1、 I 電子綜合設(shè)計實訓(xùn)題 目 _ 短跑計時器_ _ 姓 名 李康 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號 202231007 指導(dǎo)教師 李大海 鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院 目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc403735546 摘要 II摘要本文介紹了用AT89C51單片機和LM016L液晶顯示系統(tǒng)組成短跑計時器的電路組成。其中5V直流電源為自行設(shè)計的220V交流轉(zhuǎn)5V直流電路；鍵控電路，主要由開始、暫停、復(fù)位三個功能鍵于一體，還有保存鍵以及查看鍵。本系統(tǒng)用C語言進行軟件編程，充分應(yīng)用到了單片機和電路電子焊接知識用單片機做該統(tǒng)電路連接簡單、體積小、本錢低，且抗干擾能力

2、強。關(guān)鍵字：AT89C51；共陰極數(shù)碼管；晶振；LM016L液晶顯示 前 言在電子技術(shù)飛速開展的今天，電子產(chǎn)品的人性化和智能化已經(jīng)非常成熟，其開展前景仍然不可估量。如今的人們需求的是一種能給自己帶來方便的電子產(chǎn)品，當(dāng)然最好是人性化和智能化的，如何能做到智能化呢？單片機的引入就是一個很好的例子。單片機又稱單片微型計算機，也稱為微控制器，是微型計算機的一個重要分支，單片機是20世紀(jì)70年代中期開展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是集CPU，RAM，ROM，I/O接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片上的器件。單片機的誕生標(biāo)志著計算機正式形成了通過計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩個分支。目前單片機已滲透到我們生活的各

3、個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。在我們身邊，由單片機作為主控制器的全自動洗衣機、高檔電風(fēng)扇、電子廚具、變頻空調(diào)、遙控彩電、錄像機、VCD/DVD機、組合音響、電子琴等。單片機已在廣闊的計算機應(yīng)用領(lǐng)域中表現(xiàn)得淋漓盡致，出盡了風(fēng)頭。從家用消費類電器到復(fù)印機、打印機、掃描儀、 機等辦公自動化產(chǎn)品；從智能儀表、工業(yè)測控裝置到CT、MRI、刀等醫(yī)療設(shè)備；從數(shù)碼相機、攝錄一體機到航天技術(shù)、導(dǎo)航設(shè)備、現(xiàn)代軍事裝備；從形形色色的電子貨幣如 卡、水電氣卡到身份識別卡、門禁控制卡、檔案管理卡及相關(guān)讀/寫卡機等等都有單片機在里面扮演重要角色。因此，單片機已成為電子類工作者必須掌握的專業(yè)技術(shù)之一。單片機

4、的出現(xiàn)給電子技術(shù)智能化和微型化起到了很大的推動作用。1課程設(shè)計的目的 近年來，我國體育事業(yè)蓬勃開展。隨著全民健身運動的開展，在體育測試中傳統(tǒng)的手工計時往往難以滿足比要求，裁判要求較高，人為性大，投入多，精度低，對大量數(shù)據(jù)的保存查閱困難。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷開展單片機技術(shù)在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，單片機技術(shù)的不斷成熟使自動計時技術(shù)在短跑工程中的應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實。在短跑工程中采用電子計時的方法具有公正、準(zhǔn)確、快捷高效等特征。隨著社會的開展，人們對于計時器的要求也在不斷的提高，尤其是短跑計時器。用單片機作為計時器體積小，本錢低，抗干擾能力強。最重要的是它的精準(zhǔn)度較高。適合短跑、辯論賽等很多類的比賽計

5、時。短跑計時器是體育信息化的重要設(shè)備,它實現(xiàn)了田徑短跑比賽計時的自動化和智能化，解決了多年來田徑短跑比賽人工計時難以解決的問題，使計時更簡單、更方便、更精確、更高效。2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求2.1 設(shè)計任務(wù)利用單片機系統(tǒng)設(shè)計一個短跑計時器的技術(shù)性能指標(biāo)如下： 1短跑計時器數(shù)碼顯示秒； 2最大計時限值為99秒； 3“鍵控應(yīng)為計時開始/繼續(xù)/暫停A，保存B和查詢顯示C三個。按鍵定義及顯示標(biāo)志：設(shè)置按鍵S1，當(dāng)S1按下時秒表計時，數(shù)碼管顯示當(dāng)前數(shù)值，再次按下時暫停，顯示計時時間。假設(shè)數(shù)字大于99，數(shù)碼管顯示“00。假設(shè)按下S2鍵那么保存運發(fā)動的計時時間。假設(shè)按下S3鍵那么查詢顯示計時時間。2.2 根

6、本要求 要求完成的主要任務(wù)包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求。 1 設(shè)計任務(wù)及要求。 2 系統(tǒng)框圖，原理說明。 3 硬件原理，完整電路圖，采用器件的功能說明。 4 調(diào)試記錄及結(jié)果分析。 5 對成果的評價及改良方法。 6 總結(jié)收獲及體會。 7 參考資料。 8 附錄：器件表，芯片資料。 3設(shè)計原理及功能說明 本實驗利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和計數(shù)的原理，并考慮現(xiàn)有實驗條件，即DVCC系列單片機仿真實驗系統(tǒng)實驗箱所提供的器件來設(shè)計計時器，將軟、硬件有機的結(jié)合起來，實現(xiàn)計時功能。其中本系統(tǒng)設(shè)計了2個撥動開關(guān)：K1芯片P3.2腳為0計時，為1不影響計時；K2芯片P3.3腳為1清

7、零，為0不影響程序運行。主要用到單片機中定時中斷的相關(guān)知識。把“單片機系統(tǒng)區(qū)域中的P0.0/AD0，P0.7/AD7 端口用8 芯排線連接到 “靜態(tài)數(shù)碼顯示模塊區(qū)域中的任一個a端口上。要求P0.0/AD0對應(yīng)著a，P0.1/AD1 對應(yīng)著b，P0.7/AD7 對應(yīng)著h。把“單片機系統(tǒng)區(qū)域中的P2.0/A8P2.7/A15 端口用8 芯排線連接到“靜態(tài)數(shù)碼顯示模塊區(qū)域中的任一個a端口上。要求P2.0/A8 對應(yīng)著a，P2.1/A9 對應(yīng)著b，P2.7/A15 對應(yīng)著h。 89C51單片機的時鐘信號通常用內(nèi)部振蕩方法得到，在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方法

8、。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。晶振通常選擇6MHz、12MHz24MHz。本設(shè)計采用11.0925MHz晶振。圖中C1、C2起到穩(wěn)固振蕩頻率、快速起振的作用。電容值一般為530pF。本設(shè)計選用30pF電容。復(fù)位操作完成電路的初始化，使單片機從一種確定的狀態(tài)開始運行。控制模塊實際上就是單片機的最小系統(tǒng)。本設(shè)計采用常用的上電復(fù)位電路。上電后由于電容的充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。當(dāng)單片機已運行中時按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。此處C1電容取10uF，R1=10K。 在AT89S51單片機的P

9、0和P2端口分別接有兩個共陰數(shù)碼管U2、U3，P0口驅(qū)動顯示秒時間的十位，而P2口驅(qū)動顯示秒時間的個位。顯示模塊由十腳數(shù)碼管、電阻、排阻等元件構(gòu)成，其中排阻為了驅(qū)動電流，增加電流，排阻一般有九個腳，一個腳接VCC其他腳接單片機I/0口，此設(shè)計為了U2提供高電平，從而十位才能顯示。 4單元電路的設(shè)計 原理圖包含單片機以及外部連接振蕩電路，其中的P0口控制數(shù)碼輸出顯示以及控制鍵盤的。晶振采用12MHZ，該頻率有利于提高串口的通信可靠性，同時又保證單片機有較高的運行速度。采用內(nèi)部方式時在，XTAL1和XTAL2引腳上接石英晶體和微調(diào)電容可以構(gòu)成振蕩器。圖4.1中C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作

10、用。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比擬穩(wěn)定，實用電路中使用較多。圖4.1 時鐘電路 單片機在開機時都需要復(fù)位，以便CPU及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機復(fù)位電路工作原理:當(dāng)通電瞬間穩(wěn)壓電源給電容充電。RESET為復(fù)位輸入端,當(dāng)RESET引腳持續(xù)兩個機器周期以上的高電平時,使單片機完成復(fù)位操作。隨著電容充電結(jié)束,將使電容與電阻之間將呈現(xiàn)低電平,單片機復(fù)位結(jié)束。復(fù)位操作的主要功能是把PC初始化為0000H。使單片機程序存儲器從0000H單元開始執(zhí)行程序。本設(shè)計主要采用上電自動復(fù)位電路如圖4.2。 圖4.2 復(fù)位電路 顯示電路中顯示器件有很多種，常用的有發(fā)光二極管，數(shù)

11、碼管，液晶顯示器等。本文采用8位共陰極LED動態(tài)掃描顯示，逐個地循環(huán)地點亮各位顯示器。 圖4.3 數(shù)碼管顯示電路5硬件的制作與調(diào)試 時鐘振蕩電路的設(shè)計，單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作。在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只要外界一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元決定單片機的工作速度。本系統(tǒng)使用的是內(nèi)部時鐘方式。一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振。在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容C1、C2的作用有兩個一是幫助振蕩器起振，二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。本系統(tǒng)的C1、C2的值為30p

12、f。無論用戶使用哪種類型的單片機,總要涉及到單片機復(fù)位電路的設(shè)計。而單片機復(fù)位電路設(shè)計的好壞,直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設(shè)計完單片機系統(tǒng)，并在實驗室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)。 “死機、“程序走飛等現(xiàn)象,這主要是單片機的復(fù)位電路設(shè)計不可靠引起的。根本的復(fù)位方式根本的復(fù)位方式根本的復(fù)位方式根本的復(fù)位方式，單片機在啟動時都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)并從初態(tài)開始工作。89系列單片機的復(fù)位信號是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，那么CPU就可以響

13、應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機系統(tǒng)的復(fù)位方式有手動按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。此系統(tǒng)我們選用了手動按鈕復(fù)位，手動按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上參加高電平。一般采用的方法是在RST端和正電源VCC之間接一個按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時，那么VCC的+5V電平就會直接加到RST端。手動按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒,所以完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。LED數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，還有一種是類似于3位“+1型。根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管除了它們的硬件電路有差異外編程方法也是不同的。共陰和共陽

14、極數(shù)碼管的內(nèi)部電路它們的發(fā)光原理是一樣的，只是電源極性不同而已。顏色有紅，綠，藍，黃等幾種。LED數(shù)碼管廣泛用于儀表時鐘，車站，家電等場合。選用時要注意產(chǎn)品尺寸顏色功耗亮度波長等。在這里我們使用的是8段數(shù)碼管顯示，包含小數(shù)點。通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種，一種是靜態(tài)顯示，另一種是動態(tài)顯示。其中靜態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單但占用端口資源多，所耗得電能較大；動態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好，程序編寫復(fù)雜，但是相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少。在本設(shè)計中為了減少端口資源，降低電能消耗，采用的是動態(tài)顯示方法。本系統(tǒng)的倒計時時間的最大范圍是9999S，要顯示出最大范圍的值，從而

15、可知數(shù)碼管顯示電路要用到4位數(shù)碼管。 計時器系統(tǒng)軟件設(shè)計的主程序流程圖，程序的的開始時先設(shè)定定時器0，先給定時器裝初值。檢測按鍵是否按下，如果有按鍵按下進入相應(yīng)的倒計時方式。定時器0的定時時間是50ms,每當(dāng)進入定時中斷一次變量a自動加一,當(dāng)a等于20時即為計時一秒,此時計時器清零,重新賦初值,并且之前設(shè)定的倒計時初值n值自動減一,同時進行相關(guān)的顯示 。 硬件調(diào)試的主要任務(wù)是排除硬件故障,其中包括設(shè)計錯誤和工藝性故障。脫機檢查用萬用表逐步按照電路原理圖檢查印制電路中所有器件的各引腳,尤其是電源的連接是否正確,檢查數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障,順序是否正確,檢查各開關(guān)按鍵是否能正

16、常開關(guān),是否連接正常,各限流電阻是否短路等內(nèi)容。為了保護芯片應(yīng)先對各IC電位進行檢查確定其無誤后再插入芯片檢查。聯(lián)機調(diào)試:暫時拔掉89C52芯片,將仿真器的40仿真插入89C52的芯片插座進行調(diào)試,檢驗鍵盤/顯示接口電路是否滿足要求設(shè)計。可以通過一些簡單的測軟件來查看接口工作是否正常。例如,我們可以設(shè)計一個軟件使89C52的P1、P2口輸出55H或AAH同時讀P3口運行后用萬用表檢查相應(yīng)端口電平是否一高一低,在仿真器中檢查讀入的P3口8位是否為1.如果正常那么說明89C52正常工作。還可以設(shè)計一個使所有LED全顯示“8.的靜態(tài)顯示程序來檢驗LED的好壞。如果運行測試結(jié)果與預(yù)期不符，很容易根據(jù)故

17、障現(xiàn)象判斷故障原因并采取針對性措施排除故障。開始時數(shù)碼管的亮度不夠理想。經(jīng)檢查知是段選電阻接P0口的限流電阻太大。最后換成470歐的電阻后數(shù)碼管顯示正常。 軟件調(diào)試的任務(wù)是利用開發(fā)工具進行在線仿真調(diào)試，發(fā)現(xiàn)和糾正程序錯誤，同時也能發(fā)現(xiàn)硬件故障。程序的調(diào)試應(yīng)一個模塊一個模塊地進行。首先單獨調(diào)試各功能子程序，檢驗程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能，接口電路的控制是否正常等。最后逐步將各子程序連接起來進行聯(lián)調(diào)。本系統(tǒng)的程序的編寫就是在Keil C軟件中用匯編語言完成的。在程序中用到了一個定時器，為了使倒計時的時間準(zhǔn)確，必須計算對定時器的初值。當(dāng)程序完成之后生成HEX文件。再利用Proteus軟件進行仿真。經(jīng)

18、過仿真和實際測試，在實際使用時完全沒有閃爍。在程序中定時器50ms中斷一次，變量a自增,中斷20次時秒的顯示自減,誤差很小大約為0.1%。系統(tǒng)由5V電源來驅(qū)動。經(jīng)過測試與分析,此系統(tǒng)穩(wěn)定可用,滿足設(shè)計要求。 總 結(jié)本次課程設(shè)計利用89S51單片機設(shè)計短跑智能計時器，不僅包括硬件設(shè)計還包含軟件編程。綜合了大學(xué)時期學(xué)習(xí)的各種專業(yè)知識。對硬件的設(shè)計和單片機連接的電路設(shè)計。軟件設(shè)計應(yīng)用了中斷、中斷擴展、定時器等知識。 軟件設(shè)計是建立在硬件根底上的，我認為本次設(shè)計中最具特色的地方是合理利用中斷0處理和中斷1處理進行搶跑處理和計時處理，以及利用定時器技術(shù)進行計時。 本設(shè)計要注意的地方是系統(tǒng)的實時性、可靠性

19、、精確性。還要考慮設(shè)計的可行性和設(shè)計的價格等因素。這次設(shè)計的重點包括以下幾點。 1. 顯示裝置的設(shè)計，顯示器不僅顯示時間還能顯示賽道號和狀態(tài)，能為分辨運發(fā)動的成績和成績的有效性提供了依據(jù)。 2. 軟件編程的設(shè)計，軟件編程綜合利用了INT0和INT1以及他們的擴展計時，以及定時器技術(shù)。這些技術(shù)實現(xiàn)了比賽搶跑記錄處理和結(jié)果記錄處理，以及計時處理。 此次設(shè)計更進一步了解根本電路的設(shè)計流程，熟悉了軟件編程方法，提高自己的設(shè)計理念，豐富自己的理論知識，穩(wěn)固所學(xué)知識，使自己的動手動腦能力有更進一步提高，為自己今后的學(xué)習(xí)和工作打好根底，為自己的專業(yè)技能打好根底。與此同時，通過本次設(shè)計，我系統(tǒng)的了解了計時系統(tǒng)

20、的設(shè)計流程，尤其是硬、軟件的設(shè)計方法，掌握了鍵盤顯示電路的根本功能。開拓了思路，鍛煉了實踐動手能力，提高了分工協(xié)作能力和分析問題，解決問題的能力，到達了本次課程設(shè)計的目的。參考文獻1 皮大能.單片機課程設(shè)計.北京：北京理工大學(xué)出版社,2022,101120.2 羅偉.單片機應(yīng)用.北京：北京人民郵電出版社,2022,128142. 4 李銀華主編.電子線路設(shè)計指導(dǎo)M. 北京:航空航天大學(xué)出版社2022,78-132. 5 謝嘉奎.電子線路非線性M. 北京：高等教育出版社,2000,120-200. 6 陳光明等主編.電子技術(shù)課程設(shè)計與綜合實訓(xùn)M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2022,158-

21、160.附錄1：總體電路原理圖 附錄2：元器件清單序號名稱型號規(guī)格數(shù)量1單片機STC89C5212數(shù)碼管5010AS33電源14電阻1K255按鍵開關(guān)36電解電容10Uf/10v17晶振12MHZ18電容22PF29排阻10K110導(dǎo)線假設(shè)干附錄3：電路匯編程序匯編程序如下： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP DS05S ORG 0030HMAIN:MOV R0,#100 MOV R7,#0 ACALL DIS MOV R6,#0 MOV R1,#40H MOV TMOD,#01H MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0F0H SETB EA SETB ET0SCAN1:JB P1.0,SCAN1;開始 ACALL DELAY20MS JB P1.0,SCAN1 JNB P1.0,$ ACALL DELAY20MS SETB TR0 SCAN2:JB P1.0,SCAN3;暫停 ACALL DELAY20MS JB P1.0,SCAN3 JNB P1.0,$ ACALL DELAY20MS