毕业设计（论文）基于51单片机的9999秒倒计时器设计.doc

基于51单片机的9999秒倒计时器设计郑州科技学院专科毕业设计（论文） 题 目 _基于51单片机的 9999秒倒计时器设计 学生姓名 陈利丹 专业班级 10计通 学 号 201019009 所 在 系 信息工程学院 指导教师 邢烥岩 完成时间 2013 年3月 5 日 30目 录一引言2二总体设计方案32.1设计的目的与要求：3三、硬件设计43.1at89c52的芯片概述43.2 89c52单片机4四复位电路工作原理74.1复位电路74.2上电自动复位电路8五数码管显示电路105.1 显示电路105.2 led数码显示器的介绍与结构115.3led数码管显示器概述11七软件设计167.1 程序设计187.2 原理图257.3 pcb图277.4 元件清单27八结束语29九.参考文献30基于51单片机的9999秒倒计时器设计信息工程学院 通信技术 陈利丹（201019009）指导老师：邢烥岩摘 要倒计时器应用十分广泛,在制作倒计时器时多采用纯数字电路和模拟电路,电路复杂功能单一。如今微控技术应用十分广泛,采用单片机控制器制作倒计时器电路十分简单,功能齐全并且可以扩展其它功能。气短数码显示电路采用直接与单片机接口连接方式更加节省电路。成本低、功能灵活、使用方便等优势,更加巩固了单片机技术在电子产品制作中的不可替代的作用。本论文针对倒计时系统的设计的需求，介绍了mcs-51单片机的部分基本原理，如51单片机的接口功能、中断、定时器等等。倒计时系统需要用到锁存器、led数码显示器等主要模块，通过不同的模块之间相互作用，完成倒计时的初步硬件结构。对于倒计时器中的led数码显示器来说，采用以软件为主的接口方法，即采用keil uvision4软件程序进行译码。【关键词】倒计时器 单片机 矩阵键盘 keil uvision3 led数码显示器 9999 seconds countdown timerdesign based on 51 single chip microcomputername：chen lidan no. ：201019009 teacher: xing chenyan(institute of information engineering network technology)countdown timer is widely used, the pure digital circuit and analog circuit in the countdown timer, complex functions of a single circuit. now micro control technology is widely used, using single chip microcomputer controller making countdown timer circuit is very simple, complete functions and can be extended to other functions. shortness of breath and digital display circuit is directly connected with the microcontroller interface mode more saving circuit. low cost, flexible functions, convenient use and other advantages, consolidate the single-chip technology plays an irreplaceable role in the production of electronic productsin this paper, aiming at the requirement of the countdown system design, introduces the basic principle of mcs-51 scm, such as interface function, 51 scm interrupt, timer and so on. the countdown system needs to use latch, led digital display module, through interaction between different modules, complete the countdown to the initial hardware. for led digital display timer in the interface, the method based on software, which uses keil uvision4 software decoding. keyword countdown timer singlechip keyboard matrix keil uvision3 led digital display一.引言单片机自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。单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次毕业设计通过对它的学习、应用，以at89s51芯片为核心，辅以必要的电路，设计了一个简易的电子时钟，它由4.5v直流电源供电，通过数码管能够准确显示时间，调整时间，从而到达学习、设计、开发软、硬件的能力。单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高劳动效率，减轻劳动强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证安全等。 但是，单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于：单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须有模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能使用单片机通过软件（编程序）方法实现了。这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制系统“软化”技术，称之为微控制技术。微控制技术是一种全新的概念，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。二总体设计方案2.1设计的目的与要求：本次课程设计的主要概况是了解单片机控制的倒计时的过程。是利用定时器和计数器的原理将倒计时过程显示在led数码管上。最后应用软件设计，仿真基于市场他89c52单片机的倒计时实验。通过做一个综合性训练题目，达到对内容的消化、理解并提高解决问题的能力的目的。是配合单片机课程内容掌握、应用得的专门性实践类课程。通过典型实际问题的实际，训练学生的软硬件的综合设计、调试能力以及文字组织能力，建立系统设计概念，加强工程应用思维方式的训练，同时对教学内容做一定的扩充。对单片机9999秒倒计时要求如下： （1） 倒计时器以at89c52单片机为核心，起着控制作用。系统包括四位数码管显示电路，按键电路，复位电路，时钟电路。倒计时的总体设计思路分为五个模块：按键电路模块，复位电路，晶振电路模块，at89c52，数码管显示电路模块。利用键盘与四位led数码显示倒计时。 （2）硬件设计根据设计的任务选定单片机，根据控制对象设计接口电路。设计的单元电路必须有工作原理，器件的作用，分析和计算过程。 （3）软件设计根据电路工作过程，画出软件流程图，根据流程图编写相应的程序，进行调试并打印程序清单。 （4）原理图设计根据所确定的设计电路，利用protel等有关工具软件绘制电路原理图、pcb板图、提供元器件清单。三、硬件设计3.1at89c52的芯片概述 at89c52是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元，功能强大的微型计算机的at89c51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。at89c单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 其工作电压在4.5v,一般我们选用5v电压。3.2 89c52单片机89c52 芯片内部集成了 cpu、ram、rom、定时/计数器和i/o口等各功能部件，并由内部总线把这些部件连接在一起。89c52引脚图以及各引脚功能vcc：供电电压。gnd：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。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。在汇编编程和校验时，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。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。(1).并行i/o口引脚p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外部中断0）p3.3 /int1（外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器1外部输入）p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）（2）控制引脚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。在汇编编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。/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。在汇编编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。（3）时钟引脚：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。内部介绍：一个8位cpu；1. 32可编程i/o线2. 两个16位定时器/计数器3. 5个中断源 4. 可编程串行通道5. 低功耗的闲置和掉电模式6. 片内振荡器和时钟电路 7. 21个特殊功能寄存器；四复位电路工作原理4.1复位电路复位是单片机的初始化操作，只需给at89c52的复位引脚rst加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可得单片机复位.复位时，pc初始化为0000h，使单片机从out单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，由于程序运行出错或操作错误而使系统处于死锁状态。为摆脱死锁状态，也需按复位键使得rst脚为高电平，使单片机重新启动。在系统中，有时会出现显示不正常。为了调试方便，需要设计一个复位电路。at89c52单片机复位电路共有上电复位、按键电平复位和按键脉冲复位。本系统的复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的rc电路构成，也可使用其它的相对复杂，但功能更完善的电路。本系统采用的电路工作原理是：上电瞬间，rc电路充电，reset引脚端出现正脉冲，只要reset保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。当时钟频率选用12mhz时，c取10uf，r取10k，上电自动复位电路由上电瞬间c与r构成充电电路，reset端的电位与电源vcc相同，随着充电电流的减少，reset的电位逐渐下降。rc时间常数越大，上电时reset端保持高电平的时间越长，这组参数足以保证复位操作。若复位电路失效，加电后cpu从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运行。按键s5的功能是按键复位，按下s5键时rst为高电平，只要保持10ms以上的高电平，就可以使单片机复位。按键复位用在系统运行时的复位，使系统重新运行。4.2上电自动复位电路rst 引脚是复位信号的输入端，只要高电平的复位信号持续两个机器周期以上的有效时间，就可以使单片机上电复位。上电自动复位是通过电容充电实现的，上电瞬间，rst 端电位与vcc 相同，随充电电流的减少，rst 的电位逐渐下降，直到复位信号无效。按键复位在此不在作过多的介绍，其原理和上电复位是相同的。但其采用的是脉冲复位电路和电平复位电路两种。本电路应用定时器0方式1工作方式：该方式是一个16 位计数器的计时中断法。所以工作方式寄存器tmod的m1m0两位为01。设置定时器模式时：加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。比如，12m的晶振每秒可产生1m的机器周期1，50ms就是50000个机器周期，定时器0工作方式1工作，计数长度为=65536个外部脉冲，65536-50000周期=初值15536，从15536开始计数，总共累加50000次计数器产生一次溢出，所以定时器的高八位和低八位th0和tl0的值为：th0 = (65536-time)/256；tl0 = (65536-time)%256；其中time=50000；其中tl0是低八位当达到256的时候，向高八位进1，然后低八位重新计数，所以高八位对差值求整，低八位对差值求余。由于采用的是定时器0所以tmod的高四位为0000；选通控制只要用软件使tr0就启动了定时器，所以门控位gate为0；表示设置为定时方式。所以工作方式tmod=0000 0001h=0x01h。复位电路：五数码管显示电路5.1 显示电路通常在显示上采用的方法一般包括两种：一种是静态显示，另一种是动态显示。其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多，所耗得电能较大；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少。在本设计中，为了减少端口资源，降低电能消耗，采用的是动态显示方法。本系统的倒计时时间的最大范围是9999秒，要求精确到秒，显示格式是9999/999/99/9。从格式可知数码管显示电路要用到4位数码管。考虑到数码管的段和位比较多，本系统选了两个4位一体的共阳数码管和一个一位的共阳数码管。数码管有段选和位选控制，在此电路中有8个位选，8个段选，分别用单片机的p0口和p1进行8个位的控制。 5.2 led数码显示器的介绍与结构 显示器是最常用的输出设备，其种类繁多，但在单片机系统设计中最常用的是发光二极管显示器（led）和液晶显示器（lcd）两种。由于这两种显示器结构简单，价格便宜，接口容易实现，因而得到广泛的应用。 液晶显示器分很多种类，按显示方式可分为段式，行点阵式和全点阵式。段式与数码管类似，行点阵式一般是英文字符，全点阵式可显示任何信息， 如汉字、图形、图表等。 两者之间的区别： （1）二极本身发光， 液晶本身不发光，只是透射光。 （2）二极管体积大，图像质量一般，适合作室外大屏幕，价格较低。液晶成本较高，面积无法做得很大，但图像质量很好，适合做显示器。 （3）二极管耗电大，液晶耗电小。 （4）二极管图像刷新率低，液晶的高 二者的档次相差比较大。而液晶一般都是作计算机显示器，在这里就以有多个发光二极管组成的led来完成倒计时器的设计。 5.3led数码管显示器概述本设计中采用的是7segcom anode型号数码管，它是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。实物如图3所示：图3 7segcom anode型号数码管数码管的分类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。 led 数码显示器是一种有 led 发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了 8 个 led 发光二极管，其中 7 个用于显示字符，剩下的一个用于显示小数点，故通常称之为 7 段发光二极管数码器。在数码管中，若将二极管的阳极连在一起，称为共阳极数码管；若将二极管的阴极连在一起，称为共阴极数码管。如图3.7所示。图3.7 (a)为a到g在数码管的编排，(b)分别为共阴极、共阳极电路当发光二极管导通时，它就会发光。每个二极管就是一个笔画，若干个二极管发光时，就构成了一个显示字符。若将单片机的i/o口与数码管的ag及h相连，高电平的位对应的发光二极管亮，即i/o输出不同的代码，就可以控制数码管显示不同的字符。例如：当i/o输出得代码为0011 1111时，数码管显示的字符为0。这样形成的显示字符的代码称为显示代码或者段选码。本次设计的实验板用的共阴led显示器，根据电路连接图16进制数字的显示代码如表3.1所示2。表3.1 16进制数字的显示代码16进制hgfedcba显示代码0001111113fh10000011006h2010110115bh3010011114fh40110011066h5011011016dh6011111017dh70000011107h8011111117fh9011011116fha0111011177hb011111007chc0011100139hd010111105ehe0111100179hf0111000171h.1000000080h5.4 led 数码管显示方式led显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用cpu时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。本次设计采用的是动态显示方式。动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。 六时钟电路模块时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准有条不紊地一拍一拍地工作的。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统得稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。单片机必须在时钟的驱动下才能工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路，只要外界一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。本系统使用的是内部时钟方式。一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在xtal2引脚产生幅度为3v左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。 本系统使用的是内部时钟方式。一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在xtal2引脚产生幅度为3v左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。七软件设计 3.3.2软件设计方法图5 程序框图定时/计数器初值计算（1）本电路应用timer0 mode 16位计数器的计时中断法。 （2）1秒等于1000000微秒,而每一计时脉冲是1微秒,因此需输入100000个计时脉冲,方可达到1秒的时间。本设计中，设定中断每次溢出时间50ms。（3）由上式得知，循环20次即可达到1秒定时，即： n=t/tcy=0.05s/0.000001=5000x=65536-5000=15536=3cb0h（4）由上式得知5000个脉冲，首先需设定tl0=3ch,th0=0b0h，此时第1次只要输入5000个脉冲输入，就会溢出；第2次至第20次，则需每1000000个计时脉冲，定时1秒。（5）上电时，显示60，开始倒数计时按下开关实现复位。 7.1 程序设计#includesbit key1=p32;sbit key2=p33;sbit key3=p34;sbit key4=p35;unsigned char keyv,tempkeyv; sbit p34=p13;sbit p35=p12;sbit p36=p11;sbit p37=p10;sbit jdq=p20;sbit beep=p21;unsigned int js;unsigned int ds;unsigned char jsflag;static unsigned int i;unsigned char code leddis=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff,0xbf;unsigned char code table =0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;void delay(unsigned int ii)unsigned int jj;for(;ii0;ii-)for(jj=0;jj0;iii-)for(jjj=0;jjj60;jjj+);void main()ea = 1;/允许cpu中断et0 = 1; /定时器0中断打开tmod = 0x1;/设定时器0为模式1，16位模式th0=0xb1;tl0=0xdf;/设定时值为tr0 = 1;ds=0;keyv = 0;tempkeyv = 0;jsflag=0;while(1);void keyanddis_time0(void) interrupt 1 using 2th0=0xb1;tl0=0xdf;/设定时值为if (!key1)keyv = 1;if (!key2)keyv = 2;if (keyv!= 0) /有键按下delay(10); /延时防抖 按下10ms再测if (!key1)tempkeyv = 1;if (!key2)tempkeyv = 2;if (keyv = tempkeyv) if (keyv = 1)jsflag=0;if(ds=0)ds=600; if(key1=1)ds=9999;if(key2=1)ds=999;if(key3=1)ds=99;if(key4=1)ds=9;js=js+1;jdq=0; if(js=45)beep=0;if(js=50)js=0;ds=ds-1;beep=1;if(keyv=2)jsflag=1;if(jsflag=1)jdq=1;if(ds=0)jdq=1;jsflag=1;keyv=0;p0=leddisds/1000;p34=0;delay500(5);p34=1;p0=leddisds/100%10;p35=0;delay500(5);p35=1;p0=leddisds/10%10;p36=0;delay500(5);p36=1;p0=leddisds%10;p37=0;delay500(5);p37=1;软件调试过程系统调试工具keil c51 keil c51 仿真器是一款利用keil c51 的ide 集成开发环境作为仿真环境的廉价仿真器，是利用sst公司具有iap功能的单片机sst89c58制作而成，主要是利用了sst89c58的iap功能，所谓iap功能是in application program 的英文缩写，是在应用编程的意思，通俗一点讲就是：它可以通过串口将用户的程序下载到单片机中，可以通过串口对单片机进行编程。它之所以具有这种功能，实际上它有两块程序flash区，其中一块flash中运行的程序可以更改另外的一块程序flash区中的程序，正是利用这一特性才用它作成了仿真器，我们把仿真器的监控程序事先烧入sst89c58，监控程序通过sst89c58的串口和pc通讯，当使用keil c51的ide环境仿真时，用户的程序通过串口被监控程序写入flash程序区中，当用户设置断点等操作仿真程序时，flash程序中的用户程序也在相应的更改，从而实现了仿真功能 。调试的主要方法 ：1. 启动keil c51 2. 新建一个工程。project菜单new project ，选择好我们要保存的文件夹后，键入frist 保存。接着弹出cpu类型选择框，我们选择最常用的at89c51,按确定。3. 在工程中加入文件。新建一个文件，文件菜单filenew，我们再选择：文件菜单filesave as? （另存为）弹出 对话框后，我们文件名框中键入first.c（注意文件后缀名是 .c）保存。c文件建好啦。现在我们把文件加入到工程中去。 点击target 1前面的+号，右键单击source group 1选择add files to group，source group 1，选择添加 add。编译运行，检查程序是否有错误。系统调试工具proteus proteus是一款eda软件，该软件具有模拟电路仿真，数字电路仿真，单片机以及外围电路组成的系统的仿真，rs-232动态仿真，i2c调试器，spi调试器，键盘和lcd系统的仿真，以及各种虚拟仪器，如示波器，逻辑分析仪，信号发生器等。该软件目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、avr系列、pic12系列、pic16系列、pic18系列、z80系列、hc11系列、arm以及各种外围芯片。该软件还支持大量的存储器和外围芯片，所以，该软件是一款集单片机和spice分析于一身的仿真软件。调试方法：首先用keil软件将c编译成hex文件，打开keil软件，新建一个文档，输入c程序，保存成c格式文件，然后新建工程，连接单片机为at89c51，选择options for target，选择output子菜单，在create hex fi前打钩，debug子菜单中，settings