基于51单片机的数字秒表的设计

   近年来随着科学技术的发展，单片机的应用正在不断走下面还深入。本文简单阐述了基于单片机的数字秒表的的设计。本设计的主要特点是计时精度达到0.01秒，是各种体育竞赛的必要设备之一。

   本设计的数字秒表采用AT89S52单片机为主要器件，利用其定时器的原理，结合显示电路、LED数码管以及外部外部中断电路来设计计时器。将软硬件结合起来，使得系统能实现0~99.99秒的计时，计时精度位0.01秒。硬件系统利用proteus仿真，在仿真中就能观察到系统的实际运行情.
 一   硬件设计
                    

 1、1   总体方案的设计

数字秒表具有显示直观、读取方便、精度高等优点，在计时中广泛应用。本设计中用单片机和数码管组成数字秒，表力求结构简单。

设计中包括硬件电路的设计和系统程序的设计。硬件电路主要有主控制器、控制按钮与显示电路组成。主控制器采用单片机AT89S52，显示电路采用四位共阴极数码管显示计时时间。

本设计利用AT89S52单片机的定时器，使其能精确计时。利用中断系统使其实现启动和暂停的功能，P0口输出段码数据，P2.0~P2.2连上译码器作为位选，P3.2和P3.3接口的两个按钮分别实现启动和暂停功能。设计的基本要求是正确性。硬件电路按下图进行设计。

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      计时器采用T0中断实现，定时溢出中断周期为1ms，当溢出中断后向CPU发出溢出中断请求，每发出10次中断请求就对10ms位（即最后一位）加一，达到100次就对100ms位加一，以此类推，直到99.99s为止。

    再看按键的处理。两个按键采用中断的方法，设置外部中断0和外部中断1位脉冲边沿触发方式，这样一来每当按键按下时便会触发中断，从而实现启动和暂停。

1.2 单片机的选择

    本设计在选取单片机时，充分借鉴了许多成型产品使用单片机的经验。并根据自己的实际情况，选用了ATMEL公司的AT89S52。

    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、低廉的价格完全替代了87C51/62和8751/52，低电压、低功耗，有DIP、PLCC、QFP封装，是目前性能最好、价格最低、最受欢迎的单片机之一。

    AT89S52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内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52相同，其主要用于汇聚调整时的功能控制。功能包括对汇聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，汇聚调整控制，汇聚测试图控制等。

单片机外部结构

AT89S52单片机采用40脚的DIP封装，如下所示。

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（1）主电源引脚Vss和Vcc

a、 Vss接地

b、 Vcc正常操作时为+5V接地

外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

a、XTAL1内部振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡时，此引脚接地。

b、XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的的另一端。当采用外部振荡时，此引脚接外部振荡源。

（2）控制或与其他电源复用引脚

a、RST/VPD   当振荡器运行是，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。

b、ALE/PROG       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存储器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性的发出正脉冲信号。因此，它可以用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

c、PSEN    外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，PSEN在每个机器周期内两次有效。

d、EA/Vpp  内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA/Vpp位高电平时，访问内部程序存储器，当EA/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM编程期间，此引脚上加21VEPROM编程电源（Vpp）。

（3）输入/输出引脚P0.0~P0.7，P1.0~P1.7，P2.0~P2.7，P3.0~P3.7。

a、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。

b、P1口（P1.0~P1.7）是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口。能驱动四个LSTTL负载。

c、P2口（P2.0~P2.7）是一个带有内部上拉电阻的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口可以驱动四个LSTTL负载。

d、P3口（P3.0~P3.7）是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口。能驱动四个LSTTL负载。

1.3 显示电路的选择与设计

对于数字显示电路，通常采用液晶显示或数码管显示。对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且液晶显示作为一种被动显示，可视性差，不适合远距离观看；对于具有驱动电路和单片机接口的液晶显示模块，一般多采用并行接口，对单片机的接口要求较高，占用资源多；另外，AT89S52单片机本身没有专门的液晶驱动接口。而数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、响应速度快、价格便宜、易于购买等优点，而且有远距离视觉效果，很适合夜间或者远距离操作。因此在本设计中，我们采用7段数码管作为显示介质。

数码管显示可以分为静态显示和动态显示两种。由于本设计需要采用四位数码管显示时间，如果静态显示则占用的口线多，硬件电路复杂，所以采用动态显示。

动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。通常各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的公共阴极位选线由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管轮流选通，要使其稳定显示必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管并送出相应的段码，在另一时刻选通另一数码管，并送出相应的段码，依次规律循环，即可以使各位数码管显示将要显示的字符，虽然这些字符是在不同时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。

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1.4系统总体电路的设计

系统总体电路如下图所示

AT89S52单片机为主电路的核心部分，各个电路均与单片机相连，由单片机统筹协调各个电路的运行工作。

开始键和暂停键使用了外部中断，所以需要连到单片机的P3.2和P3.3引脚上，这两个I/O口的第二功能是单片机的外部中断0端口和外部中断1端口。

显示电路由四位数码管组成，采用动态显示方式，因此有8位段控制和4位位控制，8位段接控制接P0口，P0.0~P0.7分别控制数码管的a b c d e f g dp显示，位控制接在P2.0和P2.1两个口，在通过一个2—4译码器实现位控制。

 

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二  软件设计

2.1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关系。

主程序主要是设置定时器大的工作模式，对定时器赋初值，开总中断、两个外部中断以及定时器溢出中断。并设置外部中断为脉冲边沿触发方式。

2.2中断程序设计

本方案中用到了三个中断:外部中断0、外部中断1和定时器T0溢出中断。CPU在响应中断时，先处理高级中断，后处理低级中断，若有多个同级中断时，则应按自然优先顺序处理。例如当CPU正在处理一个中断申请时，又出现了另一个优先级比它高的中断请求，这时，CPU就暂停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为级别高的中断服务程序服务时，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，在进行编程是要注意中断的使用，避免出现中断的嵌套。合理分配中断对本设计是很重要的。

（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键实现数字秒表的启动功能。流程如下图所示。

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（2）外部中断1服务程序

外部中断1服务程序结合外部P3.3键实现数字秒表的停止功能。

流程图如下所示。

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（3）定时器T0中断服务程序

当T0一处后，向CPU发出中断请求信号。CPU跳转到定时中断程序执行，具体流程如下。

2.3程序清单

#include

unsigned int data table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};   //显示码值

unsigned int i,j,k,l,count;

void delay(unsigned int z)                                                //延时程序

{

unsigned int x,y;

for(x=z;x!=0;x--)

for(y=110;y!=0;y--);

}

void main()

{

TMOD=0x01;                                             //设置定时器为模式1

TH0=(65536-1000)/256;                                   //给定时器赋定时初值

TL0=(65536-1000)%256;                               

EA=1;                                                              //开中断

EX0=1;

EX1=1;

ET0=1;

IT0=1;                                      //设置外部中断位脉冲边沿触发方式

    IT1=1； 

while(1)                                                          // 数码显示

{

P2=0x03;

P0=table[i];

delay(1);

P2=0x02;

P0=table[j];

delay(1);    

P2=0x01;

P0=(table[k]+0x80);

delay(1);

P2=0x00;

P0=table[l];

delay(1);

};

}

void ex0() interrupt 0                                                  //外部中断0

{

TR0=1;                                           //开定时器，开始计数

}

void ex1() interrupt 2                                                  //外部中断0

{

TR0=0;                                                           //停止计数

}

void timer0() interrupt 1                                         //定时器T0溢出中断

{

TH0=(65536-1000)/256;                                         //重装计数初值

TL0=(65536-1000)%256;

count++;                                              //溢出中断次数加一

 

if(count==10)

{

count=0;

i++;                                          //溢出10次，0.01s位加一

if(i==10)

{

i=0;                               //0.01s位到10了，清零，0.1s位加一

j++;

if(j==10)

{

j=0;                              //0.1s位到10了，清零，1s位加一

k++;

if(k==10)

{

k=0;                          //1s位到10了，清零，10s位加一

l++;

}

}

}

}

}