电子秒表的设计与制作

电子秒表的设计与制作 毕 业 论 文 院 校 周 口 师 范 学 院 系 别 物 理 与 电 子 工 程 系 班 级 0 8 专 升 本 专 业 电 子 信 息 工 程 专 业 学 号 2 0 0 8 0 5 0 8 0 0 2 2 姓 名 王 克 奎 指导老师 吴 定 允 目目 录录 摘 要 关键词 1 概述 1 1 设计的背景 1 2 现实的意义 1 3 功能简介 2 硬件设计 2 1 总体方案的设计 2 2 单片机的选择与设计 2 3 显示电路 2 4 按键电路 2 5 时钟电路 2 6 复位电路位 2 7 系统总电路的设计 3 软件设计 3 1 程序设计思想 3 2 系统资源的分配 3 3 主程序设计 3 4 中断程序设计 4 安装与调试 4 1 软件的仿真与调试 4 2 硬件的安装与调试 4 3 系统程序的烧录 总结与展望 致谢 参考文献 摘要摘要 本设计的数字电子秒表系统采用 AT89C52 单片机为核心器件 利用其定时器 计数器定时和计数的原理 结合显示电路 LED 数码管以及外部中断电路来设计计数器 将软 硬件有机地结合起来 使得系统能够实现五位 LED 显示 显示时间为 0 99 999 秒 计时精度为 0 001 秒能正确地进行计时 同时能记录一次时间 并在下一次计时后对上一 次计时时间进行查询 其中软件系统采用汇编语言编写程序 包括显示程序 定时中断服 务程序 外部中断服务程序 延时程序等 并在 WAVE 中调试运行 硬件系统利用 PROTEUS 强大的功能来实现 简单且易于观察 在仿真中就可以观察到实际的工作状态 关键词 关键词 单片机 中断 定时 Abstract The design of digital electronic stopwatch system is AT89C52 microcontroller as the core device use the timer counter timing and counting principles combined with display circuit LED digital tube and the external interrupt circuit to design the counter The software and hardware together organically allows the system to achieve the five LED display shows the time from 0 to 99 999 seconds 0 001 seconds precision timing can be correctly timed while able to record a time and after time on the next time to query a time Software system which uses assembly language programming including the display program timing interrupt service routine the external interrupt service routines delay procedures and WAVE in the debugging and running the hardware system used to achieve PROTEUS powerful simple and easy to observe In the simulation can be observed on the actual working condition Key words SCM break time 引言 随着科技的飞速发展 电子技术如雨后春笋般地生长变化着 特别是单片机的 应用更是无处不在 本文正是基于单片机来设计一个数字电子秒表的文章 同时秒表计时 器是电器制造 工业自动化控制 国防 实验室及科研单位理想的计时仪器 它广泛应用 于各种继电器 电磁开关 控制器 延时器 定时器等的时间测试 在刚过去的加拿大的温哥华的冬奥运会上 中国女将王濛在短道速滑 500 米用了 43 秒 048 的成绩夺得了桂冠 而加拿大的选手玛丽安妮的以 43 秒 707 的成绩夺得了亚军 只 与王濛相差了 0 659 秒 这种细微的差距 怎样才能计算出来呢 只能用更精确的电子秒 表才能区分出来 我就基于这种情况设计了电子秒表 1概述 1 1 设计背景 现在市场上的电子秒表有的利用 FPGA 设计的秒表 还有用逻辑电路设计的 而我采用的是单片机设计的电子秒表 单片机设计的秒表抗干扰性强 计时精度 高 由于上述原因我设计了基于单片机的电子秒表 1 2 现实意义 随着科技的飞速发展 电子技术如雨后春笋般地生长变化着 特别是单片机的 应用更是无处不在 本文正是基于单片机来设计一个数字电子秒表的文章 本设计秒表精 度达到了 0 001 秒 解决了传统的由于计时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 另外硬件部分设置了查看按键 可以对上一次计时的时间进行保存 供 使用者查看 1 3 功能概述 1 初始状态下计时器显示 00 000 2 在中断或停止情况下具有存储上一次时间的功能 3 用按键实现开始 暂停 清零和查看上一次时间的功能 1 1总体方案的设计 本设计利用 AT89C52 单片机的定时器 计数器定时和记录的原理 使其能精 确计时 利用中断系统使其能实现开始暂停的功能 P0 口输出断码数据 P2 0 P2 4 口作列扫描输出 P1 1 P3 2 P2 5分别接四个按钮开关 分别实现开始 暂停 清零 和查看上次时间的功能 显示电路由五位共阴极数码管组成 初始状态下计时器显示 00 000 当拨下开始按钮时 外部中断 INT1 向 CPU 发出中断请 求 CPU 转去执行外部中断 1 服务程序 即开启定时器 T0 计时采用定时器 T0 中断完成 它对定时溢出中断周期为 1 秒 当一处中断后向 CPU 发出溢出中断请求 每发出一次中断 请求就对就对毫秒计数单元进行加一 达到 10 秒就对十毫秒进行加以 依次类推 直到 99 999 秒重新复位 若计时过程中 只要按下暂停键 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 即关闭定时器调用显示程序 实现暂停功能 同 时将此次计时时间存入寄存区 然后对 P1 1 进行扫描 当 P1 1 按下时就跳转回主程序 等待下一次计时开始 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 则将中 间缓存区的数据转入最终缓存区 秒表停止后对查看键 P2 5 进行扫描 P2 5 按下为低电 平时 调用最终缓存区的数据进行显示 即显示上一次计时成绩 当 P2 5 为高电位时 请 用显示缓存区的数据进行显示 即显示当前此计时的成绩 根据以上设计思路从而实现数 字电子秒表的计时和查看上一次计时时间的功能 硬件电路图按照图 1 1 进行设计 1 1 硬件电路图 1 2 单片机的选择 对于本设计 由于电子秒表系统在数据的处理和存储方面要求并不高 所以选取片内 带 RAM 和 ROM 的单片机即可 而并不需要在片外扩展 RAM 和 ROM 在本设计中 选取的是 AMTEL 公司的 AT89C52 单片机 AT89C52 单片机为 ATMEL 公司生产的 89Cxx 系列的一款单片 机 自带 8K 片内 FLASH 256 字节的片内 RAM 32 个 I O 口线 8 个中断及 3 个定时 计数 器 AT89C52 单片机属于 Intel87C51 单片机的增强型 与 AT89C51 单片机在引脚排列 工作特性 硬件组成 指令系统等方面完全兼容 AT89C52 的主要功能概述如下 8k 可反复擦写 1000 次 Flash ROM 32 个双向 I O 口 256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 2 个外部中断源 共 6 个中断源 AT89C52 各各引引脚脚功功能能及及管管脚脚电电压压 概述 AT89C52P 为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理器 采用工业标准的 C51 内核 在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同 其主要用于会聚调整时 的功能控制 功能包括对会聚主IC 内部寄存器 数据 RAM 及外部接口等功能部件 的初始化 会聚调整控制 会聚测试图控制 红外遥控信号IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等 主要管脚有 XTAL1 19 脚 和 XTAL2 18 脚 为振荡器输入输出 端口 外接 12MHz 晶振 RST 9 脚 为复位输入端口 外接电阻电容组成的复位 电路 VCC 40 脚 和 VSS 20 脚 为供电端口 分别接 5V 电源的正负端 P0 P3 为可编程通用 I O 脚 其功能用途由软件定义 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作为输出口用时 每位能吸收电流的方式驱动8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分 时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 在Flash 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校验时 要求外接上 拉电阻 P1 口 P1 口 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级 可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某 个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL P2 口 P2 口 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲 级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P2 写 1 通过内部的 上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电 阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级 可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部 上拉电阻拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使 单片机复位 XTL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 当使用外部振荡器时 引脚 XTAL1 接收外时钟信号 其典型电路如图1 3 所示 XTL2 片内振荡器 反相放大器的输出端 当外部使用振荡器时 引脚XTAL2 悬 空 1 3 显示电路 本设计选择的是共阴极的 LED 数码管显示 下面分别介绍一下 LED 的结构及分类以 及原理 1 LED 显示器的结构及分类 发光二极管芯片的适当连接和适当的光学结构 可构成发光显示器的发光段和发光点 由 这些发光段或发光点可以组成数码管 符号管 米字管 短阵管等 通常把数码管 符号 管 米字管共称为笔画显示器 而把笔画显示器和短阵管统称为字符显示器 按照各发光段的连接方式分 数码管可分为共阳极和共阴极两种 所谓的共阳方式就是笔画显示器各段发光管的阳极是公共的 而阴极是互相隔离的 所谓的共阴方式就是笔画显示器各段发光管的阴极是公共的 而阳极是互相隔离的 LED 显示的原理 如图 1 3 所示为七段 LED 数码管的原理图 通过该图可以很容易地 看出共阳极和共阴极的七段 LED 管的工作原理的不同点 对于共阴极的数码管 所有发光 二极管的阴极共连后接地 而阳极引出脚用于控制 LED 是否点亮 若阳极引出脚接地 则 LED 被熄灭 若阳极引出脚接高电乎 则 LED 被点亮 图 1 3 LED 原理图 共阳极的 LED 正好相反 所有发光二极管的阳极共连后接高电平 而阳极引出脚用于 控制 LED 是否点亮 若阴极引出脚接高电平 则 LED 被熄灭 若阴极引出脚接地 则 LED 被点亮 因此共阳极和共阴极所需要的字型码正好相反 单片机对 LED 管的显示可以分为静态和动态两种 静态显示的特点是各 LED 管 能同时稳定地显示各自字符 动态显示是指各 LED 轮流一遍一遍显示各自字符 但由于显 示的切换较快 在人的视觉看来是各 LED 管同时显示不同字符 静态显示和动态显示各有利弊 静态显示较稳定 占用 CPU 的时间少 但是每个显示 单元都需要单独的显示驱动电路 使用的电路硬件较多 动态显示虽然有闪烁感 占用 CPU 的时间多 但是使用的硬件少 能节省线路板的空间 相对而言 动态显示在单片机 的应用中更加广泛 本设计采用动态显示 1 4 按键电路 外部指令对单片机的输入一般是通过按键 键盘等输入器件来实现的 在本设计中 是利用键盘来实现秒表的启停控制及功能的选择 1 按键 K1 是开始键 当按下 K1 时秒表开始计时 2 按键 K2 是暂停键 当按下 K2 时秒表就停止计时 同时将此次计时时间存入 寄存区 3 按键 K3 清零键 4 按键 K4 是查看键 查看上次计时的时间 5 按键 K5 程序复位功能 按键大部分都是利用机械触点的合 断作用 机械触点由于弹性作用的影响 在闭合 断开的瞬间均有抖动的现象 从而会引起电压信号的抖动 抖动时间与按键的机械特性有 关 一般为 5 10 毫秒 为了确保正确的键输入 必须进行消抖处理 而在本设计采用的是 独立式按键的软件消抖技术 软件消抖技术的流程图如下图 1 4 所示 开始 有键闭合 延时 有键闭合 读出键值 等待按键释放 图 1 4 软件消抖的流程图 1 5 时钟电路 AT89C52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器 引脚XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器 振 荡电路参见图 1 5 外接石英晶体 或陶瓷谐振器 及电容C1 C2 接在放大器的反馈回路中构成 并联振荡电路 对外接电容 C1 C2 虽然没有十分严格的要求 但电容容量的大小会 轻微影响振荡频率的高低 振荡器工作的稳定性 起振的难易程序及温度稳定性 如果 使用石英晶体 我们推荐电容使用30pF 10pF 而如使用陶瓷谐振器建议选择 40pF 10F 用户也可以采用外部时钟 采用外部时钟的电路如图1 5 所示 这种情况下 外 部时钟脉冲接到 XTAL1 端 即内部时钟发生器的输入端 XTAL2 则悬空 由于外部时钟信号是通过一个2 分频触发器后作为内部时钟信号的 所以对外部 时钟信号的占空比没有特殊要求 但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符 合产品技术条件的要求 图 1 5 1 6 复位电路 89 系列单片机与 其它微处理器一样 在启动时都需要复位 使CPU 及系统各部 件处于确定的初始状态 并从初始状态开始工作 89 系列单片机的复位信号是以 R ST 引脚输入到芯片的施密特触发器的 当系统处于正常工作状态时 且振荡器稳定后 如果 RST 引脚上一个高电平并维持 2 个机器周期 24 个振荡周期 则 CPU 就 可响应并将系统复位 1 手动复位 手动复位需要人为地在复位输入端RST 上加入高电平 一般采用的办法是在R ST 端和正电源 VCC之间接一个按钮 当按下按钮时 VCC的 5V 的电平就会直 接加到 RST 端 虽然按下按钮的时间很短 但是也会使按钮保持接通数十毫秒 的时间 所以手动复位能满足复位的时间要求 手动复位的电路如图1 6 所示 图 1 6 手动复位电路 2 上电复位 AT89C52 的上电复位电路如图 1 7 所示 只要在 RST 复位输入引脚上接一 个电容至 VCC端 下接一个电阻即可 对于CMOS 型单片机 由于在 RST 端内部有一个下拉电阻 故可将外部电源去掉 而将电容减少至1 F 1 7 上电复位电路 上电复位电路的过程是在加电时 复位电路通过电容加给RST 端一个短暂的高电平信号 此高电平信号随着VCC对电容的充电过 程而逐渐回落 即 RST 端的高电平持续时间取决于电容的充电时间 为了保证系统能够可靠地复位 RST 端的高电平信号必须维持足 够长的时间 上电时 VCC的上升时间约为 10ms 而振荡器的起振时间取决 于振荡频率 如晶振频率为 10MHZ 起振时间为 1ms 晶振频率 为 1MHZ 起振时间为 10ms 如果系统在上电时得不到有效的复位 则在程序计数器PC 中 将得不到一个合适的初值 从而导致CPU 可能会从一个未被定义的 位置开始执行程序 1 7 电路原理图 3 1 软软件件设设计计思思想想 本系统采用的是汇编语言来设计软件电路 汇编语言是面向机器的程序 设计语言 在汇编语合中 用助记符代替操作码 用地址符号或标号代替地址码 这样用符号代替机器语言的二进制码 就把机器语言变成了汇编语言 于是汇 编语言亦称为符号语言 使用汇编语言编写的程序 机器不能直接识别 要由一 种程序将汇编语言翻译成机器语言 这种起翻译作用的程序叫汇编程序 汇编程 序是系统软件中语言处理系统软件 汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程 称为汇编 汇编语言是一种语言 也是最为常用的一种程序设计语言 用它编写 的程序代码精简 直接面向硬件 3 2 系系统统资资源源的的分分配配 软件系统资源分配如下 所示 79H 7DH 1ms 10s 位显示寄存区 69H 6DH 1ms 10s 位中间寄存区 59H 5DH 1ms 10s 位最终显示区 R1 R5 1ms 10s 位溢出 外部中断 INT0 停止中断信号入口 外部中断 INT1 开始中断信号入口 3 33 3 汇编程序汇编程序 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H 外部中断 INT0 入口地址 LJMP TINGZHI ORG 000BH 定时器 T0 中断入口 LJMP UPDATE ORG 0013H 外部中断 INT1 中断入口 LJMP KAISHI MAIN MOV DPTR TAB 存入表头地址 MOV TMOD 00H 置 T0 为方式 0 MOV TH0 0E0H 赋定时器初值 MOV TL0 18H MOV 79H 00 H 显示缓存区清 0 MOV 7AH 00H MOV 7BH 00H MOV 7CH 00H MOV 7DH 00H MOV R0 00H 益处计数区清 0 MOV R1 00H MOV R2 00H MOV R3 00H MOV R4 00H SETB EA CPU 开中断 SETB EX0 开外部中断 0 SETB EX1 开外部中断 1 SETB IT0 外部中断 0 位边沿触发方式 SETB IT1 外部中断 1 位边沿触发方式 SETB ET0 定时器 0 允许位 XIAN MOV A 79H 显示 1ms 位数字 MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 0 LCALL DELAY CLR P2 0 MOV A 7AH 显示 10ms 位数字 MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 1 LCALL DELAY CLR P2 1 MOV A 7BH 显示 100ms 位数字 MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 2 LCALL DELAY CLR P2 2 MOV A 7CH 显示 1s 位数字 MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 3 LCALL DELAY CLR P2 3 MOV A 7DH 显示 10s 位数字 MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 4 LCALL DELAY CLR P2 4 MOV P0 80H 显示小数点 SETB P2 3 LCALL DELAY CLR P2 3 JNB P1 1 AA 扫描复位键是否按下 JNB P2 5 LAST 扫描查看键是否按下 LJMP XIAN 返回显示程序 重新进行显示 AA LJMP MAIN LAST JB P2 5 XIAN 扫描查看键是否抬起 MOV A 59H 调用最终缓存区数据进行显示 MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 0 LCALL DELAY CLR P2 0 MOV A 5AH 显示 10ms 位数字 MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 1 LCALL DELAY CLR P2 1 MOV A 5BH 显示 100ms 位数字 MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 2 LCALL DELAY CLR P2 2 MOV A 5CH 显示 1s 位数字 MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 3 LCALL DELAY CLR P2 3 MOV A 5DH 显示 10s 位数字 MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 4 LCALL DELAY CLR P2 4 MOV P0 80H 显示小数点 SETB P2 3 LCALL DELAY CLR P2 3 LJMP LAST KAISHI MOV 59H 69H 将中间缓存区的数据存入最终缓存区 MOV 5AH 6AH MOV 5BH 6BH MOV 5CH 6CH MOV 5DH 6DH SETB TR0 启动定时器 T0 RETI TINGZHI CLR TR0 停止定时器 T0 MOV 69H 79H 将显示缓存区的数据存入中间缓存区 MOV 69H 7AH MOV 69H 7BH MOV 69H 7CH MOV 69H 7DH REIT UPDETF MOV TH0 0E0H 重赋定时器初值 MOV TL0 18H MOV A 01H 1ms 位加一 MOV 79H A ADD A 01H MOV 79H A MOV A R0 ADD A 01H MOV R0 A CJNE R0 0AH EXIT 判断位 ms 位是否满 10 MOV 79H 00H 对 1ms 位清 0 MOV R0 00H MOV A 7AH ADD A 01H 10ms 位加一 MOV 7AH A MOV A R1 ADD A 01H MOV R1 A CJNE R1 0AH EXIT 判断 10ms 位是否满 10 MOV 7AH 00H 对 10ms 清 0 MOV R1 00H MOV A 7BH ADD A 01H 100ms 位加一 MOV 7BH A MOV A R2 ADD A 01H MOV R2 A CJNE R2 0AH EXIT 判断 100ms 位是否满 10 MOV 7BH 00H 对 100ms 清 0 MOV R2 00H MOV A 7CH ADD A 01H 1s 位加一 MOV 7CH A MOV A R3 ADD A 01H MOV R3 A CJNE R3 0AH EXIT 判断 1s 位是否满 10 MOV 7CH 00H 对 1s 位清 0 MOV R3 00H MOV A 7DH ADD A 01H 10s 位加一 MOV 7DH A MOV A R4 ADD A 01H MOV R4 A CJNE R4 0AH EXIT 判断 10s 位是否满 10 MOV 7DH 00H 对 10s 位清 0 EXIT RETI DELAY MOV R7 5 延时程序 DEL1 MOV R6 7 DEL2 DJNE R6 DEL2 DJNE R7 DEL1 RET TAB DB 3FH 06H 5BH 4FH 66H DB 6DH 7DH 07H 7FH 6FH END 开始 赋初始值 数码管显示 复位键 P1 1 是否按下 查看键 P2 5是 否抬起 查看键 P2 5是 否按下 调用最终缓存区进行数据显示 否 否 否 是 是 是 3 4中中断断设设计计 1 1 中断请求源和控制寄存器 中断请求源和控制寄存器 TCONTCON 89 系列的外部中断有两个 分别接在 P3 2 和 P3 3 引脚 它们的触发INT0INT1 方式有两种 分别是边沿触发和电平触发 控制寄存器 TCON 的 IT0 和 IT1 控制着外部中断 源的触发方式 而 IE0 和 IE1 是外部中断源的请求标志 89 系列内部中断分别是 3 个定时器 计数器 中断及串行口发送 接收中断 TCON 中 的 TF0 和 TF1 是定时器 计数器的中断请求标志 而串行口收发中断请求标志分别是 SCON 中的 RI 和 TI 当 CPU 相应串行中断时 必须由软件判别是收中断还是发中断并将标志位 RI 和 TI 清零 TCON 中有关控制位定义如下 TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 IT0 IT1 外部中断 0 1 触发控制位 为 0 则为电平触发方式 为 1 则为边沿触发方式 IE0 IE1 外部中断源 0 1 请求标志 当检测到外部中断 0 1 上的中断请求信号时 将该 位置 1 当 CPU 响应该中断时由硬件将该标志清零 TF0 TF1 定时器 计数器溢出时 将该位置 1 当 CPU 响应中断时 由硬件将该标志清 零 1 1 中断允许寄存器 中断允许寄存器 IEIE 每个中断源的允许和禁止是由中断允许寄存器 IE 管理的 除单个中断的控制外 IE 中还有一个总禁止位 EA 当该位为 0 时 禁止所有的中断 IE