基于单片机的多功能电子秒表的设计课程设计说明书.docx
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基于单片机的多功能电子秒表的设计课程设计说明书
课程设计说明书
基于单片机的多功能秒表
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
1设计总体方案
1.1设计要求与目的
设计一个单片机控制的多功能秒表系统，利用单片机的定时器/计时器定时和计数的原理，结合显示电路、用两位共阴极LED数码管以及按键来设计秒表计时器，实现暂停与清零功能，并多次计数。
多功能电子秒表具有现实直观、读取方便、精度高等优点，在计时中广泛使用。
本设计用单片机组成多功能电子秒表，力求结构简单、精度高为目标。
并利用AT89C51单片机的计数原理，使其能准确计数。
将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确的进行加计时，同时数码管能够正确地显示时间。
掌握基本的RS触发器、单稳态触发器、时钟发生器及计数、译码显示等单元电路的综合应用。
1.2设计思路
因为秒表的设计相对较为简单，因此在软件设计中我们一般采用模块化程序设计的方法。
模块式是一个具有独立功能的程序，可以单独设计、调试与管理，模块可以分为功能模块和控制模块两类。
我们通过模块化程序设计可按适当的原则把一个情况复杂、规模较大的程序划分为一个个较小的、功能相关而又相对独立的模块。
每个小的模块完成一个确定的功能，在这些小的模块之间建立必要的联系，互相协作完成整个程序要完成的功能。
它具有有明显的优点，把一个多功能的复杂的程序划分为若干个简单的、功能单一的程序模块，有利于程序的设计和调试，有利于程序的优化和分工，提高了程序的学独行和可靠性，使程序的结构层次一目了然。
其中的模块即为子程序，子程序是功能独立的程序段。
子程序的思想是编写一次，可以重复使用。
子程序的形式可以使一个程序文件，也可以是一个过程函数。
子程序总被其他程序调用而不单独执行，这与主程序相对。
这个主程序也是有多个子程序模块组成，每个子程序模块都要完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，复位、多次计数和显示等，在具体需要调用相应的模块即可。
根据电子秒表的设计要求，主要设计一个计数系统、译码驱动、数码显示系统、控制系统。
其主要核心技术在于产生秒表信号的计数脉冲与计数器之间的级联。
在设计系统前，我们主要考虑以下一些原则：
节约元器件，尽量降低系统实现成本；硬件电路尽量简单，使得硬件实现、问题检查、软件编程以及系统调试的难度都降低；能在软件上实现，不采用软将视线，使芯片利用率尽可能高；软件设计方案要优化，变成尽可能简单，方便仿真与检测；设计方案要和当前的试验平台相应；充分利用各种资源，尽量采用成熟与经典的电路。
1.3工作原理
本系统采用AT89C51单片机为中心器件，利用其定时器/计数器定时和记数的原理，结合硬件电路如电源电路，晶振电路，复位电路，显示电路，以及一些按键电路等来设计计时器，将软、硬件有机地结合起来。
其中软件系统采用汇编语言编写程序，包括显示程序，加减计数程序，快加快减程序，中断，延时程序，按键消抖程序等，并在Keil中调试运行，硬件系统利用强大的功能来实现，简单切易于观察。
图1-1系统电路原理
1.4功能简介
（1）开机后，对单片机进行楚书画，然后对按钮进行扫描。
（2）设置按钮为了方便起见，我们设计了一个红色的指示灯，当灯不亮的时候，开始工作。
（3）开始按钮是用来多次计数的，能连续多次技术。
（4）停止按键用来暂停程序的运行，当按下暂停键时，程序停留在原地，等待再次按下暂停键，再次按下暂停键后，程序继续运行。
（4）技术按钮用来记录数据，每按下一次计数按钮，程序自动记录一个数据，并存放到指定内存单元中，当按下四次以后，程序自动停止。
2系统硬件设计
本系统中，硬件电路主要有电源电路，晶振电路，复位电路，显示电路，以及一些按键电路等
2.1电源电路
电源电路是指提供给用电设备电力供应的电源部分的电路设计，使用的电路形式和特点。
电源有交流电源也有直流电源。
电路的大小，可以相差很大，小到硅片上的集成电路，大到高低压输电网。
电源电路分类：
一般可分为开关电源电路，稳压电源电路，稳流电源电路，功率电源电路，逆变电源电路，DC-DC电源电路，保护电源电路等。
电源电路是系统最基本的部分，任何电路都离不开电源部分，由于三端集成稳压器件所组成的稳压电源线路简单，性能稳定，工作可靠，调整方便，已逐渐取代分立元件，在生产中被广泛采用，由于是小系统，我们采用7809电源提供+5V稳压电压。
2.2晶体振荡电路
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：
从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加IC组成振荡电路的。
晶体元件称为晶体振荡器。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
MCS--51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入和来自反向振荡器的输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。
这里，我们选用51单片机12MHZ的内部振荡方式，电路如下：
电容器C1，C2起稳定振荡频率，快速起振的作用，C1和C2可在20-100PF之间取,这里取30P，接线时要使晶体振荡器X1尽可能接近单片机。
图2.2晶体振荡电路
2.3复位电路
采用上电+按键复位电路，上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。
当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使用使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电加开关复位的操作。
这不仅能使单片机复位，而且还能使单片机的外围芯片也同时复位。
当程序出现错误时，可以随时使电路复位。
其电路图如图2-3所示。
图2-3复位电路
2.4显示电路
我们采用的是数码管显示电路。
用2个共阳极LED显示，LED是七段式显示器，内部有7个条形发光二极管和1个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。
在用数码管显示时，我们有静态和动态两种选择，静态显示程序简单，显示稳定，但是占用端口比较多；动态显示所使用的端口比较少，可以节省单片机的I/O口。
在设计中，我们采用LED动态显示，用P0口驱动显示。
由于P0口的输出级是开漏电路，用它驱动时需要外接上拉电阻才能输出高电平。
其电路图如图2-4所示。
2.5键盘电路
键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。
一般单片机系统中采和非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。
按钮开关的抖动问题组成键盘的按钮有触点式和非触点式两种，单片机中应用的一般是由机械触点组成的。
开关S未被按下时，P1.0输入为高电平，S闭合后，P1.0输入为低电平。
由于按钮是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动，
图2-4显示电路
这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对计算机来说，则是完全能感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这已是一个“漫长”的时间了。
前面我们讲到中断时曾有个问题，就是说按钮有时灵，有时不灵，其实就是这个原因，你只按了一次按钮，可是计算机却已执行了多次中断的过程，如果执行的次数正好是奇数次，那么结果正如你所料，如果执行的次数是偶数次，那就不对了。
为使CPU能正确地读出P1口的状态，对每一次按钮只作一次响应，就必须考虑如何去除抖动，常用的去抖动的办法有两种：
硬件办法和软件办法。
单片机中常用软件法，因此，对于硬件办法我们不介绍。
软件法其实很简单，就是在单片机获得，如果仍为低，说明S1的确按下了，这实际上是避开了按钮按下时的抖动时间。
而在检测到按钮释放后（P1.0为高）再延时5～10个毫秒，消除后沿的抖动，然后再对键值处理。
不过一般情况下，我们常常不对按钮释放的后沿进行处理，实践证明，也能满足一定的要求。
当然，实际应用中，对按钮的要求也是千差万别，要根据不一样的需要来编制处理程序，但以上是消除键抖动的原则。
图2-5键盘连接
第3章软件设计
3.1软件设计概述
在软件设计中，一般采用模块化的程序设计方法，它具有明显的优点。
把一个多功能的复杂的程序划分为若干个简单的、功能单一的程序模块，有利于程序的设计和调试，提高了程序的阅读性和可靠性，使程序的结构层次一目了然。
软件设计的任务是从软件需求规格说明书出发，根据需求分析阶段确定的功能设计软件系统的整体结构、划分功能模块、确定每个模块的实现算法以及编写具体的代码，形成软件的具体设计方案。
各程序模块都要完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，如：
加计数、减计数、延时、快加、快减，计数和显示等，在具体需要时调用相应的模块即可。
功能描述：
用2位LED数码显示“秒表”，显示时间为00～99秒，每秒自动加1，具有开始、复位、暂停、快加、快减、上翻、下翻按键，可同时记录四个相对独立的时间；一个“上翻”键，一个“下翻”键，查看四个不同的计时值。
3.2程序流程图
（1）主程序
采用分支结构，通过对按键的扫描，判断要实现什么功能，然后通过调用子程序来实现所需要的功能，如图3-2所示：
（2）定时器1程序
用定时器0实现定时1秒，定时器1实现定时10毫秒，定时初值都是0D8F0H，这里只写定时1秒的流程图，如图3-3所示。
图3-2加1程序流程图
图3-3定时1秒流程图
3.3子程序模块设计
（1）停止子程序
按键后，使秒表停止，即关闭定时器0，1，程序如下：
STOP:
CLRTR0
CLRTR1；关闭定时器0，1
ACALLDISP；显示
（2）暂停记录子程序
按键结束后，将此时显示内存中的数送寄存器中保存，并通过条件转移指令判断是否存够4个数，若存够则停止，否则继续。
JILU:
MOVA,20H
MOV@R1,A
INCR1
DJNZ50H,HERE；是否够四个数？
MOVR1,#71H
MOV50H,#04H
MOV51H,#04H
SJMPSTOP；够4个数停止
（3）加1子程序
此程序只为简单的加1，并判断是否到100？
到则从0开始，否则继续，另外将显示内存中的数个位十位分开，以便于动态显示。
JIA1:
MOVA,20H;
CLRC
INCA
CJNEA,#100,GO1；是否加到100？
MOV20H,#00H
RET
GO1:
MOV20H,A；将个位十位分开显示
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV31H,A
MOV30H,B
RET
（4）显示子程序，采用动态显示
DISP:
MOVR0,#30H
MOVR3,#0FEH
MOVA,R3
PLAY:
MOVP2,A
MOVA,@R0
MOVDPTR,#DSEG1
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLDL1
MOVP2,#0FFH
MOVA,R3
RLA
JNBACC.2,LD1
INCR0
MOVR3,A
LJMPPLAY
LD1:
RET
DL1:
MOVR7,#05H
DL:
MOVR6,#0FFH
DL6:
DJNZR6,$
DJNZR7,DL
RET
（5）延时子程序
例如延时10ms程序：
DELAY10:
MOVR4,#14H
DL00:
MOVR5,#0FFH
DL11:
DJNZR5,DL11
DJNZR4,DL00
RET
（6）按键消抖程序
延时10ms再次判断该位的状态，若仍是0则说明该键被按下，弹起后去执行该按键功能；若为1，则说明是抖动则继续向下判断。
L1:
JBP1.1,L2;P1.1=0，快减
第4章系统调试及结果分析
由于整个电路系统是由多个小模块构成，因此在对整个系统调试之前，应先对各个小模块进行调试。
因整个系统都是数字电路，因此可以用ISIS仿真软件来对其进行调试。
4.1基于RS触发器的调试
基于RS触发器是由集成与非门构成，可以根据其功能进行调试。
由基于RS触发器的功能表可以看出，基于RS触发器属于低于电平触发。
当输入端R、S分别为“1”、“0”时，输出端Q1、Q2就分别为“0”、“1”；当输入端R、S分别为“0”、“1”时，输出端Q1、Q2就分别为“1”、“0”；当输入端R、S都为“1”时，输出端Q1、Q2保持不变。
通过ISIS仿真软件，这些情况都能进行测试。
当基本RS触发器正常工作时，在触发器的各输入或输出端都能用红色的小点（代表高电平“1”）、绿色的小店（代表低电平“0”）来显示，这样就能直观的测试基本RS触发器的工作是否正常。
4.2电子秒表的整体调试
各单元模块调试正常后，按方案的链接方式将各模块的实际电路在ISIS软件上连接起来，进行电子秒表的总体调试，先按一下按钮开关，S2，此时电子秒表不工作，再按一下按钮开关S1，则计数器清零后开始计时，观察数码管显示计数情况是否正常，如不需要计时或暂停时，按一下开关S1，则计时立即停止，但数码管保留所计时之值。
对于电子秒表的准确精度，可以利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行测试。
4.3系统的功能
本次实际的电子秒表系统是用于测量较短而且较精准的时间，它具体有以下一些功能：
整个系统由两个开关（S1、S2）控制。
系统在应之前能清零，即电子秒表开始计时之前，闲事情应显示零。
如果不需要计时或需要中途暂停计时，则表表能及时停止计时，但能保留停止计时之前所计的时间。
电子表表的计时范围在：
0S到9.99S之间。
4.4系统的结果
用PROTEUS将编译生成的秒表.HEX文件下到单片机中，点击运行按相应的操作键即可看到如图4-1所示的效果：
图4-1仿真图
经proteus软件仿真后，系统运行良好，结果正确。
结论
经过一个星期的课程设计，过程曲折可谓一语难尽。
在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。
从开始时激情高涨到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无穷。
在老师的指导下，我顺利完成了课程设计。
让我学到了以下几点：
1、将学习的理论知识通过实验融会贯通，让我对它的理解更加深刻。
对程序的编译过程了解透彻。
2、本次课程设计以自己设计为主，因此培养了学习的积极性，让我能够独立去分析问题、发现问题、解决问题，更增强我与老师同学交流沟通和合作完成任务的能力。
3、由于这次课程设计不仅设计编程方面的知识，还涉及了其它学科的知识，例如PROTEUS和Keil等的基本知识。
程序是用汇编语言来编写的，这次课程设计让我在编程能力方面得到了提高。
4、由于水平有限，实验程序运行有一定的限制，以后会加强改进。
总之，通过这次课程设计，不仅加深了我对单片机理论方面的理解，将理论更好的运用的实践方面，而且锻炼了我们各方面的能力，培养了坚强的毅力和做事的耐心和细心，认识合作的重要性，虽然程序可能有一定的浪费资源，且较罗嗦，但这需要在实践中慢慢提高，还希望老师能够多多指导，促进我不断的进步。
最后再一次感谢刘老师对我的悉心指导和无私帮助。
根据实验要求，本次课设基本完成了设计要求，由于秒表系统并不一定仅仅局限于计时，定时等功能，还可以进行多项的扩展，可以利用AT89C51强大的扩展功能，进一步丰富秒表的功能,例如可设定计时时间，倒计时等等众多功能。
单片机以其强大的功能和良好的兼容性可以更好的为我们服务，通过查阅各种资料，多了解一些单片机的有关知识，可以为以后的工作和学习生活创造更多的便利条件。
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