基于AT89C52单片机的多动能秒表设计

1、德 州 学 院 毕 业 设 计1基于 AT89C52 单片机的秒表设计摘 要 随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测技术不断更新。单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，主要包括 CPU、随机存储器、只读存储器、基本输入/输出接口电路、定时器/计数器等部件。本设计的数字电子秒表系统采用AT89C52 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，使得系统能够实现四位 LED显示，设计具有计时和倒计时功能的电子秒表。关键词 单片机; LED 数码显示器; AT89C52; 秒表1 绪论单片机自问世以来，性能不断提高和完善，而且具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此在工业控制、智能仪表、数据采集和处理、通信系统、网络系统、汽车工业、国防工业、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正逐步取代现有的多片微机应用系统，单片机的潜力越来越被人们所重视 1。进入 21 世纪，随着信息产业的高速发展，秒表的用途越来越广泛。数字秒表是电

2、器制造、电力、工业自动化控制、国防、实验室及科研单位理想的计时仪器，同时还用于军事，医疗，商务等领域，发展及应用前景广泛。目前已经有很多种类的数字秒表应用于各个行业了,它们大多是指针式或集成电路型的，但是结构相对复杂、测试功能单一 2。鉴于目前的情况，我们提出了以单片机作为控制核心，添加必要的外围电路的价格低廉、走时精确、使用方便的秒表系统。随着信息产业的高速发展，数显电子秒表用途不断增多而且越来越重要，它同时也在增加功能及性能改进。一种崭新的、采用硬件描述语言的硬件电路设计方法已经兴起，硬件描述语言是电子设计自动化(EDA) 领域的一次重大变革. 在电子计算机发展过程中，微型计算机是一个重要分支。其中单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)的应用更带来了秒表设计领域新的革命。德国和奥地利科学家便通过对单片机的研制出一种超高精确度秒表，能测出比 0.1 飞秒(即 110-16S)还短的时间。这种高精确度秒表是由德国比勒菲尔德大学和奥地利维也纳工业大学的研究人员组成的研究小组研制成功的 3。综上所述，秒表经历了机械设计、基于集成电路的设计、基于 EDA 的设计

3、、基于单片机的设德 州 学 院 毕 业 设 计2计的发展及现如今的一些出于特殊用途的超高精度秒表，每个发展阶段都符合其时代的要求，但是随着科技的发展，数显电子秒表在向着高精度，高稳定性，体积小，重量轻便于携带趋势发展。基于单片机的定时与控制装置在诸多行业都有广泛的应用，本文以 AT89C52 为主控制芯片，应用 LED 显示器设计电子秒表，其主要功能有单计时、连续记 8 个的计时、设定初值的倒计时。本文是一个单片机的最小系统设计，对于各种复杂系统的开发，具有一定的指导作用。2 系统功能概述毕业设计总体方案是以 AT89C52 单片机作为控制核心，设计具有计时、倒计时等功能的电子秒表。一个完整的电子秒表电路就是一个单片机的最小系统，主要由键盘输入电路、单片机、晶振、复位电路和 LED 显示电路构成。本毕业设计中电子秒表可以实现以下的功能：（1）用开关控制两种计时模式的选择。分别是单计时模式和连续计 8 个的计时模式。（2）用开关控制电子秒表的启动、停止、复位，七段数码管的高 2 位显示秒表的秒值，低 2 位显示秒表的百分秒值。（3）可实现设定初值的倒计时功能。其中涉及了三种初值调整方式，

4、分别是增1（减 1)、连续增（连续减）和快速增（快速减） 。3 系统硬件设计3.1 电路元件及其功能介绍根据设计的方案，选取了单片机 AT89C52，用于显示秒表数值的 LED1LED4，以及用于显示电路工作状态的 LED5-LED6，驱动数码管的三极管 SS9012 以及必要的按键开关及其他元件。3.1.1AT89C52 单片机的介绍集成在一个芯片上的微型计算机即为单片机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，像 CPU、只读存储器 ROM（Read only memory）、随机存储器 RAM（Random access memory）、基本输入/输出接口电路、定时器/计数器等部件集成在一块芯片上，构成一个较为完整的微型计算机，从而实现一些微型计算机所具有的功能 4。在微型单片机选择上，我们应该考虑存储器容量，时钟频率，I/O 口线等基本参数。对于本设计，由于电子秒表系统在数据的处理和存储方面要求不高，所以选取片内带德 州 学 院 毕 业 设 计3RAM 和 ROM 的单片机即可，在本设计中选取的是 ATMEL 公司的 AT89C52 单片机。AT89C52 是一个低电压，高性能

5、CMOS 8 位单片机 5，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读 程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用ATMEL 公司 的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛的应用 6。AT89C52具有很多优异的功能，具体的功能及特点如下：1. 兼容MCS51指令系统；2. 8kB可反复擦写(大于1000次）Flash ROM ；3. 32个双向I/O口；4.256byte内部RAM；5. 3个16位可编程定时/计数器中断 7；6. 时钟频率0-24MHz ；7. 2个外部中断源，共8个中断源；8. 2 个读写中断口线，3 级加密位；9. 低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；10. 有 PDIP、 PQFP、TQFP 及 PLCC 等几种封装形式，以适应不同产品的需求 8。另外，在AT89C52 片内存储器 中，80H-FFH 共128 个单元为特殊功能寄存器（SFR ） 。并非所有的地址都被定义，从80H

6、FFH 共128 个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将数据写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。AT89C52除了有单片机AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外,还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2 的控制和状态位位于T2CONT2MOD ,寄存器对（RCAO2H、 RCAP2L）是 定时器2在16位捕获方式或 16位自动重装载方式下的捕获或自动重装载寄存器 9。AT89C52 单片机的内部结构与 MCS-51 系列单片机的构成基本相同。CPU 是由运算器和控制器所构成的。运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作的。控制器是单片机的指挥控制部件，主要任务的识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。AT89C52 单片机的指令系统和引德 州 学 院 毕 业 设 计4脚功能与 MCS-51 的完全兼容 10。AT89C52 的引脚排列如图 3-1 所示。图 3

7、-1 AT89C52 引脚排列图3.1.2 LED 显示器概述如3-2图所示为七段LED 数码管的原理图，通过该图可以很容易的看出共阳极和共阴极的七段LED 管的工作原理的不同点。对于共阴极的数码管，所有发光二极管的阴极共连后接地，而阳极引出脚用于控制LED是否发亮。若阳极引出脚接地，则LED 被熄灭；若阳极引脚接高电平，则LED被点亮。图 3-2 LED 原理图共阳极的LED 正好相反，所有发光二极管的阳极共连后接高电平，而阳极引出脚用于控制LED是否点亮。若阴极引脚接高电平，则LED被熄灭；反之，则LED被点亮。单片机对LED 管的显示可以分为静态和动态两种 11。静态显示的特点是各LED 管能同时稳定地显示各自字符；动态显示是指各LED轮流一遍一遍显示各自字符，但由于显德 州 学 院 毕 业 设 计5示的切换较快，在人的视觉看来是各LED管同时显示不同字符。下面介绍LED的接口方法与电路：（1）LED 数码显示的接口方法单片机与 LED 数码显示器有以硬件为主和以软件为主的两种接口方法。 以硬件为主接口方法，这种接口方法的电路如3-3图所示。图3-3 LED接口方法电路图（2）L

8、ED数码显示器的接口电路单片机实际使用的LED 数码显示器位数较多。为降低成本，大部分以软件为主的接口方法对于多位LED 数码管显示器，通常采用动态扫描显示方法，即逐个循环点亮各位显示器。这样虽然在任一时期只有一位显示器被点亮，但是由于人眼有视觉残留效应，看起来与全部显示持续点亮的效果基本一样（在亮度上要有差别） 。此外，单片机一般对LED的驱动效果有限，LED 一般还需要外围的驱动才能更好的发挥其显示效果。LED 显示是单片机控制产品中常见的应用。使用LED 模块,这种模块中带有LED显示管和 LED 驱动电路,用起来较方便。一般用户直接采用单片机 +LED驱动器+LED 显示管的方式,一种经常使用的LED驱动器 8550，它作为共阳数码管的驱动器，而共阴数码管的驱动器则是 A1015，它们都是三极管 12。3.2 系统电路设计3.2.1 复位电路复位电路在单片机系统中是必不可少的。所谓的复位就是讲单片机重新启动，这是单片机内部的都有寄存器都回到初始状态 13。对于 AT89C52 单片机来说，它是高电平复位，也就是说只要将单片机的 RESET 引脚接高电平并保持一定的时间就可以实现

9、单片机的复位（而对于一些低电平复位的单片机来说就刚好相反，要使其 RESET 引脚置为低电单 片 机驱动器LED数码管德 州 学 院 毕 业 设 计6平并保持一定时间以实现单片机的复位） 。本设计电路中对应的复位电路如图 3-4 所示。图 3-4 复位电路图从上面的电路可以看出实现的是上电复位和按键复位两个复位功能。上电的一瞬间，单片机的RESET引脚接到高电平，同时电容C1开始充电，经过一定的时间后电容充电饱和，10K的下拉电阻把RESET引脚拉回到低电平状态，实现了单片机的复位。同样道理，在单片机工作的时候按下复位按钮，单片机的RESET引脚接到高电平，电容C1马上放电完毕；松开该按钮后电容C1开始充电，经过一定的时间后电容充电饱和，10K 的下拉电阻把RESET引脚拉回到低电平状态，实现了单片机的复位。3.2.2 晶振电路图 3-5 晶振电路图单片机最小系统晶振也可以采用 6MHz 或者 11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51 单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快 14。单片机最小系统起振电容 C2、C3 一般采用 1533pF，并且德 州 学 院 毕 业 设 计7电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。单片机系统正常工作的保证，如果振荡器不起振，系统将会不能工作；假如振荡器运行不规律，系统执行程序的时候就会出现时间上的误差，这在通信中会体现的很明显：电路将无法通信。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的晶振精度会更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，

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