1、数字电子秒表的设计与实现字电子秒表的设计与实现摘 要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入。本文阐述了基于单片机的数字电子秒表设计。本设计主要特点是计时精度达到0.001s，解决了传统的由于计时精度不够造成的误差和不公平性，是各种体育竞赛的必备设备之一。另外硬件部分设置了查看按键，可以对秒表上一次计时时间进行保存，供使用者查询。自首届现代奥运会在希腊雅典举办以来，奥运计时技术一直在不断地向前发展。一百多年过去了，首届现代奥运会上计时所用的跑表如今换成了一系列高科技计时装置，如高速数码摄像机、电子触摸垫、红外光束、无线应答器等等。鉴于当今计时技术的快速发展，即便千分之一秒(为眨
2、眼的40倍)的毫微差距，也决定着冠军的归属。在现在的体育竞技比赛中，随着运动员的水平不断提高，差距也在不断缩小。有些运动对时间精度的要求也越来越高，有时比赛冠亚军之间的差距只有几毫秒，因此就需要高精度的秒表来记录成绩。有关计时钟表的发展历史，大致可以分为三个演变阶段。一、从大型钟向小型钟演变。二、从小型钟向袋表过渡。三、从袋表向腕表发展。从我国水运仪像台的发明到现在各国都在研制的原子钟这几百年的钟表演变过程中，我们可以看到，各个不同时期的科学家和钟表工匠用他们的聪明的智慧和不断的实践融合成了一座时间的隧道，同时也为我们勾勒了一条钟表文化和科技发展的轨迹。本设计的数字电子秒表系统采用AT89C5
3、2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，使得系统能够实现五位LED显示，显示时间为099.999秒，计时精度为0.001秒，能正确地进行计时，同时能记录一次时间，并在下一次计时后对上一次计时时间进行查询。其中软件系统采用汇编语言编写程序，包括显示程序，定时中断服务，外部中断服务程序，延时程序等，并在WAVE中调试运行，硬件系统利用PROTEUS强大的功能来实现，简单切易于观察，在仿真中就可以观察到实际的工作状态。 关键字：单片机；数字电子秒表；仿真 AbstractWith the rapid
4、development of science and technology in recent years, SCM applications are constant-depth manner. In this paper, based on single chip design of digital electronic stopwatch. The main characteristics of this design timing accuracy of 0.001s, to solve the traditional result of a lack accuracy due to
5、timing errors and unfair, and is a variety of sports competitions, one of the essential equipment. In addition the hardware part of the set View button on the stopwatch can be the last time to save time for user queries.The design of the multi-function stopwatch system uses STC89C52 microcontroller
6、as the central device, and use its timer / counter timing and the count principles, combined with display circuit, LED digital tube, as well as the external interrupt circuit to design a timer. The software and hardware together organically, allowing the system to achieve two LED display shows the t
7、ime from 0 to 99.999 seconds, Timing accuracy of 0.001 seconds, Be able to correctly time at the same time to record a time, and the next time after the last time the time to search.automatically added a second in which software systems using assembly language programming, including the display prog
8、ram, timing, interrupt service, external interrupt service routine, delay procedures, key consumer shaking procedures, and WAVE in the commissioning, operation, hardware system uses to achieve PROTEUS powerful, simple and easy to observe the cut in the simulation can be observed on the actual workin
9、g condition.Keyword：LED display；High-precision stopwatch；STC89C52第一章 硬件设计1.1 引言51.2 总体方案的设计61.3 单片机的选择71.4 系统总电路的设计10第二章 软件设计 2.1 程序设计思想112.2 系统资源的分配112.3 主程序设计122.4 中断程序设计13第三章 数字电子秒表的安装与调试3.1 软件的仿真与调试183.2 硬件的安装与调试183.3 系统程序的烧录193.4 数字电子秒表的调试19结 论20致 谢 21参考文献 21第一章 硬件设计1.1 引言数字电子秒表具有显示直观、读取方便、精度高等
10、优点，在计时中广泛使用。本设计用单片机组成数. 在现在的体育竞技比赛中，随着运动员的水平不断提高，差距也在不断缩小。有些运动对时间精度的要求也越来越高，有时比赛冠亚军之间的差距只有几毫秒，因此就需要高精度的秒表来记录成绩。本设计利用AT89C52单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，使其能精确计时。利用中断系统使其能实现开始暂停的功能。P0口输出段码数据，P2.0-P2.4口作列扫描输出，P1.1、P3.2、P3.3、P2.5分别接四个按钮开关，分别实现开始、暂停、清零和查看上次时间的功能。显示电路由五位共阴极数码管组成。初始状态下计时器显示00.000，当按下开始键时，外部中断INT1向C
11、PU发出中断请求，CPU转去执行外部中断1服务程序，即开启定时器T0。计时采用定时器T0中断完成，定时溢出中断周期为1ms，当一处中断后向CPU发出溢出中断请求，每发出一次中断请求就对毫秒计数单元进行加一，达到10次就对十毫秒位进行加一，依次类推，直到99.999秒重新复位。在计时过程中，只要按下暂停键，外部中断INT0向CPU发出中断请求，CPU转去执行外部中断0服务程序,即关闭定时器T0，调用显示程序，实现暂停功能，同时将此次计时时间存入寄存区。然后对P1.1进行扫描。当P1.1按下时就跳转回主程序。等待下一次计时开始。在按下暂停键时，将此时的计时时间存入中间缓存区，当再次按下开始键时，则
12、讲中间缓存区的数据转入最终缓存区。秒表停止后对查看键P2.5进行扫描，P2.5按下为低电平时，调用最终缓存区的数据进行显示，即显示上一次计时成绩。当P2.5位高电平时，调用显示缓存区的数据进行显示，即显示当此计时的成绩。根据以上设计思路从而实现数字电子秒表的计时和查看上一次计时时间的功能。本文主要内容包括三部分：第一部分介绍硬件部分设计思路及方案；第二部分介绍了软件部分的设计思路和设计；最后一部分则是整个系统的安装与调试过程。1.2 总体方案的设计数字电子秒表具有显示直观、读取方便、精度高等优点，在计时中广泛使用。本设计用单片机组成数字电子秒表，力求结构简单、精度高为目标。设计中包括硬件电路的
13、设计和系统程序的设计。其硬件电路主要有主控制器，计时与显示电路和回零、启动和停表电路等。主控制器采用单片机AT89C52，显示电路采用共阴极LED数码管显示计时时间。本设计利用AT89C52单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，使其能精确计时。利用中断系统使其能实现开始暂停的功能。P0口输出段码数据，P2.0-P2.4口作列扫描输出，P1.1、P3.2、P3.3、P2.5口接四个按钮开关，分别实现开始、暂停、清零和查看上次计时时间功能。电路原理图设计最基本的要求是正确性，其次是布局合理，最后在正确性和布局合理的前提下力求美观。硬件电路图按照图1.1进行设计。图1.1 数字秒表硬件电路基本原理
14、图根据要求知道秒表设计主要实现的功能是计时和显示。因此设置了四个按键和五位数码管显示时间，三个按键分别是开始，停止、复位和查看上次计时时间按键。利用这四个建来实现秒表的全部功能，而五位数码管则能显示最多99.999秒的计时。本设计中，数码管显示的数据存放在内存单元79H7DH中。其中79H存放毫秒位数据，7AH存放十毫秒位数据，7BH存放百毫秒位数据，7CH存放秒位数据，7DH存放十秒位数据，每一地址单元内均为十进制BCD码。由于采用软件动态扫描实现数据显示功能，显示用十进制BCD码数据的对应段码存放在ROM表中。显示时，先取出79H-7dH某一地址中的数据，然后查得对应的显示用段码，并从P0
15、口输出，P2口将对应的数码管选中供电，就能显示该地址单元的数据值。1.3 单片机的选择本课题在选取单片机时，充分借鉴了许多成形产品使用单片机的经验，并根据自己的实际情况，选择了ATMEL公司的AT89S51。ATMEL公司的89系列单片机以其卓越的性能、完善的兼容性、快捷便利的电擦写操作，低廉的价格、超强的加密功能，完全替代87C51/62和8751/52，低电压、低电源、低功耗，有DIP、PLCC、QFP封装，有民用型、工业级、汽车级、军品级等多种温度等级，是当今世界上性能最好、价格最低、最受欢迎的八位单片机。AT89C52P为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内
16、核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。单片机的外部结构AT89S52单片机采用40引脚的双列直插封装方式。图1.2为引脚排列图， 40条引脚说明如下：外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。控制或与其它电源
17、复用引脚RST/VPD，ALE/，和/Vpp RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。 ALE/正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此
18、引脚接收编程脉冲（功能）图1.2 单片机引脚图。输入/输出引脚P0.0 - P0.7，P1.0 - P1.7，P2.0 - P2.7，P3.0 - P3.7。 P0口（P0.0 - P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。 P1口（P1.0 - P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。 P2口（P2.0 - P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动(吸收或输出电流)
19、四个LSTTL负载。 P3口（P3.0 - P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。AT89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。CPU
20、是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。（1） 运算器运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节（4位）、单字节等数据进行操作。例如能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。89C52运算器还包含有一个布尔处理器，用来处理位操作。它是以进位标志位C为累加器的，可执行置位、复位、取反、等于1转移、等于0转移、等于1转移且清0以及进位标志位与其他可寻址的位之间进行数据传送等位操作，也能使进位标志位与其他可移位寻址的位之间进行逻辑与、或操作5。（2） 程序计数器PC程序计数器PC用来存
21、放即将要执行的指令地址，共16位，可对64K程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。（3） 令寄存器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。本设计采用ATMEL的AT89C52微处理器，主要基于以下几个因素： AT89C52为51内核，仿真调试的软硬件资源丰富。 性价比高，货源充足。 功耗低，功能强，灵活性高。 DIP40封装，体积小，便于产品小型化。 为EEPROM程序存储介质，1000次以上擦写周期，便于编程调试。 工作电压范围宽：2.7V6V
22、，便于交直流供电。1.4 系统总电路的设计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。AT89C52单片机提供了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。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。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，P0.0P0.7分别控制数码显示管的a、b、c、d、e、f、g显示，
23、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。按键电路与单片机的端口连接可以由用户自己设定，本设计中软件复位键和查看键分别接单片机的P1.1和P2.5，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，所以需要连接到单片机的特殊接口P3.3和P3.2，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。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 电路图如下第二章 软件设
24、计2.1 程序设计思想本设计采用了汇编语言编写，汇编语言由于采用了助记符号来编写程序，比用机器语言的二进制代码编程要方便些，在一定程度上简化了编程过程。汇编语言的特点是用符号代替了机器指令代码，而且助记符与指令代码一一对应，基本保留了机器语言的灵活性。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程序。汇编语言的特点:(1).面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。(2).保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。(3).可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等。(4).目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程
25、序设计语言。(5).经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。在程序设计过程中，为了有效地完成任务，把所要完成的任务精心的分割成若干个相互独立但相互又仍可有联系的任务模块，这些任务模块使得任务变得相对单纯，对外的数据交换相对简单，容易编写，容易检测，容易阅读和维护。这种程序设计思想称为模块化程序设计思想。模块化结构程序的设计，可以使系统软件便于调试与优化，也使其他人更好地理解和阅读系统的程序设计。因此，本医院病床呼叫系统在软件的设计上，运用了模块化程序的结构对软件进行设计，使得程序变得更加直观易懂。程序的主要模块有：主程序、显示程序、定时溢出中断服务程序、外部中断服务程序。2.2 系统资源的分配本
26、设计系统所用到的单片机端口数比较多，所以在这里将对数字电子秒表的硬件资源的大概分配加以说明。片内RAM的分配、各功能键的定义以及各端口的分配安排如表2.1所示。表2.1 端口的分配安排表2.3 主程序设计本系统程序主要模块由主程序、定时中断服务程序、外部中断0服务程序和外部中断1服务程序组成。其中主程序是整个程序的主体。可以对各个中断程序进行调用。协调各个子程序之间的联系。系统（上电）复位后，进入主程序，主程序流程图如图2.1。首先对系统进行初始化，包括设置各入口地址、中断的开启、对各个数据缓存区清“0”、赋定时器初值，初始化完毕后，就进入数码管显示程序。数码管显示程序对显示缓存区内的数值进行
27、调用并在数码管上进行动态显示。显示一次就对P1.1和P2.5进行一次扫描，查询复位键P1.1是否按下，当复位键按下后，程序返回开始，重新对系统进行初始化。当没有按下复位键时，程序则扫描P2.5是否按下，当P2.5没有按下则返回显示程，不断地调用显示缓存区的数据进行显示。使用户能清楚的看到当前电子秒表所记录的时间。当查询到P2.5按下后则跳转到另外一段显示程序并调用最红缓存区的数据进行显示，此时显示的时间即为上一次计时的时间。与此同时，在P2.5按下后单片机执行显示程序的同时也在对P2.5进行扫描，当P2.5断开后立即跳转回之前的显示程序显示当前的计时时间。在主程序中还进行了赋寄存区的初始值、设
28、置定时器初值以及开启外部中断等操作，当定时时间到后就转去执行定时中断程序。当外部中断有请求则去执行外部中断服务程序。并在执行完后返回主程序。图2.1 主程序流程图2.4 中断程序设计现在方案中采用了三个中断，外部中断INT0，INT1和定时中断T0。CPU在响应中断时，先处理高级中断，在处理低级中断，若有多个同级中断时，则按自然优先顺序处理。例如当CPU正在处理一个中断申请时，有出现了另一个优先级比它高的中断请求，这是，CPU就暂停终止对当前优先级较低的中断源的服务，转去响应优先级比它高的中断请求，并为其服务。待服务结束，再继续执行原来较低级的中断服务程序。而当CPU为级别高的终端服务程序服务
29、时，如果级别低的中断发出中断请求，此时CPU是不会响应的，所以为了避免开始和暂停两个按键中的一个出现没有响应的情况，在进行程序编辑时要注意对中断的使用，避免出现中断的嵌套。，合理分配中断对本设计的实现是至关重要的。另外由于数字式电子秒表的最小精度位1ms，属于高精度电子秒表。定时器T0的定时周期也为1ms，为了使电子秒表暂停键按下后CPU能马上去响应中断程序，必须将暂停的外部中断级别高于定时计数器的中断级别。避免出现CPU执行完定时溢出中断程序后再响应外部中断程序，影响计时精度。AT89C52的自然优先级顺序排列如下：中断源 最高外部中断0定时/计数器0溢出中断外部中断1定时/计数器1溢出中断
30、串行口中断 最低数字式秒表中的两个按键采用了中断实现功能。开始采用外部中断INT0，暂停采用外部中断INT1。另外程序中还用到了定时/计数器0溢出中断进行计时。依据设计要求，暂停的外部中断INT1中断级别最高，计时的定时/计数器0溢出中断次之，开始的外部中断INT0级别最低。（1）外部中断0服务程序：外部中断0服务程序结合外部P3.2停止键实现数字电子秒表的停止功能，具体流程图如图2.2。当按下P3.2停止键按下向CPU发出外部中断请求，CPU转向外部中断0服务程序执行，停止定时器。另外将当前显示的时间进行一次存储，存进中间寄存区。最后中断返回。图2.2 外部中断0服务程序流程图（2）外部中断1服务程序当按下P3.3启动键按下向CPU发出外部中断请求，CPU转向外部中断1服务程序执行，启动
