单片机课程设计报告：基于单片机实现的秒表系统设计

单片机课程设计报告：基于单片机实现的秒表系统设计内容摘要：

（定时器/计数器1计数脉冲输入端）WR(片外数据存储器写选通信号输出端) RD（片内数据存储器读选通信号输出端） 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，89S52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，89S52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12MHz的方波信号。 时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。 P1在每一个状态S的前半部分有效，P2在每个状态的后半部分有效。 本设计采用的内部振荡方式，内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。 图中，电容器CC2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12MHz的晶振[8]。 内部振荡电路 时序AT89C52典型的指令周期（执行一条指令的时间称为指令周期）为一个机器周期，一个机器周期由六个状态（十二振荡周期）组成。 每个状态又被分成两个时相P1和P2。 所以，一个机器周期可以依次表示为S1P1，S1P2……，S6P1，S6P2。 通常算术逻辑操作在P1时相进行，而内部寄存器传送在P2时相进行。 89S52时序。 这些内部时钟信号不能从外部观察到，所用XTAL2振荡信号作参考。 在图中可看到，低8位地址的锁存信号ALE在每个机器周期中两次有效：一次在S1P2与S2P1期间，另一次在S4P2与S5P1期间。 对于单周期指令，当操作码被送入指令寄存器时，便从S1P2开始执行指令。 如果是双字节单机器周期指令，则在同一机器周期的S4期间读入第二个字节，若是单字节单机器周期指令，则在S4期间仍进行读，但所读的这个字节操作码被忽略，程序计数器也不加1，在S6P2结束时完成指令操作。 (a)和(b)给出了单字节单机器周期和双字节单机器周期指令的时序。 89S52指令大部分在一个机器周期完成。 乘（MUL）和除（DIV）指令是仅有的需要两个以上机器周期的指令，占用4个机器周期。 对于双字节单机器周期指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读入两个字节，唯有MOVX指令例外。 MOVX是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令。 在执行MOVX指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。 (c)给出了一般单字节双机器周期指令的时序。 复位电路的选择与设计关于单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值，复位是一个很重要的操作方式。 但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。 当AT89C52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12MHz的晶振，因此一个机器周期为1μs，那么复位脉冲宽度最小应为2μs。 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。 上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。 80C51单片机的上电复位POR（Power On Reset）实质上就是上电延时复位，也就是在上电延时期间把单片机锁定在复位状态上。 在单片机每次初始加电时，首先投入工作的功能部件是复位电路。 复位电路把单片机锁定在复位状态上并且维持一个延时（记作TRST），以便给予电源电压从上升到稳定的一个等待时间；在电源电压稳定之后，再插入一个延时，给予时钟振荡器从起振到稳定的一个等待时间；在单片机开始进入运行状态之前，还要至少推迟2个机器周期的延时。 上述一系列的延时，都是利用在单片机RST引脚上外接一个RC支路的充电时间而形成的。 （a）所示，其中的阻容值是原始手册中提供的。 在经历了一系列延时之后，单片机才开始按照时钟源的工作频率，进入到正常的程序运行状态。 在电源电压以及振荡器输出信号稳定之后，又等待了一段较长的延时才释放RST信号，使得CPU脱离复位锁定状态；而RST信号一旦被释放，立刻在ALE引脚上就可检测到持续的脉冲信号。 上电复位延时电路由于标准80C51的复位逻辑相对简单，复位源只有RST一个（相对新型单片机来说，复位源比较单一），因此各种原因所导致的复位活动以及复位状态的进入，都要依靠在外接引脚RST上施加一定时间宽度的高电平信号来实现。 标准80C51不仅复位源比较单一，而且还没有设计内部上电复位的延时功能，因此必须借助于外接阻容支路来增加延时环节，(a)所示。 其实，外接电阻R还是可以省略的，理由是一些CMOS单片机芯片内部存在一个现成的下拉电阻Rrst。 例如，AT89系列的Rrst阻值约为50～200 kΩ；P89V51Rx2系列的Rrst阻值约为40～225 kΩ。 因此，(a)基础上，(b)所示的简化电路（其中电容C的容量也相应减小了）。 复位引脚RST内部电路在每次单片机断电之后，须使延时电容C上的电荷立刻放掉，以便为随后可能在很短的时间内再次加电作好准备。 否则，在断电后C还没有充分放电的情况下，如果很快又加电，那么RC支路就失去了它应有的延迟功能。 因此，(a)的基础上添加一个放电二极管D，(c)所示的改进电路。 也就是说，只有RC支路的充电过程对电路是有用的，放电过程不仅无用，而且会带来潜在的危害。 于是附加一个放电二极管D来大力缩短放电持续时间，以便消除隐患。 二极管D只有在单片机断电的瞬间（即VCC趋近于0 V，可以看作VCC对地短路）正向导通，平时一直处于反偏截止状态。 手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。 单片机要完成复位，必须向复位端输出并持续两个机器周期以上的高电平，从而实现复位操作。 本设计采用上电且开关复位电路，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。 当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。 通常选择C=10~30μF，R=1K，本设计采用的电容值为22μF的电容和电阻为1K的电阻。 单片机复位电路 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。 AT89C52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并提供了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。 系统总电路图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，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，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，~、b、c、d、e、f、g、dp显示，AT89C52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。 ~，NPN三极管9013做为位控制端的开关，~，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。 3 软件设计 程序设计思想 本次设计，既可以用汇编语言编程也可以用C语言编程，该设计采用的是C语言编程，C语言是一种面向过程的程序设计语言，C语言简洁、紧凑，使用方便、灵活；本设计采用了C语言编写，C语言由于采用了二进制代码来编写程序，比用汇编语言采用助记符编程要容易理解些，在一定程度上简化了编程过程且用二进制代码代替了汇编语言的助记符。 C语言的特点是： 1）C是中级语言它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。 C语言可以象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作,而这三者是计算机最基本的工作单元。 2）C是结构式语言结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化,即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。 这种结构化方式可使程序层次清晰,便于使用、维护以及调试。 C 语言是以函数形式提供给用户的,这些函数可方便的调用,并具有多种循环、条件语句控制程序流向,从而使程序完全结构化。 3） C语言功能齐全C语言具有各种各样的数据类型,并引入了指针概念,可使程序效率更高。 另外C语言也具有强大的图形功能,支持多种显示器和驱动器。 而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大,可以实现决策目的。 4）C语言适用范围大 C语言还有一个突出的优点就是适合于多种。