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Electronicstopwatch
目录
摘要2
Abstract3
1绪论4
1.1单片机的发展历史4
1.2单片机的发展趋势5
1.3单片机的分类5
1.31通用型/专用型5
1.32总线型/非总线型5
1.33工控型/家电型6
2MCS-51单片机简介6
2.1基本特性6
2.2组成结构6
3电子秒表设计7
3.1电子秒表介绍7
3.2电子秒表的工作原理7
3.3功能简介7
4电子秒表系统设计7
4.1设计思路8
4.2硬件设计8
4.21电源电路8
4.22晶体振荡电路8
4.23复位电路9
4.24数码显示电路10
4.25按键电路12
4.3软件设计13
4.31概念13
4.32程序设计流程图13
5系统的调试与结果15
结论17
参考文献18
1绪论
1.1单片机的发展历史
1946年电子数字计算机诞生,在此后漫长的历史进程中,计算机始终是供养在特殊的机房中,实现数值计算的大型昂贵设备。
直到20世纪70年代,微处理器的出现,计算机才出现了历史性的变化。
以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠等优势,迅速走出机房;
基于高速数值结算能力的微型机,表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣。
他们将微型机嵌入到一个对象体系中,实现了对象体系的智能化控制。
这样一来,计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。
为了区别于原有的通用计算机系统,把嵌入到对象体系中、实现对象体系智能化控制的计算机,称为嵌入式计算机系统。
由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中,实现的是对象的智能化控制。
因此,它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。
嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代,然而微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足大量的对象系统的嵌入式应用要求。
因此,嵌入式系统必须走独立发展道路,这条道路就是芯片化道路。
芯片化道路既是将计算机做在一个芯片上,从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。
1.2单片机的发展趋势
单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域的广泛应用。
从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的32位300M的高速单片机。
它最早是被用在工业控制领域。
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。
1.3单片机的分类
单片机从不同的角度大致可以分为通用型/专业型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
1.31通用型/专用型
通用型单片机就是单片机生产企业针对市场或领域推出的可满足大部分应用的单片机,专用型单片机就是针对某种特殊应用而专门制作的包含特殊应用电路的单片机。
1.32总线型/非总线型
总线型单片机,并行地址总线、数据总线和控制总线外部引脚,可以用来并行扩展外围器件。
非总线型单片机,并行地址总线、数据总线和控制总线外部引脚,不能并行扩展外围器件。
将需要的外刚器件及外设接口集成在单片机内,省去原用于并行扩展的地址总线、数据总线和无用的控制端线,减少了芯片引脚数和芯片体积。
若需要扩展时可通过串行口扩展。
由于串行扩展技术的发展,以及在片FlashROM的应用,非总线型单片机将逐渐成为单片机发展的主流方向。
1.33工控型/家电型
这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。
一般而言,工控型寻址范围大,运算能力强,用于家电的单片机多数为专用型,通常是小封装、低价格,外围器件和外设接口集成度高。
但是,这也并不是完全唯一的、严格的分类。
例如80C51类单片机既是通用型又是总线型,还可以作工控。
2MCS-51单片机简介
MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称,这一系列单片机包括了好些品种,如8031,8051,8751,8032,8052,8752等,其中8051是最早最典型的产品,该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的,所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机,而8031是前些年在我国最流行的单片机,所以很多场合会看到8031的名称。
2.1基本特性
8位CPU、片内振荡器、4k字节ROM、128字节RAM、21个特殊功能寄存器、32根I/O线、可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空间、2个16位定时器、计数器中断结构:
具有二个优先级、五个中断源、一个全双工串行口、位寻址(即可寻找某位的内容)功能,适于按位进行逻辑运算的位处理器。
除128字节RAM、4k字节ROM和中断、串行口及定时器模块外,还有4组I/O口P0~P3,余下的就是CPU的全部组成。
把4kROM换为EEPROM就共有是8751的结构,如去掉ROM/EEPROM部分即为8031,如果将ROM置换为Flash存贮器或EEPROM,或再省去某些I/O,即可得到51系列的派生品种,如89C51、AT89C2051等单片机。
单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来的。
2.2组成结构
MCS51系列单片机大致包含有运算器、控制器、存储器、指令系统等。
运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心,再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。
累加器ACC是一个八位寄存器,它是CPU中工作最频繁的寄存器。
控制器是CPU的神经中枢,它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP等。
存储器是单片机的又一个重要组成部分,每个存储单元对应一个地址,如256个单元共有256个地址,用两位16进制数表示,即存储器的地址(00H~FFH)。
存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息,通常用两位16进制数来表示,这就是存储器的内容。
存储器的存储单元地址和存储单元的内容是不同的两个概念,不能混淆。
3电子秒表设计
3.1电子秒表介绍
电子秒表是计时器的一种,它是一种比较先进的电子类的计时器。
现在国内的电子秒表一般采用以石英振荡器的振荡频率为基准,采用六位数码管显示时间。
所以拥有的功能比机械的秒表还要多。
因此,不仅能够显示时、分、秒,还能够显示月、日以及周期;
电子秒表一般情况下可以连续累计时间为59min59.99s,并且拥有1/100s的功能,平均的日差正负相差0.5s。
电子秒表作为一种现代科技技术下的产物,有着与传统的机械秒表无与伦比的优点与能力。
机械秒表无论从结构上、功能上、精度上都与电子秒表相差一截,电子秒表的高精度可精确至毫秒甚至微妙等,从这一点上也就根本的决定了其所在的社会地位,顺应当代电子技术的发展,具有重要的意义。
3.2电子秒表的工作原理
通常,电子秒表的系统是利用单片机开发出来的,利用其的定时器功能,在一定的周期时间范围内产生中断来执行所定的程序。
80C51单片机有两个计时器,本系统设计采用了定时器1的模式,在此的工作模式中,技术寄存器由16位组成并且TH1和TL1位8位计数器。
当TL1计数溢出时向TH1进一位,当TH1计数溢出置位TF1=1时,申请中断,最大的计数值为2^16=65536。
系统采用的晶振频率为12赫兹,机器周期为1微秒,定时的范围为1-65536us。
所以,定时的时间为:
T=Nt=(2^16-X)t
因此,计数器的计数值为:
N=2^16-X=65536-X,X为初值,范围1-65536。
系统设计采用了两个分频信号完成定时,预设初值为:
TH1=0XD8,TL1=0XF0;
时间为0.01us,累计计数10次计时到0.1us,累计计数100次计时达到1s,达到预期要求。
本次设计采用按键扫描,判断按键是否按下。
系统采用三个按键,起始键、暂停键、复位键。
当有按键按下时开始执行程序。
3.3功能简介
开机后,六位七段数码管显示“00”,当按下起始按键后,开始计时,计时从毫秒开始计时,当中途按下暂停按键后,中断计时,数码管此时显示的是中断停止计时后的数据。
之后若在按下起始按键,结束中断,恢复计时,在原有的数据上继续计时;
假如中断计时后再按下复位按键,数据清零计时复位。
而且,当每两位数码管上计时达到“99”时溢出并且进一位(可达到毫秒进秒,秒进分的效果),当在达到最高位溢出时自动复位。
4电子秒表系统设计
4.1设计思路
电子秒表的系统设计因为较为简单,所以在系统设计中大多采用模块化程序设计的方法。
它是一个具有相应独立功能的程序,即可单独的设计,又可以进行调试与管理,这里的模块分别将其分为控制模块和功能模块两大类。
通过这样的设计方法能够把一个较为复杂、规模较大的一个程序分成一个个较小的相对独立且功能相应的模块。
每一个小的模块指定一个相应的功能,把这些模块之间相互联系起来,共同完成整个程序所要完成的功能。
把一个复杂的、多功能的模块划分为若干个单一的、简单的子模块;
这样的方法有利于程序的设计、调试、优化和分工,提高了可靠性,使系统设计一目了然。
其中的小模块即为子程序,它是功能独立的程序段。
主程序也是由多个子程序的模块构成,各个模块都要实现一个确定的目标,完成一个具体的功能即可。
根据电子秒表的系统设计的要求,主要设计技术系统、控制系统、译码驱动、数码显示系统;
其技术的核心在于产生秒表信号的计数脉冲和计数器之间的联系。
设计之前应考虑一些设计原则,如尽量降低系统设计所需的陈本,硬件设计方面应尽量简单化,这样就可避免因程序编程、系统调试以及硬件实现的过程中所产生的一些不必要的问题,也可以使其整个设计过程难度大幅度降低。
系统的设计方案要尽量的优化,方便仿真与检测;
除此之外,要充分的综合利用各种现有资源,尽可能的采取成熟且较为简化的电路。
4.2硬件设计
4.21电源电路
主要用于用电设备电力供给的电路设计,电源有交流电和直流电两种。
大小相差也很大,小到集成电路,大到高低电压网等;
电路大致分为开关电路、稳压稳流电路、功率电路、保护电源电路等。
这部分是整个系统里面最基础的部分,由于是小系统,这里采用7809电源提供+5V稳压电压。
4.22晶体振荡电路
晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片),石英晶体谐振器简称为石英晶体或晶体、晶振。
而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。
其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。
反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。
它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个PF到几十PF。
当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感L来等效。
一般L的值为几十mH到几百mH。
晶片的弹性可用电容C来等效,C的值很小,一般只有0.0002~0.1pF。
晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效,它的数值约为100Ω。
由于晶片的等效电感很大,而C很小,R也小,因此回路的品质因数Q很大,可达1000~10000。
加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
这里,采用80C51单片机的12MHZ的内部振荡方式,电路图如下:
电容器C2、C3起到快速振荡,稳定振荡频率的作用;
C2、C3在这里用30PF,除此之外,晶体振荡器X1要尽量的接近单片机。
4.23复位电路
复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备,它的操作原理与计算器有着异曲同工之妙,只是启动原理和手段有所不同。
复位电路,就是利用它把电路恢复到起始状态。
就像计算器的清零按钮的作用一样,以便回到原始状态,重新进行计算。
和计算器清零按钮有所不同的是,复位电路启动的手段有所不同。
一是在给电路通电时马上进行复位操作;
二是在必要时可以由手动操作;
三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。
为确保微机系统中电路稳定可靠工作,复位电路是必不可少的一部分,复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±
5%,即4.75~5.25V。
由于微机电路是时序数字电路,它需要稳定的时钟信号,因此在电源上电时,只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时,复位信号才会撤除,微机电路开始正常工作。
上电复位的工作过程是在加电时,复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号,此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落,即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
其电路如下图:
4.24数码显示电路
这里选用的是六位7段的数码管显示电路,采用共阴接法,数码管是7段式显示器;
由7个条形发光的二极管和一个圆点的发光二极管构成,根据各个条形发光二极管的光暗组合成所需的字符。
当数码管特定的段加上电压后,这些特定的段就会发亮,以形成我们眼睛看到的字样了。
如:
显示一个“2”字,那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。
LED数码管有一般亮和超亮等不同之分,也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。
小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成,而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成,一般情况下,单个发光二极管的管压降为1.8V左右,电流不超过30mA。
发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管,发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。
常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。
LED数码管要正常显示,就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码,从而显示出我们要的数字,因此根据LED数码管的驱动方式的不同,可以分为静态式和动态式两类。
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动,或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单,显示亮度高,缺点是占用I/O端口多;
LED数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"
a,b,c,d,e,f,g,dp"
的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,单片机对位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。
在设计中,采取动态显示,用P2口驱动显示,其电路图如下:
4.25按键电路
按键电路分别有四个独立按键组成,并且由P3口接入。
当开关未被按下时,P3口输入高电平,当按下时,输入低电平。
由于一般的按钮都是机械按钮,所以当开关闭合和断开时会产生一个抖动,就是我们常说的按键时灵时不灵的情况,对此我们必须要采取消斗的方法来解决按键抖动的问题。
这里的消除斗动的方法采用软件法,这样做的性价比高,可靠性也高;
一般是结合动态扫描显示功能,编一个子程序来处理,因为动态显示与消除抖动都是几十毫秒的时间间隔,可以很好地融合在一起处理,提高单片机的效率。
扫描到有键按下,先去执行显示部分的程序,回头再次读入按键,确认后转入键译码程序。
有关电路图如下:
4.3软件设计
4.31概念
根据相关的要求以及相应的规格出发,来分析并确定整体软件系统的结构,并且划分相应的功能模块,使其划分的模块能够实现所编写相对应的程序代码。
4.32程序设计流程图
否
是
是
5系统的调试与结果
因为系统是分由多个模块组成,所以在对整个系统调试之前,先对若干个小模块进行调试。
程序代码在uvision上进行编写以及编译成功确定无误后在仿真软件proteus上仿真成功且无误后,并利用51系列的单片机开发板下载到相应的硬件平台上,最后做出实物。
Keil编译成功如下:
Proteus仿真如下图:
结论
经过较长的时间设计,我仍然感到自身较大的不足,有很多的知识储备不够完善。
所以,整个设计的过程可谓一波三折,虽然过程困难重重,但是我也从中学到了许多东西。
那就是如何把自身所学的东西合理的运用到实际中去,并且提高了自己的自学能力,使其自己的能力得到了充分的磨练。
让自己明白了,不管将来遇到怎样的困难和挫折,都不要轻言放弃,凡事总会有解决的方法。
这对于今后的无论是工作还是生活都有很大的帮助。
这次设计不仅涉及到编程语言方面的知识,还涉及到了电路方面的理论以及对单片机的熟练程度,正可谓是综合了几门学科的精华。
由于本人的水平有限,系统的设计方面存在着一定的缺陷,今后一定会加强改进。
在此,我对于那些给过我帮助的老师、同学们表示衷心的感谢。
没有你们的精心帮助,我也不可能较为顺利的完成本次的毕业设计,所以今后我将更加努力的学习,以更好的状态去面对今后的人生。
参考文献
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