基于51单片机的数字秒表课程设计、毕业设计论文

单片机课程设计报告

基于51单片机的数字秒表设计

专业:通信工程

学号:11100640225

姓名:罗宏

时间:2014-6-26

目录

一、 课程名称………………………………………………1

二、 设计目的和意义………………………………………1

三、 任务要求………………………………………………1

四、 任务分析、设计方案…………………………………1

五、 具体实现过程…………………………………………9

六、 仿真、实验验证过程及实现结果、现象……………12

七、 结论……………………………………………………14

八、 总结与体会……………………………………………14

- 1 -

一、 课题名称

基于51单片的数字秒表设计

二、 目的和意义

1、通过本次课程设计可以灵活运用单片机的基础知识,依据课程设计内容,能够完成从硬件电路图设计,到电路搭建焊接,再到软件编程及系统调试实现系统功能,完成课程设计,加深对单片机基础知识的理解,并灵活运用,将各门知识综合应用。

2、本次课程设计还可以通过上网查询器件资料,培养对新知识新技术的独立的学习能力和应用能力。

3、在这次课程设计中,我们运用到了很多一切所学的知识和一些很有用的软件和工具,如keil4编程软件、Proteus仿真软件、Visio软件、等。

4、通过独立完成一个小的数字秒表系统设计,从硬件设计到软件设计,增强分析问题、解决问题的能力,为日后的毕业设计及科研工作奠定良好的基础。

5、掌握51单片机软件编程知识、实现功能、设计方法,及KEIL软件使用方法;

6、应用所学模拟电子线路的知识,掌握电路的设计与应用;

7、熟悉PROTEUS的设计与仿真;

8、STC——ISP的使用方法;

9、掌握焊接电子元器件的方法以及查阅元件功能与参数的方法、步骤。

三、 设计目标或任务要求

1 、设计目标

以单片机为核心,设计数字秒表。

通过硬件电路设计,软件设计,电路搭建,作品调试。最后完成本次课程设计。 2 、设计要求

1、计时范围:0~59分59.59秒,整数四位数和小数两位数显示;

2、计时精度10毫秒;

3、复位按钮,计时器清零,并做好下次及时准备;

4、可以对三个对象(A、B)计时,具有启/停控制;

5、设开始、停止A、停止B、显示A、显示B、复位按钮。

四、 任务分析、设计方案

1、

任务分析 - 2 -

数字电子秒表具有显示直观、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数字电子秒表,力求结构简单、精度高为目标。

设计中包括硬件电路的设计和系统程序的设计。其硬件电路主要有主控制器,计时与显示电路和回零、启动和停表电路等。主控制器采用单片机89C52显示电路采用共阳极LED数码管显示计时时间。

本设计利用89C52单片机的定时器/计数器定时和记数的原理,使其能精确计时。利用中断系统使其能实现开始暂停的功能。P0口输出段码数据,P2.0-P2.4口作列扫描输出,P1.1、P3.2、P3.3、P2.5口接四个按钮开关,分别实现开始、暂停、清零和查看上次计时时间功能。电路原理图设计最基本的要求是正确性,其次是布局合理,最后在正确性和布局合理的前提下力求美观。硬件电路图按照图1.1进行设计。

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图1.1 数字秒表硬件电路基本原理图

计时采用定时器T0中断完成,定时溢出中断周期为1ms,当一处中断后向CPU发出溢出中断请求,每发出一次中断请求就对毫秒计数单元进行加一,达到10次就对十毫秒位进行加一,依次类推,直到99.99秒重新复位。

再看按键的处理。这四个键可以采用中断的方法,也可以采用扫描的方法来识别。复位键和查看主要功能在于数值复位和查询上次计时时间,对于时间的要求不是很严格。而开始和停止键则是用于对时间的锁定,需要比较准确的控制。因此可以对复位和查看按键采取扫描的方式。而对开始和停止键采用外部中断的方式。

设计中包括硬件电路的设计和系统程序的设计。其硬件电路主要有主控制器,显示电路和回零、启动、查看、计次电路等。主控制器采用单片机89C52,显示电路采用共阳极LED数码管显示计时时间,四个按键均采用触点式按键。

2、单片机的选择

本课题在选取单片机时,充分借鉴了许多成形产品使用单片机的经验,并根据自 - 3 -

己的实际情况,选择了stc公司的89C52。

89C52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, 40条引脚说明如下:

主电源引脚Vss和Vcc

① Vss接地

② Vcc正常操作时为+5伏电源

外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

① XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端,是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时,此引脚接地。

② XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时,此引脚接外部振荡源。

图1.2 8051单片机引脚图

控制或与其它电源复用引脚RST/VPD,ALE/PROG,PSEN和EA/Vpp

输入/输出引脚P0.0 - P0.7,P1.0 - P1.7,P2.0 - P2.7,P3.0 - P3.7。

① P0口(P0.0 - P0.7)是一个8位漏极开路型双向I/O口,在访问外部存储器 - 4 -

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。

② P1口(P1.0 - P1.7)是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。

③ P2口(P2.0 - P2.7)是一个带有内部提升电阻的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(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。

④ P3口(P3.0 - P3.7)是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。

(1) 运算器

运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节(4位)、单字节等数据进行操作。

(2) 程序计数器PC

程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址,共16位,可对64K程序存储器直接寻址。执行指令时,PC内容的低8位经P0口输出,高8位经P2口输出。

(3) 令寄存器

指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器,经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号,完成指令功能。

3、 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。本设计的显示电路采用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五位数码管显示时间,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。

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图1.3 显示电路基本原理图 - 5 -

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;各位的公共阴极位选线由另外的I/O口线控制。动态方式显示时,各数码管分时轮流选通,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,在另一时刻选通另一位数码管,并送出相应的段码,依此规律循环,即可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的时刻分别显示,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。

数码显示管分为共阳数码管和共阴数码管两种

共阳极数码管的8个发光二极管的阳极(二极管正端)连接在一起,如图1.4(b),通常,公共阳极接高电平(一般接电源),其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时,则该端所连接的字段导通并点亮,根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时,要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流,还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

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图1.4 (a)数码管引脚图 (b)共阳极内部结构图 (c)共阴极内部结构图

最大

4 、按键电路的选择与设计

本设计中有四个按键,分别实现开始、暂停、复位和计次功能。这四个键可以采用中断的方法,也可以采用查询的方法来识别。对于复位键和查看键,主要功能在于数值复位和对上次计时时间的查看,对于时间的要求不是很严格,而开始和暂停键主要用于时间的锁定,需要比较准确的控制。因此可以考虑,对复位键和查看键采用查询的方式, - 6 -

而对于开始和暂停键采用外部中断。四个按键均采用低电平有效,具体电路连接图如图

1.5所示。

5、 时钟电路的选择与设计

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,8051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,8051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11.05926MHz的方波信号。

图中,电容器C1 、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用,电容值一般为5~33pF。

但在时钟电路的实际应用中一定要注意正确选择其大小,并保证电路的对称性,尽可能匹配,选用正牌的瓷片或云母电容,如果可能的话,温度系数尽可能低。本设计中采用大小为30pF的电容和11.05926MHz的晶振。

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图1.6 内部振荡电路

6、 复位电路的选择与设计

当8051单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时,单片机就完成了复位操作。如果RST持续为高电平,单片机就处于循环复位状态,而无法执行程序。因此要求单片机复位后能脱离复位状态。而本系统选用的是11.05926MHz的晶振,因此一个机器周期为1.09μs,那么复位脉冲宽度最小应为2.18μs。在实际应用系统中,考虑到电源的稳定时间,参数漂移,晶振稳定时间以及复位的可靠性等因素,必须有足够的余量。

根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式:上电复位、手动复位。

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图1.10 单片机复位电路

7、 系统总电路的设计

系统总电路由以上设计的显示电路,时钟电路,按键电路和复位电路组成,只要将单片机与以上各部分电路合理的连接就组成了系统总电路。系统总电路图附录B所示。

8051单片机为主电路的核心部分,各个电路均和单片机相连接,由单片机统筹和协调各个电路的运行工作。

8051单片机提供了XTAL1和XTAL2两个专用引脚接晶振电路,因此只要将晶振电路接到两个专用引脚即可为单片机提供时钟脉冲,但在焊接晶振电路时要尽量使晶振电路靠近单片机,这样可以为单片机提供稳定的始终脉冲。

复位电路同晶振电路,单片机设有一个专用的硬件复位接口,并设置为高电平有效。

按键电路与单片机的端口连接可以由用户自己设定,本设计中软件复位键和查看键分别接单片机的P1.1和P2.5,均设为低电平有效。而另外的开始键和暂停键两键使用了外部中断,所以需要连接到单片机的特殊接口P3.3和P3.2,这两个I/O口的第二功能分别为单片机的外部中断1端口和外部中断0端口。同样设置为位低电平有效。

显示电路由五位数码管组成,采用动态显示方式,因此有8位段控制端和5位位控制端,八位段控制接P0口,P0.0~P0.7分别控制数码显示管的a、b、c、d、e、f、g、dp显示,8051的P0口没有集成上拉电阻,高电平的驱动能力很弱,所以需要接上拉电阻来提高P0的高电平驱动能力。五位位控制则由低位到高位分别接到P2.0~P2.4口,NPN三极管9013做为位控制端的开关,当P2.0~P2.4端口任意一个端口为高电平时,与其相对应的三极管就导通,对应的数码管导通显示。

通过以上设计已经将各部分电路与单片机有机的结合到一起,硬件部分的设计以大

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功告成,剩下的部分就是对单片机的编程,使单片机按程序运行,实现数字电子秒表的全部功能。

五、 具体实现过程

1、对数字秒表设计进行分析,敲定几组方案;

2、在PROTUES软件中,画电路图,进行仿真、调试;

3、对自己想要实现的秒表现象进行编程,运用KEIL软件;并于Proteus联调。

4、调试过程中要不断改进自己的方案;

6、测试各个所需元件,STC89C52RC,数码管。

7、将方案敲定之后,对LED数字秒表进行焊接其中最主要的是对最小系统的焊接时非常关键的,在进行焊接数码管时,很关键。

8、将最小系统焊接好以后要用数字万用表进行测试,首先要测试有没有短接、断接的地方,再将焊好的板子放在电源上进行加电,看电路板子是否正常工作。

9、将最小系统板子与数码管板子连在一个,通过USB口与电脑相连,打开串口助手,将KEIL软件中的程序下载到单片机中,进行验证。

10、具体程序

/********************************************************

* 文 件 名 : 秒表.c

* 描 述 : 基于51单片机的数码管数字秒表;

带有指示灯,蜂鸣器,按键(启动、清零、计次)

* 创 建 人 : 罗宏

* 单 位 : 佳木斯大学 信息电子技术学院 电子协会

* 日 期 : 2014.6.26

* 开 发 环 境: Keil 4

* 邮 箱 : 744544126@qq.com

* 晶 振 : 11.05926MHZ

* 版 本 号 :

*********************************************************/

#include<reg52.h>

#define uint unsigned int //宏定义无符号整型

#define uchar unsigned char //宏定义无符号字符型

#define DUAN (P0) //宏定义数码管段代码

#define WEI (P2) //宏定义数码管位代码

sbit keystart_stop = P3^2; //定义启动/停止按键

sbit keyrest = P3^3; //定义复位/清零按键

sbit keyrecord = P3^4; //定义计数/存储按键

sbit keydispaly = P3^5; //定义计数/显示按键

sbit beep = P3^6; //定义蜂鸣器

sbit led = P3^7; //定义

uchar x,msec5,msec10,second,minute; //时间变量

uchar msec,sec,min; //显示变量

uchar code table1[] = {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,

0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; //共阳数码管数组不带点显示

uchar code table2[] = {0x40,0x79,0x24,0x30,

0x19,0x12,0x02,0x58,0x00,0x10}; //共阳数码管带点显示

/********************************

函数名称: 延时函数 delay

功 能: 延时指定毫秒

参 数: uchar x

返 回 值: 无

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********************************/

void delay(uchar x)

{

uint b,c;

for(b = x;b>0;b--)

for(c = 110;c>0;c--);

}

/********************************

函数名称: 定时器初始化函数time_init(void)

功 能: 定时器初始化

参 数: 无

返 回 值: 无

*********************************/

void time_init(void)

{

msec5=0;

TMOD = 0x01;

TH0 = (65536-9174)/256;

TL0 = (65536-9174)%256;

ET0 = 1;

TR0 = 1;

EA =

}

/********************************

函数名称: 显示函数display()

功 能: 数码管显示

参 数: uchar msec,uchar sec,uchar min

返 回 值: 无

*********************************/

void display(uchar msec,uchar sec,uchar min)

{

DUAN = table1[(msec%10)%10];// 0.01秒 5.64%10=64%10=0.04 WEI = 0x01;

delay(2);

WEI = 0x00;

DUAN = table1[(msec/10)%10];// 0.1秒 5.64/10=56%10=0.6 WEI = 0x02;

delay(2);

WEI = 0x00;

DUAN = table2[(sec%10)]; // 1秒 564%10=6

WEI = 0x04;

delay(2);

WEI = 0x00;

DUAN = table1[(sec/10)]; // 10秒 564/10=56%10=6

WEI = 0x08;

delay(2);

WEI = 0x00;

DUAN = table1[(min%10)]; // 1分 564/10=56%10=6

WEI = 0x10;

delay(2);

WEI = 0x00;

DUAN = table1[(min/10)]; // 10分 564/10=56%10=6

WEI = 0x20;

delay(2);

WEI = 0x00;

}

/********************************

函数名称: 蜂鸣器函数

功 能: 蜂鸣器发声

参 数: 无

返 回 值: 无

*********************************/

void beep_led()

1; - 10 -

{

beep = 0;

delay(600);

beep = 1;

delay(600);

led = 0;

delay(600);

led = 1;

}

/********************************

函数名称: 按键函数

功 能: 调试按键的函数

参 数: 无

返 回 值: 无

*********************************/

void keys()

{

if(keystart_stop==0)

{

delay(5);

if(keystart_stop==0)

TR0 = ~TR0;

beep_led();

while(!keystart_stop); }

if(keyrest==0)

{

delay(5);

if(keyrest==0)

TR0 = 0;

msec5=0;

msec10=0,

second=0;

minute=0;

beep_led();

while(!keyrest);

}

}

/********************************

函数名称: 主函数

功 能:

参 数: 无

返 回 值:

*********************************/

void main()

{

uchar jishu=0;

uchar flag=0;

uchar msec1=0,sec1=0,min1=0;

uchar msec2=0,sec2=0,min2=0;

time_init();

while(1)

{

keys(); // 键盘的扫描函数一定要放在while循环里边 msec=msec10;

sec=second;

min=minute;

if(flag==1)

{

display(msec1,sec1,min1);

}

else if(flag==0)

{

display(msec,sec,min);

}

else

{

- 11 -

display(msec2,sec2,min2);

}

if(keyrecord==0)

{

delay(5);

if(keyrecord==0)

{

beep_led();

jishu++;

if(jishu>2)

{

jishu=0;

}

else if(jishu==1)

{

msec1=msec10;

sec1=second;

min1=minute;

}

else if(jishu==2)

{

msec2=msec10;

sec2=second;

min2=minute;

}

}

while(!keyrecord);

}

if(keydispaly==0)

{

delay(5);

if(keydispaly==0)

{

beep_led() ;

flag++;

if(flag>2)

flag=0;

}

while(!keydispaly);

}

}

}

/**********************************

函数名称: 中断函数

功 能:

参 数: 无

返 回 值:

***********************************/

void timer0 () interrupt 1

{

TH0 = (65536-9174)/256;

TL0 = (65536-9174)%256;

msec10++; // msec10加一次等于 10ms

if(msec10==100) // j=100 为1s {

msec10 = 0;

second++;

if(second==60) // second=60 为1minute {

second=0 ;

minute++;

if(minute==60) // minute=60 为1hour {

minute=0 ;

}

}

}

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}

六、 仿真、实验验证过程及实现结果、现象

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七、 结论

本设计的数字电子秒表系统采用89C52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、LED数码管以及外部中断电路来设计计时器。将软、硬件有机地结合起来,使得系统能够实现八位LED显示,显示时间为0~59分59.59秒,计时精度为0.01秒,能正确地进行计时,同时能记录两次时间,并在计时后对上一次计时时间进行查询。其中软件系统采用C语言编写程序,包括显示程序,定时中断服务,延时程序,按键扫描程序等,并在keil4中调试运行,硬件系统利用PROTEUS强大的功能来实现,简单切易于观察,在仿真中就可以观察到实际的工作状态。

八、总结(体会)

开始做设计的时候总是会犯一些错误,只有经过不停的改错,不断地编译得到正确的程序,说明作为一名编程人员是不能粗心大意的,一个程序的质量的高低与你的细心与否有着很大的联系,在编程时,我充分地使用了结构化的思想,这样程序检查起来也比较方便,调试时也会方便很多。只要一个模块一个模块的进行调试就可以了,充分体现了结构化编程的优势。在设计中要求我要有耐心和毅力,细心是最重要的,稍有不慎,一个小小的错误就会导致结果的不正确,而对错误的检查要有足够的耐心,通过这次设计和设计中遇到的问题,我也积累了一定的经验。为了能完成这次

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设计,我还复习了《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《微机接口技术》、《单片机技术》、《C语言》。

通过这次单片机课程设计,我了解到自己在单片机方面还有很多不足,特别是单片机指令系统及stc89C52单片机各引脚的第二功能等等知识不够了解.因此我在设计中遇到不懂的东西就马上查资料或请教同学.这不仅加深了我对单片机理论的理解,将理论很好地应用到实际当中去,而且我还学会了如何去培养我们的创新精神,从而不断地战胜自己,超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进,使之功能不断完善,成为自己的东西。

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