【基于單片機(jī)的數(shù)字計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4800字（論文）】

基于單片機(jī)的數(shù)字計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：數(shù)字計(jì)時(shí)器是一種高精度的時(shí)間計(jì)量元件，以抗干擾性強(qiáng)、功能多、外型小巧、價(jià)格便宜等特點(diǎn)受到人們青睞。數(shù)字計(jì)時(shí)器作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)中不可或缺的工具，很有研究?jī)r(jià)值。本文采用C語言作為開發(fā)語言，利用STM32單片機(jī)作為開發(fā)工具對(duì)數(shù)字計(jì)時(shí)器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。本計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)區(qū)間為00.0-99.0秒，能通過LCD顯示屏同時(shí)顯示正計(jì)時(shí)、倒計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，并具有啟動(dòng)、暫停、設(shè)置計(jì)時(shí)時(shí)間的功能。關(guān)鍵詞：計(jì)時(shí)器，stm32，倒計(jì)時(shí)，正計(jì)時(shí)目錄TOC\o"1-3"\h\u18646摘要 128252Abstract 116876目錄 27121.緒論 4137581.1背景與意義 49381.1.1課題研究的背景 4202661.1.2課題研究的現(xiàn)實(shí)意義 4204311.2研究?jī)?nèi)容與章節(jié)安排 4234592.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概述 4105732.1數(shù)字計(jì)時(shí)器的功能設(shè)計(jì) 4239522.2數(shù)字計(jì)時(shí)器的總體設(shè)計(jì) 5222553.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 578193.1單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì) 525583.1.1核心芯片的選擇 525583.1.2STM32最小系統(tǒng) 512983.2按鍵電路設(shè)計(jì) 724903.2.1按鍵模塊整體介紹 7237043.2.2按鍵電路基本原理 7218723.3顯示模塊設(shè)計(jì) 768453.4報(bào)警電路設(shè)計(jì) 8114144.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 952114.1編程語言選擇 971494.2keil程序開發(fā)環(huán)境 9230334.3程序設(shè)計(jì) 9296464.3.1主程序流程圖 10290934.3.2主程序 10119655.實(shí)物展示 11119656.總結(jié)與展望 1128526.1課題總結(jié) 12103775.2課題展望 122618參考文獻(xiàn) 121.緒論1.1背景與意義1.1.1課題研究的背景近現(xiàn)代時(shí)期，科學(xué)的發(fā)展日新月異，人們的生產(chǎn)方式也發(fā)生了巨大的改變，機(jī)械代替手工成為了生產(chǎn)的主力軍，時(shí)間的精確測(cè)量成為了科技社會(huì)必然的選擇。第三次工業(yè)革命以后,電子信息和計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來了科技的巨大發(fā)展，有著“微型計(jì)算機(jī)”之稱的單片機(jī)，以其高性價(jià)比、成本低廉、功能性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入人們的視野，被人們廣泛應(yīng)用于家居電器、醫(yī)療設(shè)備、過程控制、儀器儀表中。計(jì)時(shí)器模塊是單片機(jī)最常見的模塊之一，數(shù)字計(jì)時(shí)器是一種通過LED或LCD顯示數(shù)字時(shí)間的計(jì)時(shí)元件，與鐘表這些計(jì)時(shí)工具相比具有更好直觀性和更高的精確性，且體積小巧便于攜帶，同時(shí)擁有更長(zhǎng)久的使用年限。利用單片機(jī)對(duì)數(shù)字計(jì)時(shí)器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究也成了人們競(jìng)相追逐的方向。1.1.2課題研究的現(xiàn)實(shí)意義隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，未來世界，計(jì)時(shí)的精確度對(duì)工業(yè)、軍事、通訊、航天等領(lǐng)域至關(guān)重要[1]。尤其是航天領(lǐng)域，時(shí)間對(duì)其有著巨大的影響，2021年，中國(guó)的航天航空事業(yè)取得了不少震驚世界的成就，“天問一號(hào)”、“長(zhǎng)征四號(hào)”“嫦娥五號(hào)”“玉兔二號(hào)”，每一項(xiàng)科研都碩果累累。在火箭起飛前，細(xì)微的時(shí)間誤差都會(huì)帶來不可預(yù)估的失敗損失，因此，在這種差之毫厘謬以千里的關(guān)鍵場(chǎng)合，傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)表是不能使用的，精度高的數(shù)字計(jì)時(shí)器便成了關(guān)鍵之選。前期，主要采用純模擬電路、數(shù)字電路設(shè)計(jì)制作數(shù)字計(jì)時(shí)器，但是這樣的設(shè)計(jì)不僅電路復(fù)雜而且功能單一。21世紀(jì)以來，隨著單片機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中的運(yùn)用，它的優(yōu)勢(shì)愈加凸顯，利用單片機(jī)研制數(shù)字計(jì)時(shí)器，使計(jì)時(shí)器不僅僅具有計(jì)時(shí)功能，還擁有顯示、定時(shí)和自動(dòng)報(bào)時(shí)功能，并且這些功能還在日益完善[2]。因此，基于單片機(jī)研究數(shù)字計(jì)時(shí)器并擴(kuò)展數(shù)字計(jì)時(shí)器的功能，具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。1.2研究?jī)?nèi)容與章節(jié)安排本課題研究的主要內(nèi)容是利用單片機(jī)對(duì)數(shù)字計(jì)時(shí)器進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，本文總計(jì)六個(gè)章節(jié)，全文整體的布局如下：第一章是緒論部分，本章深度討論了基于單片機(jī)研究數(shù)字計(jì)時(shí)器的研究背景與意義。第二章是系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)概述，簡(jiǎn)述了數(shù)字計(jì)時(shí)器的功能部分以及系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。第三章是系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)分別進(jìn)行闡述。第四章是系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，對(duì)軟件開發(fā)工具Keil以及FlyMcu進(jìn)行介紹以及對(duì)主程序進(jìn)行注釋分析。第五章是實(shí)物展示，通過和手機(jī)中計(jì)時(shí)器做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，展示該數(shù)字計(jì)時(shí)器的功能。第六章是總結(jié)與展望，首先進(jìn)行實(shí)物展示，然后總結(jié)設(shè)計(jì)中得到的收獲，對(duì)課題下一步的研究提出個(gè)人的建議。2.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概述2.1數(shù)字計(jì)時(shí)器的功能設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)器是一種利用特定的原理來測(cè)量時(shí)間的裝置，數(shù)字計(jì)時(shí)器便是其中的一種。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字計(jì)時(shí)器的功能如下：（1）設(shè)置的計(jì)時(shí)區(qū)間為0.0-99.0秒，LCD顯示屏同時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)置時(shí)間、正計(jì)時(shí)時(shí)間、倒計(jì)時(shí)時(shí)間。（2）通過按鍵可以進(jìn)行對(duì)設(shè)置時(shí)間值的加、減，每按一下計(jì)時(shí)值增加或減少1.0秒，按下啟動(dòng)按鍵，倒計(jì)時(shí)從設(shè)置值開始倒計(jì)時(shí)，正計(jì)時(shí)從0.0秒開始計(jì)時(shí)。（3）如果在計(jì)時(shí)器工作過程中，按下了加/減鍵對(duì)計(jì)時(shí)值重新設(shè)定，倒計(jì)時(shí)和正計(jì)時(shí)將立刻停止并復(fù)位。（4）如果在計(jì)時(shí)器工作過程中，閉合限位開關(guān)，計(jì)時(shí)立即終止，松開限位開關(guān)，計(jì)時(shí)繼續(xù)進(jìn)行。（5）在倒計(jì)時(shí)的最后5秒鐘之內(nèi)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警，提醒倒計(jì)時(shí)即將終止。2.2數(shù)字計(jì)時(shí)器的總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)由輸入、核心控制、顯示、報(bào)警、檢測(cè)五個(gè)模塊構(gòu)成。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖見圖1：核心控制模塊報(bào)警模塊核心控制模塊報(bào)警模塊顯示模塊檢測(cè)模塊顯示模塊檢測(cè)模塊輸入模塊輸入模塊圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖整個(gè)系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為核心控制器，由單片機(jī)采集時(shí)鐘信號(hào)，通過顯示模塊來輸出信號(hào)。其中單片機(jī)的PA4-PA6口接輸入模塊，實(shí)現(xiàn)按鍵操作；單片機(jī)的PB5-PB15口接顯示模塊，用來顯示要輸出的計(jì)時(shí)值；單片機(jī)的PC13、PC14口分別接報(bào)警模塊和檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)結(jié)束提醒和電源開關(guān)檢測(cè)。3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件電路主要采用基本模塊來實(shí)現(xiàn)的，以下分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行介紹。3.1單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)3.1.1核心芯片的選擇本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6作為核心芯片。選擇此款芯片是因?yàn)榇诵酒庋b體積小，價(jià)格和其他STM32系列芯片相比較低，而相比于8位單片機(jī)性能更優(yōu)，初學(xué)者在學(xué)習(xí)了STM32單片機(jī)配套課程，上手不會(huì)感到吃力，此芯片還具有良好的學(xué)習(xí)研究意義。3.1.2STM32最小系統(tǒng)STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包括晶振、電源、復(fù)位、調(diào)試四大電路部分以及控制芯片，其基本原理如下，原理圖見圖2.（1）控制芯片——負(fù)責(zé)運(yùn)行任務(wù)程序及執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作。芯片的引腳圖參見圖3.（2）晶振電路——為單片機(jī)運(yùn)行提供系統(tǒng)時(shí)鐘源。晶振是石英晶體構(gòu)成的，石英晶體之所以能當(dāng)振蕩器，是基于它的壓電效應(yīng)。電阻、晶振、電容構(gòu)成了STM32的外部時(shí)鐘電路，它能作用于STM32的內(nèi)部振蕩器使其產(chǎn)生自激振蕩，從而為單片機(jī)提供正弦信號(hào)[3]。晶振電路對(duì)STM32單片機(jī)的作用就好比如心臟對(duì)人的作用一樣，單片機(jī)執(zhí)行代碼的工作節(jié)奏隨著時(shí)鐘的每一次跳動(dòng)而起伏，時(shí)鐘振蕩頻率加快，系統(tǒng)的工作速度也隨之加快；時(shí)鐘振蕩頻率減緩，系統(tǒng)的工作速度就隨之減緩。（3）電源電路——為單片機(jī)的運(yùn)行提供穩(wěn)定可靠的電源輸出。電源電路又包括供電電路和降壓電路，供電電路用USB接口連接供電源從而獲取高電壓，而降壓電路將供電源的高電壓降為控制芯片穩(wěn)定工作的低電壓。（4）復(fù)位電路：STM32能夠通過電源、系統(tǒng)、后備域三種方式進(jìn)行復(fù)位。按鍵復(fù)位是系統(tǒng)復(fù)位其中的一種。電容和按鍵開關(guān)并聯(lián)，再串聯(lián)一個(gè)上拉電阻，這樣就構(gòu)成了簡(jiǎn)單的按鍵復(fù)位電路。其中采用電源是為了實(shí)現(xiàn)按鍵防抖，如果不采用電容，在按鍵剛剛接觸/松開的一刻，電平會(huì)發(fā)生抖動(dòng)而引發(fā)誤動(dòng)作。（5）調(diào)試電路：這個(gè)可通過采用SWD或者JTAG的方式來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用了SWD模式，因?yàn)樗诟咚龠\(yùn)行條件下比JTAG更具有可靠性。圖2STM32最小系統(tǒng)原理圖圖3STM32F103C8T6引腳圖3.2按鍵電路設(shè)計(jì)3.2.1按鍵模塊整體介紹輸入模塊由三個(gè)按鍵和一個(gè)限位開關(guān)構(gòu)成，按鍵通過程序控制來完成數(shù)字計(jì)時(shí)器的啟停和計(jì)時(shí)調(diào)整。3鍵控制設(shè)置值的加，2鍵控制設(shè)置值的減，1鍵控制計(jì)時(shí)的啟動(dòng)，限位開關(guān)控制計(jì)時(shí)的終止與繼續(xù)。3.2.2按鍵電路基本原理輕觸開關(guān)別名按鍵開關(guān)，是日本人發(fā)明的，當(dāng)時(shí)又稱敏感型開關(guān)。使用時(shí)以向下的力按壓致使開關(guān)閉合，電路接通，當(dāng)撤銷掉向下的壓力時(shí)開關(guān)斷開，電路也會(huì)隨之?dāng)嚅_。輕觸開關(guān)由于體積小巧玲瓏、、按下時(shí)會(huì)發(fā)出清脆的響聲、種類齊全等多方面的原因，在市場(chǎng)上受到不少生產(chǎn)商和開發(fā)者的喜愛。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的輸入是由按鍵控制的，在按鍵沒按下電路沒有閉合之前，單片機(jī)引腳的電位為高電平，在按鍵按下電路閉合之后，單片機(jī)引腳的電位則轉(zhuǎn)換為低電平，按鍵操作控制著高低電平的轉(zhuǎn)換從而實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)輸入。按鍵電路的原理圖見圖4，電路中使用上拉電阻的作用是防抖，保證信號(hào)平穩(wěn)輸出。圖4按鍵電路設(shè)計(jì)圖3.3顯示模塊設(shè)計(jì)LCD顯示器又稱液晶顯示屏，液晶是一種能透光的特殊材料。液晶顯示的分類有很多種，按照其顯示方式可分為字符式、點(diǎn)陣式、字段式[4]。本設(shè)計(jì)中使用的顯示方式為字符式，顯示模塊采用LCD1602作為系統(tǒng)的信號(hào)輸出面板，只要送信號(hào)到對(duì)應(yīng)的管腳就能顯示。和LED顯示器比較，LCD顯示器擁有頻閃低、老化慢、清晰度高、可調(diào)光等優(yōu)點(diǎn)，故而成為了單片機(jī)設(shè)計(jì)中的常客。顯示模塊電路中LCD1602第1引腳和第15引腳外接電源，第2引腳和第15引腳接地，第3引腳接一個(gè)藍(lán)白電位器，用來調(diào)節(jié)顯示屏的清晰度，其他引腳分別連接單片機(jī)對(duì)應(yīng)的引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。顯示模塊電路設(shè)計(jì)圖見圖5.圖5顯示模塊電路設(shè)計(jì)圖3.4報(bào)警電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用的設(shè)計(jì)上，很多方案都會(huì)用到蜂鳴器，大部分都是使用蜂鳴器來做提示工作結(jié)束和出現(xiàn)故障報(bào)警[5]。報(bào)警電路中蜂鳴器正極外接5V電源供電，負(fù)極連接三極管集電極，三極管的發(fā)射極接地，基極串聯(lián)一個(gè)電阻接到單片機(jī)的PC13口，電阻起到限流保護(hù)，只要單片機(jī)控制引腳的電位為高電平，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警預(yù)告，反之則不報(bào)警。具體電路圖見圖6.圖6報(bào)警電路設(shè)計(jì)圖4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1編程語言選擇軟件不僅是設(shè)計(jì)中的主要組成部分，也是調(diào)試過程中的重難點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用C編程語言。因?yàn)镃語言編寫更為簡(jiǎn)潔方便，與匯編語言相比還有如下優(yōu)點(diǎn):（1）C語言是高級(jí)語言中的一種，移植性好，容易維護(hù)和修改[6]。（2）C語言有豐富的運(yùn)算符、數(shù)據(jù)類型和表達(dá)式，程序的適應(yīng)性和執(zhí)行性好。（3）C語言更符合人的思維邏輯習(xí)慣，容易讀懂，更便于開發(fā)。（4）C語言可進(jìn)行模塊化編程設(shè)計(jì)，將編程好的程序加到新的程序中可以減少編程時(shí)間。（5）相比于C語言來說，匯編語言的可讀性較差。4.2keil程序開發(fā)環(huán)境本設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用Keil作為開發(fā)環(huán)境，Keil是一款單片機(jī)C語言開發(fā)軟件，可以完成從工程建立、管理、程序編譯到連接、調(diào)試的一套開發(fā)流程。Keil通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境uVsion將豐富的宏匯編、鏈接器、庫管理組合在一起，提供給用戶一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試工具[6]。4.3程序設(shè)計(jì)4.3.1主程序流程圖圖7主程序流程圖4.3.2主程序主程序是先開始執(zhí)行的，然后啟動(dòng)初始化程序，初始化后在進(jìn)行按鍵掃描，掃描檢測(cè)完就可以啟動(dòng)計(jì)時(shí)顯示。按鍵掃描先是檢測(cè)按鍵是否按下，加按鍵如果按下，計(jì)時(shí)值加一秒，如果沒有按下，就檢測(cè)減按鍵是否按下，如果按下，計(jì)時(shí)值減一秒，然后再檢測(cè)啟動(dòng)鍵是否按下，按下就啟動(dòng)計(jì)時(shí)。時(shí)間顯示是同時(shí)顯示設(shè)置值和當(dāng)前的正計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)和倒計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)。按鍵掃描模塊程序見圖8.圖8按鍵模塊程序5.實(shí)物展示本部分將對(duì)數(shù)字計(jì)時(shí)器的實(shí)物和功能進(jìn)行展示，實(shí)物圖如圖9所示。為了驗(yàn)證該數(shù)字計(jì)時(shí)器的功能，本文將采用對(duì)照實(shí)驗(yàn)，將數(shù)字計(jì)時(shí)器同手機(jī)秒表同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)，對(duì)比兩者之間的誤差。先將數(shù)字計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)設(shè)置值調(diào)為最大計(jì)時(shí)值99秒，參見圖10，然后同時(shí)啟動(dòng)手機(jī)秒表和數(shù)字計(jì)時(shí)器，在計(jì)時(shí)途中按下快門，記錄的圖片見圖11。由圖可見，數(shù)字計(jì)時(shí)器的正計(jì)時(shí)時(shí)間為15.5s，倒計(jì)時(shí)時(shí)間為44.5s，手機(jī)秒表中的計(jì)時(shí)時(shí)間為15.24s，兩者相差0.26s，由于同時(shí)按下的啟動(dòng)鍵的時(shí)機(jī)不是很好掌握，存在細(xì)微的誤差是可以接受的。從上述對(duì)照實(shí)驗(yàn)中基本可以驗(yàn)證該數(shù)字計(jì)時(shí)器的準(zhǔn)確性。 圖9數(shù)字計(jì)時(shí)器實(shí)物圖圖10未啟動(dòng)計(jì)時(shí)前圖11對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中6.總結(jié)與展望經(jīng)過了幾個(gè)月的研究與調(diào)試，我終于完成了數(shù)字計(jì)時(shí)器各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)工作，本章將對(duì)課題研究進(jìn)行總結(jié)與展望。6.1課題總結(jié)經(jīng)過了幾個(gè)月自學(xué)STM32硬件設(shè)計(jì)、軟件編寫課程，我最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)計(jì)的期望和效果。通過本次課題的研究，我得到了很多收獲，一是復(fù)習(xí)鞏固了以前學(xué)習(xí)的單片機(jī)原理及應(yīng)用、C語言基礎(chǔ)教程，加深了對(duì)這兩門課程理解應(yīng)用；二是將知識(shí)實(shí)用化，成功完成軟件仿真和硬件制作。6.2課題展望根據(jù)課題要求，本次研究?jī)H僅完成了數(shù)字計(jì)時(shí)器基本的設(shè)計(jì)要求，由于數(shù)字計(jì)時(shí)器還更多的功能未開發(fā)，下一步的研究可以不僅限于計(jì)時(shí)和定時(shí)功能，希望研究者們可以利用STM32強(qiáng)大的拓展功能，進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)字計(jì)時(shí)器的精度和提供更長(zhǎng)的計(jì)時(shí)區(qū)間。參考文獻(xiàn)[1]饒子兵.高精度事件計(jì)時(shí)器研究與