基于單片機的秒表系統設計PAGE-題目名稱：基于單片機的秒表系統設計課程名稱：MCS-51單片機原理及其應用目錄目錄摘要Abstract第一章課題內容要求及目的1.1課題內容1.2課題目的1.3課題要求第二章硬件電路設計2.1STC89C52單片機簡介2.2單片機最小系統的設計2.3直流穩壓電源的設計2.4硬件主電路圖設計2.5數碼管顯示電路2.6聲電路第三章軟件設計3.1程序設計基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第1頁。3.2源程序基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第1頁。第四章系統調試第五章簡單演示秒表功能第六章心得體會參考文獻摘要近年來隨著科技的飛速發展，單片機的應用正在不斷地走向深入，本文闡述了基于單片機的電子秒表系統的設計，本設計的主要特點是設計精度達到0.1s，解決了傳統的由于計算精度不夠而引起的誤差和不公平性，是各種體育競賽的必備設備之一。本設計是基于STC89C52單片機設計的，我們是分為幾個模塊來設計的。首先對秒表的硬件進行了設計，它包括單片機最小系統的設計、時鐘電路設計、復位電路設計、直流穩壓電源的設計、外部顯示電路的設計等。利用89C51單片機定時器/計數器定時和計數的原理結合顯示電路、LED數碼管以及外部中斷電路來設計計時器。計時精度為0.1s。其次是軟件設計，軟件系統采用匯編語言編寫程序，包括顯示程序、定時中斷服務、外部中斷服務程序、延時程序等。最后通過仿真調試，在proteus環境下建立了仿真模型，仿真結果表明設計是正確的。關鍵字：單片；秒表；定時器AbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofSCMiscontinuouslytothedeepening,thispaperexpoundstheelectronicstopwatchsystembasedonsinglechipdesign,thedesignofthemaincharacteristicisadesignaccuracy0.1s,solvethetraditionalduetolackofprecisionandtheerrorcausedbyinequality,itisallsortsofsportscompetitionforoneoftheequipment.基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第2頁。ThedesignisbasedonSTC89C52microcontroller,wearedividedintoseveralmodulestodesign.Firstofthehardwaretoastopwatchdesign,itincludessinglechipminimizethedesignofthesystem,theclockcircuitdesign,resetcircuitdesign,dcvoltagestabilizerdesign,externaldisplaycircuitdesign,etc.Useof89C51microcontrollertimer/countertimingandcountwiththeprinciplethatcircuit,LEDdigitaltube,andexternalinterruption,circuittodesignthetimer.Timeprecisionof0.1s.Nextisthesoftwaredesign,softwaresystemUSESassemblylanguageprogram,includingshowprogram,timeinterruptservice,externalinterruptserviceroutine,delayprocedures,etc.Finally,thesimulationresultsdebugging,proteusenvironmentinestablishedsimulationmodel,andthesimulationresultsshowthatthedesigniscorrect.基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第2頁。Keyword:singlechipmicrocomputer；astopwatch；timer第一章課題內容要求及目的1.1課題內容設計由直流穩壓電路、紅外接收電路、單片機最小系統、聲光模塊、數碼管顯示電路構成秒表計時系統。紅外接收電路用來接收遙控器輸出的紅外控制信息，讓使用者可以方便的控制程序的運行狀態。單片機是整個系統的核心，用以分配所以的任務。數碼管用于顯示實時的計數值，直流穩壓電路為整個系統提供穩定的電源。以常用的51單片機STC89C52為控制核心，結合外圍的顯示電路、紅外接收電路、穩壓電路、聲光電路以實現秒表系統的設計，該系統充分利用51單片機內部的定時器以及外部中斷資源，合理的設計了人機交互程序接口，方便使用者的操作。整個系統集成了精確計時、數值保存、數值回放等功能。同時鍛煉學生的動手能力及對單片機這一課程知識的深入了解與鞏固。1.2課題目的通過該課程設計，主要達到以下目的：①使學生增進對單片機系統的感性認識，加深對單片機理論方面的理解，為順利完成畢業設計打基礎。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第3頁。②使學生掌握對單片機的內部功能模塊的應用，如定時器/計數器、中斷、片內外存貯器、I/O口和串行口通訊等。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第3頁。③進一步深化和鞏固所學基礎理論、專業知識及實驗技能，提高學生的技術應用能力，使學生了解和掌握單片機應用系統的軟、硬件設計過程、方法及實現，為以后設計和實現單片機應用系統打下良好基礎。④進一步深化和鞏固所學基礎理論、專業知識及實驗技能，提高學生的技術應用能力，使學生了解和掌握單片機應用系統的軟、硬件設計過程、方法及實現，為以后設計和實現單片機應用系統打下良好基礎。⑤這一環節對掌握單片機技術在生產實踐中的應用，對后續專業課程的學習及對培養造就應用型、創造型的工程技術人才將起到較大的促進作用。⑥培養學生綜合運用所學專業知識分析問題和解決問題的能力。使學生在樹立正確的人生觀、養成嚴謹、踏實的工作作風等思想素質方面受到教育和培養。①鞏固和加深對單片機原理和接口技術知識的理解；②培養學生根據課題需要選學參考書籍、查閱手冊和文獻資料的能力；③學會方案論證的比較方法，拓寬知識，初步掌握工程設計的基本方法；④掌握常用儀器、儀表的正確使用方法，學會軟、硬件的設計和調試方法。⑤了解與課題有關的硬件元器件的工程規范，能按課程設計任務書的要求編寫課程設計說明書，能正確反映設計和實驗成果，能用計算機繪制電路圖和流程圖。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第4頁。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第4頁。第二章硬件電路設計2.1AT89C51單片機簡介AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第5頁。圖2.1基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第5頁。1、主要特性：

·與MCS-51兼容

·4K字節可編程閃爍存儲器

壽命：1000寫/擦循環

數據保留時間：10年

·全靜態工作：0Hz-24Hz

·三級程序存儲器鎖定

·128*8位內部RAM

·32可編程I/O線

·兩個16位定時器/計數器

·5個中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內振蕩器和時鐘電路基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第6頁。2、管腳說明：

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。

P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第6頁。管腳備選功能

P3.0RXD（串行輸入口）

P3.1TXD（串行輸出口）

P3.2/INT0（外部中斷0）

P3.3/INT1（外部中斷1）

P3.4T0（記時器0外部輸入）

P3.5T1（記時器1外部輸入）

P3.6/WR（外部數據存儲器寫選通）

P3.7/RD（外部數據存儲器讀選通）

P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。

RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。

/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。

/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3、振蕩器特性

XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第7頁。4、芯片擦除：

整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。

此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第7頁。2.2單片機最小系統的設計本設計中是以計時為主要目的，附加紅外控制程序，這些功能的實現完全可以選用一個簡單的8位的單片機來承擔。目前深受廣大大學生喜歡的8位單片機有AT89S51、AT89C52、STM8、STC89C52等，相對價格與熟悉程度來講，STC89C52單片機是一個性價比較高的8位單片機，其資料與學習資源相對比較多，計數較成熟，所以我們在做的時候選用選用STC89C52單片機作為本設計的主控芯片。STC89C52單片機要正常運行起來必須具備以下幾點：一、穩定的+5V電源供電系統二、有合適的外部起振源，復位電路，串口通信電路為了使系統在較長的時間內能夠保證比較好的穩定性，最小系統采用PCB板代替導線焊接。其最小系統原理圖如下：基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第8頁。圖表2STC89C52引腳圖基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第8頁。圖2.2圖2.3RC復位以及手動復位電路基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第9頁。該單片機有一個復位引腳，當有2個周期的高電平信號加載在該引腳上時，系統將會復位到初始狀態。RC復位電路的作用是在系統上電的時候，通過RC電路的充放電，給單片機一個復位信號，開始運行預定的程序。另外通過結合手動復位電路，可以在程序跑飛或者系統死機的情況下讓系統快速的恢復到正常的工作狀態。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第9頁。圖2.4串口通信電路一條信息的各位數據被逐為按順序串口通信電路的主要作用是使單片機與PC機能夠進行數據交換，通過該電路可以將在計算機上編寫好的程序燒錄到下位機中。另外，在程序的調試過程中，單片機也可以通過該電路將數據發送到上位機的調試軟件中，檢查數據的正確性。圖2.5時鐘輸入基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第10頁。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第10頁。2.3直流穩壓電源的設計穩壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩定，不隨交流電網電壓和負載的變化而變化。常用的集成穩壓器有固定式三端穩壓器與可調式三端穩壓器。常用可調式正壓集成穩壓器有CW317（LM317）系列，它們的輸出電壓從1.25V－37伏可調，最簡的電路外接元件只需一個固定電阻和一只電位器。其芯片內有過渡、過熱和安全工作區保護，最大輸出電流為1.5A。所有器件采用單一電源，這樣供電比較簡單。但是也有較大的缺點：當系統中存在大功率器件，可能會使控制系統中的電流波動較大，造成電壓不穩、有毛刺等干擾，嚴重時可能造成單片機系統掉電。考慮到本系統中并不存在大功率器件，所用采用單一電源供電，由三端穩壓芯片LM2940將電池電壓轉換成+5V電源。圖2.6+5V直流穩壓穩壓2.4硬件主電路圖設計秒表系統用的是AT89C51芯片，能夠實現計時功能，SW1是啟動按鍵，接單片機P1.0端口；SW2是暫停按鍵，接單片機P1.1端口。P1.0和P1.1都是低電平有效。SW3是清零按鍵，當按下SW1后，秒表開始計數，此時再按下SW2，可以停止計數，再按下SW1又可以在原來的基礎上繼續計數，當按下SW3，則秒表將恢復初始化。P0.0到P0.7接數碼管，數碼管共陰極，P2.0到P2.3接各自數碼管的公共端。用pretues畫出其硬件主電路圖如下：基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第11頁。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第11頁。圖2.72.5數碼管顯示電路在自動化系統逐步普及的前提下，人機交互模塊顯得越來越重要，特別是對于實時控制電路的精確顯示要求越來越高，而且要顯示明顯，一目了然。本系統中，利用6位共陰極數碼管，動態地顯示當前計數時間。動態顯示就是讓各位顯示元件分時工作，利用動態顯示法可以降低系統功耗，減少成本。但是單片機需要不斷的刷新數據，這樣才能保證數碼管的準確顯示。若刷新的速度太高，顯示元件的開關速度卻不夠高，以致在前一個字符尚未完全熄滅的情況下，后續的字符段就點亮。刷新的速度太慢時，將發生閃爍。因此刷新頻率不要低于100HZ，肉眼觀察到的數碼的顯示情況將是連續的。對數碼管的控制，分為位的控制和段的控制，位控制決定數碼管是否被點亮，段控制則決定了數碼管顯示的內容，由于單片機輸出信號的功率有限，不能驅動數碼管，所以選用8550PNP三極管，控制數碼管的位選。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第12頁。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第12頁。圖2.82.6聲電路聲模塊主要由三極管和蜂鳴器組成，這個模塊的主要功能是給予使用者一個醒目的反饋。當使用者完成任務的設置或者某個任務被完成時，微處理器會通過聲模塊鳴叫給予使用者一個反饋。考慮到單片機的驅動電流過小，難以驅動蜂鳴器，所以我們采用PNP的三極管作為控制開關，當單片機給出高電平時，三極管則導通，為蜂鳴器提供了一個閉合回路，使得蜂鳴器能夠正常工作。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第13頁。圖2.9基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第13頁。第三章軟件設計3.1程序設計程序在上電之后，需要等待使用者對其參數進行設置，設置好參數之后，便可以開始工作，在工作過程中，可以保存需要的數據。3.2部分源程序顯示以及譯碼程序如下：#include"reg52.h"#include"Dis.h"#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharuintCounter1;uintCounter2;bitflag;voidinit_ET0() //初始化函數{ flag=0; //每一秒鐘是否發聲的標志位 Counter1=0;//定器計數值 Counter2=0;//定時器計數值 TMOD=0X01;//設置定時器0工作方式1 EA=1; //開總中斷 ET0=1; //開定時器0中斷 TH0=-(10000/256); //給TH0賦初始值,每10ms中斷一次 TL0=-(10000%256); //給TL0賦初始值}voidmain(void){ //主函數體 init_ET0(); //調用初始化函數基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第14頁。 while(1)基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第14頁。 { Key_Ser(); display(0,Counter2);//動態顯示時間 } }voidtimer0()interrupt1{ Counter1++; //每10ms中斷一次Counter1計數 TH0=(65536-10000)/256//重新賦初值,高位 TL0=(65536-10000)%256; if(Counter1==10) //Counter為10時（即每計0.1S）Counter2計數一次 { Counter2++; //100ms的個數自加1 Counter1=0; //Counter1重新初始化 } if(((Counter2%10)==0)&&(Counter1==0))//恰好每次到1S時根據標志位決定是否聲音提示 { if(flag==1) { Hander();//調用聲音提示 } }} #include"reg52.h"#include"dis.h"#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharuintSeg_num[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//數碼管不帶小數點譯碼 uintSeg_numm[10]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef}; //數碼管帶小數點譯碼ucharSeg_con[6]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf}; //數碼管位選控制 sbitbeep=P3^0; //定義蜂鳴器口基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第15頁。voiddelay_led()基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第15頁。{ uinti=800; while(i--); /i大于0時等待}voiddelay(){ uchari; for(i=0;i<30;i++) //for循環等待 {} ;} voidHander(){ uchari; for(i=0;i<15;i++) { beep=0; //低電平導通 delay(); //延時一段時間 beep=1; //關閉蜂鳴器 delay(); }} voiddisplay(uchari,uintj) { P2=Seg_con[i]; //P2先打開第一個數碼管的位選01111111 P0=Seg_numm[j/10/60/60];//P0給第一個數碼管送數據 delay_led(); //顯示延時 P0=0xff; //P0口全部置高，防止在打開第二個數碼管時顯示的數字錯誤 P2=Seg_con[i+1]; //P2先打開第二個數碼管的位選10111111 P0=Seg_num[j/10/60%60/10];//P0給第二個數碼管送數據 delay_led(); //顯示延時// P0=0xff; //P0口全部置高 P2=Seg_con[i+2]; //P2先打開第三個數碼管的位選11011111 P0=Seg_numm[j/10/60%60%10]; //P0給第三個數碼管送數據基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第16頁。 delay_led(); //顯示延時基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第16頁。// P0=0xff; //P0口全部置高 P2=Seg_con[i+3]; //P2先打開第四個數碼管的位選11101111 P0=Seg_num[j/10%60/10]; //P0給第四個數碼管送數據 delay_led(); //顯示延時// P0=0xff; //P0口全部置高 P2=Seg_con[i+4]; //P2先打開第五個數碼管的位選11110111 P0=Seg_numm[j/10%60%10]; //P0給第五個數碼管送數據 delay_led(); //顯示延時 P0=0xff; //P0口全部置高 P2=Seg_con[i+5]; //P2先打開第六個數碼管的位選11111011 P0=Seg_num[j%10]; //P0給第六個數碼管送數據 delay_led(); //顯示延時}voidKey_Ser(){ charKey_num; Key_num=P1; if((Key_num&0x0f)!=0x0f) { delay(); if((Key_num&0x0f)!=0x0f) { Key_num=Key_num&0x0f; switch(Key_num) { case0x0e:TR0=1;break; //定時器0工作，開始 case0x0d:TR0=0;break; //定時器0不工作，暫停 case0x0b:Counter2=0;break;//清零 case0x07:flag=~flag;break;//每到一秒鐘有聲音提醒功能 default:break; } } }基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第17頁。}基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第17頁。#ifndefDis_H#defineDis_H#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharexternunsignedintCounter2;externbitflag;voiddisplay(uchari,uintj);voidHander();voiddelay();voidKey_Ser();#endif基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第18頁。基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第18頁。第四章系統調試系統電路搭建完畢后，進行相應的調試，最大化的提高電路的整體性能，針對調試過程中出現的問題，也會做出相應的解釋。在調試初期，發現數碼管的顯示存在一定的問題，即在動態掃描的過程中，數碼管顯示的數據會出現閃爍的情況，在對源程序進行仔細的檢查之后，發現了問題的所在，問題在于程序先給出了數碼管的位選信號，然后給出段選信號，所以會出現第一個的數據顯示在第二個數碼管上的情況，為了改善這一問題，在單片機給出片選信號之前，先將數碼管的數據段全部拉高，這樣就可以避免顯示模糊的問題。調整之后的效果如下：圖4.1動態譯碼顯示為了讓系統的功能更加完善，在基本功能完成的情況下，加入了數據保存功能，即在計時的過程中，通過遙控器保存需要的數值。最典型的應用就是在多人賽跑時，可以對每個人的成績進行測量和保存。其功能描述如下：在計時過程中，可以通過RPT鍵保存當前的計數值，在程序中預定了一個30個字節的數組，用來保存計數值。計數完畢之后，可以通過PAULSE鍵回放保存的數值。如圖所示：基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第19頁。圖4.2保存值1基于單片機的秒表系統設計全文共25頁，當前為第19頁。圖4.3保存值2圖4.4保存值3圖4.5保存值4本系統在經過不斷的調試之后，初步具備了以下功能：紅外解碼、數