《单片机技术》秒表设计.docx
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《单片机技术》秒表设计
课程：
单片机技术
课程设计题目：
数字电子钟
数字频率计
数字电压表
交通灯
抢答器
密码锁
波形发生器
数字温度计
计算器
数字式秒表
适用班级：
电气1001～3
时间：
2012～2013学年第一学期
指导教师：
王韧
《单片机技术》课程设计任务书
一、设计题目：
数字电子钟、数字频率计、数字电压表、交通灯、抢答器、密码锁、波形发生器、数字温度计、计算器、数字式秒表。
二、适用班级：
电气1001～3
三、指导教师：
王韧
四、设计目的与任务：
学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《单片机技术》中所学的理论知识和实验技能，掌握单片机应用系统的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。
五、设计内容与要求
设计内容
1、数字电子钟
设计一个具有特定功能的电子钟。
该电子钟上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入时钟准备状态；第一次按电子钟启动/调整键，电子钟从0时0分0秒开始运行，进入时钟运行状态；再次按电子钟启动/调整键，则电子钟进入时钟调整状态，此时可利用各调整键调整时间，调整结束后可按启动/调整键再次进入时钟运行状态。
2、数字频率计
设计一个能够测量周期性矩形波信号的频率、周期、脉宽、占空比的频率计。
该频率计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入测量准备状态。
按频率测量键则测量频率；按周期测量键则测量周期；按脉宽测量键则测量脉宽；按占空比测量键则测量占空比。
3、数字电压表
设计一个能够测量直流电压的数字电压表。
测量电压范围0～5V，测量精度小数点后两位。
该电压表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入测量准备状态，按测量开始键则开始测量，并将测量值显示在显示器上，按测量结束键则自动返回“P.”状态。
4、交通灯
设计一个具有特定功能的十字路口交通灯。
该交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
按开始键则开始工作，按结束键则返回“P.”状态。
要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，甲车道为主车道，每次通车时间为60秒，乙车道为次车道，每次通车时间为30秒，要求黄灯亮3秒，并且1秒闪烁一次。
有应急车辆出现时，红灯全亮，应急车辆通车时间10秒，同时禁止其他车辆通过。
5、抢答器
设计一个具有特定功能的抢答器。
该抢答器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
主持人按下开始按钮后，抢答开始并限定时间30S；10S内无人抢答，蜂鸣器发出音响；主持人按下开始按钮之前有人按下抢答器，抢答违规，显示器显示违规台号，违规指示灯亮，其它按钮不起作用；正常抢答，显示器显示台号，蜂鸣器发出音响，其它抢答按钮无效；正常抢答下，从按下抢答按钮开始30S内，答完按钮没按下，则作超时处理，超时处理时，违规指示灯亮，显示器显示违规台号。
蜂鸣器发出音响；各台数字显示的消除，蜂鸣器音响及违规指示灯的关断，都要通过主持人按复位按钮。
6、密码锁
设计一个具有特定功能的密码锁。
该密码锁上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
该密码锁具有系统原始密码888888，用户可以设定并存储用户密码，密码输入时应处于保密显示状态，密码输入正确时应显示密码输入正确提示信息，否则，显示密码输入错误提示信息。
7、波形发生器
设计一个具有特定功能的波形发生器。
该波形发生器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
该波形发生器可以分别产生幅值0～5V、频率100Hz～100KHz范围内的三角波、锯齿波、方波、梯形波和正弦波。
8、数字温度计
设计一个具有特定功能的数字温度计。
该数字温度计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
测量温度范围0℃～99℃，测量精度小数点后两位，可以通过开始和结束键控制数字温度计的工作状态。
9、计算器
设计一个具有特定功能的计算器。
该计算器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
能实现
（1）基本的加、减、乘、除、平方、开方；
（2）三角函数运算；（3）十进制、十六进制转换运算；（4）其他功能。
10、数字式秒表
设计一个具有特定功能的数字式秒表。
该数字式秒表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
该数字式秒表应具有开始、暂停、连续、清零和停止功能。
设计要求
1、以上课题可以任选其一或多选，学生也可以自拟课题；
2、编程语言：
汇编或C51；
3、计算机打印《单片机技术》课程设计说明书一份；
4、设计时间：
两周；
5、实物制作；
6、人员分组：
一人一组一实物。
六、《单片机技术》课程设计说明书正文主要内容
参照“《单片机技术》课程设计说明书正文主要内容”文件。
七、《单片机技术》课程设计说明书书写规范格式
参照“《单片机技术》课程设计说明书书写规范格式”文件。
八、参考资料
1、马忠梅，单片机的C语言Windows环境编程宝典[M],北京：
北京航空航天大学出版社，2003.6；
2、李光飞,单片机C程序设计指导[M],北京:
北京航空航天大学出版社，2003.01；
3、李光飞,单片机课程设计实例指导[M],北京:
北京航空航天大学出版社，2004.9。
电气自动化教研室
2012年9月10日
摘要
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。
随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术,本文将介绍一种基于单片机控制的秒表，
随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中秒表就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。
关键词：
单片机；数字式秒表；设计程序
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyinrecentyears,theapplicationofSCMisthedeepeningofthetraditionalcontrolwhiledrivingdetectiontechnologyisincreasinglyupdates.Real-timedetectionandautomaticcontrolofmicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenasacorecomponenttousemicrocontrollerknowledgealoneisnotenough,shouldbebasedonthespecifichardwarestructureofhardwareandsoftwarecombination,tobeimproved.
Withtheprogressanddevelopmentofthetimes,thesingle-chiptechnologyhasspreadtothewaywelive,work,researchinvariousfields,hasbecomearelativelymaturetechnology,thispaperdescribesamicrocontroller-basedcontrolstopwatch
Withthecontinuousimprovementofpeople'slivingstandard,single-chipcontrolisundoubtedlyoneofthegoalsofthepeopletopursue,itbringsconvenienceisundeniable,whichstopwatchisatypicalexample,butit'sincreasinglydemandinghigh,toworkforthemodern,scientificresearch,life,providebetterandmoreconvenientfacilitieswillneedtostartfromthenumberofsingle-chiptechnology,alltowarddigitalcontrol,intelligentcontroldirection.
Keywords:
Microcontroller;digitalstopwatch;designprogram
目录
1设计目的与要求………………………………………………………………8
1.1设计目的…………………………………………………………………8
1.2设计要求…………………………………………………………………8
1.3工作原理说明……………………………………………………………8
2数字式秒表电路的设计………………………………………………………10
2.1时钟电路…………………………………………………………………10
2.2键盘电路…………………………………………………………………10
2.3复位电路…………………………………………………………………10
2.4驱动及显示电路…………………………………………………………11
2.5单片机下载口电路………………………………………………………12
3数字秒表的硬件系统设计图……………………………………………………13
3.1电路原理图………………………………………………………………13
3.2PCB图……………………………………………………………………13
4数字式秒表软件系统的设计……………………………………………………14
4.1数字式秒表使用单片机资源情况………………………………………14
4.2主程序流程图……………………………………………………………14
4.3中断服务程序流程图……………………………………………………15
4.4显示程序流程图…………………………………………………………16
4.5软件系统程序清单………………………………………………………17
5设计总结…………………………………………………………………………22
5.1数字式秒表的设计结论及使用说明……………………………………22
5.2调试软件介绍……………………………………………………………22
5.3误差分析及解决方法……………………………………………………23
结束语.……………………………………………………………………………24
致谢…………………………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………………………26
附录…………………………………………………………………………………27
1设计目的与要求
1.1设计目的
使用单片机AT89S52作为主要控制芯片，以四位一体共阳极数码显示管通过三极管驱动作为显示部分，设计一个具有特定功能的数字式秒表。
1.2设计要求
数字式秒表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
该数字式秒表通过按键控制可实现开始计时、暂停计时、连续计时、清零和停止功能。
1.3工作原理说明
使用AT89S52单片机作为核心控制部件，采用12M晶体振荡器及微小电容构成振荡电路；采用S8550作为数码管的驱动部分；用两个四位一体共阳极或共阴极数码显示管作为显示部分，构成数字式秒表的主体结构，配合独立式键盘和复位电路完成此秒表的复位、计时、连续、清零、停止各项功能。
对于时钟，它有两方面的含义：
一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：
一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法。
LED数码显示器有如下两种连接方法：
共阳极接法：
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。
共阴极接法：
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。
每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。
键盘部分方案：
键盘控制采用独立式按键，每个按键的一端均接地，另一端直接和P1口相连，在按键和P1口之间通过10K电阻与+5V电源相连。
键盘通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断哪个键被按下了，这种方法操作速度高而且软件结构很简单，比较适合按键较少或操作速度较高的场合，这种独立式接口的应用很普遍。
显示部分方案：
显示部分采用动态显示。
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
动态显示是利用人眼视觉暂留特性来实现显示的。
事实上，显示器上任何时刻只有一个数码管有显示。
由于各数码管轮流显示的时间间隔短、节奏快，人的眼睛反应不过来，因此看到的是连续显示的现象。
为防止闪烁延时的时间在1ms左右，不能太长，也不能太短。
本设计可采用P0口直接驱动八段数码管显示。
此方案成本低，而且单片机的I/O口占用较少，可以节约单片机接口资源，而且功耗更低。
此电路采用单片机的P0口作为数码显示管的段控，采用P2口作为数码管的位控。
8个独立式键盘分别接在单片机的P1口上，以及其他部分构成数字式秒表的硬件电路。
通过编写程序使用单片机的定时计数器，以及软件延时，中断资源来实现秒计时和相关控制。
此数字式秒表的硬件整体结构如图1所示。
图1
2数字式秒表电路的设计
2.1时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
在AT89S52芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚TXAL2，在芯片的外部通过这两个引角跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。
此电路采用12MHz的石英晶体。
时钟电路如图2：
图2时钟电路
2.2键盘电路
本设计使用独立式键盘接在单片机的P1口上但通过软件赋予其中三个按键功能，其中S2是计时开始按键，第二功能为停止，S3为计时暂停按键，第二功能为继续计时按键，S4是清零按键。
注意使用时只有在暂停状态下才能继续计时，只有在停止状态下才能清零，在停止时不能继续计时，在暂停时不能清零。
键盘电路如图3：
图3独立式键盘电路图
2.3复位电路
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。
RST引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。
在本设计中采用了按键电平复位方式，其复位电路如图4所示：
图4复位电路
2.4驱动及显示电路
数码管实际上是由二极管构成发光二级管正常工作时，其两端正向压降约为1.6v，正向电流约为10mA，为了使数码管达到一定的亮度而又不至于由于电流过大而损坏，我们使用三极管S8550作为数码管的驱动，同时在P0口和P2口上串上470欧姆的电阻。
此处使用四位一体共阴极数码管，由于驱动电路决定了此处共阴极数码管和共阳极数码管均可以采用而且均采用共阳极代码来编写显示程序，具体电路如图5所示：
图5数码管驱动及显示电路图
2.5单片机下载口电路
下载口主要是一个十芯的座子，可以通过使用USB下载线对单片机进行程序下载。
方便整个软件的设计，也能让我们使用起来更加方便。
图6单片机下载口电路图
3数字秒表的硬件系统设计图
3.1电路原理图
此处电路原理图以及PCB原理图的绘制均使用protel99软件完成，Protel99是基于Win95/WinNT/Win98/Win2000的纯32位电路设计制版系统。
Protel99提供了一个集成的设计环境，包括了原理图设计和PCB布线工具，集成的设计文档管理，支持通过网络进行工作组协同设计功能。
根据硬件接线要求设计绘制电路原理图，详见附录1。
3.2PCB图
PCB图设计时，首先要使元器件尽量少，这样既可以节约材料，又可以是布线更加短，减少干扰，同时还应注意尽量减少线路之间的寄生电容和电感，
布线时需要将线宽设置得比较宽这样可以提高腐蚀电路板时的成功率，焊盘大小也要设置的比较大，这样在腐蚀环节和焊接环节比较容易成功。
不易出现短线的现象和焊盘剥离的现象。
双面布线时芯片和针脚多的元件需将焊接点置于底层，这样才能比较方便的焊接。
制作电路板PCB见附录2。
4数字式秒表软件系统的设计
4.1数字式秒表使用单片机资源情况
本次电子钟设计除了了使用单片机工作所必须的硬件资源（如连接晶振的引脚XTAL1和XTAL2，复位引脚RESET）外，对单片机的硬件资源还做了具体的安排。
（1）.P0口：
P0.0-P0.7作为数码管显示器的段控。
（2）.P1口：
P1.0-P1.3作为独立式键盘的输入端。
（3）.P2口：
P2.0-P2.7分别控制数码管LED0-LED7的位控码驱动。
（4）.定时/计数器：
使用定时器0工作方式2实现数字式计数器的运行。
（5）.专用寄存器：
定时器控制寄存器TCON，通过设置该寄存器TR0位的状态来控制定时/计数器0的启动/停止；中断允许寄存器IE，通过设置该寄存器EA/ET0位的状态来设置定时/计数器0中断允许/禁止；定时/计数器工作方式寄存器TMOD，设置定时/计数器0的工作方式。
4.2主程序流程图
图7主程序流程图
4.3中断服务程序流程图
图8中断服务程序流程图
4.4显示程序流程图
图9显示程序流程图
4.5软件系统程序清单
按照流程图应用软件keil汇编语言编程实现秒表功能。
程序如下：
ORG0000H
START:
LJMPMAIN
ORG000BH
LJMPPDJW
；****************************************************************；
；系统监控程序区
ORG0030H
MAIN:
MOVPSW,#00H
MOVSP,#7FH；确立堆栈区
MOVR0,#20H；RAM区首地址
MOVR7,#96；RAM区单元个数
MOVTMOD,#01H
SETBEA
SETBET0
ML:
MOV@R0,#00H
INCR0
DJNZR7,ML
TSF:
MOVDPTR,#DISBH；系统初始化后提示符“P.”字符代码表首地址
MOVR5,#08H
MOVR0,#78H
DISPTSF:
CLRA
MOVCA,@A+DPTR
MOV@R0,A
INCR0
INCDPTR
DJNZR5,DISPTSF
KEY0:
LCALLDISP
LCALLKEY
JB20H.0,K1
JB20H.1,K2
JB20H.2,K3
LJMPKEY0
KEY00:
LCALLKEY
LCALLDISP
JB20H.2,K3
LJMPKEY00
K1:
JB22H.1,KEY0；如果此时为暂停状态，本次按键K1无效
CPL22H.0
JB22H.0,K01；高电平则计时
CLRTR0；低电平则停止
LCALLDISP
LJMPKEY00
K01:
MOV7AH,#12H；从零开始计时
MOV7DH,#12H
MOV7FH,#10H
MOV78H,#00H
MOV79H,#00H
MOV7BH,#00H
MOV7CH,#00H
MOV7EH,#00H
MOV7FH,#00H
LCALLDISP
MOVTH0,#0D8H
MOVTL0,#0F0H
SETBTR0；启动定时器
LJMPKEY0
K2:
JB22H.0,K21；判断秒表是否启动，如不是启动状态则此次按键无效
LJMPKEY0
K21:
CPL22H.1
JB22H.1,K22
SETBTR0；继续计时
LJMPKEY0
K22:
CLRTR0；暂停秒表
LCALLDISP
LJMPKEY0
K3:
JB22H.0,KEY0；只有当停止是，清零键才有效
MOVR0,#79H；秒表清零
LCALLCLR00
MOVR0,#7CH
LCALLCLR00
MOVR0,#7FH
LCALLCLR00
LJMPKEY0
PDJW:
PUSHPSW
PUSHACC
MOVTMOD,#01H；定时器以工作方式1工作
SETBRS1；设定组号为2组
CLRRS0
MOVTH0,#0D8H
MOVTL0,#0F0H
MOVR0,#79H
LCALLADD01
CJNER2,#99,R
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