单片机秒表课程设计

1、 单片机技术课程设计说明书 数字式秒表院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 刘贝贝 指导教师： 肖冬瑞 职称 讲师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1305 学 号： 1330120504 完成时间： 2016年6月 湖南工学院单片机技术课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化指导教师肖冬瑞学生姓名 刘贝贝课题名称数字式秒表内内容及任务一、设计任务设计一个具有特定功能的数字式秒表。二、设计内容1、秒表的硬件系统（1)、单片机最小系统模块（2）、供电模块（3）、显示模块（4）、键盘模块2、秒表的软件系统（1）、系统监控程序模块（2）、显示程序模块

2、（3）、键盘程序模块三、设计要求该数字式秒表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。该数字式秒表应具有开始、暂停、连续、清零和停止功能。主主要参考资料1李广弟.单片机基础M.第3版.北京：北京航空航天大学出版社，2003.6.2李全利.单片机原理及应用（C51编程）M.北京：高等教育出版社，2012.12. 3马忠梅.单片机的C语言应用程序设计M.第4版.北京：北京航空航天大学出版社，2003.6. 4李光飞.单片机C程序设计指导M.北京:北京航空航天大学出版社，2003.01. 5李光飞.单片机课程设计实例指导M.北京:北京航空航天大学出版社，2004.9.教教研室意

3、见见 教研室主任：（签字）年 月 日摘 要本次课程设计的数字电子秒表系统采用AT89S52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数码管以及外部中断电路来设计。将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够实现LED显示，099.99秒，计时精度为0.01秒，能正确地进行计时。其中软件系统采用汇编语言编写程序，包括主程序，显示程序，中断服务程序，延时程序，按键程序等，并在KEIL中调试运行，硬件系统利用PROTEUS来实现，简单且易于观察，在仿真中就可以观察到实际的工作状态。关键词: 秒表；AT89S52；汇编语言目 录1 设计课题任务、功能要求说明及总体

4、方案介绍11.1 设计任务及功能要求说明11.2 设计课题总体方案介绍及工作原理说明11.3 总体方案方框图22 数字式秒表硬件系统的设计32.1 数字式秒表硬件系统各模块功能32.2 数字式秒表电路原理图、PCB图、元器件布局图72.3 数字式秒表元器件清单73 数字式秒表软件系统的设计83.1 数字式秒表使用单片机资源情况 83.2 主程序流程图93.3 中断服务程序流程图93.4 显示程序流程图103.5 按键程序流程图113.6 软件系统程序清单124 系统调试与仿真124.1 数字式秒表的设计结论及使用说明134.2 调试软件介绍134.3 程序仿真与结果134.4 误差分

5、析及解决方法144.5 设计总结15结束语15参考文献16致谢17附录18附录A 元器件清单19附录B PCB图、元器件布局图及以系统原理图19附录C 程序清单221 设计课题任务、功能要求说明及总体方案介绍1.1 设计任务及功能要求说明设计一个具有特定功能的数字式秒表。该数字式秒表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。该数字式秒表应具有开始、暂停、连续、清零和停止功能。设计要求：（1）编程语言：汇编或C51；（2）计算机打印单片机技术课程设计说明书一份；（3）Proteus仿真程序或实物；（4）单片机源程序文件；（5）人员分组：2-3名同学为一组。1.2 设计课题总

6、体方案介绍及工作原理说明使用AT89S52单片机作为核心控制部件，采用12M晶体振荡器及微小电容构成振荡电路；用两个四位一体共阳极或共阴极数码显示管作为显示部分，构成数字式秒表的主体结构，配合独立式键盘和复位电路完成此秒表的开始、暂停、连续、清零和停止功能。对于时钟，是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢。键盘部分方案：键盘控制采用独立式按键，每个按键的一端均接地，另一端直接和P1口相连，在按键和P1口之间通过10K电阻与+5V电源相连键盘通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断哪个键被按下了，这种方法操作速度高而且软件结

7、构很简单，比较适合按键较少或操作速度较高的场合。显示部分方案：显示部分采用动态显示。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，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通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

8、数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。动态显示是利用人眼视觉暂留特性来实现显示的。事实上，显示器上任何时刻只有一个数码管有显示。由于各数码管轮流显示的时间间隔短、节奏快，人的眼睛反应不过来，因此看到的是连续显示的现象。为防止闪烁延时的时间在1ms左右，不能太长，也不能太短。    1.3 总体方案方框图图1 数字式秒表的总体方案框图2 数字式秒表硬件系统的设计2.1 数字式秒表硬件系统各模块功能2.1.1 电源电路 电源电路是系统的最基本部分，任何部分都离不开电源部分，单片机系统也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单

9、而有所疏忽，其实有一半的故障或制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。 方案一：采用直流稳压电源+5V为其提供工作所需的电压，其中采用的LM7805芯片为三端集成稳压芯片，只有输入端，输出端和接地端，输出电压为+5V。电源电模块如图2所示。 方案二：通过下载口对系统供电，只需要一个+5V的移动电源，一根USB下载线即可。移动电源直接提供+5V的电压，通过USB线接入下载口对系统各模块供电。 对比两方案，方案二具有供电电压稳定，电源质量好，获取途径广等优点。综合考虑，选用方案二，即移动电源供电方式。图2 电源电路模块2.1.2 AT89S52简介&

10、#160;(1)与MCS-51产品相兼容； (2)具有8KB可改写的Flash内部程序存储器，可写/擦1000次； (3)256字节内部RAM； (4)32根可编程I/O口； (5)3个16位定时器/计数器。  (6)8个中断源； (7)可编程中串行口； (8)低功耗空闲和掉电方式。 它的价格便宜，功能强大，能耗低。很大程度上减少总电路的复杂性，提高了所设计系统的稳定性。图3 单片机引脚图2.1.3 时钟电路 单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，单片机必须有时钟信号

11、，以使其系统在时钟信号控制下按时序协调工作。时钟信号由振荡电路和分频电路组成。在AT89S52芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚TXAL2，通过这两个引脚在芯片的外部并接晶体振荡器和微调电容，构成振荡回路，为片内放大器提供正反馈和振荡所需的相移条件，从而构成了一个稳定的自激振荡器。此电路采用12MHz的石英晶体。 振荡电路产生的振荡信号不能直接为单片机所用，要通过分频才能得到单片机各种相关的时钟信号。由于单片机内部有部分时钟电路，在此次设计中我们只需要在AT89S52的引脚XTAL1和引脚TXAL2接入振荡电路就可以构成时钟电路。图4 时钟电路

12、2.1.4 键盘电路 本设计使用独立式键盘接在单片机的P1口上但通过软件赋予其中四个按键功能，P1.0开始，P1.1暂停，P1.2清零。对于按键的设计，采用了防抖动的程序设计，使系统的性能得到进一步的提升。当按键被按下时，相应的引脚被拉低，经扫描后，获得键值，并执行键功能程序，因此按下不同的按键，将执行不同的功能程序。图5 键盘电路2.1.5 复位电路 复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键电平复位是通过使复位端

13、经电阻与Vcc电源接通而实现的。 RST引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过2us才能完成复位操作。由于程序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时，为摆脱困境，需要复位以重新启动，所以在本设计中采用了按键电平复位方式。 图6 复位电路2.1.6 单片机下载口电路 下载口主要是一个十芯的座子，可以通过使用USB下载线可以将单片机能识别的文件下载到单片机。图7 单片机下载口电路图2.1.7 数码管显示电路 数码管是有P0口来驱动，它内部没有上拉电

14、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，也可以为数码显示管起到限制电流的保护作用。图8 数码管驱动及显示电路2.1.8 最小系统图 图9 AT89S52最小系统2.2 数字式秒表电路原理图、PCB图、元器件布局图本次课程设计是使用protel 99软件绘制原理图以及PCB图，protel 99是基于Win95/Win NT/Win98/Win2000的纯32位电路设计制版系统。protel 99提供了一个集成的设计环境，包括了原理图设计和PCB布线工具，集成的设计文档管理，支持通过网络进行工作组协同设计功能。根据硬件接线要

15、求设计绘制电路原理图具体电路原理图，PCB图以及元器件布局图见附录B。2.3 数字式秒表元器件清单见附录A。3 数字式秒表软件系统的设计3.1 数字式秒表使用单片机资源情况 本次数字式秒表设计除了了使用单片机工作所必须的硬件资源（如连接晶振的引脚XTAL1和XTAL2，复位引脚RESET）外，对单片机的硬件资源还做了具体的安排。 (1).P0口：P0.0-P0.7作为数码管显示器的段控。 (2).P1口：P1.0-P1.3作为独立式键盘的输入端。 (3).P2口：P2.0-P2.7分别控制数码管的位控码驱动。 (4).定时/计数器：使用定时器0

16、工作方式2实现数字式计数器的运行。 (5).专用寄存器：定时器控制寄存器TCON，通过设置该寄存器TR0位的状态来控制定时/计数器0的启动/停止；中断允许寄存器IE，通过设置该寄存器EA/ET0位的状态来设置定时/计数器0中断允许/禁止；定时/计数器工作方式寄存器TMOD，设置定时/计数器0的工作方式。3.2 主程序流程图图10  主程序流程图3.3 中断服务程序流程图图11 中断服务程序流程图3.4 显示程序流程图 图12 显示程序流程图3.5 按键程序流程图 图13 按键程序流程图3.6 软件系统程序清单 应用软件keil汇编语言编程实现秒表功能。程序见附录。4 系统调

17、试与仿真4.1 数字式秒表的设计结论及使用说明通过设计和调试，数字式秒表能顺利完成各项功能。上电或复位后显示“P.”提示符，此时按S2键便可开始计时。在计数状态下，按下S3键即可实现暂停，再次按下S3键即可实现继续计数，在计数状态下按下S2键，实现计数停止，在停止状态下按下S4键，便可实现计数清零，计数状态下按下清零键，无效。按下S1键后显示“P.”提示符。4.2 调试软件介绍本秒表的设计用的pretues仿真软件设计电路并仿真。Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路

18、，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时

19、支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。因为pretues仿真软件中所有的情况都是在理想想的条件下，但是与实际电路的工作还是有很大的差别，所以我们必需考虑到实际情况应接入驱动限流等电路它才能被实际所应用。4.3 程序仿真与结果我们是在Keil软件里编写程序并编译通过才能被硬件电路所应用。Keil的功能比较强大但还是有一定的缺点。他编译过程中他只能检查出所编写的语法错误，但是不能确保我们编写的程序能实现设计要求的功能，所以我们需要在硬件电路里

20、仿真去达到我们所设计要求的功能。经仿真修改和完善均已达到设计要求。（）上电后显示“P”，在暂停、停止、清零后，按S1键后都会恢复显示“P”，如图六所示： 图14显示P.（）按下S2键，秒表计时开始图15 秒表启动（）按下S3键，秒表暂停图16秒表暂停（）在按下S2键停止的情况或复位后按下S4键，显示清零。图17秒表清零4.4 误差分析及解决方法我们可以发现数字式秒表计数一段时间的我们的标准时间相比较出现了误差，所设计的数字式秒表比我们的标准时间要快，而且相比较的时间越长他的时差越大。经过分其主要原因与硬件和软件都有关。 软件原因：我们从外部中断请求有效到转向中断区入口地址所需的机器周

21、期数来计算中断时间，51系列单片机最短响应时间为3个机器周期。在一般情况下中断响应时间通常无需考虑，但在精确定时的应用场合需知道中断响应时间，以保证定时的精确控制。 硬件原因：单片机的时钟信号是由外部的振荡电路所提供，在芯片的外部通过接XATL1与XATL2这两个引角跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。因为电子原件不可以就有我们所设计的那么理想（电容的容量，振晶的输出频率）所以会造成我们的时间准确。4.5 设计总结通过对数字式秒表的设计与制作，理论与实际相结合，加深了对理论知识的理解，也增强了我的动手能力。通过本次设计，成功使用了Keil、Prote

22、l 99se和Proteus三款电子软件，使理论知识系统化、实用化，系统地掌握微机应用系统的一般设计方法，培养较强的编程能力、开发能力。此设计是我迄今为止，编写的最大的一个程序，在调试过程中，我学会了怎样去根据实验现象解决问题，分析问题的所在点。它不仅加强了我们解决问题的能力，同时也锻炼了我们的逻辑思维能力。 在这次课程设计中，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，使我在实际动手能力方面得到了较大的提高。结束语 通过本次课程设计，我学会了单片机的基本编程方法，对单片机的工作原理和使用方法有了更深刻的理解。在理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没做单片

23、机课程设计之前，对单片机一些细节不太重视，当我们把自己想出来的程程运用到单片机上的时候，问题出现了：不是不能运行，就是运行的结果与课程设计的要求不相符合。通过解决一个个在调试过程中出现的问题，我们对单片机的理解与认识得到了加强；看到了理论与实践的差距；意识到没有理论的知识的支持，实践是无从下手的，理论与实践相结合，可以使我们的整体素质得到提高。通过合作，我们的合作意识得到加强，合作能力得到提高。在设计的过程中，我们用到了分工与合作的工作方式，每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，已解决分工过程中个人不能解决的问题，在交流中相互提出各级的见解，同时我们还向别的同学请教，得到了大家的支持

24、。在设计的过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向对方说出自己的想法。通过比较选出最好的方案。在此过程中也提高了我们的表达能力和沟通能力。通过此次课程设计，让我加深了对单片机指令的认识和理解，也让我了解了单片机的设计原理；同时也提高了自己根据设计要求编写程序的能力得到提高。本次课程设计受益匪浅。参考文献 1 李广弟.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.35402 李全利.单片机原理及应用M.北京：高等教育出版社，2012.55893 杨宁，胡学军单片机与控制技术北京航空航天大学出版2005.03.3063224 李光飞.单片机C程序设计指导M.北京航空大学出版社，2003

25、.01.40765 李光飞.单片机课程设计实例指导M.北京航空大学出版社，2004.09.651736 刘建清.单片机技术.国防工业出版社，2006.8.1041057 李全利.单片机原理及应用（C51编程）M.高等教育出版社，2012.12.43698 阎石.数字电子技术基础.第5版.M.高等教育出版社,2006.5.4564899 王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.435110 中国电子网.单片机基础：键盘接口原理详EB/OL.11 郑毛祥.单片机应用基础.人民邮电出版社，2006.6.2142 12 邱光源.电路(第五版)M.北京高等教育出版社, 2006.6

26、517313 戴佳.单片机C51语言应用程序设计.电子工业出版社 14 郑毛祥.单片机应用基础.人民邮电出版社，2006.6.214215 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计.哈工大学出版社2003.388716 朱兆优、陈坚等.单片机原理及应用.电子工业出版社2010.668317 文哲雄.用单片机控制LED显示屏M.北方工业大学出社,6517318 18219 恰汗·合孜尔.C语言程序设计(第三版)M.中国铁道出版社，2010.8910720168致 谢首先，感谢学校给我们提供一个让我们把所有的知识总结起来的平台，通过这次课程设计，使我对以前所学的知识有了一个整体上的概括，也

27、让我们具体了解到了每个指令在程序中的具体作用，了解到了它的功能，结构。其次，我要向所有在我学习中给予我帮助和关心的老师和同学表达谢意。其中,我要特别感谢我的导师肖冬瑞老师，本论文在选题和设计过程中自始至终都是在他的关心和指导下进行的。他热心的帮助和循循善诱的指导深深感动了我。在此表示我最衷心的感谢。在课题研究的整个过程中，老师严谨治学的学术作风和兢兢业业的治学态度使我受益匪浅,他不仅向我传授研究方法，还引导我拓展研究思路,同时还经常对我的研究提出建设性的问题，他给了我深刻的启迪，是我学习的楷模。最后，对老师、同学的帮助深表感谢!附 录附录A 元器件清单表1 元件清单元器件名称规 格数 目AT8

28、9S52单片机40P1AT89S52单片机芯片锁紧座40P174HC57320P274HC573芯片插座20P2晶振12MHz1发光二极管9按键小按键9开关六脚1下载口1短路冒4三极管Q9 90121电解电容470f2瓷片电容0.1f2电阻2001电阻1K2电解电容22f1瓷片电容33pf2排阻10k2排针20P3附录B PCB图、元器件布局图及以系统原理图底层顶层元器件布局PCB图系统原理图附录C 程序清单;*;项目名称: 数字式秒表设计;设计者： 刘贝贝;设计日期：2016年6月1日 ;功能要求：数字式秒表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进 入准备工作状态。该数字式秒表应具有

29、开始、暂停、连续、清 零和停止功能。;*;堆栈栈底2FH;*;LED数码管显示器设定;P0.7-P0.0段控线，接LED的显示段dp,g,f,e,d,c,b,a;P2.0-P2.7位控线,从左至右 (LED7,LED6,LED5,LED4,LED3,LED2,LED1,LED0);显示缓冲区设定从左至右依次为78H,79H,7AH,7BH,7CH,7DH,7EH,7FH ;*;独立式键盘设定;8个按键S2至S9分别依次接在P1.0至P1.7口线;*;独立式键盘设定与功能；;8个按键S1至S8分别依次接在P1.0至P1.7口线；;S1的功能为复位;S2的功能为启动/停止（标识符为22H.0当它为

30、1时启动，为0时停止）;S3的功能为暂停/继续（标识符为22H.1当它为1时暂停，为0时继续）;S4的功能为清零;*;定时器/计数器资源：;T/C0:工作模式1;功能；定时时间；查询或中断;*;中断系统资源;T/C0;*;键功能程序;K1 (S2键键功能程序);K2 (S3键键功能程序);K3 (S4键键功能程序);*;中断服务程序;*;常数表格;DISBH(系统提示符P.字型代码序号表);DISBI(00-00-00字符的代码序号);TAB (共阳数码管字型代码表);*;子程序;DL(1毫秒延时子程序);DISP （数码管显示子程序）;KEY (键扫描子程序);KEYCL (P1口数据处理子

31、程序);ADD01 (加1子程序) ;* ORG0000HSTART: LJMP MAIN ORG 000BH LJMP ZHD ORG 0030H MAIN: MOV PSW, #00H MOV SP, #2FH ;确立堆栈区 MOV R0, #20H ;RAM区首地址 MOV R7, #96;RAM区单元个数 MOV TMOD,#01H SETB EA SETB ET0 ML: MOV R0, #00H INC R0 DJNZ R7, ML TSF: MOV DPTR,#DISBH ;系统初始化后提示符 “P.”字符代码表首地址 MOV R5, #08H MOV R0, #78H DISP

32、TSF:CLR A MOVC A, A+DPTRMOV R0, AINC R0INC DPTR DJNZ R5, DISPTSFKEY0: LCALL DISP LCALL KEYJB 20H.0, K1JB 20H.1, K2JB 20H.2, K3LJMP KEY0 KEY00: LCALL KEY LCALL DISPJB 20H.2, K3LJMP KEY00 K1: JB 22H.1, KEY0CPL 22H.0 JB 22H.0, 01 ;高电平则计时CLR TR0 ;低电平则停止LCALL DISPLJMP KEY00 K01: MOV 7AH, #12H ;从零开始计时 MOV

33、 7DH,#12HMOV 7FH, #10HMOV 79H, #00HMOV 7BH, #00H MOV 7CH, #00HMOV 7EH, #00H MOV 7FH, #00HLCALL DISPMOV TH0, #0D8HMOV TL0, #0F0H SETB TR0 ;启动定时器LJMP KEY0 K2: JB 22H.0, K21 ;判断秒表是否启动，如不是启动状态则此次按键无效 LJMP KEY0 K21: CPL 22H.1 JB 22H.1, K22SETB TR0 ;继续计时LJMP KEY0K22: CLR TR0 ;暂停秒表LCALL DISP LJMP KEY0K3: J

34、B 22H.0, KEY0 ;只有当停止是，清零键才有效MOV R0, #79H ;秒表清零LCALL CLR0MOV R0, #7CHLCALL CLR0MOV R0, #7FHLCALL CLR0LJMP KEY0 ZHD: PUSH PSW PUSH ACC MOV TMOD,#01H ;定时器以工作方式1工作SETB RS1 ;设定组号为2组CLR RS0MOV TH0, #0D8HMOV TL0, #0F0HMOV R0, #79HLCALL ADD01 CJNE R2, #99,RETT ;判断100毫秒到没MOV R0, #7CHLCALL ADD01 CJNE R2,#60,

35、RETT ;判断60秒到没LCALL CLR00 MOV R0, #7FHLCALL ADD01 CJNE R2, #60,RETT ;判断60分到没LCALL CLR00 RETT: POP ACC POP PSWRETI;*;常数表格区;系统初始化后提示符“P.”字符代码表；DISBH: DB 10H,10H,10H,10H,10H,10H,10H,11H;提示符“P.”字符序号；显示字符段选码表(共阳极代码) TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H;0-8 DB 90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH,0CH,0BFH;9,A,B,C,D,E,F,灭,p.,- ;*;子程序区； ADD01:MOV A, R0 DEC R0 SWAP A ORL A, R0