基于51单片机计时器设计与实现.docx

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基于51单片机计时器设计与实现

摘要

近年来,随着单片机档次的不断提高,功能的不断完善,其应用日趋成熟,应用领域日趋扩大,特别是工业测控、尖端武器和日用家电等领域更是因为有了单片机而生辉增色.单片机应用技术已成为一项新的工程应用技术.本毕业设计正是以AT89S51单片机为中心设计的篮球比赛计时器。

虽然篮球比赛计时器电路功能比较简单,但是设计它的意义在于能使学生将所学到的知识综合应用,提高动手实践能力.

本电路主要由五个模块构成：

秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路。

七段共阴LED数码管构成计时显示电路,具有计时器直控制电路直接控制计数器启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示等功能。

当控制电路的置数开关闭合时，在数码管上显示数字24，每当一个秒脉信号输入到计数器时，数码管上的数字就会自动减1，当计时器递减到零时，报警电路发出光电报警信号。

关键词：

单片机AT89C51共阴极LED数码显示器显示电路控制电路报警电路

Abstract

Summaryinrecentyears,assingletabletsmachinegradeofconstantlyimprove,functionofconstantlyperfect,itsapplicationincreasinglymature,applicationareaincreasinglyexpanded,especiallyindustrialmeasurementandcontrol,andtipweaponsanddailyappliances,areamoreisbecausehashassingletabletsmachineandhealthfaicolour.singletabletsmachinetechnologyhasbecameaitemsnewofengineeringtechnology.ThisgraduateddesignistoAT89S51singletabletsmachineforCenterdesignofbasketballcompetitiontimingdevice.Whilethetimercircuitfeaturesthebasketballgameisrelativelysimple,butitssignificanceisdesignedtoenablestudentstolearntheknowledgeofintegratedapplications,enhancethehands-onability.

Thiscircuitismainlymadeupoffivemodules:

pulsegenerators,counters,displaydecodingcircuit,controlcircuitandalarmcircuits.ConstituteatimeofsevenYamLEDdigitaltubedisplaycircuits,directcontrolwithtimercontrolcircuit,pause/continuouscounterstartscountingfeaturessuchasdisplayofthecount,displaydecodingcircuit.Whenthenumberoftheresetcontrolcircuitwhentheswitchisclosed,inthedigitaldisplaysonDigital24,wheneverthepulseinputsignaltoasecondcounter,digitalCanalDigitalisautomaticallyreducedon1,whenthetimerdecrementsto0o'clock,alarmcircuitofopticalalarmsignalwasissued.

Keywords：

AT89S51single-chipmicrocomputerAltogethercathodeLEDdigitaldisplaydisplaydecodingcircuitcontrolcircuitalarmcircuit

1.2单片机概述.....................................................

1.2.1单片机简介..................................................

1.2.2单片机的特点...............................................

1.2.3单片机的应用领域...........................................

1.2.4单片机的发展趋势...........................................

1.2.5单片机的主要生产厂家和机型..................................

3.1设计简介.......................................................

3.2设计原理....................................................

3.3系统的硬件构成........................................

3.3.1系统电路组成..............................................

3.3.2系统电路的设计...........................................

3.3.3系统电路的工作原理....................................

3.3.4赛程时间的启/停设置.....................................

3.5各功能模块介绍.......

3.5.1AT89S51芯片

3.5.2AT89S51芯片内部结构简介

3.5.3主要引脚功能

3.5.4AT89S51的最小系统

a．LED数码管知识简介

b．LED结构与原理

3.6硬件的焊接

3.6.1硬件的焊接

3.6.2电路板的检查和故障排除

4.1.1汇编语言简介

4.1.4总结

4.3protel99简介

结论

第一章绪论

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

单片机模块中最常见的是数字钟，数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

数字钟是采用数字电路实现对时,分,秒。

数字显示的计时装置,广泛用于比赛,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。

单片机数字时钟是以单片机为核心，在它的基础上设计出来的数字时钟数字钟。

在日常生活中最常见，应用也最广泛。

近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

1.1课题背景

在电子技术飞速发展的今天，电子产品的人性化和智能化已经非常成熟，其发展前景仍然不可估量。

如今的人们需求的是一种能给自己带来方便的电子产品，当然最好是人性化和智能化的，如何能做到智能化呢？

单片机的引入就是一个很好的例子。

单片机又称单片微型计算机，也称为微控制器，是微型计算机的一个重要分支，单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU，RAM，ROM，I/O接口和中断系统于同一硅片上的器件。

单片机的诞生标志着计算机正式形成了通过计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。

目前单片机已渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

单片机已在广阔的计算机应用领域中表现得淋漓尽致。

因此，单片机已成为电子类工作者必须掌握的专业技术之一。

单片机就是一个微型中央处理器，通过编程即能完成很多智能化的工作，因此它的出现给电子技术智能化和微型化起到了很大的推动作用。

随着人们生活水平的提高，社会经济的发展，人们开始考虑精神生活的享受，并开始注重身体素质的提高。

开始举办一些小型的篮球比赛。

这就需要裁判有一个公正的判罚，以保证比赛的顺利进行。

这就需要有一个专门计时的工具。

所以我就设计了一个篮球比赛计时器。

设计简单，耗费少，容易制作。

可用于街头篮球比赛和校园篮球比赛。

花很少的钱就可以得到一个实用的篮球比赛计时器。

本次设计注重对单片机工作原理以及键盘控制及显示原理的理解，以便今后自己在单片机领域的学习和开发打下基础，提高自己的动手能力和设计能力，培养创新能力，丰富自己的理论知识，做到理论和实践相结合。

本次设计的重要意义还在于对单片机的内部结构和工作状态做更进一步的了解，同时还对单片机的接口技术，中断技术，存储方式和控制方式作更深层次的了解。

此次设计更进一步了解基本电路的设计流程，提高自己的设计理念，丰富自己的理论知识，巩固所学知识，使自己的动手动脑能力有更进一步提高，为自己今后的学习和工作打好基础，为自己的专业技能打好基础。

1.2单片机概述

单片机全称单片微型计算机，又称为微控制器或嵌入式控制器。

它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常内还有CPU、ROM、RAM、并行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。

单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。

1.2.1单片机简介

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块音芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。

不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。

这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。

软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。

开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源。

要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。

单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。

1.2.2单片机的特点

单片机与通用微机相比，在结构，指令设置上均用独到之处，其主要特点如下：

单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的，ROM称为程序存储器，只存放程序，固定常数以及数据表格，RAM则为数据存储器，用作工作区以及存放用户数据，这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储空间，把开发成功的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中，这样小容量的数据存储器能以高速RAM形成集成在单片机内，以加速单片机的执行速度，但单片机内的RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速缓冲存储器（CACHE）使用。

采用面向控制的指令系统，为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。

单片机的I/O引脚通常是多功能的，由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。

单片机的外部扩展能力强，在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展（如扩展ROM，RAM，I/O接口，定时器/计数器，中断系统等），与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。

1.2.3单片机的应用领域

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制领域，大致可分如下几个范畴：

1.在智能仪器仪表上的应用：

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（功率计、示波器、各种分析仪）。

2.在工业控制中的应用：

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理、电梯的智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

3.在家用电器中的应用：

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子称量设备，五花八门，无所不在。

4.在计算机网络和通信领域中的应用：

现代的单片机普遍具备通信接口，可以方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。

5.单片机在医用设备领域中的应用：

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼叫机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

单片机应用领域汇总：

⒈用图象传感器测量线才系统。

⒉卫星电视的串口模拟SPI、I2C的应用，如雷达录取的数据传送。

⒊直接与AD芯片配合进行各种数据传感器配合。

⒋利用单片机与PC机的232通讯进行控制，单片机为控制对象。

⒌通过IC卡、单片机、PC机构成的各种收费系统。

⒍通过单片机控制各种步进电机完成工控任务系统

⒎通过单片机控制各种电慈设备完成工控任务系统（如程控交换系统）。

⒏可应用在电机的变频技术上的控制领域中。

⒐各种测量工具如水位尺，它在水文上的应用很普及。

⒑大型指针钟控制器，主要根据时间控制电机带动指针。

⒒电子配料控制仪，基于小型生产的自动或半自动控制，如控制上料、搅拌等。

⒓用定时器和捕获功能进行某一系统的检测。

可提供报警、控制等。

如水位控制、温度控制，全自动洗衣机等。

⒔电子称重计。

⒕教学用仪器、医疗仪器。

⒖由单片机构成的霓虹灯控制器。

⒗在刚的热处理中采用热磁仪测量。

⒘各种金属探伤仪器。

⒙矿山生产智能监测仪。

⒚煤矿的产煤计数器。

20.汽车安全系统。

21.智能玩具。

22.用超声波测量江河水位。

23.交流电监测仪。

24.消防系统报警监测仪。

25.各类水表、电表。

总之，单片机技术使用范围广，在各种仪器仪表生产单位、石油、化工，纺织、机械的加工等各个行业中都有广泛的应用。

1.2.4单片机的发展趋势

现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界各大芯片制造公司推出了自己的单片机，从8位，16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应有提供广阔的天地。

1.低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。

像80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。

CMOS虽然功耗较低，但于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速度和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应有场合。

所以这种工艺是今后一段时期单片机发展的主要途径。

2.微型单片机

现在常规的单片机普遍都是中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、ＷＤＴ（看门狗）、有些单片机将ＬＣＤ（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机。

此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积小。

现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝着微型化方向发展。

1.2.5单片机的主要生产厂家和机型

目前世界是较为著名的部分单片机的生产厂家及其种类和特点：

ATMEL公司的AVR单片机,是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便.AVR单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力.AVR单片机工作电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化.AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域。

Motorola单片机:

Motorola是世界上最大的单片机厂商.从M6800开始,开发了广泛的品种,4位,8位,16位32位的单片机都能生产,其中典型的代表有:

8位机M6805,M68HC05系列,8位增强型M68HC11,M68HC12,16位机M68HC16,32位机M683XX.Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境。

MicroChip单片机:

MicroChip单片机的主要产品是PIC16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,分别仅有33,35,58条指令,采用Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。

适用于用量大,档次低,价格敏感的产品。

在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用,PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高，发展非常迅速。

MDT20XX系列单片机:

工业级OTP单片机,Micon公司生产,与PIC单片机管脚完全一致,海尔集团的电冰箱控制器,TCL通信产品,长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机

EM78系列OTP型单片机:

台湾义隆电子股份有限公司,直接替代PIC16CXX,管脚兼容,软件可转换。

Scenix单片机:

Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel的PentiumII等一起被<>评选为1998年世界十大处理器。

在技术上有其独到之处:

SX系列双时钟设置,指令运行速度可达50/75/100MIPS（每秒执行百万条指令,XXXMInstructionPerSecond）;具有虚拟外设功能,柔性化I/O端口,所有的I/O端口都可单独编程设定,公司提供各种I/O的库函数,用于实现各种I/O模块的功能,如多路UART,多路A/D,PWM,SPI,DTMF,FS,LCD驱动等等。

采用EEPROM/FLASH程序存储器,可以实现在线系统编程.通过计算机RS232C接口,采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。

EPSON单片机:

EPSON单片机以低电压,低功耗和内置LCD驱动器特点著名于世,尤其是LCD驱动部分做得很好。

广泛用于工业控制,医疗设备,家用电器,仪器仪表,通信设备和手持式消费类产品等领域。

目前EPSON已推出四位单片机SMC62系列,SMC63系列,SMC60系列和八位单片机SMC88系列。

东芝单片机:

东芝单片机门类齐全,4位机在家电领域有很大市场,8位机主要有870系列,90系列,该类单片机允许使用慢模式,采用32K时钟时功耗降至10UA数量级。

东芝的32位单片机采用MIPS3000ARISC的CPU结构,面向VCD,数字相机,图像处理等市场。

8051单片机:

8051单片机最早由Intel公司推出,其后,多家公司购买了8051的内核,使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛,有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

LG公司生产的GMS90系列单片机,与IntelMCS-51系列,Atmel89C51/52,89C2051等单片机兼容,CMOS技术,高达40MHZ的时钟频率,应用于:

多功能电话,智能传感器,电度表,工业控制,防盗报警装置,各种计费器,各种IC卡装置,DVD,VCD,CD-ROM。

华邦单片机:

华邦公司的W77,W78系列8位单片机的脚位和指令集与8051兼容,但每个指令周期只需要4个时钟周期,速度提高了三倍,工作频率最高可达40MHz.同时增加了WatchDogTimer,6组外部中断源,2组UART,2组Datapointer及Waitstatecontrolpin.W741系列的4位单片机带液晶驱动,在线烧录,保密性高,低操作电压（1.2V~1.8V）。

第一章单片机篮球比赛计时器的系统总体设计

2.1设计要求

1.了解AT89S51工作原理，画出电路原理图。

2.写出完整的设计任务书：

课题的名称、系统的功能、硬件原理图、软件框图、程序清单、参考资料。

3．12分钟计时器具有显示12分钟的计时功能。

4．系统设置外部