【正文】 《微機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計 題目： 基于 MCS51 單片機(jī)的多功能秒表設(shè)計 中國礦業(yè)大學(xué)信息與 電氣工程學(xué)院《微機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計 課程設(shè)計內(nèi)容： 完成就《基于 MCS51 單片機(jī)的多功能秒表設(shè)計》的軟硬件設(shè)計和調(diào)試。 完成課程設(shè)計報告的撰寫。 課程設(shè)計說明書要求：摘要、設(shè)計要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理設(shè)計、各個模塊的設(shè)計與實現(xiàn)、軟件設(shè)計、調(diào)試過程、收獲、體會及總結(jié)、參考文獻(xiàn)、電路圖和源程序。說明書使用 A4打印紙計算機(jī)打印或手寫，用 Protel 等繪圖軟件繪制電子線路圖紙 基本功能實現(xiàn) ： 設(shè)計多功能秒表，以百分之一秒的單位計時，并在數(shù)碼管上顯示計時時間； 設(shè)置【開始鍵】【停止鍵】【存儲鍵】【回放鍵】，上電后數(shù)碼管顯示 P，以示準(zhǔn)備計時，按開始鍵啟動計時； 按存儲鍵存儲按鍵時刻的時間，允許一次啟動最多按 20 次存儲鍵； 按停止鍵結(jié)束計時，顯示最 終的計時時間； 按回放鍵每按一次依次顯示存儲序號和存儲時間，最后一個存儲時間回放結(jié)束后，再顯示最終的計時時間，如此循環(huán)顯示； 擴(kuò)展功能與創(chuàng)新 設(shè)置【倒計時鍵】，按下倒計時鍵，能夠利用矩陣鍵盤手動設(shè)置初值，然后啟動倒計時，直到計時為零，蜂鳴器發(fā)聲，數(shù)碼管閃爍； 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任簽名： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué)信息與 電氣工程學(xué)院《微機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計 基于 MCS51 單片機(jī)的多功能秒表設(shè)計 摘要 本設(shè)計是設(shè)計一個單片機(jī)控制的多功能秒表系統(tǒng)。 近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時帶動著傳統(tǒng)控制檢測日新月異的更新。在實時檢測和自動控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機(jī)方面的知識是不夠的，還要根據(jù)具體的硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體的應(yīng)用對象的軟件結(jié)合，加以完善。秒表的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)的由于人為因素造成的誤差和不公平性。 本設(shè)計的多功能秒表系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機(jī)為中心器件，利用其定時器 /計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，結(jié)合顯示電路、 LED 數(shù)碼管以及矩陣按鍵來設(shè)計計時器。將軟、硬件有機(jī)地結(jié)合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進(jìn)行計數(shù)，并且結(jié)合相應(yīng)的顯示驅(qū)動程序，使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間、存儲時間、暫停和倒計時。我設(shè)計的秒表可以同時記錄二十個相對獨立的時間，通過回放鍵來查看這二十個不同的計時值，另外還能夠設(shè)置初值進(jìn)行倒計時，具有秒表該有的絕大部分功能，可謂功能強(qiáng)大。其中軟件系統(tǒng)采用 c51 語言編寫程序，包括顯示程序，存儲程序，回放程序，定時器中斷，延時程序，按鍵消抖程序等，硬件系統(tǒng)利用 PROTEUS 強(qiáng)大的功能來 實現(xiàn)，簡單且易于觀察，在仿真中就可以觀察到實際的工作狀態(tài)。 關(guān)鍵字：單片機(jī)； 多功能秒表 ； PROTEUS 中國礦業(yè)大學(xué)信息與 電氣工程學(xué)院《微機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計 目 錄 設(shè)計目的 設(shè)計要求 設(shè)計意義 比較 及硬件設(shè)計 系統(tǒng)總體方案 硬件設(shè)計 89C51 單片機(jī) 振蕩電路 電路 設(shè)計特點 設(shè)計思路及程序流程圖 硬件調(diào)試 軟件調(diào)試 參考文獻(xiàn) 附錄 附件 1：元器件清單 附件 2：完整程序清單 附件 3：電路原理圖 附件 4： PCB 板電路 附件 5：操作說明書 中國礦業(yè)大學(xué)信息與 電氣工程學(xué)院《微機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計 設(shè)計目的 設(shè)計一個單片機(jī)控制的多功能秒表系統(tǒng)。利用單片機(jī)的定時器 /計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，結(jié)合顯示電路、 LED 數(shù)碼管以及矩陣按鍵來設(shè)計秒表。將軟、硬件有機(jī)地結(jié)合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進(jìn)行計時，同時具有開始 /暫停，存儲記錄，回放計時，清零，設(shè)置初值倒計時等功能。 設(shè)計要求 （ 1） 設(shè)計多功能秒表，以百分之一秒的單位計時，并在數(shù)碼管上顯示計時時間； （ 2） 上電后數(shù)碼管顯示 P，以示準(zhǔn)備計時，按開始鍵啟動計時； （ 3） key1：啟動和停止。停止時按鍵啟動計時，啟動時按鍵停止計時。再按，則在原計時值基礎(chǔ)上繼續(xù)計時； （ 4） key2：存儲和回放。當(dāng)啟動時，按鍵為存儲；當(dāng)停止時，按鍵為回放，且能將存儲值循環(huán)回放；按回放鍵每按一次依次顯示存儲序號和存儲時間，最后一個存儲時間回放結(jié)束后，再顯示最終的計時時間，如此循環(huán)顯示； （ 5） key3：清零。 清除存儲值和計時值，回到初始狀態(tài)，顯示 P； （ 6） key4： 倒計時鍵。 能夠利用矩陣鍵盤手動設(shè)置初值，然后啟動倒計時，直到計時為零，蜂鳴器發(fā)聲，數(shù)碼管閃爍，最后顯示 00:00:00。 設(shè)計意義 （ 1）通過本次課程設(shè)計可以使我們進(jìn)一步熟悉和掌握單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，了解單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟和方法。 （ 2）通過利用 AT89C51 單片機(jī)，理解單片機(jī)在自動化儀表中的作用以及掌握單片機(jī)的編程方法。 （ 3）通過設(shè)計一個簡單的實際應(yīng)用輸入及顯示模擬系統(tǒng)，掌握單片機(jī)仿真軟件 PROTEUS的使用方法。 （ 4）該實驗通過單片機(jī)的定時器 /計數(shù)器定時和計數(shù)原理 ,設(shè)計簡單的計時器系統(tǒng) ,擁有正確的計時、暫停、清零、倒計時功能 ,并能同時記錄多個相對獨立的時間利用回放按鈕查看多個不同的計時值 ,該種秒表在現(xiàn)實生活中應(yīng)用廣 泛 ,具有現(xiàn)實意義。 中國礦業(yè)大學(xué)信息與 電氣工程學(xué)院《微機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計 2．系統(tǒng) 方案 比較 及硬件設(shè)計 系統(tǒng)總體方案 方 案一：采用數(shù)字邏輯芯片 本系統(tǒng)有功能設(shè)置、數(shù)據(jù)裝入、定時、顯示、控制多個功能模塊。各個狀態(tài)保持或轉(zhuǎn)移的條件依賴于鍵盤控制信號。由于鍵盤控制信號繁多，系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)以及相互轉(zhuǎn)移更是復(fù)雜，用純粹的數(shù)字電路或小規(guī)模的可編程邏輯電路實現(xiàn)該系統(tǒng)有一定的困難，需要用中大規(guī)模的可編程邏輯電路。這樣，系統(tǒng)的成本就會急劇上升（相對于方案二）。因此，本設(shè)計并未采用這種方案。 方案二：采用 MCU 內(nèi)部定時器 AT89C51 內(nèi)部含有 2 個定時器，可以利用一個定時器計時與一個定時器 倒計時。再結(jié)合矩陣鍵盤控制，方便采集信號，而且結(jié)合編程，易于實現(xiàn)。 由于方案二具有較好的靈活性、較少的電路器件和較高的性價比，而且通過精確的軟件補(bǔ)償使精度完全可以滿足控制需要，所以我們選擇該方案完成設(shè)計。 本系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機(jī)為中心器件，利用其定時器 /計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，結(jié)合硬件電路如電源電路，晶振電路，復(fù)位電路，顯示電路，以及一些 矩陣 按鍵電路等來設(shè)計計時器，將軟、硬件有機(jī)地結(jié)合起來。其中軟件系統(tǒng)采用匯編語言編寫程序，包括顯示，計數(shù)，中斷，延時，按鍵消抖程序等，并在編程軟件中調(diào)試運行，硬件系統(tǒng)利用 PROTEUS 強(qiáng)大的功能來實現(xiàn)，簡單且易于觀察，在仿真中就可以觀察到實際的工作狀態(tài)。 系統(tǒng)電路原理框圖如圖 1所示。 圖 1 系統(tǒng)電路原理 框圖 硬件設(shè)計 89C51 單片機(jī) MCS51 系列單片機(jī)是 8 位單片機(jī)產(chǎn)品， 89C51 是其中的典型代表，基本模塊包括以下幾個部分： （ 1） CPU： 89C51 的 CPU 是 8位的，另外 89C51 內(nèi)部有 1 個位處理器 （ 2） R0M:4KB 的片內(nèi)程序存儲器，存放開發(fā)調(diào)試完成的應(yīng)用程序 外圍電路 單 片 機(jī) 顯示電路 電源電 路路 鍵盤電路 中國礦業(yè)大學(xué)信息與 電氣工程學(xué)院《微機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計 （ 3） RAM:256B 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，容量小，但作用大 （ 4） I/O 口： P0P3，共 4 個口 32 條雙向且可位尋址的 I/O 口線 （ 5）中斷系統(tǒng)：共 5個中斷源， 3 個內(nèi)部中斷， 2 個外部中斷 （ 6）定時器 /計數(shù)器： 2個 16 位的可編程定時器 /計數(shù)器 （ 7）通用串行口：全雙工通用異步接收器 /發(fā)送器 （ 8）振蕩器： 89C51 的外接晶振與內(nèi)部時鐘振蕩器為 CPU 提供時鐘信號 （ 9）總線控制： 89C51 對外提供若干控制總線，便于系統(tǒng)擴(kuò)展 89C51 的引腳圖如下 : 圖 2 89C51 單片機(jī)引腳圖 中國礦業(yè)大學(xué)信息與 電氣工程學(xué)院《微機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計 圖 3 晶體振蕩電路 圖 4 復(fù)位電路 晶體振蕩電路（如圖 3 所示） 89C51 芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。引線 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出，兩端跨接石英晶體及兩個電容就可構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。 這里，我們選用 51 單片機(jī) 12MHZ 的內(nèi)部振蕩方式，電容器 C1， C2 起穩(wěn)定振蕩頻率，并對振蕩頻率有微調(diào)作用， C1 和 C2 可在 20100PF 之間取值 ,這里取 33PF。 復(fù)位電路 （如圖 4所示） 采用上電加按鍵復(fù)位電路，上電后，由于電容充電，使 RST 持續(xù)一段高電平時間。當(dāng)單片機(jī)已在運行之中時，按下復(fù)位鍵也能使 RST 持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電加按鍵復(fù)位的操作。 電源電路 用于這里直接利用普中科技開發(fā)板進(jìn)行硬件設(shè)計，而且電源在這里也不是我們應(yīng)該重點考慮的部分，因此我們可以選擇用蓄電池供電，或者采用 USB 線接 +5V 電源進(jìn)行供電。在這里我選擇后者，方便易用。 （如圖 5 所示） 在 矩陣 按鍵電路中，我們可以在 I/O 口上直接接按鍵，或者通過 I/O 口設(shè)計一個鍵盤，然后通過鍵盤掃描程序判斷是否有鍵按下等。鍵盤掃描電路節(jié)省 I/O 口，但編程有些復(fù)雜，將矩陣鍵盤按圖中所示與 89C51 的 P1 口相連。 在這里， 我采用行掃描法編程讀取鍵值，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作，我們將按鍵 S0~S9 用于倒計時時候?qū)γ氡碣x初值，按下則輸入相應(yīng)的鍵值，按鍵 S10 和是 S11 暫時留著備用，按鍵 S12 用于計時啟動和停止， S13 用于計時值存儲和回放， S14 用于秒表清零（相當(dāng)于單片機(jī)手動復(fù)位）， S15 用于選擇倒計時功能和啟動倒計時。也就是說， S12~S15 四個按鍵都具有雙重功能，但不會沖突，因為有前提條件，例如， S12 啟動和停止 鍵， 停止時按鍵啟動計時，啟動時按鍵停止計時。再按，則在原計時值基礎(chǔ)上繼續(xù)計時； S12 存儲和回放 鍵 。當(dāng)啟動時，按鍵為存儲；當(dāng)停止時，按鍵為回放 。這樣可以減少所使用的按鍵，而且操作方便，但是這對程序的編寫要求就相應(yīng)的提高了。 對于按鍵的設(shè)計，采用了 軟件延時消抖的程序 ，使系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步的提升。當(dāng)按鍵被按下時，相應(yīng)的引腳被拉低，經(jīng)掃描后，獲得鍵值，并執(zhí)行鍵功能程序，因此按下不同的按鍵，將執(zhí)行不同的功能程序。 中國礦業(yè)大學(xué)信息與 電氣工程學(xué)院《微機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計 圖 5 矩陣按鍵電路 與蜂鳴器 電路 （如圖 6 所示） 方案一： 使用數(shù)碼管顯示 該方案控制最簡單，根據(jù)設(shè)計要求顯示格式 XXXXXXXX?？梢詼?zhǔn)確的顯示 計時時間 ，又由于數(shù)碼管簡單便宜且滿足設(shè)計要求， 而且成本較低， 所以選著數(shù)碼管顯示比較合理。 方案二： 使用 LCD12864 液晶顯示 點陣液晶可以顯示多種字符及圖形，擁有友好的人機(jī)界面及強(qiáng)大的顯示功能。特別適用于智能控制的可編程人性化顯示。但是比較復(fù)雜。使用不方便。增加了難度。 比較方案一和二， 我這里選擇采用的是數(shù)碼管顯示電路。用八 個共陰極 LED 數(shù)碼管 顯示，LED 數(shù)碼管 內(nèi)部有 7 個條形發(fā)光二極管和 1 個小圓點發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗組合成字符。在用數(shù)碼管顯示時，我們有靜態(tài)和動態(tài)兩種選擇，靜態(tài)顯示程序簡單，顯示穩(wěn)定，但是占用端口比較多；動態(tài)顯示所使用的端口比較少，可以節(jié)省單