微机综合实践课程设计说明书-00-60秒表设计说明书.doc

微机综合实践课程设计说明书 题题 目：目： 0 0 - 6 0 秒秒 表表 设设 计计 院院 （系）：（系）： 建建筑筑与与交交通通工工程程学学院院 姓姓 名：名： 一一头头大大象象 学学 号：号： 0 8 0 0 1 4 0 2 0 8 专专 业业： ： 建建筑筑环环境境与与设设备备工工程程 指指导导老老师师： ： xxx 2011 年年 12 月月 16 日日 目录目录 一、设计任务.1 二、总体方案设计.1 2.1、硬件方案1 2.2、软件方案1 三、系统硬件设计.1 3.1、硬件总体设计方案1 3.2、并行 i/o 口 p0p3 结构与设计1 3.3、复位电路设计.3 3.4、电源开关设计.3 3.5、晶振输入电路设计.4 四、相关硬件说明.4 4.1、led8 段数码显示管结构与原理4 4.2、at89s52 部分系统功能与引脚说明5 五、系统软件设计.10 5.1、软件总体设计方案.10 5.2、程序流程图.11 5.3、程序清单.13 5.4、程序运行分析.14 六、元件清单.14 七、硬件制作步骤.15 八、总结15 参考文献17 1 一、设计任务一、设计任务 00-60 秒表设计。 用 at89s52 单片机的定时/计数器 t0 产生一秒的定时时间，作为秒计数时间，当一秒产生时， 秒计数加 1，秒计数到 60 时，自动从 0 开始。 二、总体方案设计二、总体方案设计 2.1、硬件方案 2.1.1、 制作一个 at89s52 最小系统； 2.1.2、 采用两个 led 七段数码显示管分别显示秒表的个位和十位； 2.1.3、 p1 口输出十位段码，p2 口输出个位段码。 2.2、软件方案 2.2.1、 因为当晶振频率为 12mhz 时，定时/计数器最大计时时间为 65536ms，所以应根据计 时 2.2.2、 时间设定定时/计数器定时时间，累计合适中断次数后执行刷新显示子程序； 2.2.3、 每隔 1s 秒计数加 1，秒计数到 60 自动从 0 开始，循环不止。 三、系统硬件设计三、系统硬件设计 3.1、硬件总体设计方案 最小系统应符合以下要求： 引出 4 个 i/o 端口，便于硬件拓展，同时接入排阻以满足更多的使用要求； 在上电自动复位的基础上添加按键复位功能，以提高系统的可控性； 采用按钮开关、继电器与稳压二极管构成电源电路，以提高系统的稳定性； 具有专门的编程端口； 采用内部时钟电路。 3.2、并行 i/o 口 p0p3 结构与设计 3.2.1、 p0 口（p0.0- p0.7） p0 口是一个 8 位漏极开路型双向 i/o 端口。 p0 口可做通用 i/o 口使用，但在端 口进行输入操作前，应先向端口的输出锁 存器写“1” 。在 cpu 访问片外存储器时， p0 口自动作为地址/数据复用总线。 在编程时，由 p0 口输入指令字节， 而在验证程序时，p0 口输出指令字节（验证时应外接上拉电阻） 。p0 口能以吸收电流的方式驱 动 8 个 ls 型 ttl 负载。 图 1 p0 口结构图 2 3.2.2、 p1 口（p1.0- p1.7） p1 口是一个内部带上拉电阻的 8 为 准双向 i/o 端口。 当 p1 输出高电平是，能向外部提供 拉电流负载，因此，不需再外接上拉电阻。 当端口用作输入时，也应先向端口的输出 锁存器写入“1” 。 在编程和验证程序时，p1 口用来输入低 8 位地址。p1 口能驱动 4 个 ls 型 ttl 负载。 图 2 p1 口结构图 3.2.3、 p2 口（p2.0- p2.7） p2 口也是一个内部带上拉电阻的 8 位 准双向 i/o 端口。 当 cpu 访问外部存储器时，p2 口自 动用作输出高 8 位地址，与 p0 低 8 位地址 一起形成外部存储器的 16 位地址总线。此 时，p2 口不再作为通用 i/o 口使用。 p2 口可驱动 4 个 ls 型 ttl 负载。 在编程和验证程序时，p2 口用作接收高 8 为地址。 图 3 p2 口结构图 3.2.4、 p3 口（p3.0- p3.7） p3 口是一个内部带上拉电阻的 8 位多 功能双向 i/o 端口。 p3 口除了作通用 i/o 端口外，其主要 功能是它的各位还具有第二功能。无论 p3 口作通用输入框还是作第二输入功能口使 用，相应位的输出锁存器和第二输出功能 段都应置“1” 。 p3 口能驱动 4 个 ls 型 ttl 负载。 p3 口作为第二功能使用时各引脚定义 如下： p3.0 rxd：串行口输入端； p3.1 txd：串行口输出端； 图 4 p3 口结构图 p3.2 int0：外部中断 0 请求输入端； p3.3 int1：外部中断 1 请求输入端； p3.4 t0：定时/计数器 0 外部信号输入端； 3 p3.5 t1：定时/计数器 1 外部信号输入端； p3.6 wr：外 ram 写选通信号输出端； p3.7 rd：外 ram 读选通信号输出端。 为便于硬件拓展以及满足更多的使用有求，在 p0、p2 口处分别接 1k 和 2.2k 的上拉 电阻，并在每个端口出添加 vcc 和 gnd 引脚。各端口原理图如下： 图 5 p0 口外围电路原理图 图 6 p1 口外围电路原理图 4 图 7 p2 口外围电路原理图 图 8 p2 口上拉电阻原理图 图 9 p3 口外围电路原理 图 3.3、复位电路设计 本设计中 at89s52 是采 用上电自动复位和按键复位两 种方式。复位电路如图所示。 上电瞬间，电路充电，rst 引线端出现正脉冲，只要 rst 端保持 10ms 以上的高电 平，就能使单片机有效地复位。 其中 r4 和 r5 分别选择 100 和 4.7k 的电阻，电 容器一般选择 10f。 3.4、电源开关设计 本设计采用按钮开关、继电器以及稳压二极管构成的电路，以提高系统稳定性。各元件规格如 图： 图 10 复位电路原理图 5 图 11电源开关电路原理图 3.5、晶振输入电路设计 at89s52 单片机内部的振荡电路是一个高增益反向 放大器，引线 xtal1 和 xtal2 分别是放大器的输入 端和输出端。单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时 钟，外部还需附加电路。at89s52 的时钟产生方式有两 种：内部时钟电方式和外部时钟方式。由于外部时钟方 式用于多片单片机组成的系统中，所以此处选用内部时 钟方式。即利用其内部的振荡电路在 xtal1 和 xtal2 引线上外接定时元件，内部振荡电路产生自激振荡。最 常用的是在 xtal1 和 xtal2 之间接晶体振荡器与电 路构成稳定的自激振荡器，如图电路所示为单片机最常 用的时钟振荡电路的接法，其中晶振可选用振荡频率为 12mhz 的石英晶体，电容器一般选择 20pf 左右。 图 12 晶振输入电 路原理图 四、相关硬件说明四、相关硬件说明 4.1、led8 段数码显示管结构与原理 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。 6 图 13 led8 段数码显示管原理图、引脚图 相应字段就不亮。led 数码管段码如下表： 表 1八段 led 数码管段码表 显示数码共阴型段码共阳型段码显示数码共阴型段码共阳型段码 03fhc0ha77h88h 106hf9hb7ch83h 25bha4hc39hc6h 34fhb0hd5eha1h 466h99he79h86h 560h92hf71h8eh 670h82h 707hf8h 87fh80h 96fh90h 本设计采用共阳静态显示，其中 p2 口输出个位段码，p1 口输出十位段码。仿真图如图 12 所 示。 4.2、at89s52 部分系统功能 与引脚说明 at89s52 是一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在系统可编 程 flash 存储器。使用 atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产 品指令和引脚完全兼容。片上 flash 允许程 序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系 统可编程 flash，使得 at89s52 为众多嵌入 7 式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。at89s52 具有以下标准功能： 8k 字节 flash，256 字节 ram， 23 位 i/o 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， at89s52 可降至 0hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选 择节电模式。空闲模式下，cpu 停止工作，允许 ram、 定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， ram 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止， 直到下一个中断或硬件复位为止。 rst：复位输入。当振荡器工作时，rst 引脚出现两 个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字 节。一般情况下，ale 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定 的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要 注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ale 脉冲。对 flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编 程脉冲（prog） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的 8eh 单元的 d0 位置位，可 禁止 ale 操作。该位置位后，只有一条 movx 和 movc 指令才能将 ale 激活。此外，该引脚会 被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ale 禁止位无效。 psen：程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 at89s52 由外部程 序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 psen 有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访 问外部数据存储器，将跳过两次 psen 信号。 ea/vpp：外部访问允许，欲使 cpu 仅访问外部程序存储器（地址为 0000h-ffffh） ，ea 端 必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 lb1 被编程，复位时内部会锁存 ea 端状态。 如 ea 端为高电平（接 vcc 端） ，cpu 则执行内部程序存储器的指令。flash 存储器编程时，该引 脚加上+12v 的编程允许电源 vpp，当然这必须是该器件是使用 12v 编程电压 vpp。 xtal1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 xtal2：振荡器反相放大器的输出端。 4.2.1、 at89s52 定时/计数器详细介绍 8 定时/计数器基本结构 定时器/计数器的控制字： 定时器/计数器有 4 种工作模式，由 tmod 设置并由 tcon 控制。工作方式寄存器 tmod 的地址为 89h，它不能位寻址，在设置时一次写入。其功能为确定定时器的工作 方式及功能选择。格式如下： 图 17tmod 的各位定义 （1） 、 gate：门控位 0：定时器/计数器仅受 tr 的控制； 1：只有 int 为高电平，且 tr=1 时，定时器/计数器才工作。 （2） 、 c/t ：功能选择位 0：定时功能； 1：计数功能。 （3） 、 m1m0：工作方式选择位 00 方式 0；13 位定时计数器，th 高 8 位和 tl 低 5 位； 01 方式 1；16 位定时/计数器； 10 方式 2；自动重装入初值的 8 位定时/计数器； 11 方式 3；t0 分成两个独立的 8 位计数器，t1 无方式 3。 定时器控制寄存器： tcon 除可字节寻址外，各位还可以位寻址。 格式为： 图 18tcon 的各位定义 功能为：tr1、tr2 控制定时/计数器的启动与停止，it1、it2 控制溢出中断的允许与屏 蔽。当标志位 tf0/tf1 采用软件查询时应禁止中断，且需要以软件的方式将标志位清 9 “0”若采用中断方式查询标志位，返主后由硬件自动清“0” 。 定时/计数器工作原理 （1） 、 模式 0 定时/计数器 th0(或 th1)的高 8 位和 tl0(或 tl1)的低 5 位组成的一个 13 位定时器/ 计数器。此种方式与 mcs48 系列兼容，如果不是为了兼容的目的，一般不用方式 0。 方式 0 的全部功能，方式 1 都可以代替。 图 19t0 工作模式 0 逻辑结构框图 （2） 、 模式 1 该模式对应的是一个 16 位的定时器/计数器。thx8 位和 tlx8 位组成 16 位加 1 计数 器，最大计数脉冲个数：165536(216)，最长定时时间(晶振 12mhz t=1s)为 65536s。 图 20t0 工作模式 1 逻辑结构框图 （3） 、 模式 2 模式 2 把 tl0（或 tl1）设置成一个可以自动重装载的 8 位定时器/计数器。用于需 要重复定时和计数的场合。最大计数值：256 (28)，最大定时时间(晶振 12mhz 时 t=1s)： 256s。自动恢复初值 8 位定时/计数器。tlx 为 8 位加 1 计数器，thx 为 8 位初值暂存 器。 10 图 21t0 工作模式 2 逻辑结构框图 （4） 、模式 3 tl0 和 th0 被分成为两个相互独立的 8 位计数器 。tl0 占用 t0 控制位： c/t，tr0，tf0，gate；th0 占用 t1 控制位：tr1 和中断标志位 tf1。t1 不能使用方式 3 工作。 图 22t0 工作模式 3 逻辑结构框图 t0 工作于模式 3 时，t1 仍可设置为模式 02。此时，仅使用 t1 控制位 c/t 切换其定 时或计数器工作方式。寄存器（8 位、13 位、16 位）溢出时，只能将输出送入串行口或用 于不需要中断的场合。 11 图 23t0 模式 3 下的 t1 逻辑结构框图 定时器/计数器初始化步骤 （1） 、 确定工作模式（是计数还是定时） 、工作方式和启动控制方式，并将其写入 tmod 寄存器。 （2） 、 设置定时或计数器的初值，可直接将初值写入 th0、tl0 或 th1、tl1 中，16 位 计数初值必须分两次写入对应的计数器。 （3） 、 根据要求决定是否采用中断方式：直接对 ie 位赋值。开放中断时，对应位置1； 采用程序查询方式时，ie 位应清 0 以进行中断屏蔽。 （4） 、 启动定时器工作。可使用 setb tri 启动。 五、系统软件设计五、系统软件设计 5.1、软件总体设计方案 5.1、 采用查表方式输出段码，使程序更为简练，节约存储空间； 5.2、 at89s52 单片机的定时/计数器在四种工作模式中，其最大定时时间（tf 溢出周期）为： 表 2at89s52 定时/计数器最大定时时间表 工作模式0123 最大定时时间 8192s65536s256s256s 因定时时间为 1s，可选用模式 1，每隔 50ms 中断一次，中断 20 次为 1s。 5.3、 每隔 20 个中断执行一次刷新显示子程序； 5.4、 六十进制。个位刷新显示子程序每执行十次，执行一次十位刷新显示子程序，同时个位 显示“0” ，达到个位逢十进一的目的； 12 5.5、 十位刷新显示子程序执行六次后，重新初始化，数码管显示“00” 。 5.2、程序流程图 5.2.1、主程序流程图： n y 开始 各工作寄存器、指针赋初值 设定计数器 0 为工作 模式 1，计数器赋初值 7 段数码管显示“00” 开中断，启动计数器 等待中断 r5-1=0？（等待时 间足够 1s？） 输出计时时间 图 24 5.2.2、中断服务子程序流程图： 13 n y n y n y 保护断点 计数器重新赋值 r5-1 =0？ （循环计时 50ms是否够 20 次？） 循环计时计数器 r5 重新赋值 查表去段码， 输出个位数， 个位指针指向下一段码 r6-1=0？ （个位满 10？） 查表取段码，输出十位数，个位输出“0” ，十位 输出计数器 r3+1 r4-1=0？ （计时满 60？） 各计数器、指针、工作寄存器、端口初始化 返回主程序 图 25 14 5.3、程序清单 org 0000h ljmp main org 000bh ljmp int_t0 org 0100h main： movtmod，#01h setbet0 setbea setbtr0 mov r5，#14h；循环计时计数器，循环 20 次 mov r6，#0ah；个位显示计数器，逢 10 进 1 mov r3，#00h；十位数段码指针 movr4，#06h；十位显示计数器，满 6 清零 movdptr，#biao mova，#0c0h；将“0”段码输出显示 movp2， a movp1， a movth0，#3ch movtl0，#0b0h；定时 50ms sjmp $；等待中断 int_t0： movth0，#3ch movtl0，#0b0h；重新赋值 djnz r5，go；循环不足 20 次（不够 1s）返回等待 mov r5，#14h；循环计时计数器重新赋值 clr a movc a，a+dptr mov p2，a；显示个位 inc dptr；指向下一段码 djnz r6，go；个位不满 10，跳过十位显示 mov r6，#0ah；个位显示计数器重新赋值 mov a，r3 mov dptr，#biao 15 movc a，a+dptr movp1，a；显示十位 mov a，#0c0h mov p2，a inc r3 djnz r4，go；十位不满 6，跳过初始化 mov a，#0c0h；初始化 movp1，a movp2，a mov r5，#14h movr6，#0ah movr3，#00h mov r4，#06h movth0，#3ch movtl0，#0b0h movdptr，#biao go：reti biao： db 0f9h，0a4h，0b0h，99h，92h，82h，0f8h，80h，90h ；“0”“9”段码（共阳） end 5.4、程序运行分析 因定时/计数器的定时时间为 50ms，中断 20，即 1s 后执行一次刷新显示子程序。程序只考虑 硬件延时，并没有将中断服务子程序的运行时间计算在内，所以在秒表运行时，会出现计时显示时 间滞后于标准时间的现象。 据中断服务子程序以及指令周期表可知，刷新显示子程序运行时间最小的情况为：不带进位的 秒计数加 1，运行时间最大的情况为：满 60 自动从 0 开始。据此可推算其最大最小运行时间分别 为 196s 和 169s。经 proteus 仿真测试，运行一小时将会出现大约 1s 的误差，且随着时间推移， 误差将会累积增大。在实际的计时中，也会因环境以及设备的不完善，影响计时的精确性。 在对秒计时影响不大的情况下，适当增大定时/计数器初值，以及提高制板工艺的方法尽可能 的减小误差。 六、元件清单六、元件清单 表 3元件清单表 序号元件名称规格备注 1 电阻 1k 1 个 2 电阻 10 1 个 3 电阻 100 1 个 4 电阻 4.7k 1 个 16 5 cpu 插座 con40 1 个 6 单片机 at89s52 1 个 7 继电器 hk4100f-dc5v-shg 1 个 8 牛角座 con10 1 个 9 按钮 4 脚2 个 10 发光二级管 1 个 11 电容 10uf 1 个 12 电容 470uf 1 个 13 电容 20pf 2 个 14 排阻 1k 1 排 15 排阻 2.2k 1 排 16 晶振 12mhz 1 个 17 稳压管 5819 1 个 18 led 七段数码显示管红色，共阳2 个 19 排针 若干 20 导线 若干 21 最小系统电路板 1 块 七、硬件制作步骤七、硬件制作步骤 1、 在 protel 99 se 中编辑原理图，生成 pcb 文件，打印； 2、 将用于腐蚀的电路板抛光，以便保证印刷电路板的熨烫效果； 3、 将印刷电路熨烫在电路板上，待油墨充分粘附于板上后，撕下喷墨菲林片； 4、 腐蚀掉电路板多余的铜，进行第二次抛光，将多余的油墨清洗掉，按照电路图在 电路板上钻孔； 5、 将元器件焊接在板上并检测各焊点是否接触可靠； 6、 烧录程序，调试，直至成功运行。 八、总结八、总结 出于对单片机和电路板制作的浓厚兴趣以及自身知识的匮乏，我在做这课设的时候感 觉既困扰又欣慰。通过这次课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了动手能力。特别是 proteus 软件的使用。通过整个电路设计与制作的过程，我掌握了实物硬件的连接和组装