LED数字倒计时器单片机课程设计

1、课程设计任务书学生姓名： 向伟杰 专业班级： 机自xs1101班 指导教师： 徐汉斌 工作单位： 机电工程学院 题 目: LED数字倒计时器设计初始条件：1采用MCS51作为主控芯片； 2采用LED数码管显示倒计时，倒计时范围24:00:00； 3可调任意设定定时时间，要具有定时提醒功能，定时到2s报警功能。要求完成的主要任务: 1、 查阅参考资料，自学相关可编程接口芯片的内部结构、工作方式和初始化编程过程；2、 根据设计系统的具体功能和性能参数，明确设计目标；3、 单片机系统及其扩展接口电路设计，绘制系统硬件原理图；4、 编制系统控制源程序，绘制源程序流程图，包括初始化和监控程序；5、 撰写

2、设计说明书（包括参考资料目录，字数不少于5000字）时间安排：（两周）序号内 容所用时间（天）1查阅资料，学习相关芯片知识22系统及扩展电路硬件设计33初始化程序和应用程序设计34相关硬件电路和程序调试35课程设计答辩1合计12指导教师签名： 2013年 12 月 27 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录1 LED数字倒计时器的功能及需求分析12 LED数字倒计时器的设计方案22.1 LED数字倒计时器的组成22.2 LED数字倒计时器的系统设计图2 3 LED数字倒计时器硬件电路设计与主要元器件分析33.1 AT89C51单片机33.2 晶振电路83.3 复位电路93.4 按键电

3、路103.5 数码管显示电路113.6 蜂鸣电路134 LED数字倒计时器系统仿真图145 LED数字倒计时器原件清单156 LED数字倒计时器的软件设计166.1程序流程图166.2 程序清单177 总结228 参考文献239 评分表241.LED数字倒计时器的功能及需求分析1.1 功能分析：可实现倒计时功能，计时时间可通过按键进行设定，设定完成后启动倒计时，倒计时还剩下两秒时，蜂鸣电路会报警提示。(1)可实现倒计时功能:本设计的LED数字倒计时采用六位数码管显示时间，分别显示小时、分钟、秒钟，最大的倒计时时间为24小时，倒计时时间为24小时内任意时间可调。(2)计时时间可通过按键进行设定:

4、 通过运用独立的按键控制时,分,秒的设定。按键B1控制小时让小时以加一方式设定，按键B2控制分钟让分钟以加一方式设定，按键B3控制秒让秒以加一方式设定，按键B4控制定时器开关。 (3)设定完成后启动倒计时：通过按下独立按键k4控制倒计时器开关，按一下开始倒计时。(4)当倒计时时间还剩下两秒时，蜂鸣电路会报警，这些功能都是通过软件实现的。LED数字倒计时器的功能，原理上，和电子表的闹钟定时功能没什么两样，但是，与之不同的是，LED数字倒计时器不仅具有提醒功能，还能直接倒计时显示，还有多长时间到达设置的时间，并且，能够通过按钮调节，24小时内任意倒计时时间均可以调节，可以调节小时、分钟以及秒钟，有

5、按钮复位，能够实现取消定时，有按钮能够实现开始倒计时。1.2 需求分析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深入人们的生活，同时带动传统控制检测日新月异。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构，针对具体应用特点与软件结合。本次课程设计研究了LED数字倒计时器的设计与制作，此方案线路简单，成本低，应用前景广阔。例如，在所有大学以及初高中的每个教室里都可以安装一个LED数字倒计时器，教室前面有个大的LED数字倒计时器，在平时不仅可以同学们还有多长时间上课下课，更主要的是，能在学校的考试或者十分重要的

6、大型考试，如中考，高考，四六级考试，公务员考试，研究生考试等中发挥重要作用，方便考生把握考试时间发挥出最好的水平。总而言之，LED数字倒计时器，在未来会有十分广阔的前景。2.LED数字倒计时器的设计方案2.1 LED数字倒计时器的组成：a) AT89C51单片机b) 晶振电路c) 复位电路d) 按键电路e) 六位数码管显示电路f) 蜂鸣器电路2.2 LED数字倒计时器的系统设计图 晶振电路数码管电路AT89C51复位电路按键电路蜂鸣电路 图 2.2 3. LED数字倒计时器硬件电路设计与主要元器件分析3.1 AT89C51单片机3.3.1 AT89C51的原理图3.3.1 AT89C51的原理

7、和性能介绍(一) AT89C51的原理a) VCC：供电电压。b) GND：接地。c) 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。d) 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FLAS

8、H编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。e) 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。f) P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，

9、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。g) RST：复位输入。当振荡器复位器

10、件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 h) 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。 i) /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在

11、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。j) /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）。 k) XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。l) XTAL2：来自反向振荡器的输出。(二) AT89C51的性能分析a) 主要特点：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只

12、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。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，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。b) 振荡器特性: TAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大为片内振荡器。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

13、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。c) 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。3.2 晶振电路3.2.1

14、晶振电路原理图3.2.2晶振电路分析 a) 晶振电路的原理：晶振是通过电激励来产生固定频率的机械振动，而振动又会产生电流反馈给电路，电路接到反馈 后进行信号放大，再次用放大的电信号来激励晶振机械振动，晶振再将振动产生的电流反馈给电路，如此这般。当电路中的激励电信号和晶振的标称频率相同时，电 路就能输出信号强大，频率稳定的正弦波。整形电路再将正弦波变成方波送到数字电路中供其使用。b) 晶振电路的特点：晶振是石英振荡器的简称，英文名为Crystal，晶振分为有源晶振和无源晶振两种，其作用是在电路产生震荡电流,发出时钟信号。它是时钟电路中最重要的部件，它的作用是向IC等部件提供基准频率，它就像个标尺

15、，工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。由于制造工艺不断提高，现在晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率、密封性等重要技术指标都很好，已不容易出现故障，但在选用时仍可留意一下晶振的质量。3.3复位电路3.3.1复位电路的原理图 3.3.2复位电路的原理和作用a) 复位电路的原理：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。RC复位电路可以实现上述基本功能，但解决不了电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题，而且调整 RC 常数改变延时会令驱动能力变

16、差。左边的电路为高电平复位有效，右边为低电平有效， 复位按键为手动复位开关，电容可避免高频谐波对电路的干扰。b) 复位电路的作用：复位电路是为确保微机系统中电路稳定可靠工作必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。3.4 按键电路3.4.1 按键电路的原理图 3.4.2 按键电路的原理分析(一) 按键电路的原理：按键B1/B2/B3/B4断

17、开时，P1.0/P1.1/P1.2/P1.3输入为高电平；按键B1/B2/B3/B4闭合后，P1.0/P1.1/P1.2/P1.3输入为低电平。每按一次按键，就会有一次低电平，单片机就会对低电平计数，从而来调节定时时间。由于按钮是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动动，这种抖动对于计算机来说，是完全能感应到的，因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级。你只按了一次按钮，可是计算机却已执行了多次中断的过程，如果执行的次数正好是奇数次，那么结果正如你所料，如果执行的次数是偶数次，那就不对了，所以必须运用延时程序消除按键的抖动。(二) 按键电路的功用：每次复位之后，三个两位

18、数码管全部都会显示为0，而与P1.0相接的按钮B1，每次按下一次，就会产生一次低电平，单片机就会计数一次，从而调节倒计时的小时时间，B2则调节分钟，B3则调节秒钟，与这三个按键分别控制数码管的显示倒计时的小时、分钟、秒。与这三个按键不同的是，按键B3的作用是开始倒计时。这些按键的功能都是通过编程来控制的。 3.5数码管显示电路3.5.1数码管显示电路的原理图 3.5.2数码管显示电路的原理分析:(一) 数码管显示电路的组成:a) 六位数码管：分别显示小时,分钟和秒钟。b) 含有八个电阻带电源的排阻：分别与三个数字显示的数码管并联，电源给数码管提供电压，电阻的作用是保护数码管不被烧坏。c) 将P

19、O口的八位与数码管和排阻连载一起的导线，将P2口的六位分别与六位数码管的六个位选引脚接在一起。(二) 数码管显示电路的工作原理:a) 七段数码管的的结构：7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管。 共阴极 共阳极 7段数码管内部字段LED和引脚分布 b) 七段数码管的驱动方法：发光二极

20、管（LED是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一一电流通过时，它就会发光。7段数码管每段的驱动电流和其他单个LED发光二极管一样，一般为510mA；正向电压随发光材料不同表现为1.82.5V不等。c) 七段数码管的动态显示：所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄 灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参烽

21、，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位I/O口（称为扫描口或字位口），控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口（称为数据口或字形口）。3.6蜂鸣电路3.6.1 蜂鸣电路的组成图 3.6.1图 3.6.2 蜂鸣电路的结构和原理a) 蜂鸣电路的组成：两个阻值为一千欧姆的电阻，一个阻值为100欧姆的电阻，一个蜂鸣器，一个三极管，一个接地，以及导线。b) 蜂鸣电路的工作原理：蜂鸣电路是利用I/O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。在程序上，可以使用TIMER0 来定时，将TIMER0 的预分频设置为/1，选择TIMER0 的始终为系统

22、时钟(主振荡器时钟/4)，通过按键可以在TIMER0 的载入/计数寄存器内调节设置时间，就能将TIMER0 的中断设置设置为倒计时时间，当需要I/O 口驱动的蜂鸣器鸣叫时，只需要在进入TIMER0 中断的时候对该 I/O 口的电平进行翻转一次，直到蜂鸣器不需要鸣叫的时候，将I/O 口的电平设置为低电平即可。不鸣叫时将I/O 口的输出电平设置为低电平是为了防止漏电。4. LED数字倒计时器的仿真图 图45 .LED数字倒计时器元件清单元件名称型号数量/个用途单片机AT89C511控制核心晶振12MHz1晶振电路电容30pF2晶振电路电解电容22F/10V1复位电路电阻10k1复位电路按键5按键电

23、路和复位电路数码管共阳6显示器三极管2N50881蜂鸣器喇叭8/0.5W1蜂鸣器电阻1k2蜂鸣器电阻1001蜂鸣器电阻3308排阻电源+5V/0.5A1提供+5V 表56 . LED数字倒计时器软件设计 6.1 LED数字倒计时器的程序流程图开始CPU系统初始化定时器0初始化中断初始化设置时间？设置闹铃时间显示刷新启动走时有关变量初始化时分变化？刷新显示1秒到秒指示闹铃时间？蜂鸣器结束YNYNYNYN 图6.16.2 LED数字倒计时器程序清单 #include<reg51.h>sbit kh=P10;/定义kh为与P1.0相连接的按键B1sbit km=P11;/定义km为与P1

24、.1相连接的按键B2sbit ks=P12;/定义ks为与P1.2相连接的按键B3sbit st=P13;/定义st为与P1.3相连接的按键B4sbit b=P37;/定义b为P3.7unsigned char table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71; / LED数码管从0到F的显示unsigned char i=0,hour=0,minute=0,second=0;/定义无符号的变量并赋初值void delayms(unsigned int x)unsigned

25、 char a=160;/定义无符号变量a的值为160，指延时时间为160个及其周期乘以x，160可以为180、200等，自己设置while(x-)while(a-);a=160;/定义延时程序的延时时间为160个及其周期乘以x，避免按键抖动的影响main()TH0=(65536-50000)/256;/设置定时时间对高八位赋值，50000是50000个机器周期，0.05秒TL0=(65536-50000)%256;/设置定时时间对低八位赋值，50000是50000个机器周期，0.05秒TMOD=1;/定时器模式TR0=0;/停止计时ET0=1;/开定时器中断EA=1;/开总中断while(1

26、)P0=tablehour/10;/显示小时的十位P2=32;/对数码管进行位选和段选，选中显示小时的十位delayms(1);/延时以便于显示P2=0xff;/重新给P2口一个高电平，避免误操作P0=tablehour%10;/显示小时的个位P2=16;/对数码管位选和片选，选中显示小时的个位delayms(1);/延时以便于显示P2=0xff;/重新给P2口一个高电平，避免误操作P0=tableminute/10;/显示分钟的十位P2=8;/对数码管进行位选和段选，选中显示分钟的十位delayms(1);/延时以便于显示P2=0xff;/重新给P2口一个高电平，避免误操作P0=tablem

27、inute%10;/显示分钟的个位P2=4;/对数码管进行位选和段选，选中显示分钟的个位delayms(1);/延时以便于显示P2=0xff;/重新给P2口一个高电平，避免误操作P0=tablesecond/10;/显示秒钟的十位P2=2;/对数码管进行位选和段选，选中显示秒钟的十位delayms(1);/延时以便于显示P2=0xff;/重新给P2口一个高电平，避免误操作P0=tablesecond%10;/对数码管进行位选和段选，选中显示秒钟的个位P2=1;/对数码管进行位选和段选，选中显示秒钟的个位delayms(1);/延时以便于显示P2=0xff;/重新给P2口一个高电平，避免误操作i

28、f(!kh)/如果小时按键B1按下delayms(200);/延时200乘以160个机器周期，避免按键抖动的影响hour+;/定时时间的小时加一if(hour>23)/因为是无符号的变量，减到0之后，再减就会变成ff，大于23hour=23;else if(!km)/如果分钟按键B2按下delayms(200);/延时200乘以160个机器周期，避免按键抖动的影响minute+;定时时间的分钟加一if(minute>59)/因为是无符号的变量，减到0之后，再减就会变成ff，大于2359minute=59;else if(!ks)/如果秒按键B3按下delayms(200);/延时2

29、00乘以160个机器周期，避免按键抖动的影响second+;定时时间的分钟加一if(second>59)/因为是无符号的变量，减到0之后，再减就会变成ff，大于59second=59;if(!st)/开始按加按下delayms(200);/延时200乘以160个机器周期，避免按键抖动的影响TR0=1;/开始计时if(TR0=1&&hour=0&&minute=0&&second<3)/如果在最后2秒b=!b;/开报警delayms(1);/延时以便于显示void t0() interrupt 1 /定义中断服务程序TH0=(65536

30、-50000)/256;/设置定时时间对高八位赋值，50000是50000个机器周期，0.05秒TL0=(65536-50000)%256;/设置定时时间对低八位赋值，50000是50000个机器周期，0.05秒i+;/控制变量i自加if(i>=20)/定时满20次是1秒，即50000个机器周期为一秒i=0;second-;/秒减一if(second>59)/因为是无符号的变量，减到0之后，再减就会变成ff，大于59second=59;/秒为59minute-;/分钟减一if(minute>59)/因为是无符号的变量，减到0之后，再减就会变成ff，大于59minute=59;

31、/因为是无符号的变量，减到0之后，再减就会变成ff，大于59hour-;/小时减一if(hour>23)/因为是无符号的变量，减到0之后，再减就会变成ff，大于59，如果小时减过0说明计时结束hour=0;minute=0;second=0;TR0=0;/停止计时7 . 总结这个学期的单片机课虽然早已经上完了，但是理论纯属理论，没有与实践的结合总让我们学的不踏实，感觉没有达到学以致用的效果。所庆幸的是在课程介绍考试完之后，老师给我们安排了这次单片机课程设计，给了我们学以致用的做好的实践。关于这次课程设计，我们花费了比较多的心思，既是对课程理论内容的一次复习和巩固，还让我们丰富了更多与该专

32、业相关的其他知识，比如软件应用等，在摸索中学习，在摸索中成长，在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获，在真正设计之前我们做了相当丰富的准备，首先巩固一下课程理论，再一遍熟悉课程知识的构架，然后结合加以理论分析、总结，有了一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图之后才着手设计。在设计程序时，我们不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；养成注释程序的好习惯是非常必要的，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也能为资料的保存和交流提供了方便；我觉得在设计课程过程中遇到问题是很正常，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的课程设计又出错了。除了对此次设计的准备工作之外，我们还学到了很多平时难得的东西，