单片机课程设计数字电子秒表.doc
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1、目录1 硬件设计.11.1 总体方案的设计11.2 单片机的选择31.3 显示电路的选择与设计51.4 按键电路的选择与设计81.5 时钟电路的选择与设计91.6 复位电路的选择与设计101.7 系统总电路的设计122 软件设计142.1 程序设计思想142.2 系统资源的分配142.3 主程序设计142.4 中断程序设计153 数字电子秒表的安装与调试183.1 软件的仿真与调试183.2 硬件的安装与调试19结 论26参考文献27附录A 电路系统总装图附录B 程序附录C 电路原理图1 硬件设计1.1 总体方案的设计数字电子秒表具有显示直观、读取方便、精度高等优点,在计时中广泛使用。本设计用
2、单片机组成数字电子秒表,力求结构简单、精度高为目标。设计中包括硬件电路的设计和系统程序的设计。其硬件电路主要有主控制器,计时与显示电路和回零、启动和停表电路等。主控制器采用单片机AT89C51,显示电路采用共阴极LED数码管显示计时时间。本设计利用AT89C51单片机的定时器/计数器定时和记数的原理,使其能精确计时。利用中断系统使其能实现开始暂停的功能。P0口输出段码数据,P2.2-P2.4口作列扫描输出,P1.1、P3.2、P3.3、P2.5口接四个按钮开关,分别实现开始、暂停、清零和查看上次计时时间功能。电路原理图设计最基本的要求是正确性,其次是布局合理,最后在正确性和布局合理的前提下力求
3、美观。硬件电路图按照图1.1进行设计。图1.1 数字秒表硬件电路基本原理图根据要求知道秒表设计主要实现的功能是计时和显示。因此设置了四个按键和五位数码管显示时间,三个按键分别是开始,停止、复位和查看上次计时时间按键。利用这四个键来实现秒表的全部功能,而三位数码管则能显示最多99.9秒的计时。本设计中,数码管显示的数据存放在内存单元79H7DH中。其中79H存放毫秒位数据,7AH存放十毫秒位数据,7BH存放百毫秒位数据,7CH存放秒位数据,7DH存放十秒位数据,每一地址单元内均为十进制BCD码。由于采用软件动态扫描实现数据显示功能,显示用十进制BCD码数据的对应段码存放在ROM表中。显示时,先取
4、出79H-7DH某一地址中的数据,然后查得对应的显示用段码,并从P0口输出,P2口将对应的数码管选中供电,就能显示该地址单元的数据值。最终缓存区则设置为59H-5DH,数据存放规则和79H-7DH一样。分别对应存放毫秒位至十秒位数据。与79H-7DH存储区不一样的是:59H-5DH存储的内容为数字秒表上一次计时显示的时间。而79H-7DH为当前计时时间存储区。计时采用定时器T0中断完成,定时溢出中断周期为1ms,当一处中断后向CPU发出溢出中断请求,每发出一次中断请求就对毫秒计数单元进行加一,达到10次就对十毫秒位进行加一,依次类推,直到99.9秒重新复位。 再看按键的处理。这四个键可以采用中
5、断的方法,也可以采用扫描的方法来识别。复位键和查看主要功能在于数值复位和查询上次计时时间,对于时间的要求不是很严格。而开始和停止键则是用于对时间的锁定,需要比较准确的控制。因此可以对复位和查看按键采取扫描的方式。而对开始和停止键采用外部中断的方式。设计中包括硬件电路的设计和系统程序的设计。其硬件电路主要有主控制器,显示电路和回零、启动、查看、停表电路等。主控制器采用单片机AT89C51,显示电路采用共阴极LED数码管显示计时时间,四个按键均采用触点式按键。1.2 单片机的选择本课题在选取单片机时,充分借鉴了许多成形产品使用单片机的经验,并根据自己的实际情况,选择了ATMEL公司的AT89C51
6、。ATMEL公司的89系列单片机以其卓越的性能、完善的兼容性、快捷便利的电擦写操作,低廉的价格、超强的加密功能,完全替代87C51/62和8751/52,低电压、低电源、低功耗,有DIP、PLCC、QFP封装,有民用型、工业级、汽车级、军品级等多种温度等级,是当今世界上性能最好、价格最低、最受欢迎的八位单片机3。AT89C51P为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR
7、的接收解码及与主板CPU通信等。单片机的外部结构AT89C51单片机采用40引脚的双列直插封装方式。图1.2为引脚排列图, 40条引脚说明如下:外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端,是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时,此引脚接地。 XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时,此引脚接外部振荡源。图1.2 单片机引脚图控制或与其它电源复用引脚RST/VPD,ALE/,和/Vpp RST/VPD 当振荡器运行时,在此引脚上出现两个机器周期的高电平(由低到高跳变),将使单片机复位在Vcc掉电期间,此引脚可接上备用电源
8、,由VPD向内部提供备用电源,以保持内部RAM中的数据。 ALE/正常操作时为ALE功能(允许地址锁存)提供把地址的低字节锁存到外部锁存器,ALE 引脚以不变的频率(振荡器频率的1/6)周期性地发出正脉冲信号。因此,它可用作对外输出的时钟,或用于定时目的。但要注意,每当访问外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲,ALE 端可以驱动(吸收或输出电流)八个LSTTL电路。对于EPROM型单片机,在EPROM编程期间,此引脚接收编程脉冲(功能) 外部程序存储器读选通信号输出端,在从外部程序存储取指令(或数据)期间,在每个机器周期内两次有效。同样可以驱动八LSTTL输入。 /Vpp、/Vpp为内部程序
9、存储器和外部程序存储器选择端。当/Vpp为高电平时,访问内部程序存储器,当/Vpp为低电平时,则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机,在EPROM编程期间,此引脚上加21伏EPROM编程电源(Vpp)。输入/输出引脚P0.0 - P0.7,P1.0 - P1.7,P2.0 - P2.7,P3.0 - P3.7。 P0口(P0.0 - P0.7)是一个8位漏极开路型双向I/O口,在访问外部存储器时,它是分时传送的低字节地址和数据总线,P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。 P1口(P1.0 - P1.7)是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LS
10、TTL负载。 P2口(P2.0 - P2.7)是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口,在访问外部存储器时,它输出高8位地址。P2口可以驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。 P3口(P3.0 - P3.7)是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载6。AT89C51具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89C51可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU
11、停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成2。(1) 运算器运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节(4位)、单字节等数据进行操作。例如能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑操作,操作结果的状态信息送至状态寄存器。89C52运算器还包含有一个布尔处理器,用来处理位操作。它是以进位标志位C为累加器的,可执行置位、复位、取反、等于1转移、等于0转移、等于1转移且
12、清0以及进位标志位与其他可寻址的位之间进行数据传送等位操作,也能使进位标志位与其他可移位寻址的位之间进行逻辑与、或操作5。(2) 程序计数器PC程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址,共16位,可对64K程序存储器直接寻址。执行指令时,PC内容的低8位经P0口输出,高8位经P2口输出。(3) 令寄存器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器,经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号,完成指令功能。本设计采用ATMEL的AT89C51微处理器,主要基于以下几个因素: AT89C51为51内核,仿真调试的软硬件资源丰富。 性价比高,货源充足。 功
13、耗低,功能强,灵活性高。 DIP40封装,体积小,便于产品小型化。 为EEPROM程序存储介质,1000次以上擦写周期,便于编程调试。 工作电压范围宽:2.7V6V,便于交直流供电。1.3 显示电路的选择与设计对于数字显示电路,通常采用液晶显示或数码管显示。对于一般的段式液晶屏,需要专门的驱动电路,而且液晶显示作为一种被动显示,可视性差,不适合远距离观看;对于具有驱动电路和单片机接口的液晶显示模块(字符或点阵),一般多采用并行接口,对单片机的接口要求较高,占用资源多;另外,AT89C51单片机本身无专门的液晶驱动接口。而数码管作为一种主动显示器件,具有亮度高、响应速度快、防潮防湿性能好、温度特
14、性极性、价格便宜、易于购买等优点,而且有远距离视觉效果,很适合夜间或是远距离操作。因此,本设计的显示电路采用7段数码管作为显示介质。数码管显示可以分为静态显示和动态显示两种。由于本设计需要采用五位数码管显示时间,如果静态显示则占用的口线多,硬件电路复杂。所以采用动态显示。图1.3 显示电路基本原理图动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管,这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常各位数码管的段选线相应并联在一起,由一个8位的I/O口控制;各位的公共阴极位选线由另外的I/O口线控制。动态方式显示时,各数码管分时轮流选通,要使其稳定显示必须采用扫描方式,即在某一时刻只选通一位数码管,并送出相应的段码
15、,在另一时刻选通另一位数码管,并送出相应的段码,依此规律循环,即可使各位数码管显示将要显示的字符,虽然这些字符是在不同的时刻分别显示,但由于人眼存在视觉暂留效应,只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。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1.4(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
16、。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1.4 (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09
17、的编码见表1.1。表1.1 共阴极数码显示管字型代码字型共阴极代码字型共阴极代码03FH56DH106H67DH25BH707H34FH87FH466H96FH动态显示电路由显示块、字形码驱动模块、字位驱动模块三部分组成。如图1.3所示为本系统的3位LED动态显示器接口电路。图中,3个数码管的8段段选线分别与外接上拉电阻的单片机P0口对应相连,而3个数码管的位控制端则和NPN型三极管的集电极相连接。单片机的P2.2P2.4口则分别对应数码显示管的最低位到最高位,P2.2P2.4口分别和 三个NPN型三极管的基极相连,做三极管导通的控制端,而NPN型三极管选用9013型三极管。根据9013的资料
18、显示:其耐压值为40V,最大功率为0.65W,最大电流为0.5A,电气性能完全满足本设计的要求。另外数码管显示是采用动态显示,所以对三极管的开关频率有一定的要求。根据电子秒表的设计计算可知动态显示的频率最高为3KHz,而9013的导通频率为150MHz,完全能满足本设计的要求,所以最终选取9013三极管最为位控制开关。由于数码管是有P0口来驱动,它内部没有上拉电阻,作为输出口时驱动能力比较弱,不能点亮数码显示管,因此P0口必须接上拉电阻来提高驱动能力。另外一位共阴数码管的驱动电流一般为20mA左右,如果电流太大容易造成数码管损坏,所以也需要根据电源的电压值来确定上拉电阻的大小。如果电阻过小,势
19、必会形成灌电流过大,造成单片机IO的损坏,如果电阻过大,那么对拉电流没有太大的影响。电源供电电压为5V,当上拉电阻选用220电阻时灌电流为22mA。不会损坏单片机的I/O口,同时也可以为数码显示管起到限制电流的保护作用。 1.4 按键电路的选择与设计本设计中有四个按键,分别实现开始、暂停、复位和查看功能。这三个键可以采用中断的方法,也可以采用查询的方法来识别。对于复位键和查看键,主要功能在于数值复位和对上次计时时间的查看,对于时间的要求不是很严格,而开始和暂停键主要用于时间的锁定,需要比较准确的控制。因此可以考虑,对复位键和查看键采用查询的方式,而对于开始和暂停键采用外部中断。四个按键均采用低
20、电平有效,具体电路连接图如图1.5所示。当按键没有按下时,单片机的I/O口直接连接电源,因此需要接上拉电阻来进行限流,本设计中选取阻值为2k 的电阻作为上拉电阻,根据计算可知此时的灌电流为2.5mA,查看AT89C51的资料得知次电流在安全范围内,符合安全设计要求。图1.5 按键电路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表1.2表1.2 P3口引脚第二功能表 P3口引脚特殊功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外部中断0请求输入端)P3.3INT1(外部中断1请求输入端)P3.4 T0(定时器/计数器0计数脉冲
21、输入端)P3.5 T1(定时器/计数器1计数脉冲输入端)P3.6WR(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)1.5 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,89C52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,89C52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
22、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1.4所示。只要按照图1.6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533pF。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8。图1.6 内部振荡电路1.
23、6 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AT89C51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1s,那么复
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