0-99秒倒计时器.docx

单片机课程设计设计摘 要近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。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为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。模拟多通道压力系统是利用压力传感器采集当前压力并放映在显示器上，它可以分析压力过量程，并发出报警。并采用电子秤原理可根据输入单价准确的计算出物体的金额。本篇论文讨论了简单的倒计时器的设计与制作，对于倒计时器中的LED数码显示器来说，我为了简化线路、降低成本，采用以软件为主的接口方法，即不使用专门的硬件译码器，而采用软件程序进行译码。关键词:AT89C51 LED数码管显示器 晶体振荡器 目 录摘 要I第一章 概述11.1 课程设计目的11.2 总体设计1第二章 硬件电路22.1各个元件介绍22.1.1 AT89C51的芯片概述22.1.2 LED数码管显示器概述32.2 其他元器件介绍及参数选择62.2.1 单片机的最小系统与复位电路62.2.2显示电路的设计7第三章 软件部分93.1 相关软件介绍93.1.1 Keil C软件93.1.2 Proteus软件93.2 软件设计103.2.1 程序框图如图103.2 .2 软件程序11第四章 软件调试144.1 系统调试工具keil c51144.2 PROTEUS仿真14第五章 电路焊接与调试175.1 电路板的焊接17总结19参考文献20致谢2122第一章 概述1.1 课程设计目的课程设计是单片机课程教学的最后一个环节，是对学生进行全面的系统的训练。进行课程设计可以让学生把学过的比较零碎的知识系统化，真正的能够把学过的知识落到实处，能够开发简单的系统，也进一步激发了学生再深一步学习的热情，因此课程设计是必不可少的，是非常必要的。课程设计是提高学生单片机技术应用能力以及文字总结能力的综合训练环节，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。通过课程设计，使自己深刻理解并掌握基本概念，掌握单片机的基本应用程序设计及综合应用程序设计的方法。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。要求：单片机控制的99s倒计时器（1）用单片机AT89C51的定时器实现1-99s倒计时器。（2）用PROTEUS设计，仿真基于AT89c51单片机的1-99s倒计时器实验的硬件电路。1.2 总体设计设计的大体分析：硬件电路都主要由AT89C51芯片、LED数码管显示器、晶振产生电路、复位电路组成。其中电子时钟的课程设计外加了8155芯片的扩展电路。还有AT89C51芯片主要由软件完成驱动。最终通过Keil与Proteus软件联调完成模拟仿真功能。总体分析草图如下图:AT89C5124PI1208复位电路时钟电路显示电路电源图1-1 总体设计图第二章 硬件电路2.1各个元件介绍2.1.1 AT89C51的芯片概述 AT89C51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4.55V,一般我们选用5V电压。外形及引脚排列如图2所示 ：图2-1 89C51的核心电路框图一、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-24MHz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 二、管脚说明 (1)电源及时钟引脚（4个） Vcc: 电源接入引脚 Vss：接地引脚 XTAL1：晶振震荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）; XTAL2:晶体振荡器的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振 荡器信号的输入端）。 （2）控制线引脚（4个） RST/Vpd：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚； ALE：地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚： EA:内外存储器选择引脚/片外EPROM编程电压输入引脚； PSEN：外部程序存储器选通信号输出引脚。 （3）并行I/O引脚 P0.0-P0.7：一般I/O口引脚或数据/低位地址总线复用引脚； P1.0-P1.7：一般I/O口引脚； P2.0-P2.7：一般I/O口引脚或高位地址总线引脚； P3.0-P3.7：一般I/O口引脚或第二功能引脚三、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。 2.1.2 LED数码管显示器概述本设计中采用的是7SEGMPS2-CC型号双数码管，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2-2 7SEGMPS2-CC型号双数码管一、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数码管有两种连接方法如下： 共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。 共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。图2-3 LED数码管的连接LED数码显示器的显示段码。 为了显示字符，要为LED显示器段码（或称字形代码），组成一个8字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的显示段码为1个字节。二、数码管的驱动方式数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。三、数码管参数 8字高度：8字上沿与下沿的距离。比外型高度小。通常用英寸来表示。范围一般为0.25-20英寸。长*宽*高：长数码管正放时，水平方向的长度；宽数码管正放时，垂直方向上的长度；高数码管的厚度。时钟点：四位数码管中，第二位8与第三位8字中间的二个点。一般用于显示时钟中的秒。四、数码管应用数码管是一类显示屏 通过对其不同的管脚输入相对的电流 会使其发亮 从而显示出 数字 能够显示 时间 日期 温度 等所有可用数字表示的参数 由于它的价格便宜 使用简单 在电器 特别是家电领域应用极为广泛 空调 热水器 冰箱 等等 绝大多数 热水器用的都是数码管 其他家电 也用液晶屏与 荧光屏。五、数码管使用的电流与电压电流：静态时，推荐使用10-15mA；动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4-5mA，峰值电流50-60mA。电压：查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？当红色时，使用1.9V乘以每段的芯片串联的个数；当绿色时，使用2.1V乘以每段的芯片串联的个数。六、数码管共阴和共阳引脚测量找公共共阴和公共共阳：首先，我们找个电源（3到5伏）和1个1K（几百欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的，找到一个就够了，然后GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳的。也可以直接用数字万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极。2.2 其他元器件介绍及参数选择本设计中还用到其他一些元器件，例如：晶振，电容，电阻，电解电容，开关等等。晶振采用频率为12MHZ，连接的两个电容为30pF；电解电容为10u；开关功能是在仿真过程中，按下开关便能实现99秒复位。2.2.1 单片机的最小系统与复位电路 一、最小系统 最小系统就是单片机在发挥具体测控功能时所必须的组成部分。 1、时钟频率电路的设计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。时钟电路如下图：图2-4 外部震荡源电路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C1、C2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。C1、C2的典型值为30pf。单片机在工作时，有内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数，f表示。图中的时钟频率为12MHz，即f=12MHz，则时钟周期为1/12us。2、复位电路的设计单片机的第九脚RES为硬件复位端，只要将该端持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如下图：图2-5 复位电路图中由按键K1以及电解电容C3构成了复位电路。由于单片机是高电平复位，所以当按下K1时，单片机的9脚RESET管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。当上电后，由于电容缓慢充电，单片机的9脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的9脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上复位完毕，系统程序从0000H开始执行。值得注意的是，在设计当中使用到了硬件复位和软件复位两种功能，由上面的硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值，而前面的功能介绍中提到的倒计时时间的记忆功能。2.2.2显示电路的设计显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们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；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。在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。七段数码管显示电路如下图：图2-6 共阳极数码管图中数码管采用的是一位七段共阳数码管，其中99秒倒计时的十位接P0口，个位接P2口。总体硬件电路设计图:图2-7 总体电路图 第三章 软件部分3.1 相关软件介绍3.1.1 Keil C软件用到了Keil C软件，集成调试环境，集成了编辑器、译码器、调试器，支持软件模拟，支持项目管理功能强大的观察窗口，支持所有的数据类型。树状结构显示，一目了然，支持ASM（汇编）、C语言多模块源程序混合调试，在直接修改、编译、调试源程序，错误指令定位。功能很强大，用于对程序的调试和编辑。其界面如下：图3-1 Keil C界面3.1.2 Proteus软件系统仿真还用到了Proteus软件，可通过仿真显示出所设计系统的功能，对于程序的调试等有很大的帮助。系统仿真时首先在使用Keil C 译码器，把所写的程序进行编译，同时在仿真器里设置生成HEX文件，编译无错误进行Proteus仿真。等所有的原件都连接完成后可以把Keil C编译生成的无错误文件加载到AT89C51中，方法是，右键点中器件然后再用左键点击，出来一个对话框在program file后选择要添加的文件，文件要求必须是HEX文件。然后可以点击运行观察现象，看与自己设置的是否符合，如果不相符再查找错误进行修改，一般的错误都是程序中的，所以要认真的读取程序的每一个部分。系统的仿真图如下图：图3-2 系统的仿真图3.2 软件设计3.2.1 程序框图如图设定子程序流程图（按键处理）进入时间调整按K2循环执行S1按K3循环执行S2返回按K1 图3-3 子程序流程图开始程序初始化是否产生外部中断是否进入工作状态进入设定状态 判断是否足够1秒 倒计时时间减1是否到0返回是是否否是否是否图3-4 程序流程图3.2 .2 软件程序 ORG 00H AJMP MAIN ORG 03H AJMP NT0 ORG 30HMAIN: MOV P1,#00H SETB P3.5 CLR P3.6 CLR P3.0 CLR P3.1 CLR 00H CLR 01H MOV 34H,#09H MOV 35H,#09H MOV R1,#04H MOV R2,#05H MOV R3,#0F8H MOV DPTR,#TABLE MOV TMOD,#01H MOV IE,#81HLOOP: JNB 01H,LOOP MOV A,R4 MOV B,#10 DIV AB MOV R0,A MOV R1,B ACALL DISP DJNZ R3,LOOP MOV R3,#0F8H DEC R4 CJNE R4,#00,LOOP SETB P3.6 ACALL DELAY1S CLR P3.6 MOV R4,24H AJMP LOOPDISP: MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A SETB P3.0 ACALL DELAY CLR P3.0 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A SETB P3.1 ACALL DELAY CLR P3.1 RETNT0: CLR EX0 CLR ET0 CLR 01H PUSH ACC PUSH PSW ACALL DIS1 KEY: JB P3.2,RETURNKEY0: ACALL DIS1 JNB P3.2,KEY0 KEY2: JB P3.3,KEY3 ACALL DIS1 INC 34H MOV A,34H CJNE A,#0AH,KEY22 MOV 34H,#00HKEY22: ACALL DIS1 JNB P3.3,KEY22 AJMP KEY2KEY3: ACALL DIS1 JB P3.4,KEY1 INC 35H MOV A,35H CJNE A,#0AH,KEY33 MOV 35H,#00HKEY33: ACALL DIS1 JNB P3.4,KEY33 AJMP KEY3KEY1: ACALL DIS1 JB P3.2,KEY2 KEY10: ACALL DIS1 JNB P3.2,KEY10 ACALL BCDBIN SETB 01H RETURN: SETB EX0 SETB ET0 MOV R3,#0F8H POP PSW POP ACC RETIBCDBIN: MOV B,#10 MOV A,34H MUL AB ADD A,35H MOV 24H,A MOV R4,24H RETDIS1: MOV R0,#34H MOV DPTR,#TABLE MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A SETB P3.1 CLR P3.0 ACALL DELAY CLR P3.1 INC R0 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A SETB P3.0 ACALL DELAY CLR P3.0 RETDELAY: MOVR7,#19 D1:MOVR6,#25 D2:DJNZR6,D2 DJNZR7,D1 RETDELAY1S:MOV R7,#20DEL1: MOV R6,#100DEL2: MOV R5,#248 DJNZ R5,$ DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 RETTABLE: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H, 82H ,0F8H,80H,90H END第四章 软件调试4.1 系统调试工具keil c51Keil 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。4.2 PROTEUS仿真 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1、按下按键1电路开始工作，显示99。如下图所示:2、再次按按键1，电路开始倒计时。如图所示：3、按按键2修改起始时间的十位数，按按键3修改起始时间的个位数 然后按按键1开始倒计时。第五章 电路焊接与调试5.1 电路板的焊接一、布线 根据仿真电路图，将元器件插在单面电路板上，并画出最简洁适合的元器件连接线。二、正确使用电烙铁1、电烙铁使用前要上锡。2、注意焊接手法。3、在万能板上焊接直插元件时，要将引脚尽量插到底。4、焊接时间不宜过长，否则容易烫坏元件。5、焊接完成后，检查电路的属性。三、注意元件焊接顺序。先难后易，先低后高，先贴片后插装。四、电路调试将焊接完成的实际电路接通电源，并进行调试，电路无反应。经过用万用表测试，看各个连线有无断路或短路，并将存在问题的线路纠正。再次连接电源进行调试，发现数码管的引脚连接错误，及时进行更正。电路仍旧无任何反反应。下面分析一下电路可能存在的问题：1、单片机复位电路是易受噪声干扰的敏感部位,当复位端串入干扰时,大多数情况下不会造成单片机的错误复位,但会引起CPU内部的某些寄存器和接口电路的错误复位,因此在该电路可能是复位电路抗干扰能力低，引起电路故障。2、用万用表测量单片机连接晶振的两个引脚，电压约为供电电压的1/2偏小一些，晶振正常起振。3、单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。所以复位电路至关重要，可能是复位电路的原价发生故障导致电路不能正常工作。4、用万用表测数码管的各引脚，发现数码管的小灯均不亮，证明数码管在焊接中烧坏，不能再正常工作。总结本课程设计充分利用单片机内部硬件资源和软件功能,将可以大大减少硬件电路的复杂性,使电路结构更加简洁,有利