基于单片机的00秒-99秒的秒表设计
工程技术学院
课程设计
题目：用单片机AT８９C5１设计一个2位的LED数码显示作为“秒表”
专业：电气工程及其自动化
年级： 2009级
学号： 2０0９1４4７ 2０0９141４ 200９1444 姓名：付忠林梁宗林李座
指导教师: 杨彦鑫
日期: ２012年12月12日
云南农业大学工程技术学院
目录
一、设计题目和要求：................................................................................... 错误!未定义书签。
二、设计目的：?错误!未定义书签。
三、设计内容：?错误!未定义书签。
四、课程设计心得体会?错误!未定义书签。
五、参考文献?错误!未定义书签。
六、课程设计指导教师评审标准及成绩评定............................................... 错误!未定义书签。附件1：秒表原理图（实际接线图）............................................................ 错误!未定义书签。附件2:仿真图1?错误!未定义书签。
附件3：仿真图2?错误!未定义书签。
一、设计题目和要求：
题目三：秒表
应用AＴ89Ｃ５１的定时器设计一个2位的ＬED数码显示作为“秒表”:显示时间为0０～99ｓ,每秒自动加1，设计一个“开始”键,按下“开始”键秒表开始计时。设计一个“复位”键，按下“复位”键后，秒表从0开始计时。
任务安排：李座负责绘制电路原理图；梁宗林负责收集资料及电子版整理;付忠林负责程序和仿真。
二、设计目的：
1.进一步掌握AT8９C５１单片机的结构和工作原理；
2.掌握单片机的接口技术及外围芯片的工作原理及控制方法；
3.进一步掌握单片机程序编写及程序调试过程，掌握模块化程序设计方法;
4.掌握PROTEUＳ仿真软件的使用方法；
5.掌握LＥD数码管原理及使用方法。
6.掌握定时器、外部中断的设置和编程原理。
7．通过此次课程设计能够将单片机软硬件结合起来，对程序进行编辑，校验。
8．该课程设计通过单片机的定时器/计数器定时和计数原理,设计简单的计时器系统，拥有正确的计时、暂停、清零、复位功能，并同时可以用数码管显示。
三、设计内容:
了解805１芯片的的工作原理和工作方式，使用该芯片对LEＤ数码管进行显示控制,实现用单片机的端口控制数码管，显示分、秒,并能用按钮实现秒表起动、停止、清零功能,精确到1秒。
AT８9Ｃ5１单片机的主要工作特性:
·内含4ＫB的FLASH存储器，擦写次数１0０0次;
·内含２8字节的RＡM;
·具有32根可编程Ｉ/O线;
·具有２个16位可编程定时器;
·具有６个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构；
·具有1个全双工的可编程串行通信接口；
·具有一个数据指针DPTＲ;
·两种低功耗工作模式,即空闲模式和掉电模式;
·具有可编程的３级程序锁定定位；
AＴ89C51的工作电源电压为5(1±0．２)V且典型值为5Ｖ,最高工作频率为24MＨz. AT８9C5１各部分的组成及功能：
1．单片机的中央处理器（ＣＰＵ）是单片机的核心，完成运算和操作控制,主要包括运算器和控制器两部分。
2.累加器ＡCC、B寄存器、程序状态字PＳW和两个暂存器等。
(1) ＡLＵ是运算电路的核心,实质上是一个全加器,完成基本的算术和逻辑运算。算术运算包括加、减、乘、除、增量、减量、ＢＣD码运算;逻辑运算包括“与”、“或”、“异或”、左移位、右移位和半字节交换,以及位操作中的位置位、位复位等。
暂存器1和暂存器２是AＬU的两个输入,用于暂存参与运算的数据。ALU的输出也是两个：一个是累加器，数据经运算后,其结果又通过内部总线返回到累加器；另一个是程序状态字PＳW,用于存储运算和操作结果的状态。
累加器是CＰU使用最频繁的一个寄存器。ACＣ既是ALU处理数据的来源,又是ALU运算结果的存放单元。单片机与片外RAＭ或Ｉ/O扩展口进行数据交换必须通过ＡCＣ来进行。
B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一，另一个输入来自ＡCＣ。运算结果存于ＡB寄存器中。
(2)控制器
控制器是识别指令并根据指令性质协调计算机内各组成单元进行工作的部件,主要包括程序计数器ＰC、ＰＣ增量器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等,其功能是控制指令的读入、译码和执行，并对指令执行过程进行定时和逻辑控制。ＡT８9C5１单片机中，PC是一个１6位的计数器，可对64ＫB程序存储器进行寻址。复位时PC的内容是0000Ｈ.
(3)存储器
单片机内部的存储器分为程序存储器和数据存储器。AT8９C51单片机的程序存储器采用４ＫB的快速擦写存储器Flasｈ Meｍory,编程和擦除完全是电器实现。
（4)外围接口电路
AT８9C５1单片机的外围接口电路主要包括：4个可编程并行I/O口,1个可编程串行口，2个1６位的可编程定时器以及中断系统等。
AT89Ｃ5１的工作原理:
３．引脚排列及功能
ＡＴ89Ｃ51的封装形式有PＤＩP,TQFP，PLＣC等,现以ＰDIP为例。
(１)I／O口线
·P0口 8位、漏极开路的双向I／O口。
当使用片外存储器及外扩I/O口时，P0口作为低字节地址/数据复用线。在编程时,P ０口可用于接收指令代码字节;程序校验时，可输出指令字节。P0口也可做通用I/O口使用，但需加上拉电阻。作为普通输入时,应输出锁存器配置1。P0口可驱动８个TＴL负载。
·P1口 8位、准双向Ｉ/O口,具有内部上拉电阻。
P1口是为用户准备的I/Ｏ双向口。在编程和校验时，可用作输入低8位地址。用作输入时,应先将输出锁存器置1。Ｐ1口可驱动4个TTL负载。
·Ｐ2 8位、准双向I/Ｏ口,具有内部上拉电阻。
当使用外存储器或外扩I／O口时，P2口输出高8位地址。在编程和校验时，P2口接收高字节地址和某些控制信号。
·P3 8位、准双向I/Ｏ口，具有内部上拉电阻。
P3口可作为普通I/Ｏ口。用作输入时,应先将输出锁存器置１。在编程/校验时,Ｐ3口接收某些控制信号。它可驱动４个TTL负载。
(2)控制信号线
·RＳT 复位输入信号,高电平有效。在振荡器稳定工作时，在RＳＴ脚施加两个机器周期以上的高电平，将器件复位。
·ＥA／VPP 外部程序存储器访问允许信号EＡ.
当EA信号接地时,对ROM的读操作限定在外部程序存储器，地址为０0０0Ｈ-FFFFH;当ＥＡ接ＶCC时,对ROM的读操作从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。在编程时,该引脚可接编程电压5V或12V。在编程校验时,该引脚可接VＣC。
·ＰSＥＮ片外程序存储器读选通信号ＰＳEＮ,低电平有效。在片外程序存储器取指期间，当PＳEN有效时,程序存储器的内容被送至P0口;在访问外部RAM时,ＰSEN 无效。
·ALE/PＲOＧ低字节锁存信号ALE．在系统扩展时,ＡLE的下降沿将P0口输出的低８位地址锁存在外接的地址锁存器中,以实现低字节地址和数据的分时传送。此外，AL Ｅ端连续输出正脉冲，频率为晶振频率的１/6,可做外部定时脉冲使用。
(3）外部晶振引线?
·XTAＬ1 片内振荡器反向放大器和时钟发生线路的输入端。使用片内振荡器时,连接外部石英晶体和微调电容。
·XＴＡL2 片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，外接石英晶体和微调电容。
4．存储器组织和特殊功能寄存器
AT89C51的存储器将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的存储空间和访问指令。它有4个存储空间:片内存储器、片外存储器、片内数据存储器及片外存储器。
4.1 时钟电路和工作时序
（
(２)振荡电路的接法
4.２ＬEＤ数码管的结构和工作原理
LED数码管（LＥD Sｅgmｅｎt Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划,公共电极。ＬEＤ数码管常用段数一般为７段有的另加一个小数点,还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位,1，2，3,４,5,6,8,１0位等等.．..，LＥD数码管根据ＬED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性,对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的,只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿,蓝,黄等几种。ＬＥD数码管广泛用于仪表,时钟,车站,家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗,亮度，波长等。下面将介绍常用LED数码管内部引脚图。
图１这是一个7段两位带小数点１0引脚的LED数码管
图２引脚定义
每一笔划都是对应一个字母表示ＤP是小数点.
数码管分为共阳极的LED数码管、共阴极的LED数码管两种。下图例举的是共阳极的LEＤ数码管,共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正。led数码管原理图示意:
图3 引脚示意图
从上图可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件:1、是要在VT端（3/8脚）加正电源;2、要使(a,b,c,d,ｅ,f，g,ｄp)端接低电平或“0”电平。这样才能显示的。
共阳极LEＤ数码管的内部结构原理图图4:
图4 共阳极ＬED数码管的内部结构原理图共阴极LＥD数码管的内部结构原理图:
图5 共阴极LED数码管的内部结构原理图
表１.１显示数字对应的二进制电平信号
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位,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。
A、静态显示驱动：
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口进行驱动，或者使用如BＣＤ码二-十进位转换器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多,如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=４０根Ｉ/O口来驱动，要知道一个89S５1单片机可用的I/O口才３2个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。
Ｂ、动态显示驱动：
数码管动态显示介面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，取决于单片机对位元选通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。
４.3设计思路(方案）
该实验要求进行计时并在数码管上显示时间,则可利用DＶＣC系列单片机微机仿真实验系统中的芯片80３2(芯片的功能类似于芯片AT89Ｃ51,其管脚功能也和ＡＴ89C5１的管脚功能类似)中的P３.2管脚做为外部中断0的入口地址，并实现“开始”按键的功能；将P3．3做为外部中断1的入口地址，并实现“清零”按键的功能；将P3.0做为数据信号ＤATA输入的入口地址；将Ｐ３.1做为时钟信号CLＫ输入的入口地址。定时器T０作为每秒加一的定时器；定时器T１作为“快加”键的定时器。其中“开始”按键当开关由１拨向0(由上向下拨)时开始计时;“清零”按键当开关由1拨向０（由上向下拨）时数码管清零,此时若再拨“开始”按键则又可重新开始计时。
４.４系统总体方案及硬件设计（方案论证、设计、调试及仪器说明)
4.４.1系统总体方案
本系统采用AT8９C51单片机为中心器件,利用其定时器/计数器定时计数的原理，结合硬件电路如电源电路，晶振电路，复位电路和显示电路,以及一些按键电路等来设计计数器，将软硬件有机结合起来,其中软件系统采用汇编语言编写程序，包括显示程序,计数程序,
中断,硬件系统利用Protues强大的功能来实现，简单易于观察,在仿真中就可以观察到实际的工作状态。
4.4．２硬件电路设计
1)晶振电路
ＭCS-５１单片机内部的晶振电路是一个高增益反相放大器，引用XTAL1和ＸＴAL2分别为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入和来自反向振荡器的输出,该反向放大器可以配置为片内振荡器。
这里，我们选用５1单片机12ＭHＺ的内部振荡方式，电路如下:电容器C1、Ｃ2起稳定振荡频率，快速起振的作用,Ｃ1和C2可以在20-100PF之间取值，这里取2０PＦ，接线时要使晶体振荡器X１尽可能接近单片机。
2）按键部分电路接线
在按键电路中，我们可以在I/O口上直接按键，或者通过I/O口设计一个键盘,然后通过键盘扫描程序判断是否有按键按下等。此系统是一个小系统，有足够的Ｉ/O口可以使用,为了使程序简化，我们采用按键电路，用部分P1口做开关,P1.0开始，P１.1暂停,P1.2清零,P1．3复位。
３）显示电路电路
显示电路我们采用的是数码管显示电路。用2个共阴极LED显示，ＬEＤ是七段式显示器，内部有７个条形发光二极管和１个小圆点发光二极管组成，根据各二极管的亮灭组合成字符。
在用数码管显示时，我们有静态和动态两种选择,静态显示程序简单,显示温度,但是占用端
口比较多;动态显示所使用的端口比较少,可以节省单片机的Ｉ／O口。
在设计中,我们采用LＥD动态显示,用P0口驱动显示。由于P0口的输出极是开漏电路，用它驱动时需要外接上拉电阻才能输出高电平。
4.5 软件设计
4.５．1软件设计概述
在软件设计中,一般采用模块化的程序设计方法,它具有明显的优点，把一个多功能的复杂的程序划分成多个简单的、单一的程序模块,有利于程序的测试和调试,有利于程序的优化和分工,提高了程序的阅读性和可靠性，使程序的结构一目了然。
4．５.2程序流程图
1)系统主程序流程图 ２）定时器中断T ０流程图
４.5.3子程序模块设计 1)显示精度为１秒程序
MAIN ： M ＯV Ｒ０，#２0
ＭOV ＴＭＯD,＃0１Ｈ MOV T Ｈ0,#3ＣH
MO Ｖ TL ０,#０B0Ｈ MOV ＤＰT Ｒ,＃TABLE S ＥＴB EA SET Ｂ ET0 2）延时程序
DEL ＡＹ: ;误差 0u ｓ MOV Ｒ6,#01Ｈ DL ０:
ＭOV Ｒ５,#61H
4.6秒表汇编程序
;**＊******＊***＊＊**＊****＊***＊******＊**********＊**
;本程序实现秒表从0s计到99s
K_S ＢIT ?P1.0???；秒表开始控制位
Z_T BIT P1.1 ;秒表暂停控制位
Q_Ｌ?BIT P1.2 ;秒表清零控制位
F_W ＢIT P1.３；秒表复位控制位SECOND EQU 30H
TCNT EQU ?34H
?ORG??0０H
?SJMP?STＡRT
ORG 0ＢH
??LJMP?INT＿T0
STＡＲT: MOV ?DPＴR,#ＴABLE
?
MＯV?SＥＣＯND,#０
MOV??ＴCＮT，＃0
MＯV??TMOD,＃０1Ｈ
?SＥTＢＰ1.0
SＥＴB P１.１
ＳEＴＢ P１.2
ＳETB P1．3
?JＢ K＿S,$?;秒表开始控制位
?MOV?ＴH0,#3CＨ?;fosc＝12MＨz,定时５0毫秒
??MOV TL0,#0B0H
?MＯV??ＩＥ，#82H
?SＥTB?TＲ0
；***＊＊******＊***＊*＊＊***＊**＊＊*＊＊*****＊＊********＊＊＊＊*** ;对秒表的两位显示进行控制
A1: LＣAＬＬ?ＤIＳPLAY
MOＶ?A,SECＯND
?CJNE A,＃99,A1?；判断是否加到９9秒
CLEAR: MＯV??ＳECOND，#0
;*****＊****＊＊**＊＊**＊＊******************＊****＊**＊
；定时器中断服务程序，对秒计数
IＮT_T0:?JNB Ｚ_Ｔ,ZT ;秒表暂停控制位
ＮEＸT：MOＶ?TH０,＃3CH
MＯV ?TL0,＃0B０H
?ＩNC ?TCNT
??MOV ?Ａ,ＴCＮＴ
?CJNE A,#20,REＴＵNE ;计时1秒用#20
??INＣ??SEＣOＮD
MOV?ＴCNT,＃０
?MOＶA,ＳECONＤ
?ＣＪNE A,#99,RETＵNE
MＯV?SEＣOＮＤ,#0
REＴＵNE:?ＲETＩ
;**＊**＊****＊**********＊****＊＊＊**＊****＊*＊***
;显示控制子程序
DISPLAY:
?JNＢ Q＿L,CLEＡR ;秒表清零控制位
?JNB Ｆ＿Ｗ,STARＴ ;秒表复位控制位
MOＶ??A,ＳEＣONＤ?；显示秒表的两位
?MOV??B,#1０
DIV?A B
?ＣLR?Ｐ3.6
MOVC Ａ,@A＋DPTR