单片机课程设计---数字电子秒表系统设计.doc

数字电子秒表系统设计东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 课 程 单片机课程设计 题 目 数字电子秒表系统设计 院 系 电气信息工程学院测控系 专业班级 测控技术与仪器专业二10-2班 学生姓名 李英杰 学生学号 100601220221 指导教师 段志伟 宋金波 2012年 3 月 28日1东北石油大学课程设计任务书课程 单片机课程设计 题目 数字电子秒表系统设计 专业 测控技术与仪器 姓名 李英杰 学号 100601220221 一、任务 设计采用8051单片机为中心器件的数字电子秒表。利用利用其定时器/计数器定时和记数的原理，结合显示电路、电源电路、led数码管以及外部中断电路来设计计时器。二、设计要求1 将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够实现两位led显示，显示时间为0099s，每秒自动加1，能正确地进行计时，且具有快加功能。2 一个开始按键，一个复位按键，一个暂停按键和一个快加按键，实现计数、复位、清零和快加功能。3 软件系统采用汇编语言编写程序，硬件电路通过proteus模拟连接，并与软件相结合，调试修改，使达到预期的目的。 4 写出详细的设计报告。三、参考资料1 郑毛祥.单片机应用基础m .北京：人民邮电出版社，2006.21-422 李鸿.单片机原理与应用m .湖南：湖南大学出版社，2001.194-2013 刘建清.单片机技术m .北京：国防工业出版社，2006.104-1054 杨宁，胡学军.单片机与控制技术m .北京：北京航空航天大学出版社，2005.306-3225 戴佳. 单片机c51语言应用程序设计j .北京：电子工业出版社，2006.168-169完成期限 2012.3.19至2012.3.30 指导教师 段志伟 宋金波 专业负责人 曹广华 2012年 3月 16 日目录第1章 绪论31.1 单片机发展概况31.2 数字秒表的描述与分析41.3 本设计任务5第2 章 总体方案论证与设计62.1 数码管显示电路62.2 按键电路62.3 总体硬件组成框图7第3章 系统硬件设计83.1 电源电路83.2 单片机晶振电路83.3 单片机复位电路9第4章 系统的软件设计114.1 主程序设计114.2 数码显示子程序设计12第5章 系统调试与测试结果分析155.1 使用的仪器仪表155.2 系统调试155.3 测试结果15结 论16参考文献17附录1 程序18附录2 仿真效果图21第1章 绪论近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入。本文阐述了基于单片机的数字电子秒表设计。本设计主要特点是计时精度达到0.01s，解决了传统的由于计时精度不够造成的误差和不公平性，是各种体育竞赛的必备设备之一。本设计的数字电子秒表系统采用8051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，使得系统能够实现两位led显示，显示时间为0099s，每秒自动加1，能正确地进行计时，且具有快加功能。硬件电路通过proteus模拟连接，并与软件相结合，调试修改，使达到预期的目的。1.1 单片机发展概况单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统，数据采集系统、智能化仪器仪表，及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器（冰箱、空调、彩电）等。近来，单片机的发展尤为迅猛，并且趋于高智能化、存储器大量化、更多的外围电路内装化以及工艺上的多元化等方向，广泛应用于单机应用领域、多机应用领域、自动控制领域和智能化控制领域等。单片机应用系统的结构通常分为三个层次，即单片机、单片机系统和单片机应用系统。单片机通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件等。单片机系统指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统。时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机共同构成了单片机系统。单片机应用系统只能满足嵌入对象要求的全部电路系统。在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道(键盘、显示器、打印机等)和串行通信口(rs232)以及应用程序等。单片机的引脚图如图1-1所示。 图1-1 8051单片机引脚图1.2 数字秒表的描述与分析本设计利用8051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。设计一个秒表，按“开始”按键，开始计数，数码管显示从00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，数码管显示当前的计数；按“快加”按键，系统每10ms快速加一，即数码管显示在原先的计数上快速加一。初始状态下计时器显示00，当按下开始键时，外部中断int0向cpu发出中断请求，cpu转去执行外部中断0服务程序，即开启定时器t0，并且进行100次计数，当到100次时，即延时1s时，产生一个中断信号，向cpu发出请求，执行计数器加一且送往数码管显示。在计时过程中，只要按下暂停键，即根据p1.0口电平变化去执行控制程序，关断定时器t0和t1，调用显示子程序，实现暂停功能。在按下暂停键时，将此时的计时时间存入中间缓存区，当再次按下开始键时，则讲中间缓存区的数据转入最终缓存区。计时采用定时器t1中断完成，定时溢出中断周期为25ms，并同时进行40次计数，当有溢出时，会产生中断信号，向cpu发出中断请求，每发出一次中断请求就对计数单元低位进行加一，达到10次就对高位进行加一，送数码管显示，依此类推，直到99秒后再加一后返回00，重新开始。1.3 本设计任务本设计是设计一个单片机控制的数字电子秒表系统的设计。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入，同时带动着传统控制检测日新月异更新。本秒表采用8051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数码管以及外部中断电路来设计计时器。将软、硬件有机地结合起来。要求进行计时并在数码管上显示时间，则可利用mcs系列单片机微机仿真实验系统中的芯片8051中的p3.2管脚作为外部中断0的入口地址，并实现“开始”按键的功能；将p3.3作为外部中断1的入口地址，并实现“清零”按键的功能；使用p0口作为段码数据输出控制口，p1.1、p1.2口分别实现暂停、快加的功能。显示电路由两位共阴极数码管组成。使用定时器t0实现10ms的定时，进行快加延时；当想实现正常计数时的1s延时，只需要实现40次25ms的定时器t1控制延时就可以实现。其中“开始”按键当开关由1拨向0时开始计时；“清零”按键当开关由1拨向0时数码管清零，此时若再拨“开始”按键则又可重新开始计时。使用两位数码管显示，显示时间099 s正常计数时，每秒自动加一；一个开始按键，一个复位按键，一个暂停按键和一个快加按键；实现计数、复位、清零和快加功能；单片机通电后，首先初始化，然后进行对按键扫描。开始键用来控制秒表工作的开始；暂停键用来暂停程序的运行；快加键控制快速计数的开始，利用暂停键停止；复位键是用来对程序复位用的，当程序出现死循环或想从00开始重新计时，按下复位键可返回程序开始，重新执行。第2 章 总体方案论证与设计该设计要求进行计时并在数码管上显示时间，则可利用mcs系列单片机微机仿真实验系统中的芯片8051中的p3.2管作为外部中断0的入口地址，并实现“开始”按键的功能；将p3.3作为外部中断1的入口地址。并实现“清零”按键的功能；使用p0口作为段码数据输出控制口，p1.1、p1.2口分别实现暂停、快加的功能。显示电路由两位共阴极数码管组成。使用定时器t0实现10ms的定时，进行快加延时；当想实现正常计数时的1s延时，只需要实现40次25ms的定时器t1控制延时就可以实现。其中“开始”按键当开关由1拨向0时开始计时；“清零”按键当开关由1拨向0时数码管清零，此时若再拨“开始”按键则又可重新开始计时。2.1 数码管显示电路方案一：采用静态扫描方式，占用的口线多，硬件电路复杂。方案二：采用动态扫描方式，同时，数码管显示还分为共阳极数码管和共阴极数码管，本设计采用共阴极的接法。当位选信号为高电平时，该位选通，p0口中的数据送到该段上显示，节省接口资源，又能实时动态的性能。比较以上两种方案，系统设计中采用方案二。2.2 按键电路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。1、复位键和开始键功能在于使程序从头执行，对于时间的要求即单片机上电初始化时的值00；而停止键则要用于对时间的锁定，需要比较准确的控制。2、对于快加键，当检测到有快加信号时，则启动定时器t0, 完成一个周期定时时产生一个溢出中断请求，向cpu发送请求，每发一次就对计数单元低位进行加一操作，达到10次就对高位进行加一操作，送数码管显示，依次循环。3、同时检测是否有暂停信号，有暂停信号时，跳出快加程序，执行显示子程序。因此可以对暂停和快加按键采取扫描的方式。而对开始和复位键采用外部中断的方式。2.3 总体硬件组成框图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。其硬件电路主要有主控制器，计时与显示电路和回零、启动和快加电路，主控制器采用单片机8051，显示电路采用两位共阴极led数码管显示计时时间。本设计利用8051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和复位的功能。p0口输出段码数据，74ls164用作驱动输出，p1.1、p1.2、p3.2、p3.3口接四个按钮开关，分别实现暂停、快加、开始和复位功能。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。硬件电路图如图2-1所示。控制开关8051单片机控制器两位数码管位驱动 图2-1数字秒表硬件电路图第3章 系统硬件设计为使该数字电子秒表系统读取更加方便，精度更加高的特性，我们对系统的硬件做了精心设计。系统硬件设计包括：电源电路、单片机晶振电路以及单片机复位电路三部分。3.1 电源电路电源电路是系统的最基本部分，任何部分都离不开电源部分，单片机系统也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单而有所疏忽，其实有一半的故障或制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。3.2 单片机晶振电路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12mhz的方波信号。时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号p1和p2供单片机使用。p1在每一个状态s的前半部分有效，p2在每个状态的后半部分有效。本设计采用的内部振荡方式，内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。本设计系统的时钟电路如图3-1所示。只要按照图3-1所示电路进行设计连接就能使系统可靠起振并能稳定运行。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533pf。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12mhz的晶振。 图3-1 内部晶振电路3.3 单片机复位电路单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。单片机要完成复位，必须向复位端输出并持续两个机器周期以上的高电平，从而实现复位操作。上电自动复位通过电容c1充电来实现和限流电阻r2。手动按键复位是通过按键将电阻r1与vcc接通来实现。r1作为上拉电阻，当复位键按下是产生一个触发脉冲，进行复位操作。在mcs51中，复位电路的外部逻辑电路由通过二极管的单向导通性和施密特触发器组成。它能有效的实现上电复位和手动复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。80c51单片机的上电复位por（power on reset）实质上就是上电延时复位，也就是在上电延时期间把单片机锁定在复位状态上。在单片机每次初始加电时，首先投入工作的功能部件是复位电路。复位电路把单片机锁定在复位状态上并且维持一个延时（记作trst），以便给予电源电压从上升到稳定的一个等待时间；在电源电压稳定之后，再插入一个延时，给予时钟振荡器从起振到稳定的一个等待时间；在单片机开始进入运行状态之前，还要至少推迟2个机器周期的延时。若使用6mhz晶振，则需持续4s以上才能完成复位操作。如图中在通电瞬间，由于rc的充电过程，在 rst端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持10ms以上，就能使单片机自动复位，在6mhz时钟时，通常cr取22f，r1取200，r2取1k，这时能可靠的上电复位和手动复位。本设计采用上电且开关复位电路，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rst持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。通常选择c=1030f，r=1k，本设计采用的电容值为22f的电容和电阻为1k的电阻。该设计单片机复位电路如图3-2所示。 图3-2 单片机复位电路第4章 系统的软件设计在程序设计过程中，为了有效地完成任务，把所要完成的任务精心的分割成若干个相互独立但相互又仍可有联系的任务模块，这些任务模块使得任务变得相对单纯，对外的数据交换相对简单，容易编写，容易检测，容易阅读和维护。这种程序设计思想称为模块化程序设计思想。模块化结构程序的设计，可以使系统软件便于调试与优化，也使其他人更好地理解和阅读系统的程序设计。4.1 主程序设计本系统程序主要模块由主程序、定时中断服务程序、外部中断0服务程序和外部中断1服务程序组成。其中主程序是整个程序的主体。可以对各个中断程序进行调用。协调各个子程序之间的联系。系统（上电）复位后，进入主程序。主程序流程图如图4-1所示。开始程序初始化开各中断p1.0=? 1调用显示子程序关定时器p1.0=? 0p1.2=? 1关定时器0,1p1.2=? 0否否否否是是是是图4-1主程序流程图4.2 数码显示子程序设计对系统进行初始化，包括设置各入口地址、中断的开启、对各个数据缓存区清“0”、赋定时器初值，初始化完毕后，就进入数码管显示程序。在主程序中还进行了赋寄存区的初始值、设置定时器初值以及开启外部中断等操作，当定时时间到后就转去执行定时中断程序。当外部中断有请求则去执行外部中断服务程序。并在执行完后返回主程序。其子程序流程图如图4-2,4-3,4-4,4-5,4-6所示。r1=r1+114h=r1r1=?#0ahhhhhhh？#ahr2=? #0ahr1=#00hr2=r2+1r2=#00h结束否否是是 图4-2加一子序流程图int0入口地址开定时器0中断返回图4-3 int0中断子程序 int1入口地址中断返回调用显示子程序14h=#00h13h=#00hr1=#00hr2=#00h 图4-4 int1中断子程序 定时器t0入口地址初始值r3=? 0调用加一子程序定时器t0入口地址定时器t0入口地址调用数码显示子程序r3=#20h重复循环次数中断返回否是图4-5定时器t0子程序中断返回定时器t1入口地址调用数码显示子程序调用加一子程序置初值p1.0=？0关定时器t0开定时器t112h=r111h=r2调用暂停键子程序图4-6定时器t1子程序第5章 系统调试与测试结果分析5.1 使用的仪器仪表 数字万用表dt9203单片机仿真器 wave6000l烧写器 gf2100双踪稳压稳流电源dh1718e-55.2 系统调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。5.2.1 硬件调试 对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。5.2.2 软件调试 软件调试采用单片机仿真器wave6000l及微机，将编好的程序进行调试，主要是检查语法错误。5.2.3 硬件软件联调 将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能。5.3 测试结果在进行精度测试之前的编程过程中，知道单片机在进行定时中断时需要执行语句，而执行这些语句是需要占用cpu时间的，从而影响单片机定时的精确性，最终会导致数字电子秒表的计时误差，为了减小这种计时误差，之前在编程时已经将单片机一秒钟内执行程序的时间计算在内，并将定时器的初值做出了适当调整，争取最大限度的减小数字电子秒表的计时误差。将计时时间定为10分钟，当计时时间到后观察两个计时秒表是否同时到达。如果不是同时到达就说明有一定的误差，需要在程序中对定时器进行微调。如果两表是同时到达则说明秒表的设计满足要求。结 论本设计的数字电子秒表是由8051单片机、共阴数码显示管、控制按键等器件构成的，设有两位计时显示，开始、暂停、复位按键以及一个实现快加功能的按钮。计时精度能到达10ms，设计精简，使用简单易懂。系统设计合理，线路简单、功能先进，性能稳定，程序精简。并给出了详细的电路设计方法。采用汇编语言来进行软件设计，利用汇编语言面向机器并能较好的发挥机器的特性，且用内存少，执行速度快，能提高秒表的精度。参考文献1 郑毛祥.单片机应用基础m .北京：人民邮电出版社，2006.21-422 李鸿.单片机原理与应用m .湖南：湖南大学出版社，2001.194-2013 刘建清.单片机技术m .北京：国防工业出版社，2006.104-1054 杨宁，胡学军.单片机与控制技术m .北京：北京航空航天大学出版社，2005.306-3225 戴佳. 单片机c51语言应用程序设计j .北京：电子工业出版社，2006.168-1696 张毅刚.单片机原理及应用m .高等教育出版社.2003.160-1907 马忠梅等单片机c语言应用程序设计北京：北京航空航天大学出版社，1997.201-2118 李邓化，彭书华，许晓飞智能检测技术及仪表北京：科学出版社，2007. 194-2019 kai e, sawata s, lkebukuro k et al. detection of pcr product in solution usingsurface plasmon resonance .analytical chemistry, 1999. 796-800 10 richard blanchard, james harden. mosfets control more power in the same-sized package .electronic design, 1982.107-114 附录1 程序org 0000hajmp main ;主程序入口地址org 0003hajmp zhongduan0 ;中断0入口地址 org 000bhajmp yanshi ;定时器t0入口地址org 0013hajmp zhongduan1 ;中断1入口地址org 001bhajmp dingshi ;中断1入口地址org 0030h ;主程序入口地址;主程序main:mov tcon,#05h ;主程序开始，外部中断跳变模式 mov tmod,#11h ;定时器0、1工作模式1下 mov ie,#8fh ;中断允许 mov dptr,#tab ;指向数据表首地址 mov 12h,#00h ;初始化设置 mov 11h,#00h mov r1,#00h mov r2,#00h mov r3,#40 ;循环40次 mov tl0,#58h ;定时25ms mov th0,#9eh mov tl1,#0f0h ;定时10ms mov th1,#0d8h clr tr0 ;关断定时器 clr tr1;暂停和快加程序here:jb p1.0,here ;位扫描，为0顺序执行show:clr tr1 clr tr0 acall xianshikuaijia:jb p1.2,kuaijia ;等待快加信号，为0时快加 clr tr0 setb tr1here1:jnb p1.2,here1 ajmp here;外部中断0子程序，计时按键k1子程序zhongduan0:setb tr0 ;正常计时 1s延时 reti;外部中断1子程序，复位键k2子程序zhongduan1:clr tr0 ;复位 clr tr1 mov 12h,#00h mov 11h,#00h acall xianshi ;调用显示子程序 mov r1,#00h mov r2,#00h reti;加一子程序jia1: inc r1 ;加一子程序 cjne r1,#0ah,loop ;判断低位是否