我们的秒表方案设计

前言单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，就是把中央处理器、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等部件集成在一个芯片上[1]。单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。单片机具有体积小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点[2]。因此，它应用广泛前景美好，它的实用性大大地提高了我对实训设计的兴趣。在我国，单片机的开发应用已有15年左右，已经形成一支庞大的技术开发队伍，为我国单片机应用积累了丰富的经验。随着电子技术、计算机芯片技术和微电子技术的飞速发展促进了单片机技术一日千里的变化[3]。随着半导体技术的飞速发展，以及移动通信、网络技术、多媒体技术在嵌入式系统设计中的应用，单片机从4位、8位、16位到32位，其发展历程一直受到广大电子爱好者的极大关注。单片机功能越来越强大，价格却不断下降的优势无疑成为嵌入式系统方案设计的首选，同时单片机应用领域的扩大也使得更多人加入到基于单片机系统的开发行列中，推动着单片机技术的创新进步。然而传统的单片机系统开发除了需要购置诸如仿真器、编程器、示波器等价格不菲的电子设备外，开发过程也较繁琐。来自英国LabcenterElectronics公司的Proteus软件很好地诠释了利用现代EDA工具方便快捷开发单片机系统的优势。它包括PROTEUSVSM（VirtualSystemModelling）、PROTEUSPCBDESIGN两大组成部分，在PC机上就能实现原理图电路设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证以及形成PCB文件的完整嵌入式系统设计与研发过程。单片机系统作为一种典型的嵌入式系统，其系统设计包括硬件电路设计和软件编程设计两个方面，其调试过程一般分为软件调试、硬件测试、系统调试3个过程。如果采用单片机系统的虚拟仿真软——Proteus，则不用制作具体的电路板也能够完成以上工作。1896年，雅典奥林匹克运动会上开始使用秒表。随着时代的进步，秒表已成为人们日常生活中的必需品，广泛应用于家庭、学校、办公室等场所。本系统采用本系统以AT89c51为主控芯片，实现电子秒表的设计，并考虑节约系统的硬件，能用软件实现的功能尽量都用软件实现。而且达到秒表功能为99秒的计时方式，显示0~99秒；具有快速方便计时功能；根据键盘输入调用相应键处理子程序，实现时间的调整；然后输出到两个一位的LED显示器显示出来。目录1．设计任务………………………………………………………42．设计方案与实现………………………………………………5硬件设计………………………………………………………5电路设计………………………………………………………7软件设计………………………………………………………73．总结……………………………………………………………..84．附录……………………………………………………………..9元件清单……………………………………………………….10程序清单………………………………………………………105实训心得………………………………………………………146参考文献………………………………………………………141．设计任务1）题目2位LED数字秒表的设计2）设计课题任务设计一个数码显示的秒表，具有以下功能：（1）显示时间0~99秒，每秒自动加1（2）具有时间手动暂停和复位显示功能。按“开始”按键，开始计数，数码管显示从00开始每秒自动加一；按“复位”按键，系统清零，数码管显示00；按“暂停”按键，系统暂停计数，数码管显示当时的计数3）给定条件及器件（1）单片机AT89C51及相应外围设备（2）直流稳压电源5V（3）万用电路板（4）两个一位共阴数码管（5）两个按键（6）10个470欧的电阻(7)一个晶振（8）2个30p的瓷片电容，一个10u的电解电容2设计方案及实现数字电子秒表的设计方法有多种，例如，可用中小规模集成电路组成秒表，也可以利用专用的电子秒表芯片配以显示电路及其所需要的外围电路组成电子秒表还可以利用单片机来实现电子秒表等等。这些方法都各有特点，其中，利用单片机实现的电子秒表具有编程灵活，便于功能扩充，精确度高等特点[5]。基于以上分析，在此次设计中，我选择的是利用单片机制作电子秒表。电子秒表的设计本身包括程序的设计和硬件电路的设计]。我的思路是，先进行电路的整体设计，再根据电路进行编程，在编程的过程中，对电路进行微调，以更好地配合程序。在设计完成后，进行程序调试，调试软件选择MedWin，调试成功后，再根据电路图画出仿真图，将软件装入单片机芯片，利用Proteus软件进行仿真，仿真中的错误通过改正程序中的逻辑错误和电路中的设计不当进行排除，这个过程是很艰难的但也是很重要的。若仿真可以实现，则硬件电路的实现就可以有条不紊地进行。电路的总体设计框架如下：程序设计思路：结合电路，程序的总体思路是[17]：1、点复位键2后，进行时间显示，从00秒开始。2、按下按键1时，进行暂停，再按下键1则不再等待，恢复初始化00秒。熟悉硬件了解各引脚功能分块设计各部分电路将分块的电路组合认真学习单片机汇编语言完成整体电路图确定变成结构和思路综合各程序完成整体程序编辑各个程序模块用Proteus画出电路图调试程序，进行修改对仿真中出现的问题进行改正画出仿真图进行仿真准备器件、搭接电路仿真成功软硬件结合，完成任务书要求验证硬件电路成功进行扩展单片机输入部分晶振和复位输出部分这部分主要介绍工作安排和整体设计的思想。工作过程规划如下：初始化判断按键显示按下2键按下1键若无按键暂停复位显示暂停时间显示初始化时间调整时限到或有其他输入2硬件设计（1）相关器件介绍熟悉硬件了解各引脚功能分块设计各部分电路将分块的电路组合认真学习单片机汇编语言完成整体电路图确定变成结构和思路综合各程序完成整体程序编辑各个程序模块用Proteus画出电路图调试程序，进行修改对仿真中出现的问题进行改正画出仿真图进行仿真准备器件、搭接电路仿真成功软硬件结合，完成任务书要求验证硬件电路成功进行扩展(a)4联LED数码显示器笔段(b)4联LED数码显示器引线图3四位LED数码显示器abcdefghCOM2bfaabcdefghabcdefghabcdefghgCOM1hdCOM4eCOM3c④③②①abcdefghabfghcdeCOM(a)LED数码显示器笔段(b)LED数码显示器引线图1一位LED数码显显示器示器abcdefghCOM(c)共阳极结构9012EBC图29012和LED引线排列1234图4按键引线排列1234or_+本设计采用共阴极数码显示管做显示电路，由于采用的是共阴的数码显示管，所以只要数码管的a、b、c、d、e、f、g、h引脚为高电平，那么其对应的二极管就会发光，使数码显示管显示0～9的编码见表1.1。表1.1共阴极数码显示管字型代码字型共阴极代码字型共阴极代码03FH56DH106H67DH25BH707H34FH87FH466H96FH（2）数码管介绍：数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。本设计采用两个一位共阴数码管。数码管的驱动方式数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。①静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多（如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。②动态显示驱动：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控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。本设计采用动态扫描的方式进行显示。（3）单片机（AT89C51）介绍：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。8051单片机采用40引脚的双列直插封装方式。图1.2为引脚排列图，1.1主要特性：主要性能：与MCS-51微控制器产品系列兼容。片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器存储数据保存时间为10年宽工作电压范围：Vcc可为2.7V到6V全静态工作：可从0Hz至16MHz程序存储器具有3级加密保护++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*128*8位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器中断结构具有5个中断源和2个优先级可编程全双工串行通道空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容1.240条引脚说明如下：主电源引脚Vss和Vcc①Vss接地②Vcc正常操作时为+5伏电源P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL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/地址的第八位。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。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。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。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。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P2.6和P2.7端口分别控制数码管的十位和个位的供电，当相应的端口变成低电平时，驱动相应的三极管会导通，+5V通过IN