倒计时器电路设计(毕业论文)

1、摘要篮球比赛中为了防止球队比分超前时球员进攻故意拖延时间而设置了 24 秒倒计时。本论文要设计一个24 秒的倒计时器，采用单片机AT89C51 驱动七段数码管显示24 秒的倒计时，仿真软件采用的是KEIL与Proteus联合调试来模拟实际的电路设计。 此设计 首先从芯片选择到外围电路设计，最后编程和仿真调试。关键字：AT89C51;计时；七段数码管AbstractIn the basketball game in order to prevent the offensive team score leading players deliberately delay time and set u

2、p 24 seconds countdown. In this paper, to design a 24 second countdown timer, using SCM AT89C51 drive seven digital tube display 24 second countdown, simulation software is used in the circuit design of KEIL and Proteus to simulate the joint debugging. This design first choice to the peripheral circ

3、uit design from the chip, the programming and debugging.Keywords: AT89C51;Count time; Seven digital tubeII1引言1.1 本课题的研究目的和意义电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力为将来走上工作岗位打下基础的一个重要环节。领域中计时器均得到普遍应用交通信号灯， 诸如在，定时报警器、游戏中的倒时器， 体育比赛、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机，还可以用来做为各种胶囊、药片，药丸 在指定时间段提醒用药等，可见计时器在现代社会的应

4、用是相当广泛的。随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机做控制的球赛计时计分系统也应 运而产生，如用单片机控制LCD夜晶显示器计时计分器，用单片机控制七段 LED显示器 计时计分器等。本设计是由AT89C51程控制七段数码管LED作显示的球赛计时系统。该系统具有 启动、暂停、继续、清零等功能。它具有性能稳定，价格低廉，操作方便。并且，易于 携带等特点。应用适合各类学校或者小型团体作为篮球赛程计时器。通过本次基于C51系列篮球计时器的设计，从中可以了解到一些关于单片机开发设 计的过程，并加深对单片机的理解和应用以及掌握单片机与外围接口的一些方法和技 巧。1.2 国内外研究现状最初的篮球比赛是

5、1892年1月美国马塞诸州菲尔德基督教青年会训练学校教师詹 姆士 .莱斯密斯博士所创造的。伴随着篮球的出现，篮球计时计分器也应用而生了。起 初并没有正规的计时计分器，只是简单的比赛计时钟和记录板。1932年，刚诞生的国际 篮联以美国大学使用篮球规则维基础，制定了第一份世界统一的竞赛规则，同时篮球计 时计分器也开始进入了电子时代，开始出现比赛计时钟和简单电路达成的计分电路5。随着电子技术的飞速发展，社会步入了信息时代，人们的生活水平在逐步提高， 因 而对电子产品提出了更高的要求。篮球竞赛24秒倒计时器可用于篮球比赛中对球员持球时间24秒限制，不仅能进行时间追踪，还具有直接启动、暂停、连续、清零以

6、及光 电报警功能，同时采用七段数码管来显示时间，可以方便的实现断点计时功能，当计时 器递减到零时，P3.7会产生一个频率去驱动蜂鸣器发出报警信号，报警声持续在8s左右。像这种设计的应用在社会生活中也具有广泛的实用价值。计时器在许多领域均有广 泛的应用，比如篮球比赛中有总计时和倒计时，止匕外，为了让比赛节奏加快，新的规则中还要求进攻方必须在24秒内有一次投篮的动作，否则将视为违例1.3 本课题的研究内容本设计用由单片机编程控制七段数码管LED作显示倒计时系统。该系统具有到计时、暂停、继续、清零和报警等功能。其特点是性价比高，低价格，操作方便。具有一 定的应用价值和较好的市场前景。通过本次设计了解

7、到最小系统是以单片机作为核心以及今后发展及其应用。熟悉单片机的内部结构及原理。认识和学习单片机的基本外围电路以及编程调试方法。掌握了 单片机对按键的扫描、驱动蜂鸣器发出报警声等应用。2设计方案2.1系统总体方案万案一采用74LS192分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器为控制核心，采 用555定时器产生定时脉冲，由74LS192十进制计数器芯片进行计数，停止控制电路， 秒脉冲发生器，译码驱动和报警电路，进行倒计时控制 12回。万案一采用单片机编程控制七段数码管 LED乍显示电路的计时系统。主要核心元件采用 AT89C51显示系统采用七段数码管LED其余为晶振电路、电源电路、蜂鸣器和按

8、键电 路等模块电路组成。总体考虑方案一元件简单，相对成本较低，但智能方面不足，只有一个计时的功能，没有扩展功能。方案二米用刀 利于扩展，不足就是编程偏难 示。电源电路.晶振电路1.按键电路1»ISP下载电路1»二件简单，控制简单，容易操作、性能稳定，附加功能较多，。所以，本设计采用方案二，其电路设计框图如图2-1所LED七段数码管ATMELAT89C51卜.蜂鸣电路图2-1总体设计方框图第#页共20页篮球比赛24秒倒计时器电路设计3硬件设计3.1 硬件原理3.1.1 单片机AT89C51介绍1976年，Intel公司推出了 MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM

9、、64字 节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。其特点是存储器容量较小，寻址范围小(不大于4K),无串行接口，指令系统功能不强。1980年，Intel公司推出了 MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字 节RAM、4个8位并口、1个全双工用行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K, 并有控制功能较强的布尔处理器。其特点是结构体系完善，性能已大大提高，面向控制 的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种图 3-1为AT89C51单 片机基本构造。1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成 16位CPU、8K字节ROM、 23

10、2字节RAM、5个8位并口、1个全双工用行口、2个16位定时/计数器。寻址范围 64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。具特点是片内面向 测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。3.1.2 AT89C51的弓I脚及功能1P1.0VCCP1.1P0.0（AD0）P1.2P0.1（AD1 ）P1.3P0.2（AD2）P1.4P0.3（AD3）P1.5P0.4（AD4）P1.6P0.5（AD5）P1.7P0.6（AD6）RSTP0.7（AD7 ）P3.0（RXD）EA/VPPP3.1 （TXD）AL E/PROGP3.2（INTO）PSE

11、NP3.3（INT1 ）P2.7（A15）P3.4（T0）P2.6（A14）P3.5 （T12P2.5（A13）P3.6（WR）P2.4（A12）P3.7 （RD）P2.3（A11）XTAL2P2.2 （A10）XTAL1P2.1 （A9）GNDP2.0（A8）AT89C51402393384375366357348339,3210311130122913281427152616251724182319222021图3-1 AT89C51的管脚40只引脚按功能分为3类：(1)电源及时钟引脚：Vcc、Vss； XTAL1、XTAL2第3页共20页篮球比赛24秒倒计时器电路设计(2)控制弓I脚：P

12、SEN、 EA 、ALE、 RESET (即 RST)。(3) I/O 口引脚:P0、P1、P2、P3,为4个8位I/O 口的外部引脚。1 .电源引脚(1) Vcc (40脚)：+5V 电源；(2) GND (20 脚)：接地。2 .时钟引脚(1) XTAL1 (19脚)：如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。(2) XTAL2 (18脚):接外部晶体的另一端。3 .控制引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。(1) RST/VPD(9脚)：复位与备用电源。(2) ALE/PROG (30脚)：第一功能ALE为地址锁存允许，可驱动 8个LS型TTL 负载。PROG为本引脚的第二功能，为编程

13、脉冲输入端。(3) PSEN (29脚)：外部程序存储器的读选通信号。可以驱动 8个LS型TTL负载。(4) EA/VPP (Enable Address/VOltage Pulse of Programing 31 脚)EA为内外程序存储器选择控制端。EA=1,访问片内程序存储器，但在 PC (程序计数器)值超过0FFFH (对于8051、 8751)时，即超出片内程序存储器的 4K字节地址范围时，将自动转向执行外部程序存 储器内的程序。EA=0,单片机则只访问外部程序存储器。VPP为本引脚的第二功能。用于施加编程电压(例如 +21V或+12V)。对89C51, 加在VPP脚的编程电压为+1

14、2V或+5V。4 . I/O 口引脚(1) P0 口：双向8位三态I/O 口，此口为地址总线(低 8位)及数据总线分时复用 口，可驱动8个LS型TTL负载。(2) P1 口 ： 8位准双向I/O 口，可驱动4个LS型TTL负载。(3) P2 口： 8位准双向I/O 口，与地址总线(高8位)复用，可驱动4个LS型TTL 负载。(4) P3 口： 8位准双向I/O 口，双功能复用口，可驱动 4个LS型TTL负载。需要注意的是准双向口与双向三态口的差别。当3个准双向I/O 口作输入口使用时，要向该口先写“1”。准双向I/O 口无高阻的 浮空”状态心。3.2七段数码管LED结构与原理数码管实际上是由7

15、个发光管组成“ 8”字形构成的，加上小数点就是8个。这些段 分别由字母a、b、c、d、e、f、g、dp来表示。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。例如：显示一个“3”字，那么应当是a亮、b亮、c亮、d亮、e不亮、f不亮、g亮、dp不亮。数码管的内部结构如图3-2 (a) 所示，其中COM引脚为公共端，用来控制数码管显示的打开或关闭，即起到“使能” 作用。3.2.1 LED数码管结构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

16、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。其段码表如 3-1 表所示。表3-27段数码管显示字符及段码表显示字符共阳极段码共阴极段码显示字符共阳极段码共阴极段码0C0H3FHCC6H39H1F9H06HDA1H5EH2A4H5BHE86H79H3B0H4FHF8EH71H499H66HP8CH73H592H6DHUC1H3EH682H7DHrCEH31H7

17、F8H07HY91H6EH880H7FHH89H76H990H6FHLC7H38HA88H77H全亮00HFFHB83H7CH全灭FFH00H3-2(b)3.2.2驱动方式根据公共端接法的不同，数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图 和图3-2（c）所示。共阳极就是将8个LED的阳极连接到一起组成公共端 COM,接正极，当相应字段 为低电平“0”时，可以点亮该字段；当相应字段为高电平“ 1”时，该字段不亮。共阴极就是将8个LED的阴极连接到一起组成公共端 COM,接负极，当相应字段 为高电平“1”时，可以点亮该字段；当相应字段为低电平“0”时，该字段不亮。如图3-2 所示。f<&g

18、t;>莫里的7府式LED器件 Cb）共阳极LED图3-2 7段LED®码管1 .静态显示驱动静态显示，就是当单片机某一端口输出一组显示数据之后，该端口一直保持该数据 输出，维持数码管的显示数字，直到端口数据改变，又保持显示下一数据的显示方式。在具体电路连接上，将单片机一个端口的八个端子接在一只数码管的八个引脚上（h端为小数点），控制数码管的七段 LED的亮或熄，显示器出数字，这种显示控制方式 就是静态显示。静态显示电路连接特点是单片机端口的每一位与数码管的一个端相连 接，相当于单片机的一个引脚外接一只发光二极管。2 .动态显示驱动在电路连接上将所有要显示的数码管的八个端并接在单

19、片机同一个端口的八位上， 而用单片机的另一个端口的各个位分别控制各数码管的公共端，控制数码管是否点亮。 在程序的控制下，快速地依次输出要显示各个数，并同时控制对应数码管工作，这就是 数码管的动态显示方式。动态显示达到一定速度时，由于人眼的视觉暂留特性，在观察时，数码管所有内容 如同静态显示一样，不会产生闪烁。所以，对动态扫描的频率有一定的要求，频率太低， LED数码管将出现闪烁现象。如频率太高，由于每个LED数码管点亮的时间太短，LED 数码管的亮度太低，无法看清。所以，显示时间一般取几个ms左右为宜。在编写程序时，常采用调用延时子程序来达到要求的保持时间。程序工作时，使电路选通某一位数 码管

20、后，该数码管被点亮后并保持一定的时间。例如，在数码管上从左到右依次显示出 8个数字（07）为例，编写动态显示程序。 程序中将要显示的八个数字放在一个数组中（该数组取名为tabledu）。如果从段码输出端口来看，动态显示程序的显示段码输出的过程，其实质和静态显示八个数字是一样 的，依次输出各个段码；从位码端口看，要哪只数码管显示，就在那只数码对应位输出 0,显示一个数字后，则下一位输出低电平，（数组中取数tablewe）这与跑马灯的控制是一样的皿。3.2.3限流电阻的选择七段数码管LED的工作电流很小，一般为3道10mA,烧毁七段数码管LED电流 一般是在30mA左右。所以，每一段数码管都要接一

21、个限流电阻，防止数码管烧坏。 电阻的选择范围为470欧到1K。3.3 按键电路键盘是人机交换界面的输入设备，也是人对功能操作的唯一途径，根据设计功能的 要求选择键盘的设计，基本是从要用到的按键数目来确定按键的选择的，好的产品在于 产品的外观设计，所以数目多少是可以浮动选择。在单片机设计中，键盘通常有两种： 独立键盘和矩阵键盘。由于在本设计中所用到的按键并不是很多，我就采用独立键盘输 入方式来设计键盘。按键电路设置为启动、暂停、继续和清零四个独立按键。四个独立 按键“启动” P1.0, “暂停”接P1.1, “继续”接P1.2、“清零”接P1.3,如图3-3按键 电路所示。第7页共20页篮球比赛

22、24秒倒计时器电路设计SW-1暂停SW-2 '出SW-3清SW-434125689C10111213141516171819-207P1.0VCCP1.1P0.0 （ADD）P1.2P0.1 （AD1 ）P1.3P0.2（AD2）P1.4P0.3（AD3）P1.5P0.4（AD4）P1.6P0.5（AD5）P1.7P0.6（AD3）RSTP0.7（AD7）P3.0（RXD）EA/VPPP3.1 （TXD）AL E/PROGP3.2（INT0）PSENP3.3（INT1 ）P2.7（A15）P3.4（T0）P2.6（A14）P3.5（T1）P2.5（A13）P3.6 （WR）P2.4（A

23、12）P3.7 （RD）P2.3（A11）XTAL2P2.2（A10）XTAL1P2.1 （A9）GNDP2.0（A8）AT 89C514039383736353433323130292827262524232221图3-4按键电路作为机械按钮，键按下或者放开时，都存在着接通或断开的不稳定现象，从而使信 号电平具有抖动现象，这种现象称为抖动。由于按键的抖动，使按键对应的输出电平出现若干个干扰脉冲，如图 3-3所示。为 了保证每按下一次按键，单片机程序只动作一次，就需要消除因按键的抖动现象而引起 的错误动作，具体的处理方式分为硬件消除抖动和软件消除抖动，简称消抖。本设计采用延时去抖。开关动作时间

24、100ms图3-4按键的波形3.4 晶振电路单片机的时钟信号通常由两种方式产生。一是内部时钟方式如图3-11 (a)所示,二是外部时钟方式如图3-5 (b)所示。本设计采用内部时钟方式。只要在单片机的XTAL1第8页共20页和XTAL2引脚外接晶振即可。图中C1和C2电容为无极性电容，它能快速起振产生一个 稳定的频率。晶振CYS的振荡频率要小于12MHz，典型值为6MHz 12MHz或 11.0592MHZ810-oAT89C51XTAL218C1C1CRYSTALXTAL119(a)单片机内部时钟电路AT89C51XT AL21819XT AL1(b)单片机外部时钟电路图3-5时钟电路3.5

25、 报警器设计蜂鸣器只需要产生一个周期性变化的波形就能发出声音来，本设计是P3.7端口输 出一个周期性变化的波形通过三极管放大驱动扬声器。第9页共20页篮球比赛24秒倒计时器电路设计在该设计中所用到的报警电路是一个小扬声器。虽然扬声器工作时电流很小，但驱动扬声器一般还是需要外加电源驱动，单机不可以直接驱动。本设计接了一个 NPN型 三极管作为扬声器的驱动动电路。由于三极管具有电流放大作用，即只需用很小的 Ib 电流控制较大的Ic电流去驱动扬声器报警。电路图如图 3-6所示。图3-6报警电路40393837363534333231302928272625242322213.6 电源电路电源电路为系

26、统提供工作电源，它是将输入220V的交流电源转变为需要的5V和12的直流电源，有整流电路和稳压电路两部分组成，稳压电路选用7812和7805,如图图781278053-7所示四。4软件设计软件设计也就是程序的设计，简单的程序设计是电子专业学生必须掌握的一门技术。编程中常用到的语言有汇编、C语言、C+、C#和Java等。AT89C51用的比较多的 两种语言是汇编语言和C语言，本设计使用的是 C语言进行编程设计 吧。4.1 主程序流程设计这部分的功能是上电后要对整个系统进行初始化，篮球计时的分数显示部分要清 零，然后启动。在这部分里只主程序只对是否有开始键按下键和时间设定键的四个按键 进行扫描。当

27、只有按键启动按键被按下时，计时开始，其他按键按下无效。在计时阶段 主程序对所以按键进行扫描，如果扫描到任意一个按键被按下，则主程序开始执行相应 的操作。暂停按键被按下时，系统把进攻时间初始化，系统进入暂停计时状态，并延时 一段时间，等待再次被按下继续计时；当进攻清零键被按下时，倒计时不停止计时，而 是将进攻时间的值赋予一个初值。当计时到时，系统停止计时，并且产生一个报警信号 通过报警电路让轰鸣器响一段时间，同时等待按下启动按键，进行下次计时的开始。4.2 子程序设计4.2.1 按键扫描程序流程设计四个独立的按键（启动、暂停、继续、清零）分别接 PL0%PL3端口，采用软件扫 描获得数据，通过判

28、断语句判断是那个按键下，根据按键按下的功能调用该功能的服务图4-2按键扫描程序流程图5调试5.1 软件调试在keil-c中完成程序编写后，生成hex文件，进行前期模块仿真。然后与另一个 同学编写的程序模块统一进行调试，修改程序，在错误和警告都为零时，生成hex文件 然后载入protues进行仿真四，仿真图如图5-1所示。13931T-P1Q 1P11 2;P12 34-M3 113T中肛I -=TB<lipXTAUP 口口制口叩,1摘D1PDi'ADZXTAL2P 口D3叩福D*PDf/AbSP口后演帕pj=：Tpn 7MlPZRASPI1MSpzz'AinF2A11AL

29、EP2,M12曰PZfi'AllFZJSAUP2.TM1SPWpan'RXDP1 1Pl 1fTMDP323,IN 1 UpinPHUTTP1FP3J5TT11H.sP3.5WPi.?P3.T/KFZ2 n F F 于中?-E-W hs1ZE23?f3E*n*fl337jLlEZ1L$l*11m：TE：-：7R-图5-1仿真电路图5.2 仿真结果 根据仿真结果修改程序功能模块，直到达到预定结果。仿真最终结果达到预定要求，程序可用。具仿真图5-2所示。6结束语本电路设计只是在仿真下无错误现象， 在仿真调试下应用的程序烧写到芯片中还是 有一定的区别，仿真中单片机不接晶振电路就可以进

30、行仿真，而在实物中不接晶振电路 是不工作的。所以，这也是仿真中的缺陷。本设计硬件电路，包括了显示电路、报警电 路、键盘扫描电路和单片机控制电路。然后通过软件编程，用按键进行控制，用七段数 码模块进行显示，在仿真调试中几乎没有问题，基本完成了预期要实现的目标。参考文献：1 余新平.数字电路设计.仿真.测试.华中科技大学出版社2010.82 罗昌状 数字电子技术试验指导中国电力出版社.2010.3.3 李焕英.数字电路与编程设计实训教程.科学出版社2005.3.4 史锡腾等.单片机开发应用实例M.华中科技大学出版社.20095肖 婿.单片机设计与仿真M.北京航空航天大学出版社.2101.86 彭

31、伟.单片机C语言程序设计实训100例M.北京航空航天大学出版社.2010.5 口 冯先成等.单片机应用系统设计M.北京航空航天大学出版社.20098 李全利.单片机原理及接口技术M.北京.高等教具出版社.20109 周润景.徐宏伟等.单片机电路设计、分析与制作M.机械工业出版社.201010肖 看.李群芳.单片机原理、接口及应用M.清华大学出版社.201011谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中理工出版社.200012王敏.周冰航等.数字电路实验与设计.湖南大学出版社.2001.413谭浩强.C语言程序设计M.北京.清华大学出版社.200914 P a r k L e e S o o n,

32、Ch o i Hy u n g S u k , Kime t Woo-Sik, eta1 . PhotoIithographic Process of Microcapsule Sheet for Electrophoretic DisplayJ . Materials Science and Engineering.2004.24(1-2): 143-146第19页共20页附录:软件设计程序：程序名称程序作者作者学号/*篮球24S倒计时设计敖小敏200920084011 */ #include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define

33、 uint unsigned int unsigned int bdata flag=0;启动 暂停 继续清零sbit start=flagA0;/ sbit stop=flagAl；/ sbit goon=flagA2; sbit clear=flagA3; sbit sonund=P3A7; void Playk();void key();unsigned a5 尸0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66;unsigned b10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/*函数名称：delay函数功能：延时*/ void

34、 delay1s( void ) unsigned char i,j,k;for( i=20; i>0; i-)for(j=2; j>0; j-)for( k=250; k>0; k-);/*/ void DelayUs2x(unsigned char t)while(-t);void DelayMs(unsigned char t)while(t-)/ 大致延时1mSDelayUs2x(245);DelayUs2x(245);/* 函数名称：Playk函数功能：按键声音*/ void Playk()uchar i;for(i=0;i<100;i+)sonund=son

35、und;DelayMs(1);sonund=0;/*函数名称：key函数功能：按键扫描*/ void key()static uchar n=0;uchar keytemp;switch(n)case 0:if(P1&0x0f)!=0x0f) DelayMs(5);if(P1&0x0f)!=0x0f)keytemp=P1&0x0f;switch(keytemp)case 0x0e:/启动start=1;Playk();break;case 0x0d:/暂停stop=1;Playk();break;case 0x0 b:/继续stop=0;Playk();break;case 0x07:/ clear=1;清零Playk()；break;default:break;n=1;break;case 1:if(P1&