單片機(jī)課程設(shè)計數(shù)字式秒表

1、湖南工學(xué)院單片機(jī)課程設(shè)說明書數(shù)字式秒表 學(xué)生姓名： 劉波 系 部： 電氣與信息工程系 指導(dǎo)教師： 凌 云 專 業(yè)： 自 動 化 班 級： 自本1001班 完成時間： 2012年12月18號 目錄第1章 數(shù)字式秒表的設(shè)計介紹11.1設(shè)計任務(wù)及功能要求11.2數(shù)字式秒表的方案介紹及工作原理說明1第二章 數(shù)字式秒表硬件系統(tǒng)的設(shè)計32.1 AT89S52芯片的介紹32.2 時鐘電路的介紹42.3 復(fù)位電路的介紹52.4 鍵盤電路的介紹62.5 驅(qū)動及顯示電路的介紹72.6 單片機(jī)下載口電路7第三章 數(shù)字式秒表軟件系統(tǒng)的設(shè)計83.1 數(shù)字式秒表使用單片機(jī)資源情況83.2 主程序流程圖93.3 秒表的工作

2、流程圖103.4 顯示程序流程圖113.5 按鍵掃描流程圖123.6軟件系統(tǒng)程序清單13第4章 設(shè)計結(jié)果及誤差分析134.1 數(shù)字式秒表的設(shè)計結(jié)論及使用說明144.2 調(diào)試軟件介紹144.3 程序仿真與結(jié)果154.4 KEIL uVision3簡介174.5 proteus的簡介174.5 誤差分析及解決方法18第五章 數(shù)字式秒表的設(shè)計體會及課程教學(xué)建議195.1 秒表的課程設(shè)計體會195.2 課程教學(xué)建議19參考文獻(xiàn)21附錄A 原理圖22附錄B PCB圖、布局圖、實物圖23附錄C 程序26附錄 D 元器件清單28第1章 數(shù)字式秒表的設(shè)計介紹1.1設(shè)計任務(wù)及功能要求 由單片機(jī)接收小鍵盤控制遞增

3、計時，由LED 顯示模塊計時時間，顯示格式為00-59（分）00-59（秒）.00-99(毫秒)，精確到0.01s的整數(shù)倍。繪制系統(tǒng)硬件接線圖，并進(jìn)行系統(tǒng)仿真和實驗。畫出程序流程圖并編寫程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能。 使用單片機(jī)AT89S52作為主要控制芯片，以四位一體共陽極數(shù)碼顯示管通過三極管驅(qū)動作為顯示部分，設(shè)計一個具有特定功能的數(shù)字式秒表。該數(shù)字式秒表上電或按鍵復(fù)位后能自動顯示系統(tǒng)提示符“P.”，進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。該數(shù)字式秒表通過按鍵控制可實現(xiàn)開始計時、暫停計時、連續(xù)計時、清零和停止功能。1.2數(shù)字式秒表的方案介紹及工作原理說明 使用AT89S52單片機(jī)作為核心控制部件，采用12M晶體振蕩器及微小電

4、容構(gòu)成振蕩電路；采用S8550作為數(shù)碼管的驅(qū)動部分；用兩個四位一體共陽極或共陰極數(shù)碼顯示管作為顯示部分，構(gòu)成數(shù)字式秒表的主體結(jié)構(gòu)，配合獨立式鍵盤和復(fù)位電路完成此秒表的復(fù)位、計時、連續(xù)、清零、停止各項功能。 鍵盤部分方案：鍵盤控制采用獨立式按鍵，每個按鍵的一端均接地，另一端直接和P1口相連，在按鍵和P1口之間通過10K電阻與+5V電源相連。鍵盤通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易地判斷哪個鍵被按下了，這種方法操作速度高而且軟件結(jié)構(gòu)很簡單，比較適合按鍵較少或操作速度較高的場合，這種獨立式接口的應(yīng)用很普遍。 顯示部分方案：顯示部分采用動態(tài)顯示。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之

5、一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。事實上，顯示器上任何時刻只有一個數(shù)碼管有顯示。由于各數(shù)碼管輪流顯示的時間間隔短、節(jié)奏快，人的眼睛反應(yīng)不過

6、來，因此看到的是連續(xù)顯示的現(xiàn)象。為防止閃爍延時的時間在1ms左右，不能太長，也不能太短。本設(shè)計可采用P0口直接驅(qū)動八段數(shù)碼管顯示。此電路采用單片機(jī)的P0口作為數(shù)碼顯示管的段控，采用P2口作為數(shù)碼管的位控。8個獨立式鍵盤分別接在單片機(jī)的P1口上，以及其他部分構(gòu)成數(shù)字式秒表的硬件電路。通過編寫程序使用單片機(jī)的定時計數(shù)器，以及軟件延時，中斷資源來實現(xiàn)秒計時和相關(guān)控制。此數(shù)字式秒表的硬件整體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。 圖1-1 數(shù)字秒表硬件電路基本原理圖第二章 數(shù)字式秒表硬件系統(tǒng)的設(shè)計2.1 AT89S52芯片的介紹(1) 與MCS-51產(chǎn)品相兼容；(2) 具有8KB可改寫的Flash 內(nèi)部程序存儲器，可寫

7、/擦1000次；(3)256字節(jié)內(nèi)部RAM；(4) 32根可編程I/O口；(5) 3個16位定時器/計數(shù)器。 (6) 8個中斷源；(7) 可編程中串行口；(8) 低功耗空閑和掉電方式。它的價格便宜，功能強(qiáng)大，能耗低。很大程度上減少總電路的復(fù)雜性，提高了所設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其芯片引腳圖如圖2-1所示。圖2-1 單片機(jī)引腳圖2.2 時鐘電路的介紹 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號，單片機(jī)本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路。輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳TXAL2，在芯片的外部通過這兩個引角跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 此電路采用12MHz的

8、石英晶體。時鐘電路如圖2-2所示。圖2-2 時鐘電路2.3 復(fù)位電路的介紹復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤是系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新啟動。RST引腳是單片機(jī)復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩周期（即2個機(jī)器周期）以上，若使用頻率為6MHz的晶振，則復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)超過4us才能完成復(fù)位操作。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)

9、位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)的。在本設(shè)計中采用了按鍵電平復(fù)位方式，其復(fù)位電路如圖2-3所示： 圖2-3 復(fù)位電路2.4 鍵盤電路的介紹本設(shè)計使用獨立式鍵盤接在單片機(jī)的P1口上但通過軟件賦予其中三個按鍵功能，其中S2是計時開始按鍵，S3為停止按鍵，S4為計時暫停按鍵，S5為繼續(xù)計時按鍵，S6是清零按鍵。注意使用時只有在暫停狀態(tài)下才能繼續(xù)計時，只有在停止?fàn)顟B(tài)下才能清零，在停止時不能繼續(xù)計時，在暫停時不能清零。鍵盤電路如圖2-4所示：圖2-4 鍵盤電路2.5 驅(qū)動及顯示電路的介紹數(shù)碼管實際上是由二極管構(gòu)成發(fā)光二級管正常工作時，其兩端正向壓降約為1.6v，正向電流約為10mA，為了使數(shù)碼管達(dá)到一定

10、的亮度而又不至于由于電流過大而損壞，我們使用三極管S8550作為數(shù)碼管的驅(qū)動，同時在P0口和P2口上串上470歐姆的電阻。此處使用四位一體共陰極數(shù)碼管，由于驅(qū)動電路決定了此處共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管均可以采用而且均采用共陽極代碼來編寫顯示程序，具體電路如圖2-5所示。圖2-5 數(shù)碼管驅(qū)動及顯示電路圖2.6 單片機(jī)下載口電路下載口主要是一個十芯的座子，如圖2-6所示?？梢酝ㄟ^使用USB下載線對單片機(jī)進(jìn)行程序下載。方便整個軟件的設(shè)計，也能讓我們使用起來更加方便。 圖2-6 單片機(jī)下載口電路圖第三章 數(shù)字式秒表軟件系統(tǒng)的設(shè)計3.1 數(shù)字式秒表使用單片機(jī)資源情況 本次電子鐘設(shè)計除了了使用單片機(jī)工作所

11、必須的硬件資源（如連接晶振的引腳XTAL1和XTAL2，復(fù)位引腳RESET）外，對單片機(jī)的硬件資源還做了具體的安排。P0口：作為數(shù)碼管顯示器的段控。P1口：P1.0、P1.2、P1.3、P1.4(由于自己的P1.1口所接的按鍵不怎么靈敏所以不用P1.1口)作為獨立式鍵盤的輸入端。P2口：分別控制數(shù)碼管LED0-LED7的位控碼驅(qū)動。3.2 主程序流程圖 圖3-2 主程序的流程圖3.3 秒表的工作流程圖圖3-3 秒表工作的流程圖3.4 顯示程序流程圖開始現(xiàn)場保護(hù)寄存器初始化顯示代碼查表送段控代碼送位控代碼延時1ms送段控代碼位控代碼左移左移8次？恢復(fù)現(xiàn)場返回NY 圖3-4 顯示程序流程圖3.5

12、按鍵掃描流程圖 3-5 按鍵掃描流程圖3.6軟件系統(tǒng)程序清單按照流程圖應(yīng)用軟件keil，使用C語言編程實現(xiàn)秒表功能。程序見附錄C。第4章 設(shè)計結(jié)果及誤差分析4.1 數(shù)字式秒表的設(shè)計結(jié)論及使用說明通過設(shè)計和調(diào)試，數(shù)字式秒表能順利完成各項功能。上電或復(fù)位后顯示“P.”提示符，此時按key1鍵便可開始計時。在計數(shù)狀態(tài)下，按下key2鍵即可實現(xiàn)暫停，再次按下key3鍵即可實現(xiàn)繼續(xù)計數(shù)，在計數(shù)狀態(tài)下按下key5鍵，實現(xiàn)計數(shù)停止，在停止?fàn)顟B(tài)下按下key4鍵，便可實現(xiàn)計數(shù)清零。4.2 調(diào)試軟件介紹本電子鐘的設(shè)計用的pretues仿真軟件設(shè)計電路并仿真。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPI

13、CE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)

14、中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。因為pretues仿真軟件中所有的情況都是在理想想的條件下，但是與實際電路的工作還是有很大的差別，所以我們必需考慮到實際情況應(yīng)接入驅(qū)動限流等電路它才能被實際所應(yīng)用。4.3 程序仿真與結(jié)果我們是在Keil軟件里編寫程序并編譯通過才能被硬件電路所應(yīng)用。Keil的功能比較強(qiáng)大但還是有一定的缺點。他編譯過程中他只能檢查出所編寫的語法錯誤，所以我們一步一步的去在硬件電路里仿真去達(dá)到我們所設(shè)計要求的功能。

15、經(jīng)仿真修改和完善均已達(dá)到設(shè)計要求顯示學(xué)號，電子鐘準(zhǔn)備狀態(tài)與電子鐘自動運行狀態(tài)的仿真如下圖所示。(1) . 學(xué)號顯示仿真如圖4-3-1所示。 4-3-1 秒表運行圖(2) 顯示系統(tǒng)提示符“P.”仿真如圖4-3-2所示。 圖4-3-2系統(tǒng)提示符“P.”的顯示圖（3） 秒表的運行狀態(tài)仿真如圖4-3-3所示。 圖4-3-3 秒表運行狀態(tài)圖 (4)秒表的清零仿真如圖4-3-4所示。 圖4-3-4 秒表的清零圖4.4 KEIL uVision3簡介KEIL C51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng)，使你可以更加貼近CPU

16、本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision3的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器，調(diào)試器。uVision3 IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。4.5 proteus的簡介Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AV

17、R系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能。支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil 3等軟件。具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。本章介紹Proteus ISIS軟件的工作環(huán)境和一些基本操作。圖4-5 protues ISIS集成環(huán)境 4.5 誤差分析及解決方法我們可以發(fā)現(xiàn)數(shù)字式秒表計數(shù)一段時間的我們的標(biāo)準(zhǔn)時間相比較出現(xiàn)了誤差，所設(shè)計的數(shù)字式秒表比我們的標(biāo)準(zhǔn)時間要慢，而且相比較的時間越長他的時差越大。經(jīng)過分其主要原因與硬件和軟件都有關(guān)。軟件原因：我們從外部中斷請求有效到轉(zhuǎn)向中斷區(qū)入口地址所需的機(jī)器周期數(shù)來計算中斷時間，51系列單

18、片機(jī)最短響應(yīng)時間為3個機(jī)器周期。在一般情況下中斷響應(yīng)時間通常無需考慮，但在精確定時的應(yīng)用場合需知道中斷響應(yīng)時間，以保證定時的精確控制。硬件原因：單片機(jī)的時鐘信號是由外部的振蕩電路所提供，在芯片的外部通過接XATL1與XATL2這兩個引角跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。因為電子原件不可以就有我們所設(shè)計的那么理想（電容的容量，振晶的輸出頻率）所以會造成我們的時間準(zhǔn)確。針對這樣的問題我們就能只能從上述兩個方面入手去解決。軟件方面我們可以通過計算設(shè)計子程序去減少響應(yīng)的時差。硬件部分我們可以采用一些穩(wěn)定，精確度比較高的電子元件去完善，但是在最后調(diào)試出的還是有誤差但我

19、盡可能的減少差誤差接近理想。第五章 數(shù)字式秒表的設(shè)計體會及課程教學(xué)建議5.1 秒表的課程設(shè)計體會 這次的秒表課程設(shè)計從制作硬件“最小系統(tǒng)板”到寫數(shù)字式秒表的程序調(diào)試到上板，可以說是苦多過甜??！首先，拿制作“最小系統(tǒng)板”來說吧！從剛開始用protel的畫原理圖到畫PCB圖每天瘋狂的看有關(guān)于protel的書籍那一個星期可以說是個瘋狂的星期， 每天一上課回來就是畫圖，PCB圖導(dǎo)入導(dǎo)的一遍又一遍，最后面到制作板子，打磨-印上板-去銅-焊元件。到最后竟然導(dǎo)入程序沒有顯示，蜂鳴器還一直嗡嗡作響，自己折磨了兩天還是沒出原因，最后面是去問了老師才把這個問題解決，原來是自己的封裝錯誤了，按鍵和單片機(jī)的P1口沒有

20、連接上，最后只能是從按鍵飛了八根口線到P1口，單片機(jī)最小系統(tǒng)板才能正常使用。 到寫秒表的程序，參考書籍選用最佳的設(shè)計方案，根據(jù)課程設(shè)計的要求一個模塊一個模塊的寫，雖然秒表的程序很簡單但是涉及到的內(nèi)容很多是一個很好的學(xué)習(xí)機(jī)會。通過這次單片機(jī)課程設(shè)計，讓我對整個單片機(jī)程序的設(shè)計，C51語言有了一個比較深的理解。還有就是增強(qiáng)了自身的動手能力，由原來的單純地書本學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向創(chuàng)新思考，把以前書本上講的或是沒有講的，通過一次課程設(shè)計具體的實施，很自己的團(tuán)隊合作精神真正得到鍛煉。例如：檢查和排除故障的能力。 本次課程設(shè)計，也培養(yǎng)了我們小組的合作精神，所謂團(tuán)結(jié)就是力量，就是一個再好不過的解釋。它不僅為我以后的課程

21、設(shè)計打下基礎(chǔ)，而且還培養(yǎng)了我們的合作精神和分析問題的能力。5.2 課程教學(xué)建議 在吳樂老師的嚴(yán)格要求與耐心指導(dǎo)下，經(jīng)過一個學(xué)期對單片機(jī)技術(shù)這門課程的學(xué)習(xí)，使我對單片機(jī)這一技術(shù)的應(yīng)用有了一定的了解，并對單片機(jī)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了濃厚的興趣。 通過這次數(shù)字式秒表的課程設(shè)計以及一個學(xué)期的聽課向吳樂老師的提出幾點教學(xué)意見：首先吳老師講課有時候太快了，跨度有點大沒有很好的連接前面的知識點最好是再上新課的開始時要復(fù)習(xí)一下上節(jié)課所講的內(nèi)容。其次吳老師可以多介紹些與單片機(jī)相關(guān)的資料書給學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生查閱資料書的能力；最后一點，吳老師不要上課要我們寫你臨時想到的問題感覺老師的思路也不是很清晰這樣我們聽了就更加蒙了。參考

22、文獻(xiàn)1李朝青.單片原理及接口技術(shù)（第3版）.北京：電子工業(yè)出版社.20102單片機(jī)實用教程. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.20003何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.19974馬忠梅.單片機(jī)的C語言Windows環(huán)境編程寶典M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.20035李光飛.單片機(jī)C程序設(shè)計指導(dǎo)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.20036李光飛.單片機(jī)課程設(shè)計實例指導(dǎo)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版.20047李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ)(第3版).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2011附錄A 原理圖 圖A-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖附錄B PCB圖、布局圖、實物圖 圖B-1 單

23、片機(jī)最小系統(tǒng)PCB圖圖B-2 元器件布局圖圖B-3 單片機(jī)最小系統(tǒng)實物圖附錄C 程序#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar i,j,k,l,n,m,o,p;uchar code=0xa4,0xc0,0x90,0xc0,0xb0,0xbf,0xf9,0x90; uchar dm1=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf;char weikong8=0x7f,

24、0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe ;void delay0(uint i) /延時1毫秒子程序 uchar j; /定義局部變量j while(i-) /每循環(huán)一次,變量減一,為零返回 for(j=0;j<123;j+); /循環(huán)123次 /* 清零操作函數(shù) */void q0() k=0; n=0; m=0; l=0; o=0; p=0; /* 顯示程序函數(shù) */void display() j=0xfe; P2=j; P0=dm1m; delay0(1); j=_crol_(j,1);P2=j; P0=dm1n; delay0(1); j=_crol_(j,1);P2=j; P0=dm110; delay0(1); j=_crol_(j,1);P2=j; P0=dm1k; delay0(1); j=_crol_(j,1); P2=j; P0=dm1l; delay0(1); j=_crol_(j,1);P2=j; P0=dm110; delay0(1)