基于单片机的秒表系统的设计.docx
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1
编号：
8
本科毕业设计
基于单片机的秒表系统设计
系（院）：
信息工程学院姓 名：
学 号：
专 业：
通信工程
年 级：
2008级指导教师：
职 称：
副教授
完成日期：
2012年5月
摘要
当今时代，是一个新技术层出不穷的时代。
在电子领域，尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。
单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。
单片机的出现是现代科技发展的一个重要的里程碑。
由于单片机的集成度高、功能强，通用性好，特别是它具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜等优点，使单片机迅速得到推广应用，目前已成为测量控制应用系统中的优选机种和新电子产品的关键部件。
本设计是一个利用单片机控制的多功能秒表系统，它是基于51系列的单片机进行的系统设计。
它采用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，结合显示电路、电源电路、LED数码管以及键盘电路来设计计时器。
将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够实现四位LED显示，最大显示时间为59.9秒，每毫秒自动加1，一个开始按键、一个暂停按键、一个复位按键，其突出的优点是:
体积小、场外作业、功耗最低、宜用电池作为电源、硬件结构紧凑、简单和软件设计灵活。
最后通过仿真调试，在proteus环境下建立了仿真模型，仿真结果表明本设计是正确的。
关键词：
单片机；秒表；时钟电路；系统设计
I
Abstract
Inthepresentera,isanewtechnologyemergeinanendlessstreamtime.Inthefieldofelectronics,especiallytheintelligentautomaticcontrolfield,thetraditionaldiscretecomponentsordigitallogiccircuitofthecontrolsystemisatanunprecedentedpacewasreplacedbyintelligentcontrolsystem.SCMhastheadvantagesofsmallvolume,strongfunction,lowcost,wideapplicationrangeandotheradvantages,cansay,intelligentcontrolandautomationisthecoreofscm.SCMistheemergenceofmodernscienceandtechnologydevelopmentofanimportantmilepost.Asthesingle-chiphighintegration,strongfunction,goodversatility,especiallyithastheadvantagesofsmallvolume,lightweight,lowenergyconsumption,lowprice,thesinglechipmicrocomputerrapidlyspreading,hasnowbecomethemeasurementcontrolintheapplicationsystemofoptimizationmodelsandthenewelectronicproductkeyparts.
Thisdesignistheuseofasinglechipcomputercontrolledmulti-functionstopwatchsystem,whichisbasedonthe51seriessingle-chipsystemdesign.ItusesAT89C51microcontrollerasthecenterdevice,usethetimer/countertimingandcountingprinciples,combinedwithdisplaycircuit,powersupplycircuit,LEDdigitaltubeandakeyboardcircuittodesignthetimer.Thesoft,hardwarecombination,sothatthesystemcanachievefourLEDdisplay,maximumdisplaytimeis59.9seconds,eachMSadd1,astartbutton,apausebutton,aresetbutton,theutilitymodelhastheadvantagesofsmallvolume,off-siteoperations:
lowestpowerconsumption,tousethebatteryasapower,compacthardwarestructure,simpleandflexiblesoftwaredesign.Finallythroughthesimulationdebugging,intheProteusenvironmenttoestablishthesimulationmodel,thesimulationresultsshowthatthedesigniscorrect.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;stopwatchclockcircuit;systemdesign
目
录
1绪论 1
1.1设计意义及主要思路 1
1.2单片机在中国的发展 2
1.3单片机秒表系统设计目的 2
2系统总体方案及硬件设计 3
2.1系统总体方案 3
2.2设计思路 3
2.3设计要求 4
2.4AT89C51单片机简介 4
2.4.1主要性能 5
2.4.2引脚功能说明 5
2.5硬件电路设计 6
2.5.1时钟电路与复位电路 6
2.5.2硬件电路设计 7
2.5.3显示电路 8
2.5.4键盘电路 9
3软件设计 10
3.1程序设计 10
3.1.1程序流程图 10
3.1.2定时中断 11
3.2程序 11
3.3子程序模块设计 11
4系统调试与仿真 13
4.1仿真软件简介 13
4.1.1Proteus简介 13
4.1.2keil简介 14
III
4.2仿真调试 15
5总结 18
参考文献 19
致谢 20
绪论
1绪论
1.1设计意义及主要思路
当今时代，是一个新技术层出不穷的时代。
在电子领域，尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。
单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。
单片机的出现是现代科技发展的一个重要的里程碑。
由于单片机的集成度高、功能强，通用性好，特别是它具有体积下、重量轻、能耗低、价格便宜等优点，使单片机迅速得到推广应用，目前已成为测量控制应用系统中的优选机种和新电子产品的关键部件。
随着科学技术的发展和现代生产力的提高，各种竞技体育都在追求更高，更快，更强，而唯有精确的时钟才能反应出竞技体育的准度与精度。
数字化给人们的生产和生活带来了极大的方便，它几乎取代了传统的机械时钟，使得其准确度更高、实用性更强。
单片机又称单片微控制器，就是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
它完整地包含了计算机内部的CPU（运算器、控制器）、程序存储器（相当于计算机的硬盘）、数据存储器（相当于计算机的内存）、输入输出端口等。
虽然它的运算速度无法和计算机相比，但在一些实际的控制应用场合已经足够使用了。
而且它的价格很便宜，启动速度快（2μS），运行稳定，而且型号齐全，能够适应各种要求，所以广泛应用在民用电器和工业生产中，如洗衣机、电饭煲、微波炉、豆浆机、热水器、电冰箱、手机、电视机等，还有很多能够适合恶劣环境的的单片机在工业生产中用于过程控制。
用AT89C51设计一个秒表，该秒表可显示0.0~59.9秒的时间，进行相应的单片机硬件电路的设计并进行软件编程利用单片机定时器/计数器中断设计秒表，从而实现秒、十分之一秒的计时。
综合运用所学的《单片机原理及应用》理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用系统的能力。
通过本次系统设计加深对单片机掌握定时器、外部中断的设置和编程原理的全面认识复习和掌握。
本设计系统利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，采用proteus仿真软件来模拟实现。
模拟利用AT89C51单片机、LED数码管以及控件来控制秒表的计数以及计位。
其中有三位数码管用来显示数据，显示秒（两位）和十分之一秒，十分之一秒的数码管计数从0~9，满十进一后显示秒的数码管的数字加一，并且十
1
分之一秒显示清零重新从零计数。
计秒数码管采用三位的数码管，当计数超过范围是所有数码管全部清零重新计数。
本设计是一个利用单片机控制的多功能秒表系统，它是基于51系列的单片机进行的系统设计。
它采用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，结合显示电路、电源电路、LED数码管以及键盘电路来设计计时器。
将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够实现四位LED显示，最大显示时间为59.9秒，每毫秒自动加1，有开始、暂停、复位按键。
其突出的优点是：
体积小、场外作业、功耗最低、宜用电池作为电源、硬件结构紧凑、简单和软件设计灵活。
1.2单片机在中国的发展
中国使用单片机的历史只有短短的30年，在初始的短短五年时间里，发展极为迅速。
纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。
在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。
这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。
所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。
据统计，我国的单片机年容量已达3亿片，且每年以大约20%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。
特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。
所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。
1.3单片机秒表系统设计目的
（1）利用单片机定时器/计数器中断设计秒表，从而实现秒、十分之一秒的计时。
（2）综合运用所学的《单片机原理与应用》理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用系统的能力。
（3）通过本次系统设计加深对单片机掌握定时器、外部中断的设置和编程原理的全面认识复习和掌握，对单片机实际的应用作进一步的了解。
绪论
（4）通过本次系统设计，增强自己的动手能力。
认识单片机在日常生活中的应用的广泛性，实用性。
3
2系统总体方案及硬件设计
2.1系统总体方案
键盘电路
显示电路
复位电路
晶振电路
单
片
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，如图2-1所示，结合硬件电路如复位电路，晶振电路，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，计数程序，中断，硬件系统利用PROTEUS强大的功能来实现，简单且易于观察，在仿真中就可以观察到实际的工作状态。
机
图2-1系统电路原理图
2.2设计思路
这次的试验要求进行计时并且在数码管上显示时间，先要基本了解硬件内在结构，确定用P2并行端口进行数码管控制输入，使用P1.6，P1.5，P1.4进行选择
0.1秒位，秒位，十位秒位，以P3.0为开始控制，P3.1为停止控制，P3.2为清零控制。
本次实验设计的基本思路是要求借助AT89C51单片机做出一个0-59.9s的秒表从十位秒到0.1位秒数这些计时的位数是存在一个内嵌的结构，就是0.1秒位满足条件然后进行跳位使秒位加一的过程，当0.1s到0.9s时该位自动清零并且秒位加一，秒位达到9时也自动清零并向十秒位加一。
当计数超过范围是所有数码管全部清零重新计数。
其次开始控制，停止控制，清零控制等功能，我们采用喇叭进行提示，该信号由P1.0输出由7406非门与外加电源驱动，通过一个延时子程序加以控
系统总体方案及硬件设计
制。
最后就是根据硬件的条件进行编程，要求软硬件相互兼容。
这也是设计的关键之处。
因此需查阅相关书籍。
2.3设计要求
本设计是基于单片机的秒表系统设计，它的具体要求有以下几点：
（1）用单片机AT89C51实现；
（2）以0.1秒为最小单位进行显示；
（3）秒表量程为0.0-59.9秒，用LED显示；
（4）有清零、开始、停止功能、每到一秒有声音提示。
2.4AT89C51单片机简介
AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器
（FPEROM-FlashProgrammableandEraseableReadOnlyMemory）的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与89C51引脚和指令系统完全兼容。
引脚如图2-2所示。
图2-2单片机引脚分布图
图2-2所示的单片机是引脚双列直插封装方式，电源引脚40脚与接地脚
20。
P0口作输入口使用时，应先向锁存器写入1。
P1口是一个带有内部上拉电阻的
8位双向I/O端口。
P1的输出缓存可驱动4个TTL输入。
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3口也是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，
5
P3端口还用于一些复用功能。
AT89C51单片机主要由下面几个部分组成：
1个8位中央处理单元（CPU）、片内
Flash存储器、片内RAM、4个8位的双向可寻址I/O口、1个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行接口、2个16位的定时器/计数器、多个优先级的嵌套中断结构，以及一个片内振荡器和时钟电路。
在AT89C51单片机结构中，最显著的特点是内部含有Flash存储器，而在其他方面的结构，则和Inter公司的8051的结构没有太大的区别。
2.4.1主要性能
（1）与MCS-51兼容。
（2）4K字节可编程闪烁存储器。
寿命：
1000次写/擦循环；数据保留时间：
10年。
（3）全静态工作：
0Hz-24Hz。
（4）三级程序存储器锁定。
（5）128*8位内部RAM。
（6）32可编程I/O线。
（7）两个16位定时器/计数器。
（8）6个中断源。
（9）可编程串行通道。
（10）片内振荡器和时钟电路。
2.4.2引脚功能说明
VCC：
供电电压。
VSS：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。
当
P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当
FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
系统总体方案及硬件设计
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时
间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加
12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出
2.5硬件电路设计
2.5.1时钟电路与复位电路
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，利用12分频的晶振的一个机器周期为一微妙，通过循环延时产生0.1秒的延时，电容器C1、C2起稳定振荡频
7
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。
晶振电路原理及单片机复位电路图如图2-3所示。
图2-3时钟与复位电路图
单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，89C51片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端，89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：
内部振荡方式与外部振荡方式。
外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器就行。
对于复位操作，我们采用手动复位，通过按钮开关使单片机进入复位状态，这是单片机能否正常工作的关键。
2.5.2硬件电路设计
使用proteus软件设计的硬件电路包含了三个功能控制键和一个单片机复位按钮及蜂鸣器控制开关。
具体如图2-4所示。
时钟电路与复位电路已在前边介绍，在此主要介绍端口电路，对于外显电路的设计我们采用四位数码管，事实上根据要求只用到三位，我们利用P1.4、P1.5、P1.6
对数码管进行位选。
对于按钮开关电路，我们利用P3.0、P3.1、P3.2分别作为开始、停止及清零功能的电路接口。
对于声音提示我们采用喇叭装置，信号由P1.0口接入经过非门和驱动电源构成。
系统总体方案及硬件设计
图2-4硬件电路连接图
2.5.3显示电路
显示电路既可以选用液晶显示器，也可以选用数码管显示。
我们采用的是数码管显示电路。
用4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。
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图2-5显示电路图
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。
电路图如2-5所示。
图2-6发声电路
此外，为更好的让秒表读秒计数，显示电路还加了一个发声装置，图中喇叭会在每一秒响一次，每十秒停响一次。
电路如图2-6所示。
2.5.4键盘电路
在按键电路中，我们可以在I/O口上直接接按键，或者通过I/O口设计一个键盘，然后通过键盘扫描程序判断是否有键按下等。
键盘扫描电路节省I/O口，但编程有些复杂，在这里，由于我们所用的按键较少，且系统是一个小系统，有足够的
I/O口可以使用，为了使程序简化，我们采用按键电路，用部分P3口做开关，P3.0
启动，P3.1暂停，P3.2清零，电路图如2-7所示。
图2-7键盘电路图
软件设计
3软件设计
3.1程序设计
3.1.1程序流程图
根据设计内容，可做出主程序流程图如图3-1所示。
开始
Y
N
有进位吗？
Y
有暂停指令吗？
N
Y
Y
有清零指令吗？
N
有进位吗？
N
Y
有进位吗？
N
0.1秒位加一
声音提示
十秒位加一
初始化
秒位加一
图3-1主程序流程图
11
程序处理（分秒、秒自动增加）
流程图体现着设计程序的思路程序，开始后首先进行
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