短跑计时器电子综合实训.docx
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短跑计时器电子综合实训
短跑计时器--电子综合实训
————————————————————————————————作者：
————————————————————————————————日期：
郑州科技学院
电子综合设计实训
题目___短跑计时器____
姓名李康
专业电子科学与技术
学号201131007
指导教师李大海
郑州科技学院电气工程学院
摘要
本文介绍了用AT89C51单片机和LM016L液晶显示系统组成短跑计时器的电路组成。
其中5V直流电源为自行设计的220V交流转5V直流电路；键控电路，主要由开始、暂停、复位三个功能键于一体，还有保存键以及查看键。
本系统用C语言进行软件编程，充分应用到了单片机和电路电子焊接知识用单片机做该统电路连接简单、体积小、成本低，且抗干扰能力强。
关键字：
AT89C51；共阴极数码管；晶振；LM016L液晶显示
前言
在电子技术飞速发展的今天，电子产品的人性化和智能化已经非常成熟，其发展前景仍然不可估量。
如今的人们需求的是一种能给自己带来方便的电子产品，当然最好是人性化和智能化的，如何能做到智能化呢？
单片机的引入就是一个很好的例子。
单片机又称单片微型计算机，也称为微控制器，是微型计算机的一个重要分支，单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU，RAM，ROM，I/O接口和中断系统于同一硅片上的器件。
单片机的诞生标志着计算机正式形成了通过计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。
目前单片机已渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
在我们身边，由单片机作为主控制器的全自动洗衣机、高档电风扇、电子厨具、变频空调、遥控彩电、录像机、VCD/DVD机、组合音响、电子琴等。
单片机已在广阔的计算机应用领域中表现得淋漓尽致，出尽了风头。
从家用消费类电器到复印机、打印机、扫描仪、传真机等办公自动化产品；从智能仪表、工业测控装置到CT、MRI、γ刀等医疗设备；从数码相机、摄录一体机到航天技术、导航设备、现代军事装备；从形形色色的电子货币如电话卡、水电气卡到身份识别卡、门禁控制卡、档案管理卡及相关读/写卡机等等都有单片机在里面扮演重要角色。
因此，单片机已成为电子类工作者必须掌握的专业技术之一。
单片机的出现给电子技术智能化和微型化起到了很大的推动作用。
1课程设计的目的
近年来，我国体育事业蓬勃发展。
随着全民健身运动的开展，在体育测试中传统的手工计时往往难以满足比要求，裁判要求较高，人为性大，投入多，精度低，对大量数据的保存查阅困难。
随着电子信息产业的不断发展单片机技术在各行各业中得到了广泛应用，单片机技术的不断成熟使自动计时技术在短跑项目中的应用变为现实。
在短跑项目中采用电子计时的方法具有公正、准确、快捷高效等特征。
随着社会的发展，人们对于计时器的要求也在不断的提高，尤其是短跑计时器。
用单片机作为计时器体积小，成本低，抗干扰能力强。
最重要的是它的精准度较高。
适合短跑、辩论赛等很多类的比赛计时。
短跑计时器是体育信息化的重要设备,它实现了田径短跑比赛计时的自动化和智能化，解决了多年来田径短跑比赛人工计时难以解决的问题，使计时更简单、更方便、更精确、更高效。
2课程设计的任务与要求
2.1设计任务
利用单片机系统设计一个短跑计时器的技术性能指标如下：
1．短跑计时器数码显示秒；
2．最大计时限值为99秒；
3．“键控”应为计时开始/继续/暂停（A），保存（B）和查询显示（C）三个。
按键定义及显示标志：
设置按键S1，当S1按下时秒表计时，数码管显示当前数值，再次按下时暂停，显示计时时间。
若数字大于99，数码管显示“00”。
若按下S2键则保存运动员的计时时间。
若按下S3键则查询显示计时时间。
2.2基本要求
要求完成的主要任务（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）。
（1）设计任务及要求。
（2）系统框图，原理说明。
（3）硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明。
（4）调试记录及结果分析。
（5）对成果的评价及改进方法。
（6）总结（收获及体会）。
（7）参考资料。
（8）附录：
器件表，芯片资料。
3设计原理及功能说明
本实验利用单片机的定时器/计数器定时和计数的原理，并考虑现有实验条件，即DVCC系列单片机仿真实验系统实验箱所提供的器件来设计计时器，将软、硬件有机的结合起来，实现计时功能。
其中本系统设计了2个拨动开关：
K1（芯片P3.2脚）为0计时，为1不影响计时；K2（芯片P3.3脚）为1清零，为0不影响程序运行。
主要用到单片机中定时中断的相关知识。
把“单片机系统”区域中的P0.0/AD0，P0.7/AD7端口用8芯排线连接到“静态数码显示模块”区域中的任一个a端口上。
要求P0.0/AD0对应着a，P0.1/AD1对应着b，P0.7/AD7对应着h。
把“单片机系统”区域中的P2.0/A8P2.7/A15端口用8芯排线连接到“静态数码显示模块”区域中的任一个a端口上。
要求P2.0/A8对应着a，P2.1/A9对应着b，P2.7/A15对应着h。
89C51单片机的时钟信号通常用内部振荡方法得到，在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方法。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
晶振通常选择6MHz、12MHz\24MHz。
本设计采用11.0925MHz晶振。
图中C1、C2起到稳固振荡频率、快速起振的作用。
电容值一般为5—30pF。
本设计选用30pF电容。
复位操作完成电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。
控制模块实际上就是单片机的最小系统。
本设计采用常用的上电复位电路。
上电后由于电容的充电，使RST持续一段高电平时间。
当单片机已运行中时按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。
此处C1电容取10uF，R1=10KΩ。
在AT89S51单片机的P0和P2端口分别接有两个共阴数码管U2、U3，P0口驱动显示秒时间的十位，而P2口驱动显示秒时间的个位。
显示模块由十脚数码管、电阻、排阻等元件构成，其中排阻为了驱动电流，增加电流，排阻一般有九个脚，一个脚接VCC其他脚接单片机I/0口，此设计为了U2提供高电平，从而十位才能显示。
4单元电路的设计
原理图包含单片机以及外部连接振荡电路，其中的P0口控制数码输出显示以及控制键盘的。
晶振采用12MHZ，该频率有利于提高串口的通信可靠性，同时又保证单片机有较高的运行速度。
采用内部方式时在，XTAL1和XTAL2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器。
图4.1中C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。
内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。
图4.1时钟电路
单片机在开机时都需要复位，以便CPU及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
单片机复位电路工作原理:
当通电瞬间稳压电源给电容充电。
RESET为复位输入端,当RESET引脚持续两个机器周期以上的高电平时,使单片机完成复位操作。
随着电容充电结束,将使电容与电阻之间将呈现低电平,单片机复位结束。
复位操作的主要功能是把PC初始化为0000H。
使单片机程序存储器从0000H单元开始执行程序。
本设计主要采用上电自动复位电路如图4.2。
图4.2复位电路
显示电路中显示器件有很多种，常用的有发光二极管，数码管，液晶显示器等。
本文采用8位共阴极LED动态扫描显示，逐个地循环地点亮各位显示器。
图4.3数码管显示电路
5硬件的制作与调试
时钟振荡电路的设计，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。
本系统使用的是内部时钟方式。
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。
本系统的C1、C2的值为30pf。
无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。
而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。
许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现。
“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。
基本的复位方式基本的复位方式基本的复位方式基本的复位方式，单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有手动按钮复位和上电复位。
此系统我们选用了手动按钮复位，手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。
一般采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则VCC的+5V电平就会直接加到RST端。
手动按钮复位的电路如所示。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒,所以完全能够满足复位的时间要求。
LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。
根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性对编程是很重要的，因为不同类型的数码管除了它们的硬件电路有差异外编程方法也是不同的。
共阴和共阳极数码管的内部电路它们的发光原理是一样的，只是电源极性不同而已。
颜色有红，绿，蓝，黄等几种。
LED数码管广泛用于仪表时钟，车站，家电等场合。
选用时要注意产品尺寸颜色功耗亮度波长等。
在这里我们使用的是8段数码管显示，包含小数点。
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，所耗得电能较大；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。
在本设计中为了减少端口资源，降低电能消耗，采用的是动态显示方法。
本系统的倒计时时间的最大范围是9999S，要显示出最大范围的值，从而可知数码管显示电路要用到4位数码管。
计时器系统软件设计的主程序流程图，程序的的开始时先设定定时器0，先给定时器装初值。
检测按键是否按下，如果有按键按下进入相应的倒计时方式。
定时器0的定时时间是50ms,每当进入定时中断一次变量a自动加一,当a等于20时即为计时一秒,此时计时器清零,重新赋初值,并且之前设定的倒计时初值n值自动减一,同时进行相关的显示。
硬件调试的主要任务是排除硬件故障,其中包括设计错误和工艺性故障。
脱机检查用万用表逐步按照电路原理图检查印制电路中所有器件的各引脚,尤其是电源的连接是否正确,检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障,顺序是否正确,检查各开关按键是否能正常开关,是否连接正常,各限流电阻是否短路等内容。
为了保护芯片应先对各IC电位进行检查确定其无误后再插入芯片检查。
联机调试:
暂时拔掉89C52芯片,将仿真器的40仿真插入89C52的芯片插座进行调试,检验键盘/显示接口电路是否满足要求设计。
可以通过一些简单的测软件来查看接口工作是否正常。
例如,我们可以设计一个软件使89C52的P1、P2口输出55H或AAH同时读P3口运行后用万用表检查相应端口电平是否一高一低,在仿真器中检查读入的P3口8位是否为1.如果正常则说明89C52正常工作。
还可以设计一个使所有LED全显示“8.”的静态显示程序来检验LED的好坏。
如果运行测试结果与预期不符，很容易根据故障现象判断故障原因并采取针对性措施排除故障。
开始时数码管的亮度不够理想。
经检查知是段选电阻接P0口的限流电阻太大。
最后换成470欧的电阻后数码管显示正常。
软件调试的任务是利用开发工具进行在线仿真调试，发现和纠正程序错误，同时也能发现硬件故障。
程序的调试应一个模块一个模块地进行。
首先单独调试各功能子程序，检验程序是否能够实现预期的功能，接口电路的控制是否正常等。
最后逐步将各子程序连接起来进行联调。
本系统的程序的编写就是在KeilC软件中用汇编语言完成的。
在程序中用到了一个定时器，为了使倒计时的时间准确，必须计算对定时器的初值。
当程序完成之后生成HEX文件。
再利用Proteus软件进行仿真。
经过仿真和实际测试，在实际使用时完全没有闪烁。
在程序中定时器50ms中断一次，变量a自增,中断20次时秒的显示自减,误差很小大约为0.1%。
系统由5V电源来驱动。
经过测试与分析,此系统稳定可用,满足设计要求。
总结
本次课程设计利用89S51单片机设计短跑智能计时器，不仅包括硬件设计还包含软件编程。
综合了大学时期学习的各种专业知识。
对硬件的设计和单片机连接的电路设计。
软件设计应用了中断、中断扩展、定时器等知识。
软件设计是建立在硬件基础上的，我认为本次设计中最具特色的地方是合理利用中断0处理和中断1处理进行抢跑处理和计时处理，以及利用定时器技术进行计时。
本设计要注意的地方是系统的实时性、可靠性、精确性。
还要考虑设计的可行性和设计的价格等因素。
这次设计的重点包括以下几点。
1.显示装置的设计，显示器不仅显示时间还能显示赛道号和状态，能为分辨运动员的成绩和成绩的有效性提供了依据。
2.软件编程的设计，软件编程综合利用了INT0和INT1以及他们的扩展计时，以及定时器技术。
这些技术实现了比赛抢跑记录处理和结果记录处理，以及计时处理。
此次设计更进一步了解基本电路的设计流程，熟悉了软件编程方法，提高自己的设计理念，丰富自己的理论知识，巩固所学知识，使自己的动手动脑能力有更进一步提高，为自己今后的学习和工作打好基础，为自己的专业技能打好基础。
与此同时，通过本次设计，我系统的了解了计时系统的设计流程，尤其是硬、软件的设计方法，掌握了键盘显示电路的基本功能。
开拓了思路，锻炼了实践动手能力，提高了分工协作能力和分析问题，解决问题的能力，达到了本次课程设计的目的。
参考文献
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北京理工大学出版社,2010,101~120.
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北京人民邮电出版社,2010,128~142.
[4]李银华主编.电子线路设计指导[M].北京:
航空航天大学出版社2005,78-132.
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高等教育出版社,2000,120-200.
[6]陈光明等主编.电子技术课程设计与综合实训[M].北京：
北京航空航天大学出版社.2007,158-160.
附录1：
总体电路原理图
附录2：
元器件清单
序号
名称
型号规格
数量
1
单片机
STC89C52
1
2
数码管
5010AS
3
3
电源
1
4
电阻
1K
25
5
按键开关
3
6
电解电容
10Uf/10v
1
7
晶振
12MHZ
1
8
电容
22PF
2
9
排阻
10K
1
10
导线
若干
附录3：
电路汇编程序
汇编程序如下：
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG000BH
AJMPDS05S
ORG0030H
MAIN:
MOVR0,#100
MOVR7,#0
ACALLDIS
MOVR6,#0
MOVR1,#40H
MOVTMOD,#01H
MOVTH0,#0D8H
MOVTL0,#0F0H
SETBEA
SETBET0
SCAN1:
JBP1.0,SCAN1;开始
ACALLDELAY20MS
JBP1.0,SCAN1
JNBP1.0,$
ACALLDELAY20MS
SETBTR0
SCAN2:
JBP1.0,SCAN3;暂停
ACALLDELAY20MS
JBP1.0,SCAN3
JNBP1.0,$
ACALLDELAY20MS
CLRTR0
MOVR1,#40H
MOVR6,#1
AJMPSCAN4
SCAN3:
JBP1.6,SCAN2;保存
ACALLDELAY20MS
JBP1.6,SCAN2
JNBP1.6,$
ACALLDELAY20MS
MOVA,R7
MOV@R1,A
INCR1
INCR6
ACALLDIS1
AJMPSCAN2
SCAN4:
JBP1.7,SCAN4
ACALLDELAY20MS
JBP1.7,SCAN4
JNBP1.7,$
ACALLDELAY20MS
MOVA,@R1
MOVR7,A
ACALLDIS
ACALLDIS1
INCR6
INCR1
AJMPSCAN4
SJMP$
DS05S:
DJNZR0,D0
MOVR0,#100
INCR7
MOVA,R7
CJNEA,#100,D1
MOVR7,#0
D1:
ACALLDIS
D0:
MOVTH0,#0D8H
MOVTL0,#0F0H
RETI
DIS:
MOVA,R7
MOVB,#10
DIVAB
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
MOVA,B
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,A
RET
DIS1:
MOVA,R6
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP3,A
RET
DELAY20MS:
MOVR5,#100
DL0:
MOVR4,#100
DJNZR4,$
DJNZR5,DL0
RET
TABLE:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H
DB6DH,7DH,07H,7FH,6FH
END
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