基于51单片机的数字秒表课程设计、毕业设计论文

单片机课程设计报告
基于51单片机的数字秒表设计
专业：通信工程
学号：***********
姓名：***
时间:2014-6-26
目录
一、课程名称 (1)
二、设计目的和意义 (1)
三、任务要求 (1)
四、任务分析、设计方案 (1)
五、具体实现过程 (9)
六、仿真、实验验证过程及实现结果、现象 (12)
七、结论 (14)
八、总结与体会 (14)
一、课题名称
基于51单片的数字秒表设计
二、目的和意义
1、通过本次课程设计可以灵活运用单片机的基础知识，依据课程设计内容，能够完成从硬件电路图设计，到电路搭建焊接，再到软件编程及系统调试实现系统功能，完成课程设计，加深对单片机基础知识的理解，并灵活运用，将各门知识综合应用。

2、本次课程设计还可以通过上网查询器件资料，培养对新知识新技术的独立的学习能力和应用能力。

3、在这次课程设计中，我们运用到了很多一切所学的知识和一些很有用的软件和工具，如keil4编程软件、Proteus仿真软件、Visio软件、等。

4、通过独立完成一个小的数字秒表系统设计，从硬件设计到软件设计，增强分析问题、解决问题的能力，为日后的毕业设计及科研工作奠定良好的基础。

5、掌握51单片机软件编程知识、实现功能、设计方法，及KEIL软件使用方法；
6、应用所学模拟电子线路的知识，掌握电路的设计与应用；
7、熟悉PROTEUS的设计与仿真；
8、STC——ISP的使用方法；
9、掌握焊接电子元器件的方法以及查阅元件功能与参数的方法、步骤。

三、设计目标或任务要求
1 、设计目标
以单片机为核心，设计数字秒表。

通过硬件电路设计，软件设计，电路搭建，作品调试。

最后完成本次课程设计。

2 、设计要求
1、计时范围：0~59分59.59秒，整数四位数和小数两位数显示；
2、计时精度10毫秒；
3、复位按钮，计时器清零，并做好下次及时准备；
4、可以对三个对象（A、B）计时，具有启/停控制；
5、设开始、停止A、停止B、显示A、显示B、复位按钮。

四、任务分析、设计方案
1、任务分析
数字电子秒表具有显示直观、读取方便、精度高等优点，在计时中广泛使用。

本设计用单片机组成数字电子秒表，力求结构简单、精度高为目标。

设计中包括硬件电路的设计和系统程序的设计。

其硬件电路主要有主控制器，计时与显示电路和回零、启动和停表电路等。

主控制器采用单片机89C52显示电路采用共阳极LED数码管显示计时时间。

本设计利用89C52单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，使其能精确计时。

利用中断系统使其能实现开始暂停的功能。

P0口输出段码数据，P2.0-P2.4口作列扫描输出，P1.1、P3.2、P3.3、P2.5口接四个按钮开关，分别实现开始、暂停、清零和查看上次计时时间功能。

电路原理图设计最基本的要求是正确性，其次是布局合理，最后在正确性和布局合理的前提下力求美观。

硬件电路图按照图1.1进行设计。

图1.1 数字秒表硬件电路基本原理图
计时采用定时器T0中断完成，定时溢出中断周期为1ms，当一处中断后向CPU发出溢出中断请求，每发出一次中断请求就对毫秒计数单元进行加一，达到10次就对十毫秒位进行加一，依次类推，直到99.99秒重新复位。

再看按键的处理。

这四个键可以采用中断的方法，也可以采用扫描的方法来识别。

复位键和查看主要功能在于数值复位和查询上次计时时间，对于时间的要求不是很严格。

而开始和停止键则是用于对时间的锁定，需要比较准确的控制。

因此可以对复位和查看按键采取扫描的方式。

而对开始和停止键采用外部中断的方式。

设计中包括硬件电路的设计和系统程序的设计。

其硬件电路主要有主控制器，显示电路和回零、启动、查看、计次电路等。

主控制器采用单片机89C52，显示电路采用共阳极LED数码管显示计时时间，四个按键均采用触点式按键。

2、单片机的选择
本课题在选取单片机时，充分借鉴了许多成形产品使用单片机的经验，并根据自
己的实际情况，选择了stc公司的89C52。

89C52单片机采用40引脚的双列直插封装方式。

图1.2为引脚排列图， 40条引脚说明如下：
主电源引脚Vss和Vcc
① Vss接地
② Vcc正常操作时为+5伏电源
外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
① XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。

当采用外部振荡器时，此引脚接地。

② XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。

是外接晶体的另一端。

当采用外部
振荡器时，此引脚接外部振荡源。

图1.2 8051单片机引脚图
控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/Vpp
输入/输出引脚P0.0 - P0.7，P1.0 - P1.7，P2.0 - P2.7，P3.0 - P3.7。

① P0口（P0.0 - P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器
时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL 负载。

② P1口（P1.0 - P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。

能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。

③ P2口（P2.0 - P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。

P2口可以驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。

④ P3口（P3.0 - P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。

能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。

（1）运算器
运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。

可以对半字节（4位）、单字节等数据进行操作。

（2）程序计数器PC
程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64K程序存储器直接寻址。

执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。

（3）令寄存器
指令寄存器中存放指令代码。

CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。

3、显示电路的选择与设计
对于数字显示电路，通常采用液晶显示或数码管显示。

本设计的显示电路采用7段数码管作为显示介质。

数码管显示可以分为静态显示和动态显示两种。

由于本设计需要采用五位数码管显示时间，如果静态显示则占用的口线多，硬件电路复杂。

所以采用动态显示。

图1.3 显示电路基本原理图
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。

通常各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的公共阴极位选线由另外的I/O口线控制。

动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码，依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符，虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。

数码显示管分为共阳数码管和共阴数码管两种
共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，如图1.4（b），通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。

当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。

此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

图1.4 （a）数码管引脚图（b）共阳极内部结构图（c）共阴极内部结构图
最大
4 、按键电路的选择与设计
本设计中有四个按键，分别实现开始、暂停、复位和计次功能。

这四个键可以采用中断的方法，也可以采用查询的方法来识别。

对于复位键和查看键，主要功能在于数值复位和对上次计时时间的查看，对于时间的要求不是很严格，而开始和暂停键主要用于时间的锁定，需要比较准确的控制。

因此可以考虑，对复位键和查看键采用查询的方式，
而对于开始和暂停键采用外部中断。

四个按键均采用低电平有效，具体电路连接图如图1.5所示。

5、时钟电路的选择与设计
单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和 XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端，8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式与外部振荡方式。

外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器就行。

对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于11.05926MHz的方波信号。

图中，电容器C
1、C
2
起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般为5～33pF。

但在时钟电路的实际应用中一定要注意正确选择其大小，并保证电路的对称性，尽可能匹配，选用正牌的瓷片或云母电容，如果可能的话，温度系数尽可能低。

本设计中采用大小为30pF的电容和11.05926MHz的晶振。

图1.6 内部振荡电路
6、复位电路的选择与设计
当8051单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序。

因此要求单片机复位后能脱离复位状态。

而本系统选用的是11.05926MHz 的晶振，因此一个机器周期为1.09μs，那么复位脉冲宽度最小应为2.18μs。

在实际应用系统中，考虑到电源的稳定时间，参数漂移，晶振稳定时间以及复位的可靠性等因素，必须有足够的余量。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位、手动复位。

图1.10 单片机复位电路
7、系统总电路的设计
系统总电路由以上设计的显示电路，时钟电路，按键电路和复位电路组成，只要将单片机与以上各部分电路合理的连接就组成了系统总电路。

系统总电路图附录B所示。

8051单片机为主电路的核心部分，各个电路均和单片机相连接，由单片机统筹和协调各个电路的运行工作。

8051单片机提供了XTAL1和XTAL2两个专用引脚接晶振电路，因此只要将晶振电路接到两个专用引脚即可为单片机提供时钟脉冲，但在焊接晶振电路时要尽量使晶振电路靠近单片机，这样可以为单片机提供稳定的始终脉冲。

复位电路同晶振电路，单片机设有一个专用的硬件复位接口，并设置为高电平有效。

按键电路与单片机的端口连接可以由用户自己设定，本设计中软件复位键和查看键分别接单片机的P1.1和P2.5，均设为低电平有效。

而另外的开始键和暂停键两键使用了外部中断，所以需要连接到单片机的特殊接口P3.3和P3.2，这两个I/O口的第二功能分别为单片机的外部中断1端口和外部中断0端口。

同样设置为位低电平有效。

显示电路由五位数码管组成，采用动态显示方式，因此有8位段控制端和5位位控制端，八位段控制接P0口，P0.0~P0.7分别控制数码显示管的a、b、c、d、e、f、g、dp显示，8051的P0口没有集成上拉电阻，高电平的驱动能力很弱，所以需要接上拉电阻来提高P0的高电平驱动能力。

五位位控制则由低位到高位分别接到P2.0~P2.4口，NPN三极管9013做为位控制端的开关，当P2.0~P2.4端口任意一个端口为高电平时，与其相对应的三极管就导通，对应的数码管导通显示。

通过以上设计已经将各部分电路与单片机有机的结合到一起，硬件部分的设计以大
功告成，剩下的部分就是对单片机的编程，使单片机按程序运行，实现数字电子秒表的全部功能。

五、具体实现过程
1、对数字秒表设计进行分析，敲定几组方案；
2、在PROTUES软件中，画电路图，进行仿真、调试；
3、对自己想要实现的秒表现象进行编程，运用KEIL软件；并于Proteus联调。

4、调试过程中要不断改进自己的方案；
6、测试各个所需元件，STC89C52RC，数码管。

7、将方案敲定之后，对LED数字秒表进行焊接其中最主要的是对最小系统的焊接时非常关键的，在进行焊接数码管时，很关键。

8、将最小系统焊接好以后要用数字万用表进行测试，首先要测试有没有短接、断接的地方，再将焊好的板子放在电源上进行加电，看电路板子是否正常工作。

9、将最小系统板子与数码管板子连在一个，通过USB口与电脑相连，打开串口助手，将KEIL软件中的程序下载到单片机中，进行验证。

10、具体程序
/********************************************************
* 文件名 : 秒表.c
* 描述 : 基于51单片机的数码管数字秒表；
带有指示灯，蜂鸣器，按键（启动、清零、计次）
* 创建人 : 罗宏
* 单位 : 佳木斯大学信息电子技术学院电子协会
* 日期 : 2014.6.26
* 开发环境: Keil 4
* 邮箱 : ****************
* 晶振：11.05926MHZ
* 版本号 :
*********************************************************/
#include<reg52.h>
#define uint unsigned int //宏定义无符号整型
#define uchar unsigned char //宏定义无符号字符型
#define DUAN (P0) //宏定义数码管段代码
#define WEI (P2) //宏定义数码管位代码
sbit keystart_stop = P3^2; //定义启动/停止按键
sbit keyrest = P3^3; //定义复位/清零按键
sbit keyrecord = P3^4; //定义计数/存储按键
sbit keydispaly = P3^5; //定义计数/显示按键
sbit beep = P3^6; //定义蜂鸣器
sbit led = P3^7; //定义
uchar x,msec5,msec10,second,minute; //时间变量
uchar msec,sec,min; //显示变量
uchar code table1[] = {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,
0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; //共阳数码管数组不带点显示
uchar code table2[] = {0x40,0x79,0x24,0x30,
0x19,0x12,0x02,0x58,0x00,0x10}; //共阳数码管带点显示
/********************************
函数名称: 延时函数 delay
功能: 延时指定毫秒
参数: uchar x
返回值: 无
********************************/
void delay(uchar x)
{
uint b,c;
for(b = x;b>0;b--)
for(c = 110;c>0;c--);
}
/********************************
函数名称: 定时器初始化函数time_init(void)
功能: 定时器初始化
参数: 无
返回值: 无
*********************************/
void time_init(void)
{
msec5=0;
TMOD = 0x01;
TH0 = (65536-9174)/256;
TL0 = (65536-9174)%256;
ET0 = 1;
TR0 = 1;
EA = 1; }
/********************************
函数名称: 显示函数display（）
功能: 数码管显示
参数: uchar msec,uchar sec,uchar min
返回值: 无
*********************************/
void display(uchar msec,uchar sec,uchar min)
{
DUAN = table1[(msec%10)%10];// 0.01秒 5.64%10=64%10=0.04
WEI = 0x01;
delay(2);
WEI = 0x00;
DUAN = table1[(msec/10)%10];// 0.1秒 5.64/10=56%10=0.6
WEI = 0x02;
delay(2);
WEI = 0x00;
DUAN = table2[(sec%10)]; // 1秒 564%10=6
WEI = 0x04;
delay(2);
WEI = 0x00;
DUAN = table1[(sec/10)]; // 10秒 564/10=56%10=6
WEI = 0x08;
delay(2);
WEI = 0x00;
DUAN = table1[(min%10)]; // 1分 564/10=56%10=6
WEI = 0x10;
delay(2);
WEI = 0x00;
DUAN = table1[(min/10)]; // 10分 564/10=56%10=6
WEI = 0x20;
delay(2);
WEI = 0x00;
}
/********************************
函数名称: 蜂鸣器函数
功能: 蜂鸣器发声
参数: 无
返回值: 无
*********************************/
void beep_led()
{
beep = 0;
delay(600);
beep = 1;
delay(600);
led = 0;
delay(600);
led = 1;
}
/********************************
函数名称: 按键函数
功能: 调试按键的函数
参数: 无
返回值: 无
*********************************/
void keys()
{
if(keystart_stop==0)
{
delay(5);
if(keystart_stop==0)
TR0 = ~TR0;
beep_led();
while(!keystart_stop);
}
if(keyrest==0)
{
delay(5);
if(keyrest==0)
TR0 = 0;
msec5=0;
msec10=0,
second=0;
minute=0;
beep_led();
while(!keyrest);
}
}
/********************************
函数名称: 主函数
功能:
参数: 无
返回值:
*********************************/
void main()
{
uchar jishu=0;
uchar flag=0;
uchar msec1=0,sec1=0,min1=0;
uchar msec2=0,sec2=0,min2=0;
time_init();
while(1)
{
keys(); // 键盘的扫描函数一定要放在while循环里边
msec=msec10;
sec=second;
min=minute;
if(flag==1)
{
display(msec1,sec1,min1);
}
else if(flag==0)
{
display(msec,sec,min);
}
else
{
display(msec2,sec2,min2);
}
if(keyrecord==0)
{
delay(5);
if(keyrecord==0)
{
beep_led();
jishu++;
if(jishu>2)
{
jishu=0;
}
else if(jishu==1)
{
msec1=msec10;
sec1=second;
min1=minute;
}
else if(jishu==2)
{
msec2=msec10;
sec2=second;
min2=minute;
}
}
while(!keyrecord);
}
if(keydispaly==0)
{
delay(5);
if(keydispaly==0)
{
beep_led() ;
flag++;
if(flag>2)
flag=0;
}
while(!keydispaly);
}
}
}
/**********************************
函数名称: 中断函数
功能:
参数: 无
返回值:
***********************************/
void timer0 () interrupt 1
{
TH0 = (65536-9174)/256;
TL0 = (65536-9174)%256;
msec10++; // msec10加一次等于 10ms if(msec10==100) // j=100 为1s
{
msec10 = 0;
second++;
if(second==60) // second=60 为1minute
{
second=0 ;
minute++;
if(minute==60) // minute=60 为1hour {
minute=0 ;
}
}
}
}
六、仿真、实验验证过程及实现结果、现象
七、结论
本设计的数字电子秒表系统采用89C52单片机为中心器件，利用其定时器/计数器定时和记数的原理，结合显示电路、LED数码管以及外部中断电路来设计计时器。

将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够实现八位LED显示，显示时间为0~59分59.59秒，计时精度为0.01秒，能正确地进行计时，同时能记录两次时间，并在计时后对上一次计时时间进行查询。

其中软件系统采用C语言编写程序，包括显示程序，定时中断服务，延时程序，按键扫描程序等，并在keil4中调试运行，硬件系统利用PROTEUS强大的功能来实现，简单切易于观察，在仿真中就可以观察到实际的工作状态。

八、总结（体会）
开始做设计的时候总是会犯一些错误，只有经过不停的改错，不断地编译得到正确的程序，说明作为一名编程人员是不能粗心大意的，一个程序的质量的高低与你的细心与否有着很大的联系，在编程时，我充分地使用了结构化的思想，这样程序检查起来也比较方便，调试时也会方便很多。

只要一个模块一个模块的进行调试就可以了，充分体现了结构化编程的优势。

在设计中要求我要有耐心和毅力，细心是最重要的，稍有不慎，一个小小的错误就会导致结果的不正确，而对错误的检查要有足够的耐心，通过这次设计和设计中遇到的问题，我也积累了一定的经验。

为了能完成这次
设计，我还复习了《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《微机接口技术》、《单片机技术》、《C语言》。

通过这次单片机课程设计，我了解到自己在单片机方面还有很多不足，特别是单片机指令系统及stc89C52单片机各引脚的第二功能等等知识不够了解.因此我在设计中遇到不懂的东西就马上查资料或请教同学.这不仅加深了我对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。

创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为自己的东西。