单片机单脉冲计数设计教材Word文档格式.docx
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3.3各个单元及电路原理3
3.4绘制原理图5
3.5元件参数计算6
3.6元件清单列表10
3.7绘制程序流程图10
3.8汇编程序10
3.9调试与仿真11
3.10硬件调试结果12
4心得体会12
参考文献13
定时脉冲计数器电路设计
1设计目的
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。
因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。
通过典型实际问题的实际，训练学生的软硬件的综合设计、调试能力以及文字组织能力，建立系统设计概念，加强工程应用思维方式的训练，同时对教学内容做一定的扩充。
2设计内容
以小组为单位用AT89C51单片机的定时/计数器产生1s的定时时间，作为秒计数时间，当1s产生时，秒计数器加1：
秒计数器到60时，自动复位从0开始。
要求：
（1）用LM7805CT设计交流220V转5V直流电源。
（2）用单片机AT89C51的定时器实现60s计时。
（3）用PROTEUS设计，仿真基于AT89C51单片机的60s计时实验。
（4）用面包板搭建设计电路，实际运行调试。
3设计过程
3.1硬件电路框图
根据实验要求，结合已有的元件绘制实验框图（图3-1）
图3-1实验框图
实验框图大体上可以分为晶振电路、复位电路、单片机、驱动电路、及电源电路五个部分：
晶振电路：
为单片机提供时钟信号。
复位电路：
当需要复位时，为单片机提供复位信号。
驱动电路：
为了驱动负载，本实验中负载为共阳极数码管。
电源电路：
为整个系统提供电源。
单片机：
系统的核心部分，用于运行用户程序，实现控制目的。
3.2搜集元件资料
（1）AT89C51（图3-2）
基本参数：
磁芯尺寸:
8bit
输入/输出数:
34
程序存储器大小:
64KB
EEPROM存储器容量:
2KB
存储器容量,RAM:
256Byte
处理器速度:
60MHz
振荡器类型:
External
计时器数:
3
周边设备:
Timer,PWM
接口:
SPI,UART
PWM通道数:
5
电源电压范围:
2.7Vto5.5V
工作温度范围:
-40°
Cto+85°
C
工作温度最低:
工作温度最高:
85°
封装形式:
VQFP
针脚数:
44
位数:
8位
存储器容量:
存储器类型:
闪存
定时器位数:
16
封装类型:
管装
接口类型:
UART
电源电压最大:
5.5V
电源电压最小:
2.7V
微处理器/控制器特点:
80C52兼容,2048字节启动ROM,1792字节XRAM,POR,PFD,ISP,SPI
图3-2AT89C51管脚图
（2）共阳极数码管
共阳极数码管（图3-3）,电流：
静态时，10-15mA；
动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4-5mA，峰值电流50-60mA。
平时使用时，不能让LED一直工作在最大额定值。
所以正向电流IF小于最大额定值（一般是30mA）。
根据常识可以知道，电流大，LED发光强，但消耗的功率大。
电流小，LED发光小，消耗的功率小。
通常电路用LED是做指示用途，电路的总体功耗要控制，不能都消耗在指示灯上，当然还要考虑电源的功率要满足后面电路功耗的要求，并且最好要有富裕。
所以这个LED的正向电流选取
20mA，正向压降为3.3V。
图3-3共阳极数码管
（3）7407驱动器
7407同相驱动器，用于放大功率，从而驱动数码管点亮。
图3-47407封装图图3-57407逻辑图
3.3各个单元电路及工作原理
（1）220V转5V直流电源电路（图3-6）
电源电路采用LM7805集成稳压器作为稳压器件，用典型接法，220V交流电源整流滤波后送入LM7805稳压，在输出端接一个电容进一步滤除纹波，得到5V直流稳压电源。
图3-6220V转5V直流电源原理图
（2）晶振电路
图3-7晶振电路
晶振电路（图3-7）是给单片机提供工作信号脉冲的，这个脉冲就是单片机的工作速度。
比如12MHz晶振，单片机工作速度就是每秒12MHz，和电脑的CPU概念一样，当然，单片机的工作频率是有范围的，不能太大.一般24M就不上往了，不然不稳定。
（3）复位电路
复位电路（图3-8），在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。
当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。
随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。
根据串联电路电压为各处之和，这个时候电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平，单片机系统自动复位。
而且，随着Vcc电压由0V增加到5V，电容C3的上极板电位随之增加，电容的内电场增强，使C3能吸引更多的电子通过R1到达下极板，从外面看就电流通过C3和R1入地。
按电压在随着电流方向逐惭降低的原则，电流的出现会在R1端形成一大于0的电位。
由于电容的充电逐渐饱和，所以电流会逐渐减小，电位也会逐渐减小。
该电位的大小和持续的时间将直接影响到我们的系统能否上电复位。
图3-8复位电路
（4）数码管显示驱动电路
图3-9驱动电路
驱动电路（图3-9），当系统输出低电平时，低电平信号经驱动器功率放大驱动共阳极数码管点亮，显示不同的数字，电阻起限流作用防止电流过大。
单片机输出低电平时的电流为1.6mA的灌电流，数码管的驱动电流为20mA，用7407功率放大器匹配的驱动电流，7047的额定电流为40mA大于20mA，符合要求。
3.4系统原理图的绘制
把以上各个电路图按照逻辑关系组合起来，接在单片机上就形成原理图（图3-10）。
图3-10系统原理图
3.5元件参数计算
（1）晶振电路的电容选择
图3-11晶振电路与单片机连接部分
图（3-11）中：
XTAL1（19脚）：
芯片内部振荡电路输入端。
XTAL2（18脚）：
芯片内部振荡电路输出端。
XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。
图中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。
一般来说晶振可以在1.2～12MHz之间任选，甚至可以达到24MHz或者更高，但是频率越高功耗也就越大。
51系列单片机常用11.0592MHz的晶振设计，因为它能够准确地划分成时钟频率，与UART（通用异步接收器/发送器）量常见的波特率相关，特别是较高的波特率（19600，19200），不管多么古怪的值，这些晶振都是准确，常被使用的。
故本实验套件中采用的11.0592MHz的石英晶振，而和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。
当采用石英晶振时，根据经验电容可以在20～40pF之间选择（本实验套件使用30pF）。
（2）复位电路（图3-12）的参数计算
图3-12复位电路
注：
以下计算选用的AT89C51的系统电压为5V，晶振为11.0529MHz（计算时以12MHz计算），高电平复位。
根据AT89C51的规格技术资料，如果当AT89C51RestPin（复位输入端）有两个机器周期的时间是高电平，那么系统就会被复位，
所以对于采用12MHz晶振时，使系统复位的时间t应大于
两个机器周期的时间求出来了，由AT89C51是规格书中关于其DC特性的描述中可
以知道，当RestPin上的电压超过Min=0.7Vcc时RestPin就会认为是高电平。
事先假设的系统电压为5V，Vcc在这里可以看成5V，所以如果RestPin上的电压超过0.7Vcc=3.5V，就可以看成RestPin为高电平，如果这超过3.5V的电平持续时间超过2us，那么系统就会复位。
最后一步就是计算RST_H处的电位了。
不考虑流入RestPin内电流，该电路就是一阶RC电路。
电容两端暂态电流与电压的关系式如下：
因为
；
所以
设RestPin电压为
，那么：
所以，
，当
的时，
当且仅当
时，系统才会复位，即满足条件。
所以用R=1KΩ、C=22μF符合要求。
（3）驱动电路参数计算
电源5V，数码管正向压降为3.3V，正向电流最大额定值（一般是30mA），静态时，10-15mA，其值小于7407输出低电平电流40mA，限流电阻R满足：
故取R=200Ω符合要求。
（4）电源电路中的参数确定
图3-12电源电路
变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路（图3-12），整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以在这里接一个电解电容C1在这个电路中，三端稳压器后面接一个电容C2，这个电容有进一步滤波和阻尼作用，使最终得到平滑的直流5V电压。
7805芯片电压输出电压为标准的5V，应此选7805作为电源稳压芯片，78系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。
还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。
取LM7805的输入端电压为10V。
变压器二次侧电压的有效值
考虑到变压器二次侧绕组及管子上的压降，变压器的二次侧电压大约要高10%，即
单片机及其他芯片引脚最大灌电流之和约为100mA，所以，流经二极管的平均电流
因此，可选择2C251D整流二极管（其允许的最大电流If=150mA，最大反向电压VRM=100V）。
变压器变比
二次侧电流的有效
取变压器的效率η=0.95
变压器的容量
选择容量为20VA的变压器。
一般滤波电容的设计原则是，取其放电时间常数RLC是其充电周期的确3～5倍。
对于桥式整流电路，滤波电容C的充电周期等于交流周期的一半，即
其中
，
令
取C=500uF。
为了使输出的电压的脉动更小，可在LM7805CT之前并联一个1000uF的滤波电容，构成π形滤波器。
3.6元件清单列表
根据原理图，汇总元件清单列表（表3-1）
表3-1元件清单列表
名称
数量
AT89C51单片机
1片
7407芯片
3片
共阳极数码管
2个
100KΩ电阻
1个
200Ω电阻
14个
30pF陶瓷电容
20uF电解电容
触电开关
12MHz晶振
220-30变压器
二极管整流桥
电解电容
7805芯片
导线
若干
3.7绘制程序流程图
程序流程图由小组其他成员绘制。
3.8汇编程序
SECONDEQU30H
TCOUNTEQU31H
ORG00H；
开始
START:
MOVSECOND,#00H
MOVTCOUNT,#00H
MOVTMOD,#01H；
T1工作在方式0，T0工作在方式1
MOVTH0,#（65536-50000）/256；
送50ms初值3CB0H
MOVTL0,#（65536-50000）MOD256
SETBTR0；
定时器TR0启动
DISP:
MOVA,SECOND；
数码管十位数字显示
MOVB,#10
DIVAB
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
MOVA,B；
数码管个位数字显示
MOVP2,A
WAIT:
JNBTF0,WAIT；
等待定时器T0中断
CLRTF0；
清除中断标志位
重装1ms初值
INCTCOUNT
MOVA,TCOUNT
CJNEA,#20,NEXT；
等待计时1s
MOVTCOUNT,#00H；
重新计时1s
INCSECOND
MOVA,SECOND
CJNEA,#60,NEX；
等待计时60次
MOVSECOND,#00H；
重新计60次
NEX:
LJMPDISP
NEXT:
LJMPWAIT
TABLE:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H
END
3.9调试与仿真
1.首先用Keil软件将程序编译成HEX文件。
2.打开Proteus软件，或直接点击DSN文件，双击单片机模板，点击文件夹式样的图标选择对应的HEX驱动文件，然后点击开始，进行调试。
仿真结果（图3-13）：
图3-13系统仿真图
仿真结果（图3-13）与预期相同，达到设计的要求。
3.10硬件调试结果
根据元件清单，进行元件采购，根据原理图在面包板上搭建实际电路，合理布局电路元件，仔细接线，认真检查。
搭建好电路后，经检查无误，上电调试（图3-14）。
图3-14硬件调试图
4、心得体会
此次的单片机课程设计，感慨颇多，从理论到实践，在设计的几周日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正运用到实际操作中，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
设计中遇到各种各样的问题，同时也暴露出自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法，对单片机汇编语言掌握得不好，而且在实际的电路搭建中也遇到的问题，失败了好几次，但通过小组的积极探讨，最终得出了大家满意的结果。
在本次单片机课程设计中，特别要感谢的是两位指导老师，在大家遇到困难的时候，他们一次又一次耐心的讲解，才有了后面满意的结果。
参考文献：
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