1、 单 片 机 课 程 设 计 说 明 书用 LED 数码管显示的秒表设计专业 电气工程及其自动化学生姓名 刘宁班级 B 电气 081学号 0810601114指导教师 张兰红完成日期 2011 年 6 月 26 日盐城工学院课程设计说明书（2011）1目录1、概述 .12、课题方案设计 .12.1 系统总体设计要求 .12.2 系统模块结构论证 .13、系统硬件设计 .23.1 总体设计 .23.2 单片机运行的最小系统 .33.2.1 52 单片机最小系统电路介绍 .33.2.2 单片机的振荡电路与复位电路 .63.3 数码管介绍 .83.4 驱动电路 .84、软硬件联调及调试结果 .94.
2、1 软硬件调试中出现的问题及解决措施 .94.2 实物图 .114.3 调试结果 .125、结束语 .12参考文献 .13附录 .14附录 1：基于单片机的秒表设计原理图 .14附录 2：基于单片机的秒表设计 PCB 图 .15附录 3：PROTEUS 仿真图 .15附录 4：基于单片机的秒表设计 C 语言程序清单 .16附录 5：基于单片机的秒表设计元器件目录表 .18盐城工学院课程设计说明书（2011）11、概述21 世纪是一个电子技术和电子元件有更大发展的世纪。回顾百年来电子技术和电子工业发展的成就，举世瞩目。作为一个电气专业的大学生，我们不但要有扎实的基础知识、课本知识，还应该有较强的
3、动手能力。现实也要求我们既精通电子技术理论，更要掌握电子电路设计、实验研究和调试技术。课程设计就是一个理论联系实际的机会。本次设计主要完成具备基本功能的电子秒表的理论设计，电子秒表是重要的记时工具，广泛运用于各行各业中。作为一种测量工具，电子秒表相对其它一般的记时工具具有便捷、准确、可比性高等优点，不仅可以提高精确度，而且可以大大减轻操作人员的负担，降低错误率。在设计中应用到数码管，数码管主要用于楼体墙面，广告招牌、高档的DISCO、酒吧、夜总会、会所的门头广告牌等。特别适合应用于广告牌背景、立交桥、河、湖护栏、建筑物轮廓等大型动感光带之中，可产生彩虹般绚丽的效果。 用护栏管装饰建筑物的轮廓，
4、可以起到突出美彩亮化建筑物的效果。事实证明，它已经成为照明产品中的一只奇葩，绽放在动感都市。2、课题方案设计2.1 系统总体设计要求用 AT89C52 设计一个 2 位 LED 数码显示“ 秒表”，显示时间为 0059 秒，每秒自动加一。另设计一个“ 开始 ”按键和一个“复位”按键，一个 “暂停”按键。接上电源后从 00 开始计时，至 59 后再回到 00，继续循环。2.2 系统模块结构论证1.单片机模块选择方案一：选用飞思卡尔单片机，飞思卡尔单片机功能强大，但是价格相对要高，而且对此不熟悉。盐城工学院课程设计说明书（2011）2方案二：采用 STC89 系列单片机，其架构简单，相对熟悉，价格
5、便宜，对设计功能已经足够。焊接也是比较容易。因此，选择方案二。2.电源模块选择方案一：采用交流 220V/50HZ 电源转换为直流 5V 电源作为电源模块。该方案实施简单，电路搭建方便，可作为单片机开发常备电源使用。方案二：采用干电池串并联到 5V 作为电源模块。该方案实施简单，无需搭建电路，但相对方案不够稳定，电池消耗快，带负载后电压降过高，可能无法使系统稳定持续运行。方案三：采用 USB 接口电源，该方案简单方便，可以直接和电脑的 USB接口相连。电脑的 USB 接口属于接口电源，要并联耦合电容进行缓冲。因此，选择的是方案三。3.显示模块选择：方案一：采用 8 段 LED 数码管作为显示模
6、块核心。方案二：采用 LCD 液晶显示器作为显示模块核心。LED 数码管节能环保，显示直观。因此选择方案一。4.驱动模块选择：方案一：用与非门逻辑电路作为驱动电路主要元件。方案二：用 PNP 型三极管作为驱动电路主要元件。与非门逻辑电路相对来说较为复杂，PNP 三极管只有三个端口且价格也很便宜，因此选择方案二。3、系统硬件设计3.1 总体设计利用单片机定时器/计数器中断设计秒表，从而实现秒的计时。用两个数码管来显示秒表数据。增加一个清零按钮，计时结束后可以清零。通过采用 proteus 仿真软件来模拟实现。模拟利用 AT89C52 单片机、LED 数码管以及控件来控制秒表的计数以及计数的开启/
7、暂停/继续与复位。两位数码管用来显示数据，一位数码管显示个位 19，满十进一后显示十位的数码管的数字加一，并且个位显示清零重新从零计盐城工学院课程设计说明书（2011）3数。计秒数码管采用两位的数码管，当计数超过范围是所有数码管全部清零重新计数。 、软硬件设计是设计中不可缺少的，为了满足功能和指标的要求，资源分配如下： 晶振采用 11.0592MZ 的外部晶振频率内存分配：P0 口与数码管个位和十位数据输入端相连，控制其段选信号，输出 19 不同字型。P3 口的 P3.1、P3.2 分别与秒表个位和十位数码管位选连接，控制秒表的计数以及计数的开启/暂停/继续与复位清零。 本设计包含有单片机最小
8、系统模块、复位模块、放大器模块、LED 数码管显示模块。其中最小系统模块由 STC89C52、电阻、电容和晶振电路等主要硬件组成。复位模块由二极管、电阻和复位开关组成。放大器模块由 PNP 三极管、电阻组成。LED 数码管显示模块由两位八段数码管组成。3.2 单片机运行的最小系统最小系统模块由 STC89C52、电阻、电容和晶振电路等主要硬件组成。3.2.1 52 单片机最小系统电路介绍1. 52 单片机最小系统复位电路的极性电容 C1 的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用 1030uF，52 单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。2. 52 单片机最小系统晶振 Y1 也可以采用 11
9、.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，52 单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。3. 52 单片机最小系统起振电容 C2、C3 一般采用 1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好4.P0 口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为 10k。设置为定时器模式时，加 1 计数器是对内部机器周期计数（1 个机器周期等于 12 个振荡周期，即计数频率为晶振频率的 1/12） 。计数值 N 乘以机器周期 Tcy 就是定时时间 t。盐城工学院课程设计说明书（2011）4设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由 T0 或
10、T1 引脚输入到计数器。在每个机器周期的 S5P2 期间采样 T0、T1 引脚电平。当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加 1，更新的计数值在下一个机器周期的 S3P1期间装入计数器。由于检测一个从 1 到 0 的下降沿需要 2 个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为 12MHz 时，最高计数频率不超过 1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于 2 ms。 标识符号 地址 寄存器名称P3 0B0H I/O 口3寄存器PCON 87H 电源控制及波特率选择寄存器SCON 98H 串行口控制寄存器SBUF 99H 串行数据缓冲寄存器TCON
11、88H 定时控制寄存器TMOD 89H 定时器方式选择寄存器TL0 8AH 定时器 0低8位TH0 8CH 定时器0高8位TL1 8BH 定时器1低8位TH1 8DH 定时器1高8位盐城工学院课程设计说明书（2011）5图3-1 89c52系列单片机管脚图89C52管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时， P0 输
12、出原码，此时 P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当
13、用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL盐城工学院课程设计说明书（2011）6门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，
14、如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0 （记时器 0 外部输入）P3.5 T1 （记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。PSEN ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN
15、 信号将不出现。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.2.2 单片机的振荡电路与复位电路1.振荡电路采用内部时钟方式时，如图所示。片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2 外接作为反馈元件的片外晶体振荡器（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，一般晶体可在 1.212MHz 之间任选，电容 C1、C2 可在 530pF 之间选择，电容的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。本电路选用的是内部振荡器方式，。选用内部振荡器比选用外部时钟电路简单
16、并且易于实现。最重要的是此电路易于调试，而且精度高。2. 复位电路 图 3-2 振荡电路盐城工学院课程设计说明书（2011）7复位电路可分为上电复位和外部复位两种方式。通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。 MCS52 单片机在时钟电路工作以后，在 RST/VPD 端持续给出 2 个机器周期的高电平就可以完成复位操作（一般复位正脉冲宽度大于 10ms）。复位分为上电复位和外部复位两种方式。图3-3 复位电路（a）上电复位电路 （b）上电/外部复位电路上电复位是在单片机接通电源时，对单片机的复位。上电复位电路如图（a）所示。在上电瞬间RST/VPD 端与VCC电位相同，
17、随着电容上电压的逐渐上升，RST/VPD端电位逐渐下降。上电复位所 需的最短时间是振荡器振荡建立时间加 2个机器周期。复位电路的阻容参数通常由实验调整。图（a）参考电路中，电路参数C取22uF，R 取1Kq，可在RST/VPD端提供足够的高电平脉冲，使单片机能够可靠地上电自动复位。图（b）为既可进行上电自动复位，也可外部手动复位的电路示意图，R1 可取200q 左右。当需要外部复位时，按下复位按钮即可达到复位目的。本文采用的是上电/外部复位电路，如图（b）所示。上电 /外部复位电路比上电复位电路在应用上更加直观、方便、易于实现及切换。振荡器特性:XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输
18、入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。盐城工学院课程设计说明书（2011）83.3 数码管介绍图 3-4 七段数码管引脚图数 码 管 按 段 数 分 为 七 段 数 码 管 和 八 段 数 码 管 ， 八 段 数 码 管 比 七 段 数 码 管 多 一个 发 光 二 极 管 单 元 （ 多 一 个 小 数 点 显 示 ） 数 码 管 的 8 个 显 示 笔 划“a,b,c,d,e,f,g,dp“； 按
19、 能 显 示 多 少 个 “8”可 分 为 1 位 、 2 位 、 4 位 等 等 数 码 管 ；发 光 二 极 管 单 元 连 接 方 式 分 为 共 阳 极 数 码 管 和 共 阴 极 数 码 管 。 共 阳 数 码 管 是指 将 所 有 发 光 二 极 管 的 阳 极 接 到 一 起 形 成 公 共 阳 极 (COM)的 数 码 管 。 共 阳 数 码管 在 应 用 时 应 将 公 共 极 COM 接 到 +5V， 当 某 一 字 段 发 光 二 极 管 的 阴 极 为 低 电 平时 ， 相 应 字 段 就 点 亮 。 当 某 一 字 段 的 阴 极 为 高 电 平 时 ， 相 应 字 段 就 不 亮 。 。 共阴 数 码 管 是 指 将 所 有 发 光 二 极 管 的 阴 极 接 到 一 起 形 成 公 共 阴 极 (COM)的 数 码 管 。共 阴 数 码 管 在 应 用 时 应 将 公 共 极 COM 接 到 地 线 GND 上 ， 当 某 一 字 段 发 光 二 极管 的 阳 极 为 高 电 平 时 ， 相 应 字 段 就 点 亮 。 当 某 一 字 段 的 阳 极 为 低 电 平 时 ， 相 应 字段 就 不 亮 。3.4 驱动电路本设计中采用两个 PNP 三极管对电流进行放大，进而来驱动两位八段数码管。
