基于51单片机人体反应速度测试仪设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1产品功能分析...........................................................................................................1

2设计方案遴选...........................................................................................................1

2.1单片机的选择...............................................................................................1

2.2显示屏的选择...............................................................................................2

2.3系统框图设计...............................................................................................2

3产品硬件设计...........................................................................................................3

3.1电路原理图及工作原理...............................................................................3

3.2STC89C52单片机核心电路设计..................................................................4

3.3数码管显示模块电路...................................................................................6

3.4警报模块电路的设计...................................................................................7

4产品软件设计...........................................................................................................7

4.1主程序流程图...............................................................................................8

4.2APP程序设计................................................................................................8

4.3产品程序清单.............................................................................................10

5产品使用说明.........................................................................................................10

5.1产品装配图.................................................................................................10

5.2产品调试.....................................................................................................11

5.3产品使用说明.............................................................................................11

6、产品设计技术标准...............................................................................................12

7参考资料.................................................................................................................12

附录.............................................................................................................................13

附录1元器件清单.............................................13

附录2原理图.................................................13

附录3PCB设计图..............................................14

附录4产品实物图............................................15

附录5主程序代码............................................16

湖南商务职业技术学院毕业设计

基于51单片机人体反应速度测试仪设计与制作

1产品功能分析

人体反应测试仪是一款基于STC89C51单片机的电子设备，用于评估和测量

人体的反应速度。它适用于多种场所，如健身房、训练中心、电竞俱乐部等，

为个人或团体提供快速、准确的反应时间测量。该设备通过控制LED测试灯的

状态和检测按键的输入来计算人体反应速度。在正常运行状态下，主程序处于

等待状态。当检测到客户按下按键时，LED测试灯立即点亮。单片机在灯亮时

开始计时并计算一个随机时间。时间结束后，单片机将LED测试灯熄灭，并继

续计时从灯灭到客户松开按键的时间差。这个时间差就是客户的反应时间，并

以秒为单位在数码管上显示出来。如果在LED测试灯熄灭之前提前松开按键，

设备将显示出错信息（如9999）并由蜂鸣器发出报警。

2设计方案遴选

通过产品功能的需求，我们要选择合适的元器件来进行硬件的焊接和组装。

其中的模块有数码管显示模块，按键模块，蜂鸣器报警模块，晶振模块等，需

要考虑产品兼容性。

2.1单片机的选择

方案一：使用STM32系列单片机

STM32单片机的优势在于其采用了ARM-Cortex-M内核，从而具备了出色

的性能和大容量存储器，特别适合应对复杂的计算和控制任务，同时外设模

块丰富，包括USB、CAN、以太网等，方便进行复杂的IO扩展，可惜成本

颇高，使用起来较为复杂，对于学生来讲，并不是最恰当的选择；

方案二：使用51系列单片机

51单片机的主要优点是成本低廉，价格相对较低，适用于毕业设计场

景，且简单易用，指令集和编程模型相对较简单，拥有强大的中断处理能

力，较多的GPIO引脚，稳定性好。其缺点就是时钟频率和存储容量有限，

1

湖南商务职业技术学院毕业设计

不适合复杂的场景，外设也相对较少，综合成本，产品功能的需求来考虑，

最终我选择了51单片机。

2.2显示屏的选择

方案一：使用LED数码管

LED数码管的优点是采用发光二极管作为显示元件，具有非常高的亮度，

即使在强光环境下也清晰可见；并且可以显示更多的字符和符号，功耗较低，

能源利用率高，性能稳定。其缺点也很明显，成本颇高，数码管的控制电路和

编程较为复杂。

方案二：使用四位数码管

四位数码管是一款常见的电子显示设备，通常是由四个LED段组成，因此

其控制和使用较为简单此外，与LED数码管相比，四位数码管的价格更为经济

实惠。其缺点便是四位数码管仅能显示有限的数字字符，可视性受到了限制，

综合产品功能需求，经济成本来考虑，最终我选择了四位数码管。

2.3系统框图设计

产品系统框图设计如下：

电源电路

数码管显示电路

S

T

时钟电路C

8

9

C

复位电路

5

2

蜂鸣器报警电路

R

按键电路C

图1系统设计框图

2

湖南商务职业技术学院毕业设计

3产品硬件设计

3.1电路原理图及工作原理

图2系统原理图

本产品是由STC89C52RC单片机核心电路，四位数码管显示，时钟电路，警

报电路、独立键盘组成。

本产品主要采用了89C51单片机作为核心，由1个独立键盘、数码管、警

报电路及最小系统电路构成了硬件设计电路该设计主要用于人体反应速度的测

试。其运作方式主要依赖于对测试灯状态的掌控以及按键状态的监测，以此间

接地计算出人体的反应速度。在系统正常运行过程中，主程序处于一种空闲的

等待状态，直至测试者按下按键，此刻LED测试灯会立即亮起。与此同时，

AT89S52单片机开始计算一个随机的间隔时间。待随机时间结束后，AT89S52

单片机会熄灭测试灯，并开始记录从灯熄灭到测试者松开按键的时间差。这个

记录的时间将被视为被测者的反应时间，并以毫秒为单位在4位数码管上显示

出来。若在LED测试灯熄灭之前，测试者提前松开按键，那么数码管上会显示

错误提示信息，同时系统会发出警报声。

3

湖南商务职业技术学院毕业设计

3.2STC89C52单片机核心电路设计

图3STC89C52RC原理图

STC89C52RC单片机各个引脚功能：

VCC（40引脚）：电源电压，为设备提供能量。

VSS（20引脚）：接地，确保设备的安全和稳定运行。

P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：其输出缓冲器具备驱动4个TTL

输入的能力，既可以吸收电流，也可以输出电流。当向该端口写入1时，

通过内部上拉电阻将端口电位拉高，此时可以作为输入端口使用。当P1口

作为输入端口时，由于存在内部上拉电阻，如果外部将引脚电位拉低，该

端口会输出一个电流。

P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：该端口的输出缓冲器具有驱动4

个TTL输入的能力，既可以吸收电流，也可以输出电流。当向该端口写入1时，

通过内部上拉电阻将端口电位拉高，此时可以作为输入端口使用。当P2口作为

输入端口时，由于存在内部上拉电阻，如果外部信号将引脚电位拉低，该端口

会输出一个电流。

4

湖南商务职业技术学院毕业设计

P3口引脚复用功能：

P3.0RXD（串行输入口）：用于串行通信的输入端口。

P3.1TXD（串行输出口）：用于串行通信的输出端口。

P3.2（外部中断0）：用于外部中断的输入端口。

P3.3（外部中断1）：用于外部中断的输入端口。

P3.4T0（定时器0的外部输入）：用于定时器的外部输入端口。

P3.5T1（定时器1的外部输入）：用于定时器的外部输入端口。

P3.6（外部数据存储器写选通）：用于外部数据存储器写操作的

选通端口。

P3.7（外部数据存储器读选通）：用于外部数据存储器读操作的

选通端口。

ALE/（30引脚）：ALE是一个用于锁存低8位地址的信号。当

访问外部程序存储器时，它发出脉冲，固定频率为晶振六分之一。除了用

作外部定时器或时钟外，在Flash编程时也充当编程输入脉冲。但值得特别

注意的是，每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲会被跳过。

VPP（31引脚）：要读取外部程序存储器中的指令，需要使用控制

信号，并确保连接至地（GND）以实现地址范围从0000H到FFFFH的读取。

在采用加密方式1时，内部锁定位需保持在RESET状态。若要执行内部

程序指令，应该将设备连接至电源电压（VCC）。此外，在进行Flash

编程时，需要接收12伏的VPP电压。

XTAL1（19引脚）：输入信号进入振荡器反相放大器和内部时钟发

生电路。

XTAL2（18引脚）：输入信号进入振荡器的反相放大器端。

图4STC89C52RC实物图

5

湖南商务职业技术学院毕业设计

3.3数码管显示模块电路

图5数码显示原理图

本设计选用的是4位合一共阴接法的八段LED数码管作为显示模块，将4

个八段数码管的段选线并联在一起，而位选线则独立引出。这种4位合一的设

计通过动态扫描方式，逐个选择数码管，并发送对应的段码（反码）。每个数

码管依次交替显示，并且切换速度非常快，利用人眼视觉的特定效应，使得每

个数码管都似乎同时亮起。

在电路连接方面，采用了共阴接法，将公共端连接到地（GND）。单片机的

8位I/O口P0分别与段选线相连，P0输出的对应码即可用于显示相应的数字。

由于位选线上可能存在较大电流，例如8位数码管同时点亮时，需要使用8550

三极管进行驱动。具体实现中，将8550三极管的发射极连接到VCC，基极接在

P20到P23之间。当基极电平为低时，三极管导通，实现片选，而集电极则提

供数码管所需的驱动电流。

6

湖南商务职业技术学院毕业设计

3.4警报模块电路的设计

图6警报电路原理图

为了解决单片机驱动蜂鸣器的问题，我们可以利用三极管的输出特性，将

蜂鸣器的正极连接到电源正极，然后通过单片机的控制信号来驱动三极管。当

单片机的特定端口输出高电平时，通过将三极管的基极与集电极之间施加反向

偏置，导致三极管进入截止状态，从而使蜂鸣器停止工作；反之，当单片机的

同一端口输出低电平时，通过将三极管的基极与集电极之间施加正向偏置，使

得三极管处于饱和状态，从而启动蜂鸣器。在这个电路中，单片机的输入电流

非常小，因此它只需要吸收很少的电流即可正常工作。

4产品软件设计

人体反应测量仪系统主要由单片机通过定时器和计数器进行编程控制。一

旦用户按下按键并完成相应操作，系统会使LED灯点亮。当LED灯熄灭时，系

7

湖南商务职业技术学院毕业设计

统便标志着按键已经被释放。这段时间，即从LED灯熄灭到按键释放的过程，

被称为人体反应时间。

4.1主程序流程图

图7产品软件流程图

4.2APP程序设计

在完成计算机程序的编写后，我们需要使用软件KeiluVision5来测试和编译

这个程序。如果编译不成功，那么就需要进行修改。只有当所有的程序都成功编

8

湖南商务职业技术学院毕业设计

译后，我们才会使用数据线将单片机设备与上位机连接起来，实现远程传输的功

能。

图8产品程序编译图

9

湖南商务职业技术学院毕业设计

4.3产品程序清单

图9产品程序清单图

5产品使用说明

5.1产品装配图

产品是由单片机控制模块，四位一体数码管显示模块，电源模块，蜂鸣器

报警模块，振荡模块，LED模块，按键模块组成。

以下是装配图：

10

湖南商务职业技术学院毕业设计

图10产品装配图

5.2产品调试

检查单片机所有的部件是否都焊接到万能板上，需要仔细检查每一个焊点，

确保没有虚焊漏焊以及是否有毛刺等。可以使用万能表进行测试，查看各焊点

连接状况是否合格，有没有存在短路的现象。所有步骤完成后进行上电验证。

如果所有检查都通过，就可以将编写的程序烧录到单片机中。

5.3产品使用说明

测试者连接电源线，按下电源开关，当测试者按下测试按钮后，启动测试

的同时指示灯亮起。测试者在测试过程中需要密切观察指示灯的状态，一旦发

现指示灯熄灭，需迅速释放测试按钮。单片机将记录并显示测试者的反应时间。

如果测试者在指示灯熄灭之前松开测试按钮，则系统会自动判定为犯规，并在

数码管上显示相应的错误信息。

11

湖南商务职业技术学院毕业设计

6、产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

[5]GB/T8566-2007信息技术软件生存周期过程标准；

[6]GB/T8567-2006计算机软件文档编制规范。

7参考资料

[1]苪延年《机电一体化系统综合设计及应用实例》.中国电力出[M].2011

[2]苪延年；郭旭红《机电一体化原理及应用》.苏州大学出版社[M].2004

[3]何立民.《MCS-52系列单片机应用系统设计》.北京航空航天大学出版社[M].1990

[4]唐瑞庭.《微型计算机原理》人民邮电出版社[M].1995

[5]李水飞.《AV功放原理与维修》.北京科学技术出版社2005

[6]封士彩；王长全；王建平；周连佺.《机电一体化导论》.西安电子科技大学出版社[M].2017

[7]王潇.单片机在电子技术中的应用和开发技术研究[J].同行,2016(5):213-214.

[8]张杰.51单片机应用开发范例大全[M].人民邮电出版社,2016.

12

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录

附录1元器件清单

附录2电路原理图

13

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录3PCB设计图

14

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录4产品实物图

15

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录5主程序代码

#include<reg52.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

ucharcodedx[]=

{

0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90

};

ucharcodewei[]=

{

0xfe,0xfd,0xfb,0xf7

};

sbitled_1=P1^0;

sbitbeep=P1^4;

sbitkey_1=P3^2;

uinttm,tml,ms;

ucharstatus,ss,cs,put[4];

bitbeep1;

voiddelay(uintJ)

{

while(J--);

}

voidshow()

{

uchari;

if(status==0)

{

put[0]=0xbf;

put[2]=0xbf;

put[3]=0xbf;

}elseif(status==1)

{

if(tm<10000)

{

16

湖南商务职业技术学院毕业设计

put[0]=dx[tm/1000%10]&0x7f;

put[1]=dx[tm/100%10];

put[2]=dx[tm/10%10];

put[3]=dx[tm%10];

}else

{

put[0]=dx[tm/10000%10];

put[1]=dx[tm/1000%10]&0x7f;

put[2]=dx[tm/100%10];

put[3]=dx[tm/10%10];

}

}else

{

put[0]=dx[9];

put[1]=dx[9];

put[2]=dx[9];

put[3]=dx[9];

}

for(i