基于89C51的LED数字秒表设计

单片机系统课程设计单片机系统课程设计课程设计名称：基于89C51的LED数字秒表设计指导教师：臧海河课程设计地点：31-630课程设计时间：2013-12-16～2013-12-291概述1.1研究背景伴随着信息化时代的到来，人们的生活速度以及对生活质量的追求也在大幅提高。智能化的产品设计在改变人们工作方式与生活习惯的同时，让人们对生活质量的提升提出了更高的要求，方便、快捷成了人们所追求的生活方式，智能化产品的问世正渐渐取代以往的一些使用起来笨拙的产品，电子技术在各个领域的运用也越来越广泛，人对它的认识也逐步加深。秒表计时器秒表计时器常常被用于体育竞赛及各种其他要求有较精确时间的各领域中。其中启动停止开关的使用方法与传统的计时器相同，但在读取和进去的反面来讲现代的数字秒表做得更完美，不仅大大提高了精准度，还提高了计时效率，便于使用者在使用是方便快捷的读取记录数据。1.2设计思想及基本功能该系统的设计思路是通过AT89C51芯片实现对三个共阴极LED数码管的控制，本系统通过C51芯片的内部12MHZ的频率设定，和外部12MHZ的外部晶振电路实现对秒的设定，并通过对P0口设计顺利把数据显示到LED上去，通过对电路的控制实现对秒表的启动暂停复位控制。数字秒表系统具有以下几个基本功能：（1）启动（继续）：此功能通过使用者对P3口的控制来实现（2）暂停：此功能同样是使用者对P3口的控制来实现，此功能可以让使用者将秒表停止下来进行计数（3）复位：此功能是对秒表的复位，是对秒表再次使用做准备2总体方案设计2.1方案选取单片机在各种电子产品中的应用已经越来越广泛，很多的电子产品利用单片机所取得的便利得到了人们的好评，针对单片机控制的自动窗帘控制系统的智能化要求，实现其自动控制的方案有两种：方案（一）系统的复位停止开启继续按键只有一个，通过一个按键实现对秒表的控制方案（二）系统的按键控制由两个按键控制，一个控制启动（继续，继续）另一个来控制复位。这二个方案都是基于单片机控制的，通过对两种方案的比较，最后选择方案（二），因为法案（一）如果在开启状态下，只能暂停，不能进行复位有一定的局限性，所以选择方案（二）。方案二用PROTEUS仿真效果如下图一：图一方案（二）效果图2.2系统框图方案（二）的系统框图如图二：图二系统框图2.3总体方案设计3硬件电路设计3.1电源电路设计因为单片机正常工作电压为5V，所以设计的电源电路主要是提供单片机工作电压。如下图三是单片机提供电压的电源电路。在这个电路中采用了三端集成稳压器LM7805，可以输出5V的直流电压供给单片机使用。图三电源电路图3.2晶振电路电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体震荡器具有非常好的抗外界干扰性和频率稳定性的能力，所以石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时它可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。如下图四为51单片机常用晶振实物图。图四晶振实物图如下图是单片机的晶振电路。片内电路与片外器件就构成一个时钟电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，最常用的是30pF。所以本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。振荡周期又称为时钟周期，为时钟脉冲频率的倒数等于；机器周期：完成一个基本操作所需的时间，有若干个状态周期（S）组成指令周期：执行一条指令所需时间，由若干个机械周期组成为。XTAL1（19脚）：接外部晶体的一段。在片内它是振荡电路反相放大电路的输入端，在采用外时钟时，外部时钟振荡信号直接送入此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）：接外晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大电路的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟电路，此引脚应该悬浮不连。对单片机，该引脚接外部振。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率FOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C1和C2用来帮助起振，稳定振荡频率，快速起振。电容典型值为30pF，调节它们可以达到微调ＦOSC的目的。图五单片机晶振电路图3.3复位电路复位电路的主要功能是对单片机进行初始化，在初始化的过程中需要在复位引脚上加大于2个机器周期的高电平。复位后的单片机地址初始化为0000H，然后继续从0000H单元开始执行程序。在复位电路中提供复位信号，等到系统电源稳定后，再撤销复位信号。此系统采用上电复位，上电后由于电容充电，使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电复位操作这不仅能使单片机复位，还能是单片机的外围设备同时复位，当程序出现错误时，可以随时使电路复位。如下图为复位电路，在最近一些新的单片机开发板上如ＳＴＣ９０Ｃ５１ＲＤ＋单片机开发板可通过复位键进行复位，这样就不用在设置秒表系统的复位键。图六复位电路图3.4按键电路键盘在由单片机控制的秒表控制系统中的主要作用是通过按键向单片机输入指令，其中主要包括开启暂停继续和复位。但按动按键ＳＢ１时，ＳＢ１有开启暂停和继续功能。而对于ＳＢ２只具有复位功能。当按键被按下时，相应的引脚被拉低，经扫描程序扫描后，获得键值，并执行键功能程序，因此按下不同的键，将执行不同的功能程序。P3.2外部中断0输入，P3.3外部中断1输入。图七键盘接口电路3.５显示电路显示电路主要是用于显示时间。采用LED数码管进行显示是因为LED数码管具有以下几个优点：(1)低电压、小电流条件下运行，能与CMOS、ITL电路兼容。(2)发光响应时间极短(<0.1μs)，高频特性好，单色性好，亮度高。(3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。

数码管有共阴极和共阳极两种类型，在本系统中才用三个共阴极数码管，由Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２口控制，数码管的共端主要进行位控制，笔画端则是进行字符控制，数码管分为静态显示和动态显示两种形式：（1）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多，故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。（2）动态显示驱动：数码管动态显示是单片机中应用最广泛的一种显示方式，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增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的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，但是具体的是那个数码管会显示，这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，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。图八共阴极LED数码管显示字型dp,g,f,e,d,c,b,a字符码011000000C0H111111001F9H210100100A4H310110000B0H41001100199H51001001092H61000001082H711111000F8H81000000080H图九字型对应的字符码图十显示电路3.６单片机系统图十一89C51本设计系统中主要用到P0,P1,P2,EA,P3.2,P3.3,RST,XTAL1,XTAL2口。RST(9脚):为复位输入端，单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位。EA(31脚):当EA输入高电平时，CPU片内程序存储地址0000H单元开始执行程序。当地址超出4KB将自动执行片外程序存储器的程序。当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。4系统软件设计系统软件设计主要包括显示程序，键盘程序，时钟程序，4.1主程序软件设计主程序构成无限循环，主要完成单片机初始化，中按键扫描，计时等功能。主程序的流程图如下图所示。图十二主程序流程图主程序流程说明：电路主要分为以下几个部分，分别为显示部分、按键部分各部分具有不同的子程序。主程序的作用主要是先初始化寄存器以及显示内容；然后查询按键操作，并且对按键进行分析以及处理，通过分析处理。然后再LED上显示。4.2子程序设计4.2.1秒表的初始化4.2.2按键检测程序在操作按键时，无论是按下还是松开，触点在闭合和断开时均会产生抖动，此时逻辑电平是不稳的，如果不正确处理，会引起单片机对按键命令的错误执行。解决的简单方法是利用软件延时。这样基本可以避免键盘的抖动。然后由单片机进行键码分析，并执行相应的命令，显示并且返回。如下图是键盘程序设计流程图。图十三键盘程序流程图4.2.3开始计时4.2.4计时程序4.2.5显示程序4.2.6暂停计时4.2.7秒表清零4.2.8延时程序4.2.9总程序如下5关于Proteus的仿真Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐，Proteus操作起来简单便于操作，并支持多种编译器如keil，所以被广泛应用。在本设计中通过Keil编程软件编写程序并生成.HEX文件，便于在Proteus中仿真的调用，Keil工作环境如下图十四：图十四程序在Keil中编译成功后并生成.HEX文件，然后打开Proteus，Proteus工作环境如下图十五：图十五在左侧按钮处单机可以查找所需元件，画好电路原理图后单击按钮就可以进行仿真，在此之前需要把程序先考入单片机，方法是双击单片机原理图如图十六：图十六在ProgramFile：栏中选择所要运行程序的位置，单击OK退出，再点击开始按钮就可以进行仿真，仿真效果图如下图十七：图十七在仿真的基础上便可以对实物进行操作验证。仿真时生成的机器码为如下图十八：图十八6总结通过本次课程设计，我学到的不仅仅是制作课程设计得步骤和要求，在设计过程中需要多方面的只是，不仅仅是在课本上学到的，需要我去查找大量的资料借鉴一些别人的设计思路和想法，第一次做课程设计，感觉刚开始的时候一切都是从零开始，不知道该从哪里下手，幸亏是有老师给的模板，在按照模板的设计步骤一步步模仿着才指导线做什么再做什么。在本次设计中，遇到的问题基本上都能通过查资料或者是向别人请教解决，不仅仅是学到的是单片机技术的知识，还学会了使用好几种软件，比如说是：Protel99SE，Proteus仿真软件，还有Keil编程软件，在绘制框图的时候有使用到了Visio（这个是第一次使用），有些软件虽然是第一次用但在网上可以找到很多软件的使用教程，也给软件的使用提供了很大的方便，同时也体现出了现在的一些软件的实用性，操作简单，更易于大多说人使用不显得那么专业。像Proteus仿真软件能够实现对很多芯片的模拟，避免了在实际中操作中造成的一些不必的不可避免的错误。减少了一些不必要的浪费。通过本次课程设计，也看到了自己的一些不足，在单片机基础知识上有很多欠缺，在实际应用中不知道该怎么用。对课程设计的一些要求认识不足，在设计过程中，出现了很多低级的错误，如：在word中不会生成目录，不会添加页码等一些基本操作，虽然设计过程不是那么的顺利，问题不断，但是相比学到的东西这些困难也不算什么。毕竟一分付出一分收