單片機的秒表設(shè)計報告

PAGEPAGE1PAGE0課程名稱：微機原理課程設(shè)計題目：基于51單片機的秒表設(shè)計摘要隨著社會的發(fā)展，單片機已經(jīng)滲透到我們生活中的各個領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等。本設(shè)計就是由單片機STC89C52RC芯片和1602液晶為核心，輔以必要的電路，構(gòu)成了一個單片機電子秒表。秒表是一種常用的測試儀器，它可以用在百米賽跑等需要精確計時的地方，為人們的生活提供了很大的方便。該單片機電子秒表布置合理，全部器件分布在7*10cm覆銅板上，看起來小巧精簡。采用的是單片機內(nèi)部定時/計數(shù)器計時，走時非常精確而且不易出錯。1602液晶經(jīng)藍白滑動變阻器調(diào)節(jié)亮度，，可以直觀地顯示時間。一個控制按鍵就可以控制秒表的計數(shù)與停止，按一下控制鍵，秒表工作狀態(tài)就由計時變?yōu)橛嫊r變?yōu)橥Ｖ够蛲Ｖ棺優(yōu)橛嫊r，按一下清零鍵就可以清零，操作非常簡單。液晶顯示屏第一行顯示2013.7.11字樣的秒表制作完成時間，第二行顯示計時時間。它的計時周期為100秒，顯示滿刻度為99：99秒，從左往右數(shù)共四位，前兩位顯示整數(shù)部分，后兩位顯示小數(shù)部分。關(guān)鍵詞：秒表，51單片機，C語言,1602液晶

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u一、設(shè)計任務(wù)、要求 81.1設(shè)計任務(wù)： 81.2設(shè)計要求： 8二、方案總體設(shè)計 92.1方案一： 92.2方案二： 92.3系統(tǒng)采用方案 9三、硬件設(shè)計 113.1單片機最小系統(tǒng) 113.2液晶顯示模塊 113.3系統(tǒng)電源 123.4整體電路 123.5PCB整體電路 13四、軟件設(shè)計 144.1keil軟件介紹 144.2程序流程圖 15五、仿真 175.1proteus軟件介紹 175.2仿真過程 17六、總結(jié) 196.1設(shè)計總結(jié)： 196.2經(jīng)驗總結(jié)： 0七、參考文獻 1

一、設(shè)計任務(wù)、要求1.1設(shè)計任務(wù)：1).對更多小器件的了解2).鞏固51單片機和C語言的知識，熟悉單片機和C語言的實際操作運用3).掌握仿真軟件的運用和原理圖的繪制4).加深焊接的技巧，提高焊接的能力5).熟悉調(diào)試方法和技巧，提高解決實際問題的能力6).熟悉設(shè)計報告的編寫過程7).熟悉PCB的制作1.2設(shè)計要求：1).清零鍵進行清零2).一個獨立按鍵進行停止與運行的操作3).藍白滑動變阻器可以調(diào)節(jié)液晶亮度

二、方案總體設(shè)計設(shè)計一個基于51單片機的秒表。液晶屏幕第一行顯示秒表制作完成日期，第二行顯示計時時間；利用單片機內(nèi)部精確到微妙的定時計數(shù)器來實現(xiàn)計時功能；利用引腳的電平變換來實現(xiàn)一個獨立按鍵按控制秒表的運行與停止；利用清零鍵功能來實現(xiàn)按鍵的清零操作。調(diào)節(jié)藍白滑動變阻器來調(diào)節(jié)液晶亮度。2.1方案一：51單片機的定時/計數(shù)器工作在模式2時是一個可以自動重裝載的8位定時/計數(shù)器。工作時高八位和低八位裝入相同的初值，當(dāng)?shù)桶宋谎b滿時，高八位的值自動裝入到第八位中，從而可以省去用戶軟件中重裝初值常數(shù)的語句，可產(chǎn)生相當(dāng)精確的定時時間。由于只有八位參與計數(shù)，所以其計數(shù)周期最大為256微妙。秒表精確到0.01秒，所以采用初值裝入0x38，計數(shù)50次秒表最低位加1。低位的累加進而向高位的進位，從而實現(xiàn)1602液晶的秒表顯示。設(shè)置液晶屏幕第一行顯示秒表制作完成日期，第二行顯示計時時間。同樣檢測TR0的值，如果TR0為0，則說明暫停。外部中斷具有實時處理的功能，所以可以利用外部中斷來進行控制運行與停止的操作。外部中斷有兩種觸發(fā)中斷的方式：定電平觸發(fā)，跳變沿觸發(fā)。如果用低電平觸發(fā)的話，由于按鍵每按一次，導(dǎo)通的時間大約為20毫秒，在這個時間段足夠觸發(fā)好多次中斷，所以不用低電平觸發(fā)，采用跳變沿觸發(fā)中斷。每按一次按鍵觸發(fā)一次中斷，在中斷程序中對TR0進行設(shè)置，從而實現(xiàn)控制運行與停止。清零鍵每按一次就清零一次，程序就回到初始位置，液晶屏幕第二行也就顯示初始的00：00狀態(tài)。2.2方案二：51單片機的定時/計數(shù)器工作在模式0時是一個16位位定時/計數(shù)器。工作時高八位和低八位各裝入初值，當(dāng)?shù)桶宋谎b滿時，高八位加1。由于是16位參與計數(shù)，所以其計數(shù)周期最大為65536微妙。秒表精確到0.01秒，所以采用高八位初值裝入（65536-10000）/256，低八位裝入（65536-10000）%256，計數(shù)1次秒表最低位加1。低位的累加進而向高位的進位，從而實現(xiàn)1602液晶的秒表顯示。設(shè)置讓液晶屏幕第一行顯示秒表制作完成日期，第二行顯示計時時間。同樣檢測TR0的值，如果TR0為0，則說明暫停。按鍵可以改變引腳的電平，所以可以檢測P口的變化，根據(jù)P口的電平情況來在程序中對TR0進行設(shè)置，從而實現(xiàn)控制運行與停止。清零鍵每按一次就清零一次，液晶屏幕的第二行也就顯示初始的00：00狀態(tài)。2.3系統(tǒng)采用方案總體設(shè)計：系統(tǒng)總體框架圖如圖所示：圖1系統(tǒng)總體框架2）總體方案工作原理由于定時器工作模式2是八位計數(shù)，可裝入的值太小，秒表最低位每加一次需要進入50次定時器中斷，由于進入中斷的次數(shù)太多，所以很容易出現(xiàn)在低八位裝滿本應(yīng)觸發(fā)而程序還在中斷子程序中運行，而無法觸發(fā)中斷的情況，所以不適宜采用工作模式2。工作模式0只需要進入定時中斷一次就可以讓秒表最低位加1次，需要進入中斷的次數(shù)相對來說少很多。所以選擇功能模式0是更加合理的。由于外部中斷跳變沿方式每一次下降沿都會觸發(fā)中斷，而按鍵按下的時候，會出現(xiàn)抖動的情況，并且采用外部中斷不易進行消抖，很不穩(wěn)定，很可能按一次出現(xiàn)幾次中斷，所以不采用外部中斷方式。用P口檢測的話，比較容易消抖，還可以進行松手檢測，并且也可以實時監(jiān)測，所以用P口檢測的方法進行控制。根據(jù)這些對比，最終選擇選擇方案二。

三、硬件設(shè)計3.1單片機最小系統(tǒng)單片機要正常工作，首先要產(chǎn)生片內(nèi)時鐘信號。在單片機內(nèi)部的振蕩器的輸入端XTAL1和輸出端XTAL2之間接一個石英晶振就可以夠成一個自激振蕩器。再在兩端之間串聯(lián)接個電容并且在兩個電容之間接地以便于穩(wěn)定頻率還對振蕩頻率有微調(diào)作用。電容通常選30uF左右，振蕩脈沖頻率范圍為0~24MHZ。該電路中選用12MHZ晶振。時鐘電路圖如下：、圖2時鐘電路圖單片機在啟動時與其他微處理器一樣，要讓CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始開始工作。這就需要復(fù)位操作。復(fù)位電路有兩種方式：上電自動復(fù)位和按鍵自動復(fù)位。上電自動復(fù)位只是在開始接通電源瞬間復(fù)位，接下來想要再次復(fù)位就需要斷電重啟，不方便。按鍵自動復(fù)位不僅可以在開始接通電源瞬間復(fù)位還可以通過按下按鍵復(fù)位隨時復(fù)位。所以選擇按鍵復(fù)位方式。復(fù)位電路如下：圖3復(fù)位電路圖3.2液晶顯示模塊該秒表計時周期為100秒，采用1602液晶顯示。控制1602液晶亮度的是藍白滑動變阻器。1602液晶有16個管腳。編號為1,2管腳為電源正負極管腳，15,16為背光源正負極管腳；7~14為dataI/O管腳與單片機的P0口相連，負責(zé)液晶與芯片之間的信息傳送；4,5,6分別為數(shù)據(jù)/命令選擇端、讀/寫選擇端、使能端，與單片機的,P2^0、P2^1、P2^2相連，負責(zé)控制液晶與芯片之間數(shù)據(jù)命令的讀寫操作；3為液晶顯示偏壓信號端，用于調(diào)整液晶顯示對比度。1602液晶顯示原理圖如下：圖4液晶顯示系統(tǒng)圖3.3系統(tǒng)電源為了方便控制系統(tǒng)的上電與斷電，系統(tǒng)電源中連接了一個8*8的藍白自鎖開關(guān)。此開關(guān)兩邊各有三個引腳，不同的連接方式，開關(guān)的控制方法就不同。帶有字母的那面為正面，從正面觀看，該秒表的電源的正極接在藍白自鎖開關(guān)的左邊，負極則接在藍白自鎖開關(guān)的右邊。為了方便觀察電源是否接上，在電路中的VCC與GND之間接一個發(fā)光二極管并且加一個1K的限流電阻防止發(fā)光二極管燒壞，電源通電時發(fā)光二極管亮，斷電時，則暗。再接四個排針，靠兩邊的兩個排針用于外部電源給系統(tǒng)上電，中間的兩個排針是用于單片機燒錄程序。如圖所示：圖5系統(tǒng)電源圖3.4整體電路這是采用網(wǎng)絡(luò)標號的畫出的以一張整體電路圖。它將整張秒表的電路原理圖分為七個部分：電源模塊，P0口上拉電阻，1602液晶顯示模塊，51單片機，復(fù)位晶振電路，控制按鍵，清零按鍵。整張原理看起來美觀，并且根據(jù)標號很容易找到與之對應(yīng)的引腳。在看原理圖的時候，看到提供了兩種液晶顯示系統(tǒng)的模板，我就分析了一下電路原圖，認為兩種版本的原理圖連接方式都是正確的，并且第一種版本的還和上次做數(shù)碼管顯示的秒表更相似，焊接的時候可能更容易上手。我就選擇做第一版本的原理圖去做液晶顯示的秒表。在焊接的時候，我突然想到為什么要提供兩個版本的原理圖給我們。我就去問了一下同學(xué)，結(jié)果得知，老師要求按照第二版本的原理圖來做。但是已經(jīng)有幾個元器件焊到板子上去了，無法更改只能照著第一版本的原理圖繼續(xù)做下去。而事實是第一版本的設(shè)計不合理，是要反方向安插液晶的。這次錯誤給了我一個深刻地教訓(xùn)，在我剛看到有兩個版本的原理圖時，我就應(yīng)該問自己一下，為什么要提供兩個版本的原理圖，這兩個版本的原理圖對比起來有什么不同，我應(yīng)該選擇哪個版本的。最后為了確定我的選擇是否正確，我還應(yīng)該問一下知道的同學(xué)。圖6整體電路圖3.5PCB整體電路這是一張PCB整體電路圖。設(shè)計PCB一般分為八個步驟：設(shè)計原理圖，創(chuàng)建PCB文檔，規(guī)劃電路板，裝在封裝庫，布局，設(shè)置規(guī)劃線，布線以及生成報表打印輸出。規(guī)劃PCB有兩種方法：一是利用AltiumDesigner提供的向?qū)Чぞ呱桑鞘謩釉O(shè)計規(guī)劃電路板。該PCB電路板圖是采用手工設(shè)計規(guī)劃電路板的方法設(shè)計完成的。設(shè)計時在提供的顯示模塊的基礎(chǔ)上，再從封裝庫中找出秒表所需的外圍器件的封裝，添加到已有的顯示模塊上，設(shè)置管腳的網(wǎng)絡(luò)標號，再連好線就完成了。圖7PCB電路四、軟件設(shè)計4.1keil軟件介紹KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種Keil軟件圖標是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。運行Keil軟件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空閑的硬盤空間、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對于使用51系列單片機的愛好者來說是十分必要的，如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選（目前在國內(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真機也很可能只支持該軟件），即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。

4.2程序流程圖圖8主程序流程圖圖9定時器中斷程序流程圖

五、仿真5.1proteus軟件介紹Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持KEIL,IAR和MPLAB等多種編譯器。PROTEUS不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在相當(dāng)程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示實驗難以達到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應(yīng)。這在相當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調(diào)試、運行結(jié)果等。使用Proteus軟件進行單片機系統(tǒng)仿真設(shè)計，是虛擬仿真技術(shù)和計算機多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力及仿真軟件的操作能力；在單片機課程設(shè)計和全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，我們使用Proteus開發(fā)環(huán)境對學(xué)生進行培訓(xùn)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映，對單片機的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用Proteus進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設(shè)計效率。因此，Proteus有較高的推廣利用價值。5.2仿真過程 圖10為使用keil軟件編寫程序時的調(diào)試過程圖。我用的是C語言來編寫。第一次編寫完程序后，然后編譯一下，出現(xiàn)的對話框中顯示有幾個錯誤，點擊錯誤提示，主程序會出現(xiàn)光標只向錯誤的地方，根據(jù)這個錯誤提示，然后進行更改，再編譯一下，程序還是顯示有錯誤，再重復(fù)上次的操作，進過了幾次修改后，就如圖所示沒有錯誤提示了。編寫程序就是這樣，需要不斷修改，程序才能準確。程序編寫好，還要編譯成HEX文件。只有HEX文件才能燒錄到到單片機上。圖10keil軟件仿真圖圖11為proteus仿真原理圖。在proteus界面連接好電路圖后，箭頭放在單片機上單擊右鍵，會出現(xiàn)一個對話框，可以通過這個對話框中的選項，加載程序到仿真圖的單片機中，也進行元器件的放置方向進行調(diào)整，也可以刪除元器件，還用很多功能選擇項，不過在畫這張原理圖時暫時還沒用到。在出現(xiàn)的對話框中點擊EDITPROPOTES再在出現(xiàn)的對話框中點擊programfile那行的那個文件圖標，從里面找出先前已經(jīng)在KEIL軟件中編譯的HEX文件，。點擊文件后，然后在單擊editcomponent對話框的右上角的OK選項。然后點擊Proteus的首界面的左下角形狀是黑色三角型的play鍵，仿真圖上的顯示系統(tǒng)就出現(xiàn)了初始狀態(tài)，單擊控制開關(guān)，秒表開始計數(shù)，再單擊一下控制開關(guān)后，計時停止。也可以點擊play鍵右邊那個step鍵，讓程序一步一步執(zhí)行step鍵右邊是pause鍵，按一下這個鍵程序就暫停運行，再按一下程序就又開始運行。仿真完后按一下stop鍵結(jié)束仿真。當(dāng)看到仿真電路上出現(xiàn)現(xiàn)象和操作時所達到的效果和我在編程時所預(yù)想的情況一樣后，再保存所畫的電路圖，單擊左上角的file中，再在出現(xiàn)的選項中單擊save，可以選擇自己想要保存的地方。下次打開proteus時可以單擊file，再在出現(xiàn)的選項中單擊opendesign的選項，可以從保存的地方直接選擇所畫的電路圖打開，并且可以直接仿真。在要用proteus仿真軟件的時候，剛開始不會使用，因為我電腦里有學(xué)習(xí)這款軟件的視頻，然后我就看視頻學(xué)習(xí)。老師看到我在看視頻學(xué)習(xí)時，就要我不要通過看視頻學(xué)習(xí)，直接看文檔，先簡單的學(xué)一些，夠現(xiàn)在用就行，以后邊用邊學(xué)。確實通過看文檔，邊看邊操作，再問一下同學(xué)，沒花多少時間我就可以使用了。要不是老師指導(dǎo)一下，我可能要花上好多時間在學(xué)習(xí)proteus軟件上面。在以后學(xué)習(xí)中，我盡量多看書，看視頻雖說細致但太費時間，看書實在看不懂再去看看詳細講解的視頻，特別是學(xué)習(xí)軟件，看視頻不單費時間，看了還容易忘，看文檔邊看邊操作，花的時間少還記得牢。圖11proteus仿真圖

六、總結(jié)6.1設(shè)計總結(jié)：我的課題是基于51單片機秒表的設(shè)計。當(dāng)我選擇了這個課題的時候，我就先開始想在平常生活中秒表的功能是怎樣的，需要一些什么器件來實現(xiàn)這些功能。在確定了自己要設(shè)計一個怎樣的秒表之后就開始列出做這個秒表所需要的元器件。這個秒表是基于給定的顯示系統(tǒng)上設(shè)計的，所以在設(shè)計電路原理圖之前，我先要掌握給定的顯示系統(tǒng)原理圖的連接方式和連接原理。這一些都弄明白之后，我再考慮如何在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行外圍設(shè)計使之達到預(yù)想的功能。經(jīng)過一番斟酌，確定我的外圍硬件只需添加一個獨立按鍵就可以實現(xiàn)秒表的功能。由于我的秒表元器件是焊接在一個70×90大小的洞洞板上，所以為了以后方便焊接，減少焊接錯誤，需要在洞洞板軟件中的一個70×90大小的洞洞板底圖上畫出洞洞板圖，設(shè)計線路的時候要盡量減少飛線的使用，畫完之后和給出的圖進行對照，確定我沒有連接錯誤之后，修正洞洞板圖，使線路沒有斷路并且更加筆直，接點處沒有連線出頭，修正完后保存洞洞板圖。硬件設(shè)想好了，接下來，我就要給我所要設(shè)計的秒表進行軟件設(shè)計，使之實現(xiàn)智能化。進過了幾次調(diào)試之后，在keil軟件中我的程序顯示0error。沒有錯誤的程序，不代表它就能實現(xiàn)我預(yù)期的功能。為了初步驗證我的編寫的程序所達到的效果，就需要用仿真軟件在電腦進行仿真。而在前面已經(jīng)介紹過了，在仿真軟件當(dāng)中，proteus軟件是一款非常適合我們的軟件，所以我們一般選擇使用proteus軟件進行仿真。在proteus軟件界面畫好電路圖之后，檢查一下，確定連接符合洞洞板原理圖后，再加載之前在keil軟件中編譯好的HEX文件，，單擊play鍵開始程序運行，觀察液晶顯示的初始狀態(tài)，操作秒表的原理圖上的控制按鍵，觀察運行過程中數(shù)碼管顯示出的狀態(tài)，以及藍色和紅色小方點所顯示的電平變化。根據(jù)現(xiàn)象進行調(diào)試，直到仿真軟件上的秒表和預(yù)想的一致。仿真的步驟完成后，就開始畫DXP原理圖，采用網(wǎng)絡(luò)標號的形式更加方便，只需要把系統(tǒng)分成各個小模塊，在元器件的接口上標明該接口所連接單片機的對應(yīng)的引腳，再分區(qū)放置標明模塊。圖的大體結(jié)構(gòu)畫完之后再和給出的圖進行對照，確定我沒有連接錯誤之后，修正DXP原理圖，使線路沒有斷路并且更加筆直。DXP原理圖畫完后，整個電路設(shè)計就算完成了。我的設(shè)計過程與思路大體就是這樣子。6.2經(jīng)驗總結(jié)：我覺得一個課題設(shè)計中的心得體會是非常重要的一部分，這是一個經(jīng)驗的積累與總結(jié)。在剛開始設(shè)計這個秒表時，我只是自己根據(jù)生活經(jīng)驗來設(shè)想這個秒表的功能，而自己所想到的卻只是比較接觸多的，所想到的會比較單一，有些功能根本沒有