秒表倒计时定时器的设计(1)

第一章绪论

1.1系统背景

◆ 1.1.1单片机的介绍

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！

◆ 1.1.2单片机的应用

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，

单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域

1.2多功能家用定时器

◆ 1.2.1多功能家用定时器的概述

人类最早使用的定时工具是沙漏或水漏，但在钟表诞生发展成熟之后，人们开始尝试使用这种全新的计时工具来改进定时器，达到准确控制时间的目的。

1876年，英国外科医生索加取得一项定时装置的专利，用来控制煤气街灯的开关。它利用机械钟带动开关来控制煤气阀门。

定时器确实是一项了不起的发明，使相当多需要人控制时间的工作变得简单了许多，家用电器都安装了定时器来控制开关或工作时间。

◆ 1.2.2多功能家用定时器的功能与实现步骤

1.能够调整数字钟、定时开启、关闭时间的显示

当时间分别显示小时、分钟状态时，按11键，实现将当前显示的小时或分钟减1；按12键时，实现将当前显示的小时或分钟加1。

2.能过实现三路定时

通过按10键来选择显示的时间。从而实现三路定时的开启与关闭，实现三路定时功能。

3.既能够实现按键输值，也可用加减键来对其调时

当在小时状态时，不管是在数字钟还是定时状态，都可以通过按键来对其调时，同时此时如果觉得时间按错还可以通过加减键进行调整时间。

4.能够时间倒计时的秒表功能

当一开始接通是，显示的是60秒倒计时功能，这一功能有助于对准确时间更好的把握。

5.能够显示今天心情

当在时钟状态时，按加减键，可显示出今天心情。如果按减号键时，显示sad，并且LED灯全灭；如果按加号键时，显示fine，并且灯全亮。

第二章系统电路设计

2.1 系统总体设计框架结构

总体结构图如下：

图2.1总体结构图

按键输入电路：对定时器输入定时时间、时钟时间，并对其调整。

时钟电路：给单片机一个时钟信号，让其工作。

复位电路：使单片机为初始状态，并从初态开始工作。

LED显示电路：表明定时器的工作状态。

数码管显示电路：显示数字钟时间或定时时间或心情。

继电器电路：是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

2.2 系统硬件单元电路设计

2.2.1 时钟电路设计

时钟电路对单片机是不可缺的，单片机的每个功能都要以时钟电路为基础工作。单片机内部自带一个时钟电路，外部接入定时控制元件即可构成一个稳定的自激振荡器。其中机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此，机器周期是时钟周期的12倍。本实验中时钟电路中使用的晶体是12MHz，则时钟周期为(1/12)us，机器周期为1us。实验图如下：

时钟电路图:

图2.2时钟电路图

◆ 2.2.2 复位电路设计

复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三钟方式，本次实验用的是按键电平复位，利用电容的充放电公式来选择所需的电容、电阻，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。电路图如下:

复位电路图：

图2.2按键电平复位

◆ 2.2.3按键电路设计

本课题要用数码管显示数字钟、定时时间。这就需要键盘来设定，键盘可以分为独立连接式和矩阵式。本实验用的是矩阵式。为了减少所以的I/O口，利用三——八译码器来实现12个键盘的连接。

对于这种矩阵式的键盘连接，扫描时依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它都线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。注意在按键时一定要调延时子程序来消除抖动。矩阵式键盘如下所示：

按键电路图：

1

2

3

11

4

5

6

12

7

89

图2.3按键电路

◆ 2.2.4 LED显示电路设计

本次实验中要用发光二极管显示状态。由下图知发光二极管阴极以经接地，当其阳极为高电平时，二极管就发光显示所处状态。

LED显示电路图：

图2.4 LED显示电路图

◆ 2.2.5 数码管显示电路设计

实验中所用的数码管为共阴极数码管，当给其引脚加入高电平时，数码管中对应的那一段就亮。图2.6为外部显示图，其内部结构如下：