单片机课设数码管计时器.doc

第1章 设计方案11.1 设计目的11.2 设计要求11.3 设计原理1第2章 硬件设计22.1 器件说明22.1.1 51单片机简述22.1.2 DS12C887实时时钟芯片简介42.1.3 MAX7219共阴极数码管显示驱动芯片简介62.2 硬件构造说明72.2.1复位及震荡电路82.2.2 时间获取电路82.2.3 显示驱动电路9第3章 软件设计103.1 软件设计简要思路103.2 时间获取及定时计数器程序113.2.1定时/计数器初值计算113.2.2 计数运算程序113.3 显示驱动程序123.4利用数码管显示的倒计时装置设计程序143.5 软件调试仿真183.5.1 系统调试工具keil C51183.5.2 系统调试工具PROTEUS19第4章 课程设计总结20致谢21参考文献：22第1章 设计方案1.1 设计目的本次课程设计的主要概况是了解单片机控制15秒倒计时的过程与MAX7219基本工作原理及软件设计方法，是利用时钟芯片和定时计数器的原理将倒计时过程显示在MAX7219芯片驱动的八位共阴LED数码管上；最后应用Profassional软件设计，仿真基于AT89c51单片机的倒计时实验。以到达进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理；掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性与控制方法；掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术；通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术以及通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，了解开发一单片机应用系统的全过程，为今后从事相应开发打下基础的目的。1.2 设计要求STC12C5A60S2（引脚排序及基本功能同AT89S51）作为主控芯片，设计利用数码管显示的倒计时时间装置。一是扩展DS12C887时钟电路设计；二是利用MAX7219驱动LG3641AH（或同型号共阴极）数码管，显示倒计时剩余时间；三是在倒计时时间减为零以后，进行加1时间显示。1.3 设计原理在单片机获取DS12C887时钟芯片中的秒时间后，进行数据处理和驱动MAX7219芯片驱动数码管完成显示倒计时功能。第2章 硬件设计2.1 器件说明2.1.1 51单片机简述AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存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1000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。AT89C51引脚说明：图2.1 AT89C51引脚分布图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P0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/地址的低八位。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外部必须接上拉电阻。 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口作为低八位地址接收。 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，如表2.2所示：表2.1 P3口第二功能表P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（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低位字节。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。2.1.2 DS12C887实时时钟芯片简介DS12C887 能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决子“千年”问题；DS12C887中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久；对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午；时间的表示方法也有两种，一种用二进制数表示，一种是用BCD码表示；DS12C887中带有128字节RAM，其中有11字节RAM用来存储时间信息，4字节RAM用来存储 DS12C887 的控制信息，称为控制寄存器，113字节通用RAM使用户使用；此外用户还可对DS12C887 进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。引脚功能：DS12C887 的引脚排列如图 1 所示，各管脚的功能说明如下：图2.2 DS12C887引脚分布GND、VCC：直流电源，其中VCC接+5V输入，GND接地，当VCC输入为+5V时，用 户可以访问DS12C887内RAM中的数据，并可对其进行读、写操作；当VCC的输入小于+4.25V时，禁止用户对内部RAM进行读、写操作，此时用户不能正确获取芯片内的时间信息；当VCC的输入小于+3V时，DS12C887会自动将电源发换到内部自带的锂电池上，以保证内部的电路能够正常工作。（1）MOT：模式选择脚，DS12C887有两种工作模式，即Motorola模式和Intel模式，当MOT接VCC时，选用的工作模式是Motorola模式，当MOT接GND时，选用的是Intel模式。本文主要讨论Intel模式。（23）SQW：方波输出脚，当供电电压VCC大于4.25V时，SQW脚可进行方波输出，此时用户可以通过对控制寄存器编程来得到13种方波信号的输出。AD0AD7：复用地址数据总线，该总线采用时分复用技术，在总线周期的前半部分，出现在AD0AD7上的是地址信息，可用以选通DS12C887内的RAM，总线周期的后半部分出现在AD0AD7上的数据信息。（14）AS：地址选通输入脚，在进行读写操作时，AS的上升沿将AD0AD7上出现的地址信息锁存到DS12C887上，而下一个下降沿清除AD0AD7上的地址信息，不论是否有效，DS12C887都将执行该操作。（17）DS/RD：数据选择或读输入脚，该引脚有两种工作模式，当MOT接VCC时，选用Motorola工作模式，在这种工作模式中，每个总线周期的后一部分的DS为高电平，被称为数据选通。在读操作中，DS的上升沿使DS12C887将内部数据送往总线AD0AD7上，以供外部读取。在写操作中，DS的下降沿将使总线AD0AD7上的数据锁存在DS12C887中；当MOT接GND时，选用Intel工作模式，在该模式中，该引脚是读允许输入脚，即Read Enable。（15）R/W：读/写输入端，该管脚也有2种工作模式，当MOT接VCC时，R/W工作在Motorola模式。此时，该引脚的作用是区分进行的是读操作还是写操作，当R/W为高电平时为读操作，R/W为低电平时为写操作；当MOT接GND时，该脚工作在Intel模式，此时该作为写允许输入，即Write Enable。（13）：片选输入，低电平有效。（19）：中断请求输入，低电平有效，该脚有效对DS12C887内的时钟、日历和RAM中的内容没有任何影响，仅对内部的控制寄存器有影响，在典型的应用中，RESET可以直接接VCC，这样可以保证DS12C887在掉电时，其内部控制寄存器不受影响。2.1.3 MAX7219共阴极数码管显示驱动芯片简介MAX7219是美国MACIM（美信）公司生产的串行输入/输出共阴极显示驱动器。它采用了3线串行接口, 传送速率达到10M数据，能驱动8位七段数字型的LED显示也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。 只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。MAX7219允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。 整个设备包含一个150A的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。引脚功能：图2.3 MAX7219引脚分布图DIN：串行数据输入端；DOUT：串行数据输出端，用于级连扩展；LOAD：装载数据输入；CLK：串行时钟输入；DIG0DIG7：8位LED位选线，从共阴极LED中吸入电流；SEGASEGG、DP：7段驱动和小数点驱动；ISET：通过一个10k电阻和Vcc相连，设置段电流。2.2 硬件构造说明本设计硬件构造主要由三部分构成：复位电路、时钟获取电路和显示驱动电路图2.4 硬件构造简图图2.5 仿真电路图2.2.1复位及震荡电路当按下按钮S时，Vcc的+5V电平就会直接加到RST端，单片机复位。晶振为单片机提供稳定的振荡频率图2.6复位及震荡电路2.2.2 时间获取电路单片机通过P0口与DS12C887时钟芯片的AD0.7管脚相连接，用来获取时间信息。DS12C887芯片的MOT端接地，使其为Intel模式。图2.7时间获取电路2.2.3 显示驱动电路使用单片机P2.0P2.2口连接MAX7219芯片来控制其驱动数码管。MAX7219芯片的输出端使用总线与共阴数码管相连接，使其能够正常显示。图2.8 显示驱动电路第3章 软件设计3.1 软件设计简要思路软件设计主要分为时间获取及定时计数器程序与数码管显示驱动程序图3.1 程序流程图223.2 时间获取及定时计数器程序3.2.1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15，开始倒数计时按下开关实现复位。3.2.2 计数运算程序（1）倒计时器MOV R3,#16DIM:MOV 20H,R3DEC 20HMOV A,20HMOV B,#10DIV AB MOV 30H,AMOV 31H,BDJNZ R3,DIM（2）正计时器TOT:MOV A,VALMOV VAL,R3ADD A,#01HDA AMOV VAL,AMOV B,VALSWAP AANL A,#0FHMOV 30H,AMOV A,VALANL A,#0FHMOV 31H,ACJNE R3,#99,TOT3.3 显示驱动程序显示测试程序：LCALL MAX7219;写入 MOV 40H,#01H MOV 41H,#02H MOV 42H,#03H MOV 30H,40H MOV 31H,41H MOV 32H,42H MOV 33H,#04H MAIN: MOV R0,#30H CLR P1.1 ; MOV R1,#01H;指向第0位LED MOV R3,#08H;显示器个数 LOOP: MOV A,R0 ;取显示缓冲区数据 MOV R7,A ;显示2 MOV A,R1 ;LED显示的位地址给A LCALL MAX7219 INC R0 ;指向下一个显示数据 INC R1 ;指向下一位LED DJNZ R3,LOOP ; SJMP MAIN;MAX7219子程序 MAX7219: CLR P1.1 ;将LOAD信号拉低 LCALL XH1 ;一位字节送入7219 MOV A,R7 LCALL XH1 NOP NOP SETB P1.1 ;产生LOAD上升沿，锁存数据 RET XH1: MOV R2,#08H ;总共有8位，移8次 NEXT: CLR P1.2 ;将CLK拉低 RLC A ;A中值左移入进位累加器C中 MOV P1.0,C ;给DIN口 NOP SETB P1.2 ;CLK上升沿，移入数据 NOP DJNZ R2,NEXT ;没完成则继续 RETSHORT_DELAY: MOV 10H,#40 ;10msDEL1:MOV 11H,#125DEL2:DJNZ 11H,DEL2 ;125*2us=0.25ms DJNZ 10H,DEL1 ;0.25ms*40=10ms RET END此时显示结果为1234。3.4利用数码管显示的倒计时装置设计程序CLK EQU P2.2;定义管脚 DIN EQU P2.0 LOAD EQU P2.1 VAL EQU 50H ;定义内存位置 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0090H MAIN : LCALL BEGIN LJMP MAIN BEGIN: MOV R3,#16 ;设置初值 DIM: LCALL DISP MOV 20H,R3 DEC 20H MOV A,20H MOV B,#10 DIV AB ;分离个位和十位 MOV 30H,A MOV 31H,B MOV R0,#30H CLR P2.1 MOV R1,#03H;指向第0位LED MOV A,R0 ;取显示缓冲区数据 MOV R7,A ;显示数 MOV A,R1 ;LED显示的位地址给A LCALL MAX7219 ; INC R0 ;指向下一个显示数据 INC R1 ;指向另一个数码管 MOV A,R0 MOV R7,A MOV A,R1 LCALL MAX7219 LCALL SHORT_DELAY LCALL DISP DJNZ R3,DIM LCALL TOT ;归零后调用加法 RET TOT: LCALL DISP MOV A,VAL MOV VAL,R3 ADD A,#01H DA A ;DA转换 MOV VAL,A MOV B,VAL SWAP A ;高低位转换 ANL A,#0FH;得到个位 MOV 30H,A MOV A,VAL ANL A,#0FH;得到十位 MOV 31H,A MOV R0,#30H CLR P2.1 MOV R1,#03H;指向第0位LED MOV A,R0 ;取显示缓冲区数据 MOV R7,A ;显示数 MOV A,R1 ;LED显示的位地址给A LCALL MAX7219 INC R0 ;指向下一个显示数据 INC R1 ;指向另一个数码管 MOV A,R0 MOV R7,A MOV A,R1 LCALL MAX7219 LCALL SHORT_DELAY LCALL DISP CJNE R3,#99,TOT RET DISP: MOV A,#09H ;置译码器方式寄存器地址 MOV R7,#0FFH ;选择译码方式 LCALL MAX7219;写入 MOV A,#0AH ;置亮度寄存器地址 MOV R7,#05H ;选择占空比 LCALL MAX7219;写入 MOV A,#0BH ;置MAX7219显示扫描位数寄存器地址 MOV R7,#07H ;选择8位显示方式 LCALL MAX7219;写入 MOV A,#0CH ;置关闭显示寄存器地址 MOV R7,#01H ;选择进入正常工作，00H表示关闭 LCALL MAX7219;写入 RET;MAX7219子程序 MAX7219: CLR P2.1 ;将LOAD信号拉低 LCALL XH1 ;一位字节送入7219 MOV A,R7 LCALL XH1 NOP NOP SETB P2.1 ;产生LOAD上升沿，锁存数据 RET XH1: MOV R2,#08H;总共有8位，移8次 NEXT: CLR P2.2 ;将CLK拉低 RLC A ;A中值左移入进位累加器C中 MOV P2.0,C ;给DIN口 NOP SETB P2.2 ;CLK上升沿，移入数据 NOP DJNZ R2,NEXT ;没完成则继续 RET SHORT_DELAY: MOV 10H,#40 ;10ms DEL: MOV 11H,#50 DEL1: MOV 12H,#255 DEL2: DJNZ 12H,DEL2 ;125*2us=0.25ms DJNZ 11H,DEL1 DJNZ 10H,DEL ;0.25ms*40=10ms RET END3.5 软件调试仿真3.5.1 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，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。3.5.2 系统调试工具PROTEUSProteus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选择ProteusVSM Simulator，USE前打钩，再次运行文件，成功后在目录下会生成HEX文件，打开Proteus软件，或直接点击DSN文件，双击单片机模板，点击文件夹式样的图标选择对应的HEX驱动文件，然后点击开始，进行调试。图3.2 仿真测试结果第4章 课程设计总结在上个学期的数字电路课程中的课设题目也涉及到了倒计时器的问题，使用的是完全硬件的方法。相比较单片机这种可编程芯片而言，大规模的数字电路芯片会导致电路系统的过于