基于单片机的数字秒表方案设计书.docx

基于单片机的数字秒表方案设计书.docx

《基于单片机的数字秒表方案设计书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的数字秒表方案设计书.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的数字秒表方案设计书

基于单片机的数字秒表设计

学院、专业物理与电子信息学院

电子信息工程

研究方向单板微型计算机

学生姓名

学号***********

指导教师姓名

指导教师职称

2011年4月29日

基于单片机的数字秒表设计

摘要21世纪，单片机的发展非常的迅速。

单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。

它是一种集计数和多种接口于一体的微控制器，被广泛应用在智能产品和工业自动化上，而51单片机是个单片机中最为典型和最有代表性的一种。

本设计的数字电子秒表系统采用STC89C52单片机为中心器件，利用其定时器/计数器定时和记数的原理，结合显示电路、LED数码管以及独立键盘来设计秒表,将软、硬件有机地结合起来。

本设计的软件系统是用C语言编写的.包括一个定时器中断，4个独立键盘及软件消抖等。

最后做成一个具有打开、关闭、复位、记忆功能的数字秒表。

关键字单片机；数字电子秒表；仿真，STC89C52

DigitalstopwatchdesignbasedonSingle-ChipMicrocomputer

SchoolofPhysicsandElectronicInformationHuaibeiNormalUniversity235000

AbstractInthe21stcentury，thetechnologyofSCMdevelopsveryquickly.SCMwhichisamajorpieceofcomputercomponentsisintegratedintothechipmicro-computer.Itisamulti-interfaceandcountingonthemicro-controllerintegration,andintelligenceproductsarewidelyusedinindustrialautomation,andMCS-51microcontrollerisatypicalandrepresentative.ThisdesignofdigitalelectricstopwatchsystememploysSTC89C52single-chipmicrocomputerasthecorepart.Basedontheprincipleoftimingandcounting,thestopwatchisdesignedbyintegratingdisplayelectriccircuit,LEDdigitalpipeandindependentkeyboard,combiningbothsoftwareandhardware.

ThesoftwaresystemofthisdesigniswritteninC.Thedesignincludesatimerinterruptandfourindependentkeyboards，softwareawayshakingandsoon.Finallyitmakesadigitalstopwatchwithfunctionsofopening,closing,restingandmemory..

KeywordSingle-chipmicrocomputer；Digitalstopwatch；Simulation；STC89C52

1引言

1.1单片机的背景

单片机即单片机微型计算机。

用专业语言讲，单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器及各种输入输出借口的芯片，这样一块芯片就具有了计算机的属性，因为被称为单片机微型计算机，简称单片机。

单片机的前身叫做单板机，是将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序，就构成一块单板机。

单片机基本用于教案，后来发展为单片机。

可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。

不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。

它由主机、键盘、显示器等组成。

还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。

这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。

顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。

因为它体积小，通常都藏在被控机械里。

它在整个装置中，起着至关重要的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。

现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。

各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机、智能手机等。

现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。

究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。

将8位单片机的推出作为起点，单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段：

1.第一阶段（1976-1978）：

单片机的控索阶段。

以Intel公司的MCS–48为代表。

MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola等，都取得了满意的效果。

这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。

2.第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。

Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。

它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构：

1）完善的外部总线。

MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。

2）CPU外围功能单元的集中管理模式。

3）体现工控特性的位地址空间及位操作方式。

4）指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

3.第三阶段（1982-1990）：

8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。

Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。

4.第四阶段（1990—）：

微控制器的全面发展阶段。

随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

1.2单片机的应用

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。

1．在智能仪器仪表上的应用。

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

2．在工业控制中的应用

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

3．在家用电器中的应用

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

4．在计算机网络和通信领域中的应用

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

2整体设计方案

2.1单片机的基本结构

单片机是一种可通过编程控制的微处理器，单片机芯片自身不能单独运用于工程或者产品上，它必须要依靠外围数字器件或者模拟器件的协调才能发挥自身的强大功能。

单片机内部包含中央处理器CPU、程序存储器ROM、数据存储器RAM、I/O口、定时计数器、外部中断、串行通信等内部结构。

1.中央处理器CPU

中央处理器CPU是整个单片机的核心部件，是整个单片机最重要的部件。

由运算与控制逻辑组成，还有终端系统与部分外部特殊功能寄存器等。

是负责控制、指挥和调度整个单元系统的工作

。

2.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。

3.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。

4.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AT89C52微处理器，主要基于以下几个因素：

1）AT89C52为51内核，仿真调试的软硬件资源丰富。

2）性价比高，货源充足。

3）功耗低，功能强，灵活性高。

4）DIP40封装，体积小，便于产品小型化。

5）为EEPROM程序存储介质，1000次以上擦写周期，便于编程调试。

6）工作电压范围宽：

2.7V－6V，便于交直流供电。

5.数据存储器RAM

数据存储器用于存放各种运算的中间结果，用作缓存和数据暂存，以及设置特征标志等。

分为片内数据存储器和片外数据存储器。

8052内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，他们是统一编址的

。

6.程序存储器ROM

程序存储器用于存放程序代码和表格常数。

像我们用的STC89C52单片机，它的ROM大小为8KB。

7.I/O口

I/O口为4并行输入输出口。

对于输入，是检测外部有没有在控制它。

对于输入，是在写程序的时候控制其管脚的输出为高电平还是低电平。

8.T/C

对于89C52单片机，有2个16位的可编程定时/计数器，用来实现定时或者计数产生中断用于控制程序转向。

9.中断系统

8052要比8051的中断系统更加完善。

有2个外部中断，2个定时/计数器中断和一耳光串行中断，可满足不同的控制要求，并且具有2级优先级别选择

。

10.UART

一个全双工UART（通用于异步接收发送器）的串口I/O口。

用于实现单片机间和单片机与计算机之间的串口通信，

11.时钟电路

片内振荡器与时钟产生电路，8052内置最高频率高达12MHZ的时钟电路，但是石英晶体与微调电容仍需外接。

而且一般最高震荡频率取决于单片机的型号与性能。

总线（BUS）是计算机各部件之间传送信息的公共通道。

微机中有内部总线和外部总线两类。

内部总线是CPU内部之间的连线。

如图1所示，外部总线是指CPU与其它部件之间的连线。

外部总线有三种:

数据总线DB（DataBus）,地址总线AB（AddressBus）和控制总线CB（ControlBus）。

如图1，为8051内部结构。

对于8051来说，ROM为4KB；对于8052来说，ROM为8KB。

单片机总共有40个引脚，如图2所示，每个引脚都有其不同的功能，有的引脚还有第二功能作用。

1．I/O口引脚-P0口、P1口、P2口、P3口

对于P0口是一双向8位三态I/O口，每个口可以独立控制。

P0口内部没有上拉电阻，为高阻态，一般选择10欧姆的上拉电阻。

对于其他的3组引脚，为准双向8位I/O口，每个口可以独立控制，内带上拉电阻。

因为内带上拉电阻，所以这种借口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，所以不是真正的双向I/O口。

因为在使用前，要先进行写1操作，然后单片机内部才可以正确独处外部信号，有一个准备的过程，所以称为准双向口。

对于P3口，不仅有输入输出功能，还有第二功能。

RXD为串口输入，RXD为串口输出。

INR0为外部中断0输入，INT1为外部中断1输入。

T0为定时器0外部输入，T1为定时器1外部输入，WR为外部写控制，RD为外部读控制

。

1）P0口

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的

方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

2）P1口

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

3）P2口

是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

4）P3口

是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

　　P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能

　P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号

2．电源和时钟、复位引脚

RST为单片机的复位引脚。

当输入连续两个时钟周期以上高电平有效，用来完成单片机的复位初始化操作。

Vcc、GND为单片机的电源引脚，一个接高电平，一个接低电平。

XTAL1和XTAL2为外接时钟引脚。

一个是片内震荡电路输入端，一个是输出端。

对于8052时钟有2种方式。

一个为两个引脚外接石英晶体和震荡电容，另一个是1接地，2输入。

3．

全称是程序存储器允许输入控制端。

在度外部程序存储器时低电平有效，以实现外部程序存储器单元的读操作。

当内部ROM读取时候，该引脚不动作；外部ROM读取时，每个机器周期会动作2次；外部RAM读取时，2个

脉冲被跳过不会输出；外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

4．ALE/

在单片机扩展外部RAM时，ALE用于控制把P0口得输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现地位地址和数据的隔离。

ALE为高电平时，允许地址锁存信号；ALE为低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。

为编程脉冲的输入端，单片机的内部有程序存储器，用来存放用户需要执行的程序，我们可以通过编程脉冲输入写入ROM。

5．

/Vpp

接高电平时，单片机读取内部程序存储器。

当扩展有外部ROM时，当读取完内部ROM后自动读取外部ROM。

接低电平时，单片机直接读取外部EOM。

单片机内部本身就各种周期设置。

像机器周期、指令周期等。

如果单片机的定时器/计数器为定时功能的时候，计数器记录的就是单片机内部的机器周期

。

1）振荡周期:

也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期，TX实验板上为11.0592MHZ。

2）状态周期:

每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。

3）机器周期:

一个机器周期包含6个状态周期S1~S6,也就是12个时钟周期。

在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。

4）指令周期:

它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。

每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。

MCS-51系统中,有单周期指令、双周期指令和四周期指令。

2.2单片机的选择

单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具有生命力的机种。

单片机微型计算机简称单片机，特别适用控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

中央处理器、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可称为一个单片机控制系统。

单片机经过4代发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性发展方向。

其发展趋势不外乎一下几个方面：

1.多功能

单片机中尽可能的把所需要的存储器和I/O口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。

比如A/D、PWD、PCA（可片成计数器阵列）、WDT（监视定时器）、高速I/O口及计数器的捕获和比较逻辑等。

有的单片机针对某一个应用领域、集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。

例如，有的芯片以51内核为核心，集成了USB控制器，SMARTCARD借口、MPS解码器，CAN或者I*I*C总线控制器、LED、LCD或者VFD显示驱动器也开始集成在8位单片机中。

2．高效率和高性能

为了提高执行速度和实行效率，单片机开始使用RISC、流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高。

比如，单片机的时钟频率得到提高；童谣的平率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内ROM（FLASH）和RAM的容量都突破了以往的数量和限制。

由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（入C语言）来开发单片机的程序，使用高级语言可以降低开发难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩充功能。

3．低电压和低功耗

单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗特性十分重要。

由于CMOS等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作。

这些特性使得单片机系统可以在更小的电源的支持下工作更长的时间。

4．低价格

单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。

目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品价格。

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STC89S52。

因为STC89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

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。

STC89C52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的接收解码及与主板CPU通信等

STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.秒表的硬件设计

3.1LED显示电路

单片机系统中常用的显示器有：

发光二极管LED（LightEmittingDiode）显示器、液晶LCD（LiquidCrystalDisplay）显示器、CRT显示器等。

LED、LCD显示器有两种显示结构：

段显示（7段、M字型等）和点阵显示（5×8、8×8点阵等）。

这里我们采用的是发光二管LED。

发光二极管简称为LED。

由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。

在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微M内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

如图3所示，按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

1．共阳数码管

共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

2．共阴数