j+;if(j=10)j=0; /10s位到10了，清零void main()TMOD=0x01; /设置定时器为模式1TH0=0xfc; TL0=0

26、x18; EA=1; /开中断EX0=1;EX1=1;ET0=1;IT0=1; /设置外部中断位脉冲边沿触发方式 IT1=1; while(1) / 数码显示if(!TR1) count=0; i=0; j=0; TR0=0; P0=0xff; /消除鬼影P2=0x02;P0=tablei;delay(10);P0=0xff;P2=0x01;P0=tablej;delay(10);第四章 系统调试Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，它可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路。该软件的主要特点为：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合的功能，支持目前

27、主流单片机系统的仿真，提供了软件调试的功能，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。在电子领域中起到了很大的作用，它的出现仿真不需要先焊接电路板，可以先仿真调试通过之后再焊接电路，节省了不少在硬件调试上花费的时间。打开已经画好的Proteus DSN文件，双击图中的AT89S52芯片，就弹出一个窗口，在program file项中通过路径选择在keil中生成hex文件，双击选中后确定，这样仿真图中的AT89C52芯片就已经读取了本设计中的hex文件，然后进行仿真。在调试中遇到的问题: 1 本设计电源是采用5V直流电源直接供电，故在硬件

28、电板的焊接中直接采用5V电源供电。2 在对软件电路仿真时，电路的输出电压较低，致使电路软件不能达到预定效果。经过检查，是引脚接错。3 在对各元器件的检查发现，由于硬件电路的焊接过程中的疏忽。个别色环电阻阻值与要求有差别，阻碍了硬件电路的调试，经过仔细核对，排除了这些问题。4 对于电容器露在印制电路板面上多余引脚均需齐根剪去。第五章 总结本设计的数字秒表是由AT89S52单片机、共阳极数码管和控制按键等器件组成的，设有两位计时显示。计时精度能达到1s。系统设计合理，线路简单，性能稳定、程序简单。给出了较为详尽的电路设计方法。本系统以单片机为核心，但仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构

29、，以及针对具体应用对象特点的软硬件结合，以作完善。本系统主要由三章完成，第二章中，主要是硬件电路和其实现的功能，在本次设计中各部分都实现了其功能。在第三章中，主要介绍的是软件实现过程的框图。在第四章中，粗略地介绍了硬件和软件的调试，最终保证系统能够正常运行。通过本次课程设计，我们复习巩固了以前所学的数字电路、单片机原理及接口技术等知识，加深了对各门课程间相互关系的理解，并成功使用了keil、Proteus两款软件，使理论知识系统化、实用化。在整机联调阶段，由于焊接水平有限和部分零件的参数不匹配从而出现了很多问题（LED不显示数字、数字以乱码形式出现等等）。所以我们认为在我们未来的生活或工作当中

30、，无论做什么事情，都要有认真仔细的态度，以免造成不可挽回的损失。同时在课程设计的过程中，我也发现了本系统的许多不足和可以改进的地方，虽然存在不足，但本设计开发的数字秒表仍有一定的使用价值。参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）.北京：北京航空航天大学出版社，20062 赵建领.51系列单片机开发宝典.北京：电子工业出版社，20073 朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，王志奎.Proteus教程-电子线路设计、制版与仿真.北京：清华大学出版社，20084王幸之. AT89系列单片机原理与接口技术. 北京：航空航天大学出版社，20045 李念强. 单片机原理及应用. 北京：机械工业出版社，20076何桥. 单片机原理及应用. 北京：中国铁道出版社，20047胡健. 单片机原理及接口技术实践教程. 北京：机械工业出版社，20058朱宇光. 单片机应用新技术教程. 北京：电子工业出版社，20009刘大茂. 单片机原理及应用. 上海：上海交通大学出版社，200110马家辰. 单片机原理及接口技术. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，200111 李建忠. 单片机原理及应用. 西安：西安电子科技大学出版社，200212 杨将新. 单片机程序设计及应用. 北京：电子工业出版社，200618