基于AT89S51的数字秒表设计.docx
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基于AT89S51的数字秒表设计
基于AT89S51的数字秒表设计
摘要
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AT89S51,显示电路采用共阴极LED数码管显示计时时间。
文中设计了一种以单片机为控制核心的数字秒表。
该数字秒表采用C语言开发,通过数码管显示计时结果。
关键字:
AT89S51;数字秒表;LED数码管显示
ABSTRACT
Digitalelectronicstopwatchdisplayintuitive,readtheconvenient,highprecisionofadvantages,widelyusedintime.Thedesignofdigitalelectronicstopwatchbysinglechip,andstrivetosimplestructure,highprecisionforthetarget.Designincludingthedesignofthesystemhardwarecircuitandthedesignoftheprogram.Themainhardwarecircuitisthemaincontroller,timinganddisplaycircuitandbacktozero,startandstopwatchcircuit,etc.LordAT89S51single-chipcontroller,showcircuitofthecathodeLEDdigitalpipedisplaytimeclock.Thispaperdesignsawiththesinglechipprocessorasthecoretocontrolthedigitalstopwatch.ThedigitalstopwatchusingClanguagedevelopment,throughthedigitalpipedisplaythetime.
Keywords:
AT89S51DigitalstopwatchTheLEDdigitaldisplay
前言
秒表计时器是电器制造,工业自动化控制、国防、实验室及科研单位理想的计时仪器,它广泛应用于各种继电器、电磁开关,控制器、延时器、定时器等的时间测试。
自首届现代奥运会在希腊雅典举办以来,奥运计时技术一直在不断地向前发展。
一百多年过去了,首届现代奥运会上计时所用的跑表如今换成了一系列高科技计时装置,如高速数码摄像机、电子触摸垫、红外光束、无线应答器等等。
鉴于当今计时技术的快速发展,即便千分之一秒(为眨眼的40倍)的毫微差距,也决定着冠军的归属。
在现在的体育竞技比赛中,随着运动员的水平不断提高,差距也在不断缩小。
有些运动对时间精度的要求也越来越高,有时比赛冠亚军之间的差距只有几毫秒,因此就需要高精度的秒表来记录成绩。
一、从大型钟向小型钟演变。
二、从小型钟向袋表过渡。
三、从袋表向腕表发展。
每一阶段的发展都是和当时的技术发明分不开的。
1088年,当时我国宋朝的科学家苏颂和韩工廉等人制造了水运仪象台,它是把浑仪、浑象和机械计时器组合起来的装置。
它以水力作为动力来源,具有科学的擒纵机构,虽然几十年后毁于战乱,但它在世界钟表史上具有极其重要的意义。
1656年,荷兰的科学家惠更斯应用伽利略的理论设计了钟摆,第二年,在他的指导下年轻钟匠S.Coster制造成功了第一个摆钟。
1675年,他又用游丝取代了原始的钟摆,这样就形成了以发条为动力、以游丝为调速机构的小型钟,同时也为制造便于携带的袋表提供了条件。
18世纪期间发明了各种各样的擒纵机构,为袋表的进一步产生与发展奠定了基础。
20世纪初,尤其是第一次世界大战的爆发,袋表已经不能适应作战军人的需要,腕表的生产成为大势所趋。
许多新的设计和技术也被应用在腕表上,成为真正意义上的带在手腕上的计时工具。
紧接着的二战使腕表的生产量大幅度增加,价格也随之下降,使普通大众也可以拥有它。
腕表的年代到来了!
1998年:
建立超冷铯原子钟,比微微秒又要精确10万倍。
从我国水运仪像台的发明到现在各国都在研制的原子钟这几百年的钟表演变过程中,我们可以看到,各个不同时期的科学家和钟表工匠用他们的聪明的智慧和不断的实践融合成了一座时间的隧道,同时也为我们勾勒了一条钟表文化和科技发展的轨迹。
1绪论
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接口的芯片。
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、存储芯片、I/O接口和简单的I/O设备等装配在一快印刷电路板上,在配上监控程序,就构成一块单板机。
单片机基本用于数学,后来发展为单片机。
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,就能起到是产品更新换代的功效,常在产品名称前冠以形容词“智能型”。
现在可以说单片机是百花齐放的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。
纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势。
1.1.1、低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。
80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。
CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗,电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
1.1.2、微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
1.1.3、主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。
所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。
而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。
此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路。
1.1.4、大容量、高性能
以往单片机内的ROM为1KB~4KB,RAM为64~128B。
但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求,须运用新的工艺,使片内存储器大容量化。
目前,单片机内ROM最大可达64KB,RAM最大为2KB。
另外单片机进一步改变CPU的性能,加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术,可以大幅度提高运行速度。
现指令速度最高者已达100MIPS(MillionInstructionPerSeconds,即兆指令每秒),并加强了位处理、中断和定时控制功能。
这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。
由于这类单片机有极高的指令速度,可以使用软件模拟其I/O功能,由此引入了虚拟外设的新概念。
1.2单片机的应用领域
单片机改变了我们生活,纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等,这些都离不开单片机,单片机有着广阔的应用前景。
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。
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,大致可分如下几个范畴:
1、智能仪表上的应用
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,例如精密的测量设备。
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,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,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,例如:
手机,电话机、列车无线通信。
5、单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6、在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机,在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。
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。
从无线电世界到单片机世界。
本设计利用AT89S51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,P2.0-P2.7口作列扫描输出,P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P3.0、P3.1、RST分别接七个按钮开关,分别实现开始、暂停、存储、清除当前数据、全部清零和查看上次时间和复位功能,显示电路由八位共阴极数码管组成。
2
总体方案的设计
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AT89S51,显示电路采用共阴极LED数码管显示计时时间,七个按键均采用触点式按键。
2.1系统的组成模块
系统总电路是由控制电路,显示电路,时钟电路,按键电路和复位电路组成,只要将单片机与以上各部分电路合理的连接就组成了系统总电路。
系统总电路图如附表所示。
AT89S51单片机为控制电路的核心部分,各个电路均和单片机相连接,由单片机统筹和协调各个电路的运行工作。
AT89S51单片机提供了XTAL1和XTAL2两个专用引脚接晶振电路,因此只要将晶振电路接到两个专用引脚即可为单片机提供时钟脉冲,但在焊接晶振电路时要尽量使晶振电路靠近单片机,这样可以为单片机提供稳定的始终脉冲。
复位电路同晶振电路,单片机设有一个专用的硬件复位接口,并设置为高电平有效。
按键电路与单片机的端口连接可以由用户自己设定,本设计中软件复位键和查看键分别接单片机的RST和P3.1,均设为高电平有效。
显示电路由八位数码管组成,采用动态显示方式,因此有8位段控制端和8位位选控制端,八位段控制接P0口,P0.0~P0.7分别控制数码显示管的a、b、c、d、e、f、g、dp显示,AT89S51的P0口没有集成上拉电阻,高电平的驱动能力很弱,所以需要接上拉电阻来提高P0的高电平驱动能力。
八位位控制则由低位到高位分别接到P2.0~P2.7口,当P2.0~P2.7端口任意一个端口为高电平时,与其相对应的数码管导通显示。
2.2工作原理
本设计利用AT89S51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,口作列扫描输出,P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P3.0、P3.1、RST分别接七个按钮开关,分别实现开始、暂停、存储、清除当前数据、全部清零和查看上次时间和复位功能,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美观。
根据要求知道秒表设计主要实现的功能是计时和显示。
因此设置了七个按键和八位数码管显示时间,七个按键分别是开始,暂停、存储、清除当前数据、全部清零、复位和查看上次计时时间按键。
利用这七个建来实现秒表的全部功能,而八位数码管则能显示最多99分59.999秒的计时。
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分59.999秒重新复位。
再看按键的处理。
这七个键可以采用中断的方法,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。
3系统的硬件电路设计
3.1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AT89S51。
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]。
AT89S51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80C51相同,下面介绍一下单片机的外部结构:
AT89S51单片机采用40引脚的双列直插封装方式。
图1为引脚排列图,40条引脚说明如下:
主电源引脚Vss和Vcc
① Vss接地
② Vcc正常操作时为+5伏电源
外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
① 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。
② 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单片机引脚图
控制或与其它电源复用引脚RST/VPD,ALE/
,
和
/Vpp
① 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,由VPD向内部提供备用电源,以保持内部RAM中的数据。
② 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)
③
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。
④
/Vpp、
/Vpp为内部程序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。
① 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。
② 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LSTTL负载。
③ 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。
④ 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]。
AT89S51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,AT89S51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。
AT89S51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[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AT89S51微处理器,主要基于以下几个因素:
① AT89S51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。
3.2 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,AT89S51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八位数码管显示时间,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。
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,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,共阴极数码管的8个发光二极管的阳极(二极管正端)连接在一起,通常,公共阴极接高电平(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。
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,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。
本设计采用共阴极数码显示管做显示电路,数码管引脚图如图2所示:
图2数码管引脚图
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0~9的编码见表1。
表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
0
3FH
5
6DH
1
06H
6
7DH
2
5BH
7
07H
3
4FH
8
7FH
4
66H
9
6FH
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。
图中,8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8个数码管的位控制端则和单片机的P2口相连。
单片机的P2.0~P2.7口则分别对应数码显示管的最低位到最高位,另外数码管显示是采用动态显示。
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220Ω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。
3.3 按键
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