基于MCU的遥控田径计时秒表设计的毕业论文.doc

毕业设计课题名称：基于MCU的遥控田径计时秒表设计 摘 要本课题对现有的各种中小型群众性运动会所用的计时秒表进行研究，结合实际市场应用的需求，提出了一种基于MCU的遥控田径计时秒表的设计方案，不仅解决了由于裁判的主观因素引起的计时误差，并且节约了大量的人力，物力。本设计采用无线传输设备来触发开始计时，用光电检测来终止计时并将计时结果用液晶显示器显示出来。 电路的主要功能包括：AT89C51单片机的控制计时功能，用发令枪在发出起跑命令的同时，通过无线传输方式触发单片机计时器开始计时；在终点有光电检测设备，当运动员到达终点时，单片机通过中断方式终止计时并控制液晶显示计时结果。本设计可以有效的解决了目前中小型群众性运动会所用计时秒表，受裁判主观因素影响而使计时误差大，且人力资源耗费量大的缺点。如若加以改进还可以用于工业上的定时计时控制等方面。关键词：MCU ；光电检测；无线发送，接收模块；液晶显示；ABSTRACTThe subject of the various existing small and medium-sized Games by the time stopwatch study，meeting application of the actual market demand, design a remote time stopwatch which based on the MCU . Greatly improve the accuracy of the time，Saving a lot of manpower, material.This design used wireless transmission equipment to trigger starting time,ending time with photo detector and displaying the result with LCD. The circuit functions mainly include: controlling of time by AT89C2O51 SCM; Start with an order issued in the starting gun at the same time trigger the timer starting time by wireless transmission equipment. There is a photoelectric detection equipment in the end. When the athletes get to the end, Blocking of light produce a transition signal. The design can be an effective solution of the current small and medium-sized masses of the Games time used by the stopwatch,which have shortcomings of big error and time-consuming a large quantity of human resources. It aslo can be used to industrial control on the timing of time if it can be improved.Key words: MCU；Photoelectric detection; Wireless transmitter and receiver module; LCD目 录1. 绪论111 当前国外内的现状112 课题的意义及目的113 本文研究内容22. 系统设计22. 1 体系结构设计22. 2 系统硬件模块设计3221无线传输模块设计3222光电检测模块设计6223微控制器模块8223 LCD显示模块143. 模块功能的实现183. 1 无线传输模块1832光电检测模块1933 89C51中断及计时模块功能的实现21331微控制器定时/计数器的主要特性21332定时/计数器T0、T1的结构及工作原理21333定时/计数器的方式和控制寄存2234 系统功能及主要参数2335液晶显示模块LCD1602254. 系统测试与调试2641 功能测试2642 容错性测试2643 性能与效率测试265. 结语27参考文献：281. 绪论目前，各种中小型群众性运动会使用的计时秒表大多是由裁判手动的计时秒表，这种秒表在计时时不仅会产生很大的误差(尤其是对短跑)，而且也会需要很多的人力；而用先进的全自动终点摄影计时装置计时，价格又太昂贵，不适合这类运动会使用。为此就需要一款性价比较高的计时秒表。另一方面，无线遥控设备及光电检测越来越多的应用在控制类、消费类、通讯类等电子产品中，人们也越来越多采用无线遥控设备及光电检测技术来解决日常生活中所遇到的问题。基于以上原因设计出一款遥控的计时秒表。本产品不仅应用于计时，而且还可以运用很多工业遥控控制及各种实用电子控制方面，具有广阔的市场前景。1.1 当前国内外的现状国内外的运动会所用的计时秒表大致可分2类：1、手动的电子计时秒表.该类计时秒表的计时精度大约为十分之一秒，在计时是由裁判员目测开始计时发令信号，然后按开始计时按钮，在到达终点是也是由裁判员手动按下停止计时按钮，这样受客观及裁判主观因素的影响很大，尤其是在短跑时，计时误差更是不可忽视。若是有8个运动员同时起跑则就需要8个裁判员，这样不仅费时、费力，而且计时不准确。2、全自动摄影计时系统.该类计时系统必须从发令员的枪或经批准的类似装置启动开始计时,在该系统中拍摄的图像必须与计时系统同步,且可以精确到1/1000秒。终点计时摄影机的操作原理是将光束投射到终点线然后回射,跑手冲过光束那刻,计时表便会停止计时，并将计时的时间缓存，并显示出来这种摄影机为运动计时带来了革命性的突破。小结：第一种计时秒表价格便宜，使用起来方便，但是计时误差大。第二种摄影计时系统，计时的误差非常小，但设备的安装较为麻烦，且价格昂贵，不适合中小型群众性运动会的需要。1.2 课题的意义及目的 目前，各种中小型运动会使用的计时秒表大多是手动的计时秒表，这种秒表在计时时不仅会产生很大的误差(尤其是对短跑)，而且也会需要很多的人力；而用先进的全自动终点摄影计时装置计时，价格又太昂贵，不适合这类运动会使用。为此就需要一款性价比较高的计时秒表，我们对市场上各种计时秒表的优，缺点进行了研究，并采用了远程遥控技术，设计了一款新型的基于MCU的遥控计时秒表，本系统解决了其他产品计时误差大、抗噪声能力差，性价比不高的问题。本课题的设计是根据现在市场的需要而产生的，它完全符合中小型运动会的需要。本产品不仅应用于运动会计时，而且还可以运用很多工业遥控控制及各种实用电子控制方面，具有广阔的市场前景。本方案提高了各种群众性运动会的举办质量，使其更公平，公正。对于运动会的成功举办有着重要的意义，有很强的实用价值，也具有商业价值的潜力。1.3本文研究内容本文采用ATMEL公司的AT89C51单片机、Navibe公司的无线发送，接收模块、RT1602C型的LCD模块和光电检测模块的方案，构建系统的硬件平台，完成了以下几方面的内容：1：无线发送模块从发令枪获取起跑信息并把该信息发送给无线接收模块。2：STC89C51单片机通过中断方式触发定时计时器开始计时，编写计时程序使器计时精度精确到0.01秒。3：光电检测把计时终止的信息及跑道信息通过中断方式，使单片机停止计时；并把结果储存在指定的存储单元。4：友好的用户界面，显示跑道及所用时间。2. 系统设计系统设计的内容包括三方面：体系结构设计、模块设计、数据结构与算法设计。2.1体系结构设计 一个好的系统结构设计对于整个系统是相当重要的。采用层次结构能将一个复杂的问题分解成若干个简单的问题，然后逐个解决。在整个体系结构中，微控制器作为中央处理器负责综合处理各个模块的信息。MCU能够接收到无线发送，接收模块发出的开始信息是关键，是后继处理的信息来源。微控制器的主要处理信息是由光电检测模块发送的终止信息以及运动员所在的跑道信息，程序处理就是围绕这个展开的。包括信息储存，及信息显示。各个模块都是围绕着中央控制器开展各层之间是独立的，上层不用知道下层是如何实现的，而仅仅只需要知道该层的接口。每层只实现相对简单独立的功能，这样就降低了设计复杂程度。系统结构的层次分4层，如图2-1。 触发计时部分（起点）开始计时信息无线发送模块发送终止信息无线信道 微控制器 主控 部分 微控制器(MCU)无线接收模块光电检测模块发送终止信息液晶LCD显示图21 系统结构的层次图2. 2 系统硬件模块设计221无线传输模块设计系统主要硬件组成见图22所示。MCULCD显示光电检测无线接收电路无线发射电路图2-2系统主要硬件组成无线传输模块由无线发送和无线接收两部分组成。无线模块是（安阳市新世纪电子研究所有限公司）推出的特小体积、极低功耗超无线收发模块，采用独特的电路结构，SMT生产工艺、树脂环氧封装，内含放大整形电路，输出为数字信号可直接与单片机串口连接无需设计传输驱动，是性价比较好的无线收发模块。接收模块：图23无线接收模块J04VJ04V是该公司推出的一款特小体积、极低功耗超再生接收模块，采用独特的电路结构，SMT生产工艺、树脂环氧封装，内含放大整形电路，输出为数字信号可直接至解码器，使用极为方便，是一款性价较好的超再生接收模块。J04V无信号时输出为零电平状态（无噪声干扰）可与单片机输入端直接连接。J04V引脚功能：1 外接天线2 数据输出端3 数据反相输出端 （配F05P+）4 工厂测试端(悬空）5 地 6 正电源3-3.6V 无线接收电路是一款工作在间歇振荡状态下的再生检波电路，经过NJM2904整形、放大，得到与发射端反相的电压，直接输入解码电路。发射模块：图2-5无线发送模块F05P+F05P采用SMT工艺、树脂环氧封装、小体积、声表谐振器稳频、内部具有一级调制电路及限流电阻，适合短距离无线遥控报警及单片机短距离无线数据传输。F05P具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，ASK方式（振幅键控16）调制。F05P不能任意调整发射电流，单片机的数据可直接通过串口进入F05P的数据输入端。F05P在无数据输入时单片机必须为低电平状态，（对应的接收电路J04V、J04T为第2脚）；F05P+在无数据输入时单片机必须为高电平状态15。F05P+引脚功能：1 正电源 3-12V2 地3 数据信号输入（平时为高电平）4 外接天线无线发射电路是单管振荡电路，前面电路的输入信号起偏置电压的作用。当有按键按下时，输出高电平，高频发射电路起振并产生等幅高频振荡。键松开后发射电路停止振荡。可见发射电路完全受控于按键键入的信号，从而对发射电路完成幅度键控（ASK调制），相当于调制度为100%的调幅。振荡信号通过印制电路构成的电感产生电磁波，发送至空中。222光电检测模块光电式传感器在检测与控制中应用非常广泛，它基本上分为模拟式传感器和脉冲式传感器两类。光电器件是光电传感器中最重要的器件，它是将光信号转换为电信号的一种传感器件，它是构成光电是传感器的主要部件。光电器件响应快，结构简单，使用方便，可以实现非接触测量，而且有较高的可靠性，因此在自动检测、计算机和控制系统中得到广泛的应用。光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。光敏电阻的主要参数：（1） 暗电流和暗电流光敏电阻在室温条件下，在全暗电流经过一定时间测量的电阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。（2） 亮电阻和亮电流光敏电阻在某一光照下的组织，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3） 光电流亮电流与暗电流之差，称为光电流。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，则性能越好。也就是说，暗电流小、光电流大的光敏电阻的灵敏度就高。实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1兆欧姆，甚至高达100兆欧姆，亮电阻即使在正常白昼条件下也可降低1000欧姆一下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。模拟式光电传感器的作用原理是，基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数，也就是说，对于光通量的任意一个选定值，而光通量有随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。而脉冲是光电传感器的作用原理是光电器件的输出仅有两个状态，也就是“通”与“断”的开关状态，即光电器件收光照时，有电信号输出；光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作为继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角速度、角位移、角速度的光电脉冲传感器等。本模块所用的即为脉冲式光电传感器ST181，工作原理图2-6所示：光发射光接收MCU第N跑道光图2-6光电检测原理图223 微控制器模块AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。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。外形及引脚排列在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 管脚说明： 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。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，此时P0外部必须被拉高。 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。 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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能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）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 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FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /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FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 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。振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 串口讯通单片机的结构和特殊寄存器，这是你编写软件的关键。至于串口通信需要用到那些特殊功能寄存器呢，它们是SCON，TCON，TMOD，SCON等，各代表什么含义呢？ SBUF 数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。有朋友这样问起过“为何在串行口收发中，都只是使用到同一个寄存器SBUF？而不是收发各用一个寄存器。”实际上SBUF 包含了两个独立的寄存器，一个是发送寄存，另一个是接收寄存器，但它们都共同使用同一个寻址地址99H。CPU 在读SBUF 时会指到接收寄存器，在写时会指到发送寄存器，而且接收寄存器是双缓冲寄存器，这样可以避免接收中断没有及时的被响应，数据没有被取走，下一帧数据已到来，而造成的数据重叠问题。发送器则不需要用到双缓冲，一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。操作SBUF寄存器的方法则很简单，只要把这个99H 地址用关键字sfr定义为一个变量就可以对其进行读写操作了，如sfr SBUF = 0x99;当然你也可以用其它的名称。通常在标准的reg51.h 或at89x51.h 等头文件中已对其做了定义，只要用#include 引用就可以了。 SCON 串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态，都会引用到接口控制寄存器。SCON 就是51 芯片的串行口控制寄存器。它的寻址地址是98H，是一个可以位寻址的寄存器，作用就是监视和控制51 芯片串行口的工作状态。51 芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下，其工作模式的设置就是使用SCON 寄存器。它的各个位的具体定义如下： SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RISM0、SM1 为串行口工作模式设置位，这样两位可以对应进行四种模式的设置。串行口工作模式设置。 SM0 SM1 模式功能 波特率 0 0 0 同步移位寄存器 fosc/12 0 1 1 8位UART 可变 1 0 2 9位UART fosc/32 或fosc/64 1 1 3 9位UART 可变 在这里只说明最常用的模式1，其它的模式也就一一略过，有兴趣的朋友可以找相关的硬件资料查看。表中的fosc 代表振荡器的频率，也就是晶振的频率。UART 为(Universal Asynchronous Receiver）的英文缩写。 SM2 在模式2、模式3 中为多处理机通信使能位。在模式0 中要求该位为0。 REM 为允许接收位，REM 置1 时串口允许接收，置0 时禁止接收。REM 是由软件置位或清零。如果在一个电路中接收和发送引脚P3.0,P3.1 都和上位机相连，在软件上有串口中断处理程序，当要求在处理某个子程序时不允许串口被上位机来的控制字符产生中断，那么可以在这个子程序的开始处加入REM=0 来禁止接收，在子程序结束处加入REM=1 再次打开串口接收。大家也可以用上面的实际源码加入REM=0 来进行实验。 TB8 发送数据位8，在模式2 和3 是要发送的第9 位。该位可以用软件根据需要置位或清除，通常这位在通信协议中做奇偶位，在多处理机通信中这一位则用于表示是地址帧还是数据帧。 RB8 接收数据位8，在模式2 和3 是已接收数据的第9 位。该位可能是奇偶位，地址/数据标识位。在模式0 中，RB8 为保留位没有被使用。在模式1 中，当SM2=0，RB8 是已接收数据的停止位。 TI 发送中断标识位。在模式0，发送完第8 位数据时，由硬件置位。其它模式中则是在发送停止位之初，由硬件置位。TI 置位后，申请中断，CPU 响应中断后，发送下一帧数据。在任何模式下，TI 都必须由软件来清除，也就是说在数据写入到SBUF 后，硬件发送数据，中断响应（如中断打开），这时TI=1，表明发送已完成，TI 不会由硬件清除，所以这时必须用软件对其清零。 RI 接收中断标识位。在模式0，接收第8 位结束时，由硬件置位。其它模式中则是在接收停止位的半中间，由硬件置位。RI=1，申请中断，要求CPU 取走数据。但在模式1 中，SM2=1时，当未收到有效的停止位，则不会对RI 置位。同样RI 也必须要靠软件清除。常用的串口模式1 是传输10 个位的，1 位起始位为0,8 位数据位，低位在先，1 位停止位为1。它的波特率是可变的，其速率是取决于定时器1 或定时器2 的定时值（溢出速率）。AT89C51 和AT89C2051 等51 系列芯片只有两个定时器，定时器0 和定时器1，而定时器2是89C52 系列芯片才有的。 波特率在使用串口做通讯时，一个很重要的参数就是波特率，只有上下位机的波特率一样时才可以进行正常通讯。波特率是指串行端口每秒内可以传输的波特位数。有一些初学的朋友认为波特率是指每秒传输的字节数，如标准9600 会被误认为每秒种可以传送9600个字节，而实际上它是指每秒可以传送9600 个二进位，而一个字节要8 个二进位，如用串口模式1 来传输那么加上起始位和停止位，每个数据字节就要占用10 个二进位，9600 波特率用模式1 传输时，每秒传输的字节数是960010960 字节。51 芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，为fosc/12，以一个12M 的晶振来计算，那么它的波特率可以达到1M。模式2 的波特率是固定在fosc/64 或fosc/32，具体用那一种就取决于PCON 寄存器中的SMOD位，如SMOD 为0，波特率为focs/64,SMOD 为1，波特率为focs/32。模式1 和模式3 的波特率是可变的，取决于定时器1 或2（52 芯片）的溢出速率。那么我们怎么去计算这两个模式的波特率设置时相关的寄存器的值呢？可以用以下的公式去计算。 波特率（2SMOD32）定时器1 溢出速率 上式中如设置了PCON 寄存器中的SMOD 位为1 时就可以把波特率提升2 倍。通常会使用定时器1 工作在定时器工作模式2 下，这时定时值中的TL1 做为计数，TH1 做为自动重装值 ，这个定时模式下，定时器溢出后，TH1 的值会自动装载到TL1，再次开始计数，这样可以不用软件去干预，使得定时更准确。在这个定时模式2 下定时器1 溢出速率的计算公式如下： 溢出速率（计数速率）/(256TH1) 上式中的“计数速率”与所使用的晶体振荡器频率有关，在51 芯片中定时器启动后会在每一个机器周期使定时寄存器TH 的值增加一，一个机器周期等于十二个振荡周期，所以可以得知51 芯片的计数速率为晶体振荡器频率的1/12，一个12M 的晶振用在51 芯片上，那么51 的计数速率就为1M。通常用11.0592M 晶体是为了得到标准的无误差的波特率，那么为何呢？计算一下就知道了。如我们要得到9600 的波特率，晶振为11.0592M 和12M，定时器1 为模式2，SMOD 设为1，分别看看那所要求的TH1 为何值。代入公式： 11.0592M 9600(232)(11.0592M/12)/(256-TH1) TH1250 12M 9600(232)(12M/12)/(256-TH1) TH1249.49 上面的计算可以看出使用12M 晶体的时候计算出来的TH1 不为整数，而TH1 的值只能取整数，这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的9600 波特率。当然一定的误差是可以在使用中被接受的，就算使用11.0592M 的晶体振荡器也会因晶体本身所存在的误差使波特率产生误差，但晶体本身的误差对波特率的影响是十分之小的，可以忽略不计。224 LCD显示模块 本系统仅需要显示两个跑道的计时时间信息,因此选用字符型显示模块SMC1602A。它是用5*7的点阵图形显示字符，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，本系统使用常用的2行16个字的1602液晶显示模块。 SMC1602A采用标准的16脚接口。其中：第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”、使用时可以通过一个10K的点位器调整对比度。第5脚RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。SMC1602A液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001（41H）,显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。其内部的控制器有11条控制指令来控制字符的显示。1.主要技术参数：2.接口信号说明：3.控制器接口说明1）基本操作时序：1.1读状态:输入：RS=L, RW=H, E=H输出：D0D7=状态字；1.2写指令：输入：RS=L, RW=L, D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：无；1.3读数据：输入：RS=L, RW=L, E=H 输出：D0D7=数据1.4写数据：输入：RS=H, RW=L,D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无2）状态字说明注：对控制器每次进行读写操作之前，都必须进行读写检测，确保STA7为03）RAM地址映射图4）指令说明4.1初始化设置4.1.1显示模式设置4.1.2 显示开/关及光标设置4.2 数据控制 控制器内部设有一个数据地址指针，用户可通过它们来访问内部的全部80字节的RAM.4.2.2读数据：输入：RS=L, RW=L, E=H 输出：D0D7=数据4.2.3写数据：输入：RS=H, RW=L,D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无4.2.4其他设置5）初始化过程（复位过程）5.1 延时15ms5.2 写指令38H(不检测忙信号)5.3 延时5ms5.4 写指令38H(不检测忙信号)5.5 延时5ms5.6 写指令38H(不检测忙信号)5.7（以后每次写指令、读/写数据操作之前均需检测忙信号）5.8 写指令08H：显示模式设置5.9 写指令01H：显示关闭5.10 写指令01H：显示清屏5.11 写指令06H：显示光标移动设置5.12 写指令0cH：显示开及光标设置4.控制器接口说明1）读操作时序2）写操作时序3）时序参数3. 模块功能的实现一个复杂的问题分解成若干个简单的问题，然后逐个解决。31 无线传输模块无线传输模块由无线发送和无线接收两部分组成。无线模块是新世纪电子研究所有限公司的推出的特小体积、极低功耗超无线收发模块，采用独特的电路结构，SMT生产工艺、树脂环氧封装，内含放大整形电路，输出为数字信号可直接与单片机串口连接无需设计传输驱动，是性价比较好的无线收发模块。无线发送模块上有一个按键，也有一个测试灯，按下按键若有信号发出，灯就会亮。内部具有一级调制电路及限流电阻，适合短距离无线遥控报警及单片机短距离无线数据传输。电路如图3-1所示：图3-1无线发射模块无线接收模块采用独特的电路结构，内含放大整形电路当无信号输入时电路输出为低电平，有信号时会输出一个正脉冲，幅值大概在3.2V左右。由于单片机的外中断口是负跳变有效,所以刚好可以利用下降沿作为中断触发。用以实现与单片机的P3.2()的直接相连。电路原理如图3-2所示： 图3-2无线接收模块32 光电检测模块单光束直射取样式光电传感器:ST181 ST181采用高输出的红外光电二极管与高灵敏度光敏晶体管组成,其特点:性能可靠;体积小,结构简单,广泛应用于多费率电能表,IC卡电度表等各种需测量计数的场合,配套有各种遮光盘供选用,可用于判别被测物体的。特点：1.采用高发射功率红外线光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。 2.采用非接触检测方式。 3.光缝宽度（分辨率）1.1mm。极限参数： 光电特性：由上面对ST181的分析可知：在接硬件电路是只要将ST181的1脚接地，2脚接正电源，4脚接正电源。在正常情况下，3脚输出的是高电平，但是当有物体遮住红外光线时，3脚就会变为低电平。所以该管脚可直接接单片机的第二外中断口P3.3（）。由于我们有实现的是八个跑道的计时，所以在检测的光电检测管给的信号后，还应该把该信号同时再给单片机的一个数据口（第一路P1.0；第二路P1.1依次往后.），用以辨别是哪一路发出的信号。电路原理图3-3所示：图3-3光电检测原理图33 89C51中断及计时模块功能的实现 本设计的中断计时系统采用C51内核的单片机AT89C51，MCS-51单片机的内部资源主要有并行I/O口、定时器/计数器、串行接口以及中断系统，MCS-51单片机的大部分功能就是通过对这些资源的利用来实现的。下面来介绍下用C语言实现其功能。331 微控制器定时/计数器的主要特性1MCS-51系列中51子系列有两个16位的可编程定时/计数器：定时/计数器T0和定时/计数器T1，52子系列有三个，还有一个定时/计数器T2。2每个定时/计数器既可以对系统时钟计数实现定时，也可以对外部信号计数实现计数功能，通过编程设定来实现。3每个定时/计数器都有多种工作方式，其中T0有四种工作方式；T1有三种工作方式，T2有三种工作方式。通过编程可设定工作于某种方式。4每一个定时/计数器定时计数时间到时产生溢出，使相应的溢出位置位，溢出可通过查询或中断方式处理。332 定时/计数器T0、T1的结构及工作原理加法计数器在使用时注意两个方面。第一，由于它是加法计数器，每来一个计数脉冲，加法器中的内容加1个单位，当由全1加到全0时计满溢出，因而，如果要计N个单位，则首先应向计数器置初值为X，且有：初值X=最大计数值（满值）M计数值N 在不同的计数方式下，最大计数值（满值）不一样，一般来说，当定时器/计数器工作于R位计数方式时，它的最大计数值（满值）为2的R次幂。第二，当定时/计数器工作于计数方式时，对芯片引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）上的输入脉冲计数，计数过程如下：在每一个机器周期的S5P2时刻对T0（P3.4）或T1（P3.5）上信号采样一次，如果上一个机器周期采样到高电平，下一个机器周期采样到低电平，则计数器在下一个机器周期的S3P2时刻加1计数一次。因而需要两个机器周期才能识别一个计数脉冲，所以外部计数脉冲的频率应小于振荡频率的1/24。333 定时/计数器的方式和控制寄存定时/计数器的方式寄存器TMODD7D6D5D4D3D2D1D0(89H)GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0定时器1定时器0其中：M1、M0为工作方式选择位 ，用于对T0的四种工作方式，T1的三种工作方式进行选择，选择情况如下 M1M0工作方式方式说明00013位定时/计数器01116位定时/计数器1028位自动重置定时/计数器113两个8位定时/计数器（只有T0有）C/T：定时或计数方式选择位，当C/T=1时工作于计数方式；当C/T=0时工作于定时方式。 GATE：门控位，用于控制定时/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。TCOND7D6D5D4D3D2D1D0(88H)TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0其中：TF1：定时/计数器T1的溢出标志位，当定时/计数器T1计满时，由硬件使它置位，如中断允许则触发T1中断。进入中断处理后由内部硬件电路自动清除。TR1：定时/计数器T1的启动位，可由软件置位或清零，当TR1=1时启动；TR1=0时停止。TF0：定时/计数器T0的溢出标志位，当定时/计数器T0计满时，由硬件使它置位，如中断允许则触发T0中断。进入中断处理后由内部硬件电路自动清除。TR0：定时/计数器T0的启动位，可由软件置位或清零，当TR0=1时启动；TR0=0时停止。34 系统功能及主要参数(1) 计时器可为8个跑道的运动员同时计时；(2) 分别记录并显示8个跑道的运动员的跑步时间；(3) 计时范围：0-99min；(4) 计时误差：0.01s；(5) 无线遥控启动计时距离：300m；(6) 能实现抢跑复位，重新计时功能；(7) 仪器形式：便携式；(8) 电源要求：外接市电：220V 50HZ；本设计采用了中断方式来实现的：无线发送模块将接收到的信号作为外部中断1；启动计时器计时，计时器计时用的是工作方式1；光电检测到的信号也采用中断方式停止计时，信号作为外部中断2；由于有两路，所以中断2还应该与两个I/O口配合，以确定是哪一路的信号。程序设计流程图如图3-4：NN初始化发令抢响启动计时器计 时比赛是否结束显示成绩YY 清中断标志判断跑道号并记录成绩，跑道号加1判断跑道号是否记满置比赛结束标志退出YN图3-5 程序流程图有关定时计时器初试化的设置：本设计采用12MHZ的晶振，由于一个机器周期等于12个振荡周期，因此技术频率为振荡频率的1/12，则计时频率为1MHZ，计时周期为1微秒。在程序中设置计数1000次产生一个中断，则就可以实现计时精度为1毫秒，实现了计时精度小于0.01秒的指标。本程序用定时/计数器0，采用16位计时结构的工作方式1。则初试值的设置公式计算如下：216-1000 = 64536 =(FC18)16则 TH0=FCH ; TL0=18H系统的具体程序见附录。35 液晶显示模块LCD1602SMC1602A采用标准的16脚接口。其中：第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”、使用时可以通过一个10K的点位器调整对比度。第5脚RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 SMC1602与单片机的接线：1脚和16脚接地；2脚和15脚接电源正极；3脚接一个电阻后接地；7脚到14脚接P0.0到P0.7口；4脚（复位端）接P3.7口；5脚（读/写选通端）接P3.6口；6脚（使能端）接P3.5口；电路原理图如图3-5所示：图3-5 LCD1602与单片机的接口电路图4 程序的测试与调试测试的目的是为了发现尽可能多的缺陷。测试只能证明缺陷存在，而不能证明缺陷不存在。 41 功能测试功能测试又称正确性测试，它检查软件的功能是否符合规格说明。由于正确性是软件最重要的质量因素，所以其测试也最重要。基本的方法是构造一些合理输入，检查是否得到期望的输出。通过测试，发现计时实现了计时精度0.01秒的计时，并且还能实现多个跑道的扩展。42 容错性测试容错性测试是检查软件在异常条件下的行为。容错性好的软件能确保系统不发生无法意料的事故。容错性测试通常构造一些不合理的输入来引诱软件出错。43 性能与效率测试性能与效率测试主要是测试软件的运行速度和对资源的利用率。性能与效率测试中很重要的一项是极限测试，因为很多软件系统会在极限测试中崩溃。例如，连续不停地向服务器发请求，测试服务器是否会陷入死锁状态不能自拔；给程序输入特别大的数据，看看它是否吃得消。本测试通过当有两个运动员在相差很短的时间内冲过终点线时，系统是否能够正确的完成计时，发现该系统完全可以辨别出来。实物展示：5 结语只有当自己真正经历过，动手实际设计过，才会有更深的体会。设计的时候经验与能力的增长是相辅相成的。理论上的东西是非常抽象，跟实践相比往往省略了许多细节，而设计的过程有时就是根据抽象的理论来重现细节。主要完成了以下工作:（1）查询了关于目前所用电子秒表的相关资料，确定了系统的整体构架以及功能要求。实现了基于MCU遥控计时秒表系统的设计。（2）查找了无线传输电路，SMC1602 LCD，ST181光电传感器等相关资