基于51单片机的数字秒表设计Word文档下载推荐.docx
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指导教师意见：
成绩:
签名：
年月日
课程设计名称：
数字秒表
专业班级：
自动1204
学生姓名：
指导教师：
王黎
课程设计地点：
31-630
课程设计时间：
单片机系统课程设计任务书
学生
专业班级
自动1204
学号
题目
数字秒表设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
王黎
主要容
（参数）
设计一个基于单片机的数字秒表，具体要求如下。
1、最大计数值为：
99分59.99秒。
2、系统采用2个按键控制输入，其中一个按键用作系统清0，另一个按键用作秒表的启动/停止。
3、系统采用6个共阴LED数码管实现计时显示。
任务要求
（进度）
第1-2天：
熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。
第3-4天：
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。
第5-6天：
软件设计，编写程序。
第7-8天：
实验室调试。
第9-10天：
撰写课程设计报告。
要求容完整、图表清晰、文理流畅、格式规、方案合理、设计正确，篇幅合理。
主要参考
资料
[1]迎新．单片微型计算机原理、应用及接口技术（第2版）[M]．：
国防工业，2004
[2]伟福LAB6000系列单片机仿真实验系统使用说明书
[3]阎石．数字电路技术基础（第五版）．：
高等教育，2006
审查意见
系（教研室）主任签字：
年月日
1绪论
21世纪，单片机的发展非常的迅速。
单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。
它是一种集计数和多种接口于一体的微控制器，被广泛应用在智能产品和工业自动化上，而51单片机是个单片机中最为典型和最有代表性的一种。
51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是Atmel的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。
很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间将占有大量市场。
本次的设计任务是一个数字秒表，而秒表与普通的钟表不同，它的目的是对从某一时刻到另一时刻的时间间隔进行计时。
秒表的数字化常给人们的生活带来极大的方便，它广泛应用于社会的各个领域。
通过对数字式秒表的设计，我们可以清楚的了解到它的工作原理，进而也了解了数字钟表的工作原理。
在翻阅相关资料后，我们把秒表的设计分成了三大部分：
基准脉冲产生部分；
控制部分和计数、译码、显示部分。
本设计的数字电子秒表系统采用STC89C51单片机为中心器件，利用其定时器/计数器定时和记数的原理，结合显示电路、LED数码管以及独立键盘来设计秒表,将软、硬件有机地结合起来。
基准脉冲产生部分由石英振荡器和由计数器组成的分频器构成。
在石英振荡器中，石英晶体的固有频率是1MHz，即振荡器的输出为1MHz的矩形脉冲。
而分频器将1MHz分频为100Hz的基准脉冲。
控制部分可由基本RS触发器和相应的开关组成。
计数、译码、显示部分中，将使用同步四位二进制加法计数器74LS161来计数。
74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。
关键字：
基准脉冲计数译码数字显示
2系统概述
2.1数字式秒表的设计意义
在秒表的设计中，我们对《数字电子技术基础》中所学到的知识有了更深刻的认识》。
比如：
555多谐振荡器的应用、计数器、译码及显示器的应用。
总之，数字秒表的设计让我们体会了学以致用的乐趣。
2.2设计要求与分析
设计要求如下：
秒表的最大计时值为99分59.99秒；
6位数码管显示，分辨率为0.01秒
具有清零、启动计时、暂停及继续计数等控制功能；
控制操作键不超过二个。
首先，秒表的分辨率为0.01秒，故要获得频率为100Hz的基准毫秒脉冲；
其次，分、毫秒计数器为100进制计数器，秒计数器为60进制计数器；
最后，用一个控制键实现秒表的启动/暂停/继续计数功能，用另一个控制健实现秒表的清零功能。
分别实现以上模块功能，即可设计出符合要求的数字秒表。
设计方案论证：
即为数字式秒表，那么必须有数字显示。
按设计要求，须用数码管来做显示器。
题目要求最大记数值为99分59.99秒，那则需要六个数码管。
要求计数分辨率为0.01秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。
选择信号发生器时，有两种方案：
一种是用晶体震荡器，另一种方案是采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器。
秒表核心部分使用六个74161计数器采用串联方式构成，这种连接方式简单，使用元器件数量少。
因为对秒表的精度要求高，故CP脉冲是由石英振荡器产生的，而没有用555构成的多谐振荡器。
总体设计方案框图及分析：
通过以上的分析，查阅相关资料后，得数字式秒表的原理方框图如图1所示。
图1数字秒表的原理方框图
本电路由启动、清零复位电路、多谐振荡电路、分频计数电路、译码显示电路等组成，整体上是按照基准脉冲产生部分，控制部分和计数、译码、显示部分这三大部分来设计的。
3硬件电路设计
硬件电路由启动、清零复位电路、多谐振荡电路、分频计数电路、译码显示电路等组成，整体上是按照基准脉冲产生控制部分和计数、译码、显示部分这三大部分来设计的
3.1基准脉冲的获取
1.方案一：
由555构成多谐振荡器
⑴555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它的电源电压围宽，可在4.5V~16V工作，输出驱动电流大约为200mA，因而它的输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的部电路框图和外引脚排列R如图1.2所示。
它部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
⑵由555定时器构成的多谐振荡器如图1.3（a）所示，图1.3（b）为其工作波形。
图2555构成的多谐振荡器
其工作原理如下：
接通电源后，VCC经R1、R2给电容C充电。
由于电容上电压不能突变，电源刚接通时υC<
VCC／3，所以555部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，即RD=1，SD=0，基本RS触发器置1，输出端Q为高电平。
此时Q=O，使部放电管截止。
当υC上升到大于Vcc／3时，RD=1，SD=1，基本RS触发器状态不变，即输出端Q仍为高电平，当VC上升到略大于2VCC／3时，RD=0，SD=1，基本RS触发器置0，输出端Q为低电平。
这时Q=1，使部放电管饱合导通。
于是电容C经R2和部放电管放电，υc按指数规律减小。
当υC下降略小于Vcc／3时，部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS触发器置1，输出高电平。
这时，Q=0，部放电管截止。
于是C结束放电并重新开始充电。
如此循环不止，输出端就得到一系列矩形脉冲，如图1.3（b）所示。
由图可见，υC将在Vcc／3和2VCC／3之间变化，因而可求得电容C上的充电时间和放电时间
充电时间
放电时间
矩形波的振荡周期………①
因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。
当矩形波的频率f=100Hz时，振荡周期T=0.01s。
当取C=0.1µ
F,R1=40千欧，若使T=0.01s，那么，R2≈51千欧。
取一固定电阻47千欧与一5千欧的电位器相串联代替电阻R2。
在调试电路时，调节电位器RP，使输出脉冲周期为0.01s，即可获得所需的基准脉冲。
2.方案二：
由石英晶体构成的多谐振荡器
在对频率的稳定性要求较高的电路中，应采用频率稳定性很高的石英晶体振荡器，图3给出了两种常见的石英晶体振荡电路。
图3石英晶体振荡电路
石英晶体振荡电路的谐振频率由石英晶体的固有频率决定，故图1.4中的两电路输出的波形的振荡频率均为1MKz，电路中其它元器件对输出波形频率的影响极为有限。
只是石英晶体振荡器产生的频率很高，要得到基准毫秒脉冲，还需要用分频电路。
振荡器输出1MKz信号，为了得到100Hz的振荡脉冲，可以进行10000分之一的分频。
3.两种方案的比较与选择
首先，555多谐振荡器的振荡频率不可能是某一精确值，即它的振荡频率不可能达到100Hz；
其次，因为555多谐振荡器的振荡，故频率还受电阻R1、R2和电容C的影响，当它们中的任一值变动时，振荡频率就受到影响；
最后，上述555振荡电路中的振荡频率是由门电路输入电压上升到转换电平所需要时间来决定的，由于受电源电压、温度变化以及某些干扰因素的影响，门电路的转换时间不可能十分精确和稳定，可见，上述振荡电路的振荡频率极不稳定。
而石英晶体振荡器则可以克服以上缺点。
石英晶体多谐振荡器是一种产生高稳定度的脉冲振荡器，它有极高的频率稳定性，而且品质因数又高，因此它有极好的选频特性。
当外加电压频率等于石英晶体的固有频率f0时，它的阻抗最小，频率为f0的电压信号最容易通过，并在电路中形成正反馈而使电路振荡。
石英晶体多谐振荡器的振荡频率只取决于石英晶体的固有频率f0，而与外接的R、C元件无关。
此外，石英晶体振荡器的电路结构简单、频率易调整。
但是，石英晶体振荡器产生的振荡脉冲的频率过高，为了的到基准脉冲，还需要外加分频电路，555多谐振荡器则不需如此。
在电子秒表的设计中，选择了方案二。
尽管方案二需要使用分频电路，增加了电路中使用的元件数，但秒表的计时一定要可靠、精准，与555多谐振荡器相比，石英晶体振荡器在振荡频率的稳定性上刚好符合设计需要。
4.分频电路的设计
由于要求得到的基准脉冲的频率是100Hz，而石英晶体振荡器产生的频率过大，需要进行分频。
分频电路有多种选择方案，可以使用专用的分频器，也可通过触发器进行分频，还可以用计数器分频，本次设计中用10进制计数器74HC160对1MKz进行分频，因为是取10000分之一，所以使用了4个计数器，尽管用
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