基于單片機(jī)的數(shù)字秒表設(shè)計(jì)

摘要：文中設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為控制核心的數(shù)字秒表。該數(shù)字秒表采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，通過(guò)數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)結(jié)果。對(duì)系統(tǒng)硬件電路和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以Proteus和Keil軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)數(shù)字秒表進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明該數(shù)字秒表精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。
關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)；數(shù)字秒表；仿真

    當(dāng)今，計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來(lái)了科研和生產(chǎn)重大飛躍，微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已滲透到生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面。單片微型計(jì)算機(jī)具有體積小、價(jià)格低、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，隨著性能不斷提高，其適用范圍愈來(lái)愈寬，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域占有重要的地位。秒表應(yīng)用于我們生活、工作、運(yùn)動(dòng)等需要計(jì)時(shí)的方面。秒表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的方便，而且大大的擴(kuò)展了秒表原先的功能。它由剛開(kāi)始的機(jī)械式秒表發(fā)展到今天所常用的數(shù)字式秒表。秒表的計(jì)時(shí)精度越來(lái)越高，功能越來(lái)越多，構(gòu)造也日益復(fù)雜。本文結(jié)合單片計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一種基于AT89C52單片機(jī)的數(shù)字秒表的設(shè)計(jì)，并且利用Proteus和Keil軟件實(shí)現(xiàn)了仿真。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
    (1)秒表計(jì)時(shí)最大值為59分59．99秒。
    (2)秒表由六位七段LED數(shù)碼管顯示，其中高兩位顯示“分”，中間兩位顯示“秒”，低兩位顯示“0．01”秒。
    (3)秒表?yè)碛杏?jì)時(shí)、暫停、清零功能。
    (4)設(shè)置三個(gè)功能鍵：鍵1開(kāi)始計(jì)時(shí)，鍵2暫停計(jì)時(shí)，鍵3清零計(jì)時(shí)。
1．2 總體方案設(shè)計(jì)
    數(shù)字秒表系統(tǒng)主要完成對(duì)計(jì)時(shí)實(shí)時(shí)的顯示，精度達(dá)到0．01s，以及通過(guò)功能鍵可以使當(dāng)前計(jì)時(shí)暫停或清零。系統(tǒng)主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、按鍵電路以及數(shù)碼管顯示電路。
    系統(tǒng)采用六個(gè)共陽(yáng)極數(shù)碼管，其中八位數(shù)據(jù)口與單片機(jī)的P0口通過(guò)74LS245雙向總線收發(fā)器相接，以增加P0的驅(qū)動(dòng)能力。6個(gè)片選信號(hào)連接單片機(jī)P2口的低六位。該電路可滿足對(duì)計(jì)時(shí)時(shí)間的顯示，最小顯示單位為0．01s，溢出則向前進(jìn)位，顯示時(shí)間的范圍為0到59分59．99秒。3個(gè)功能鍵連接到P3口的低三位，控制系統(tǒng)的計(jì)時(shí)、暫停和清零。系統(tǒng)的整體組成框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 單片機(jī)的選型
    由于本系統(tǒng)只需要單片機(jī)完成對(duì)計(jì)時(shí)的顯示以及處理定時(shí)／計(jì)數(shù)的中斷，對(duì)于I／O資源以及處理速度無(wú)特殊要求，所以選擇Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)。AT89C52增加了在線調(diào)試功能，程序可以通過(guò)JTAG接口下載、調(diào)試和固化，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真和在線編程或在系統(tǒng)編程，具有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)、維護(hù)的功能。
    采用MSC-51系列的單片機(jī)相比有兩大優(yōu)勢(shì)：(1)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器采用快閃存儲(chǔ)器，使程序的寫入方便，還可任意的擦寫1000次，使開(kāi)發(fā)更為方便。(2)提供了更小的芯片，使整個(gè)硬件電路的體積更小。本設(shè)計(jì)采用了MSC-51系列89C52單片機(jī)，具有程序加密功能且物美價(jià)廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
2．2 時(shí)鐘電路
    單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)是由時(shí)鐘電路提供的。在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2兩個(gè)管腳，接一只晶振及兩只電容就構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路如圖2所示。電路中，電容器C1和C2對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用，通常取(30±10)pF，本設(shè)計(jì)選用30pF。電路中的品振采用石英晶體震蕩器，晶振頻率選擇12MHz。石英晶體震蕩器具有非常好的頻率穩(wěn)定性和抗外界干擾的能力。通過(guò)基準(zhǔn)頻率來(lái)控制電路中的頻率的準(zhǔn)確性。

2．3 復(fù)位電路
    單片機(jī)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。無(wú)論是在單片機(jī)剛開(kāi)始接上電源時(shí)，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)，則CPU就可響應(yīng)并且將系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位分為手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位電路如圖3所示。

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2．4 數(shù)碼管顯示電路
    本系統(tǒng)使用了6個(gè)共陽(yáng)極數(shù)碼管、設(shè)計(jì)LED顯示驅(qū)動(dòng)是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，顯示電路由LED顯示器、段驅(qū)動(dòng)電路和位驅(qū)動(dòng)電路組成。由于單片機(jī)的并行口驅(qū)動(dòng)電流太小，不能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器，段驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)74LS245雙向總線收發(fā)器使P0口與數(shù)碼管的八段相連，可增加P0的驅(qū)動(dòng)能力。位驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)六只NPN三極管驅(qū)動(dòng)使P2口的低六位作為位選信號(hào)，使之產(chǎn)生足夠大的電流，來(lái)驅(qū)動(dòng)LED達(dá)到足夠的亮度，顯示器才能正常工作。如果驅(qū)動(dòng)電路能力差，即驅(qū)動(dòng)電流過(guò)小，數(shù)碼管顯示亮度不夠，而驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電流太大容易損壞數(shù)碼管。
    LED顯示器顯示控制方式有兩種：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。本設(shè)計(jì)方案選擇的是動(dòng)態(tài)控制方式。由于一位數(shù)據(jù)的顯示是由段碼和位碼信號(hào)共同配合完成的，因此，要同時(shí)考慮段和位的驅(qū)動(dòng)能力，而且段的驅(qū)動(dòng)能力決定位的驅(qū)動(dòng)能力。
2．5 按鍵電路
    本系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)功能按鍵分別為KEY1、KEY2和KEY3，其中KEY1是開(kāi)始按鍵，與P3．0相連，按下時(shí)數(shù)碼管開(kāi)始計(jì)時(shí)；KEY2是停止按鍵，與P3．1相連，按下時(shí)數(shù)碼管停止計(jì)時(shí)：KEY3是清零按鍵，與P3．2相連，按下時(shí)數(shù)碼管全部清零。當(dāng)數(shù)碼管計(jì)時(shí)時(shí)，不能直接按清零按鍵，只能按停止按鍵才能停止，再按清零按鍵全部顯示初始化0。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件由主程序模塊、延時(shí)模塊、鍵盤掃描程序模塊以及數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)程序模塊組成。
    本設(shè)計(jì)中，計(jì)時(shí)采用定時(shí)器T0中斷完成，其余狀態(tài)循環(huán)調(diào)用顯示子程序，當(dāng)功能按鍵按下時(shí)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)功能程序。其主程序流程圖如圖4所示。

4 仿真結(jié)果
    程序在Keil uVision3環(huán)境下編寫，編譯通過(guò)后生成．hex文件加載到Proteus下可正常運(yùn)行。程序剛運(yùn)行前數(shù)碼管顯示初值為0000．0 0，按下鍵KEY1系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，程序中每0．01s進(jìn)入一次定時(shí)中斷。在程序運(yùn)行過(guò)程中若按下鍵KEY2系統(tǒng)暫停計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)截至狀態(tài)；若按下鍵KEY3，數(shù)碼管清零。圖5為鍵KEY1抬起、鍵KEY2按下的狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文利用AT89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了具有計(jì)時(shí)開(kāi)始、暫停及清零功能的數(shù)字秒表，計(jì)時(shí)最大值為59分59．99秒，計(jì)時(shí)精度為0．01秒。利用Proteus和Keil軟件進(jìn)行了仿真，達(dá)到了預(yù)期的效果。整體電路的計(jì)時(shí)精度高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。