基于单片机的电子秒表Word文件下载.docx
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3.1按键电路·
3.2时钟电路·
11
3.3LED数码管显示电路·
3.4复位电路·
13
3.5总体功能介绍·
15
第四章软件编程设计·
17
4.1程序设计思想·
4.2程序流程图·
18
4.3参数设置·
19
第五章设计体会及总结·
20
附录一电路图·
21
附录二汇编源程序·
22
参考文献·
26
第一章绪论
1.1概述
近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。
单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定位、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。
近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。
单片机不求规模大，只求小而全。
厂家在一个芯片上制成了CPU和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入/输出接口（Intel）。
在一个大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片机。
MCS-51系列中的一片89C51芯片，内部构造了完整的计算机硬件系统。
从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。
只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理，MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令；
CPU时钟高达12MHz，完成单字节乘法或除法运算仅需要4Ns；
具有多机通信功能，可作为多机系统中的一个子系统。
近年来，在国际上出现了Mechanics和Electronics复合成Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。
机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。
同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。
正是针对上述种种要求而设计的单片机自然成为机电一体化控制器的最佳选择。
单片机出现的历史并不长，它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段：
第一阶段：
1971～1974年，4位微处理器Intel4004及8位微处理器Intel8008，这些计算机价格便宜、功能有限，只用于消耗类电子产品。
第二阶段：
1974～1978年，初级单片机阶段，以Intel公司的MCS-48为代表，8位单片机。
第三阶段：
1978～1983年，高性能单片机阶段。
这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，有的片内还带有A/D转换器接口，片内RAM,ROM容量加大，寻址范围可达64K字节。
广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。
第四阶段：
1983年至今，8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。
例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。
MCS-96集成度为12万只品体管/片，寻址范围64K字节、5个8位并行口、一个全双工串行口、4个16位定时器、8通道10位A/D转换器等，另外MCS-96指令能处理位、字节、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲美。
单片机己经进入一个崭新的阶段。
同时随着微电子技术的不断发展，数控系统也在不断地更新换代，先后经历了电子管（1952年）、晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机（1974年）等五代数控系统。
前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬接线（硬线）数控系统，一般称为普通数控系统，简称NC。
70年代初，随着计算机技术的发展，使小型计算机的价格急剧下降，采用小型计算机代替专用控制计算机的第四代数控系统，不仅在经济上更为合算，而且许多功能可用编制的专用程序来实现，将它存储在小型计算机的存储器中，构成所谓控制软件，提高了系统的可靠性和功能特色。
这种数控系统又称为软接线（软线）数控，即计算机数控系统，简称CNC。
1974年制成以微处理机为核心的数控系统，称为第五代微型机数控系统，简称MNC。
单片机控制系统的电子秒表，自动化程度高、成本低、体积小、控制精确等优点，有很好的经济效益和广阔的发展前景。
单片机控制系统的研制成功，是电子秒表发展中的一次较大的进步，它表明了目前正在使用的许多控制系统完全可以由单片机控制系统所代替。
1.2设计目的
加强对单片机和C51语言的认识，充分掌握和理解设计各部分的工作原理、设计过程、选择芯片器件、模块化编程等多项知识。
（1）用单片机模拟实现具体应用使个人设计系统能够真正使用。
（2）把理论知识与实践知识相结合，充分发挥个人能力，并在实践中得到锻炼。
（3）提高利用已学的知识分析和解决问题的能力。
（4）提高动手实践能力。
1.3设计任务及内容
1.3.1设计任务
结合教材及参考资料，用80C51单片机模拟实现电子秒表的开启，计时，停止并显示时间等功能。
1.3.2设计内容
（1）填写设计任务书
（2）进行总体设计，画出原理图
（3）用proteus软件画出PCB板
（4）用Keil软件编写程序
（5）在proteus里模拟并调试程序达到期望功能
第二章总体设计及核心器件简介
2.1总体设计
整个设计以MCS-51单片机为核心，由LED数码管显示，控制开关，位驱动电路等组成。
模块电路如图
2.2单片机概述
电子计算机是20世界纪40年代发展起来的新技术之一，它的出现是科学技术产生了一场深刻的革命。
特别是自1971年以来，随着大规模集成电路的发展，又出现了微型计算机。
它对发展现代化的工业、农业、国防和科学技术具有极其巨大的推动作用。
作为微型机控制系统的组成，主要分为两大部分，硬件和软件。
硬件是指微型计算机本身及其外围设备；
软件是指管理计算机的程序以及过程控制应用程序。
2.2.1单片机的特点
1.有优异的性能价格比。
2.集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
3.控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
5.外部总线增加了I2C（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
6.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
2.2.2单片机的应用
由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。
它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：
1.单片机在智能仪表中的应用
2.单片机在机电一体化中的应用
3.单片机在实时控制中的应用
4.单片机在分布式多机系统中的应用
5.单片机在人类生活中的应用
单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面，另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能通过单片机来实现了。
这种用软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是对传统控制技术的一次革命。
此外，单片机成本低、集成度高、控制功能多，可灵活地组装成各种智能控制装置，并能有针对性设计成专用系统，解决从简单到复杂的各种需要，实现最佳的性价比。
特别是单片机与传统机械产品相结合，使原有机械产品的结构简化、控制智能化。
如数控机床就是典型实例。
近年来，单片机发展极快，其产量占微机产量的70%以上。
目前，至少有50个系列400余种机型，性能和结构各不相同，Intel、Motorola、Zilcg等公司都有系列单片微型计算机。
国内普及的几乎都是Intel公司的产品。
2.2.3AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
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，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机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。
外形及引脚排列如图所示
主要特性：
·
与MCS-51兼容
4K字节可编程FLASH存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
全静态工作：
0Hz-24MHz
三级程序存储器锁定
128×
8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
2.2.3AT89C51各管脚主要功能简介
下图为AT89C51图：
2.1AT89C51
（1）Vss（20脚）:
接地
（2）VCC（40脚）:
主电源+5V
（3）XTAL1（19脚）:
接外部晶体的一端。
在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；
对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。
XTAL2（18脚）:
接外部晶体的另一端。
在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。
若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；
对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。
（4）RST（9脚）:
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（RESET）
（5）PSEN（29脚）:
在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。
CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。
不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。
PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。
我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。
（6）ALE/PROG（30脚）:
在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。
（7）EA/VPP（31脚）:
当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000单元开始执行程序。
当地址超出4KB时，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。
在对87C51EPROM编程时，此引脚用于施加编程电压VPP。
（8）输入/输出引脚：
1）P0.0—P0.7（39脚—32脚）
2）P1.0—P1.7（01脚—08脚）
3）P2.0—P2.7（26脚—21脚）
4）P3.0—P3.7（10脚—17脚）
第三章单元电路模块设计
3.1按键电路的选择与设计
连接形式如下：
图3.1按键电路
本设计中有四个按键，分别实现启动、开始、停止、和复位功能。
这四个键可以采用中断或是查询的方法来识别。
对于开始键，主要功能在于开始计时和实时显示所经历的时间，而停止键主要用于停止计时并显示从开始到当前时刻的时间，对复位键采用查询的方式，而对于开始和停止键采用外部中断。
按键电路中由于采用了外部中断，所以需要用到P3口的第二功能。
P3口引脚的第二功能如下表
P3口引脚第二功能表
P3口引脚
特殊功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0请求输入端）
P3.3
INT1（外部中断1请求输入端）
P3.4
T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）
P3.5
T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）
P3.6
WR（片外数据存储器写选通信号输出端）
P3.7
RD（片内数据存储器读选通信号输出端）
3.2时钟电路的选择与设计
单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，80c51片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端，80c51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：
内部振荡方式与外部振荡方式。
外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器就行。
对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。
P1在每一个状态S的前半部分有效，P2在每个状态的后半部分有效。
本设计采用的内部振荡方式，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。
本设计系统的时钟电路如图3.2所示。
只要按照所示电路进行设计连接就能使系统可靠起振并能稳定运行。
图中，电容器C1
、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般为5～33pF。
但在时钟电路的实际应用中一定要注意正确选择其大小，并保证电路的对称性，尽可能匹配，选用正牌的瓷片或云母电容，如果可能的话，温度系数尽可能低。
本设计中采用大小为30pF的电容和12MHz的晶振。
图3.2振荡电路
3.3LED数码管显示电路
选用的共阴极ＬＥＤ显示数码管如下：
数码显示管分为共阳数码管和共阴数码管两种。
共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，如图3.3（b），通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，如图（c），通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
图3.3（a）数码管引脚图（b）共阳极内部结构图（c）共阴极内部结构图
本设计采用共阴极数码显示管做显示电路，由于采用的是共阴的数码显示管，所以只要数码管的a、b、c、d、e、f、g、h引脚为高电平，那么其对应的二极管就会发光，使数码显示管显示0～9的编码见表3.1。
表3.1共阴极数码显示管字型代码
字型
共阴极代码
3FH
6DH
1
06H
7DH
2
5BH
7
07H
3
4FH
8
7FH
66H
9
6FH
3.4复位电路的选择与设计
关于单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值，复位是一个很重要的操作方式。
但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。
当80c51单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序。
因此要求单片机复位后能脱离复位状态。
而本系统选用的是12MHz的晶振，因此一个机器周期为1μs，那么复位脉冲宽度最小应为2μs。
在实际应用系统中，考虑到电源的稳定时间，参数漂移，晶振稳定时间以及复位的可靠性等因素，必须有足够的余量。
根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：
上电复位、手动复位。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
80C51单片机的上电复位POR（PowerOnReset）实质上就是上电延时复位，也就是在上电延时期间把单片机锁定在复位状态上。
在单片机每次初始加电时，首先投入工作的功能部件是复位电路。
复位电路把单片机锁定在复位状态上并且维持一个延时（记作TRST），以便给予电源电压从上升到稳定的一个等待时间；
在电源电压稳定之后，再插入一个延时，给予时钟振荡器从起振到稳定的一个等待时间；
在单片机开始进入运行状态之前，还要至少推迟2个机器周期的延时。
上述一系列的延时，都是利用在单片机RST引脚上外接一个RC支路的充电时间而形成的。
典型复位电路如图3.4（a）所示，其中的阻容值是原始手册中提供的。
在经历了一系列延时之后，单片机才开始按照时钟源的工作频率，进入到正常的程序运行状态。
在电源电压以及振荡器输出信号稳定之后，又等待了一段较长的延时才释放RST信号，使得CPU脱离复位锁定状态；
而RST信号一旦被释放，立刻在ALE引脚上就可检测到持续的脉冲信号。
图3.4上电复位延时电路
由于标准80C51的复位逻辑相对简单，复位源只有RST一个（相对新型单片机来说，复位源比较单一），因此各种原因所导致的复位活动以及复位状态的进入，都要依靠在外接引脚RST上施加一定时间宽度的高电平信号来实现。
标准80C51不仅复位源比较单一，而且还没有设计内部上电复位的延时功能，因此必须借助于外接阻容支路来增加延时环节，如图3.4（a）所示。
其实，外接电阻R还是可以省略的，理由是一些CMOS单片机芯片内部存在一个现成的下拉电阻Rrst。
因此，在图3.4（a）基础上，上电复位延时电路还可以精简为图3.4（b）所示的简化电路（其中电容C的容量也相应减小了）。
在每次单片机断电之后，须使延时电容C上的电荷立刻放掉，以便为随后可能在很短的时间内再次加电作好准备。
否则，在断电后C还没有充分放电的情况下，如果很快又加电，那么RC支路就失去了它应有的延迟功能。
因此，在图3.4（a）的基础上添加一个放电二极管D，上电复位延时电路就变成了如图3.4（c）所示的改进电路。
也就是说，只有RC支路的充电过程对电路是有用的，放电过程不仅无用，而且会带来潜在的危害。
于是附加一个放电二极管D来大力缩短放电持续时间，以便消除隐患。
二极管D只有在单片机断电的瞬间（即VCC趋近于0V，可以看作VCC对地短路）正向导通，平时一直处于反偏截止状态。
手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。
单片机要完成复位，必须向复位端输出并持续两个机器周期以上的高电平，从而实现复位操作。
本设计采用上电且开关复位电路，如图3.5所示上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。
当单片机已在运行之中时，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。
图3.5单片机复位电路
3.5总体功能介绍
在本设计中，首先打开电源开关后显示8，每秒循环左移一位，然后按下启动键，为计时做准备。
按A键开始计时，实时显示所经历的时间，按B键停止计时并显示从开始到当前时刻的时间，精确到0.1秒，量程为0—99.9秒。
系统总电路由以上设计的显示电路，时钟电路，按键电路和复位电路组成，只要将单片机与以上各部分电路合理的连接就组成了系统总电路。
系统总电路图如附图1
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