单片机课程设计——电子秒表.doc

实用标准

安徽科技学院电气与电子工程学院

《单片机原理与应用设计》课程设计
设计说明书

题 目:
秒 表

姓名(学号)
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专 业:
电气工程及其自动化

班 级:
133

指 导 教 师 ：
***
2016 年 5 月 9 日

目 录

摘要.....................................................1
关键字...................................................1
第一章 硬件的选择与设计..................................1
第二章 软件设计..........................................9
第三章 调试结果.........................................19
参考文献................................................20

文案大全
秒 表

摘要：本次课程设计，我们组设计的是秒表。使用AT89C51单片机设计一个2位的LED数码显示作为“秒表”：显示时间为00—99秒，每秒自动加1，另设计一个“开始计时/时间锁定”键和一个“复位”键。通过对键盘的扫描对时钟的走时/停止进行控制，项目采用定时器T0作为计时器，每10ms发生一次中断，每100次中断加1s。在此期间，如“开始计时/时间锁定”按键按下，程序方将TR0置为1，从而开启中断，秒表开始计时，再按一次“开始计时/时间锁定”按键，则将TR0置0，秒表停止计时；如“复位”按键按下，程序将TR0置为0，同时将存储时间的变量清零，从而中断停止，并实现复位。我们设计的秒表完成了准确计时，和当前时间的显示。通过Keil uvison4进行程序软件的编译，通过proteus进行仿真，最后调试通过，完成此次课程设计。
关键字：秒表 51单片机 MAX7219 定时

第一章 硬件选择与设计

1、 芯片简介
（1） 8051单片机
MCS-51是指美国Inter公司生产的一系列单片机的总称。这一系列单片机包括8031、8051、8751、8032、8052、8752等。其中8051是最早、最典型的产品，该系列其他单片机都是以8051为核心发展起来的，都具有8051的基本结构和软件特征。8051单片机内部包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件，各部件相互独立地集成在一块芯片上，其基本功能特性如下:
a、8位CPU；
b、32条双向可独立寻址的I/O线；
c、4KB程序存储器（ROM），外部可扩充至64KB；
d、12KB数据存储器（RAM），外部可扩充至64KB；
e、两个16位定时/计数器；
f、五个中断源；
g、全双工的串行通信口；
h、具有布尔运算能力。

其引脚排列如图：

管脚说明：
VCC：供电电压。 　　
GND：接地。 　　
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 　
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 　　
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
管脚
P3.0
　P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
备选功能
RXD（串行输入口）
TXD（串行输出口）
/INT0（外部中断0）
/INT1（外部中断1）
T0（记时器0外部输入）
T1（记时器1外部输入）
/WR（外部数据存储器写选通）
/RD（外部数据存储器读选通

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 　　
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 　　
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。 　　
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 　　
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 　　
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 　　
XTAL2：来自反向振荡器的输出。

（2） MAX7219芯片
MAX7219是7段共阴极LED显示驱动器，采用三线串行方式与8051通信。MAX7219片内集成了BCD码到B码的译码器、多路复用扫描电路、LED字段和字位驱动电路及RAM存储器。MAX7219可以驱动8个7段共阴极LED显示器，通过一个10KΩ左右的外接电阻可以设置所有LED的段电流。MAX7219具有低电压保持，只要外接电压超过2V，便可以保存数据。
典型的DIP封装的MAX7219如图所示，

其各引脚的功能如下：
a、 DID0——DID7：8个字段驱动引脚；
b、 SEGA-G,dp:7段驱动和小数点驱动输出；
c、 SEG dp:小数点驱动输出；
d、 CLK：时钟输入，最高时钟频率为10MHz;
e、 DIN：串行数据输入。在CLK时钟的上升沿，串行数据被移入MAX7219内部移位寄存器，移入时最高位在前；
f、 DOUT：串行数据输出。输入到DIN的数据经过16.5个时钟周期后，在DOUT端有效。在CLK的下降沿数据移出；
g、 ISET：峰值段电流设置。可以通过一个10KΩ的上拉电阻来设置峰值段电流；
h、 LOAD：加载输入数据。LOAD信号必须在第16个上升沿同时或之后，但在下一个时钟上升沿之前变高，否则将会丢失数据；
i、 V+：+5V外接电源；
j、 GND：接地，两个GND引脚必须接地。

2、 硬件电路设计
（1） 硬件原理图
AT89C51
(最小系统)
MAX7219
2位数码管
A—DP
DIG0-DIG1
DIN
LOAD
CLK
独立键盘
P3.0-P3.2
P1.0-P1.1

（2） 硬件电路设计
单片机最小系统
单片机最小系统做为整个系统的控制部分，其包含了晶振电路、复位电路、电源等。外接晶振通过两个30pF的电容接地，同时采用了手动复位和上电复位两种复位方式。该电路可以实现复位和程序运行的基本功能。

MAX7219驱动电路
MAX7219是七段共阴极LED显示驱动器，可以驱动8个七段共阴极LED显示器，这里用其来驱动2位的LED数码管，通过一个10KΩ左右的外接电阻可以设置所有的LED段电流。A——DP分别驱动数码管的七段，DIG0、DIG1分别用来驱动LED数码管的两位，即个位和十位。

数码管显示
两位数码管用来显示0—99秒的数字。

独立按键
两个独立按键分别用来开始计时、时间锁定和复位，实现秒表的计时。

（4） 总电路图
见下页

文案大全

第二章 软件设计

软件设计包括MAX7219芯片的初始化、向MAX7219芯片写指令函数、MAX7219驱动数码管显示函数、定时器初始化、中断等。

一、MAX7219寄存器及软件函数介绍
（一） MAX7219相关寄存器及数据格式
对于MAX7219芯片，串行数据以16位包的形式从DIN引脚串行输入，在CLK的每一个上升沿一位一位地送入芯片内部16位移位寄存器，而不管LOAD引脚的状态如何，LOAD引脚必须在第16个CLK上升沿出现的同时或之后，并在下一个CLK上升沿之前变为高电平，否则移入的数据将丢失。

16位数据包的格式如下：
D15
D14
D13
D12
D11
D10
D9
D8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
×
×
×
×
地址寄存器地址
寄存器数据

1、 MAX7219的内部寄存器及其地址
MAX7219芯片通过D11——D8的4位地址位译码，可寻址内部14个寄存器，分别是8个显示位寄存器、5个控制寄存器和1个空操作寄存器。如表1所示：

表1 MAX7219内部寄存器及其地址

寄存器
地址
D15——D12
D11——D8
16进制代码
空操作
××××
0000
0x0
数码管0
××××
0001
0x1
数码管1
××××
0010
0x2
数码管2
××××
0011
0x3
数码管3
××××
0100
0x4
数码管4
××××
0101
0x5
数码管5
××××
0110
0x6
数码管6
××××
0111
0x7
数码管7
××××
1000
0x8
译码方式寄存器
××××
1001
0x9
显示亮度寄存器
××××
1010
0xA
扫描范围寄存器
××××
1011
0xB
停机寄存器
××××
1100
0xC
显示测试寄存器
××××
1111
0xF

2、 五个控制寄存器
（1） 译码方式寄存器
MAX7219的译码方式寄存器中，每一位与一个数字位相对应，如果对应位为逻辑高电平，表示改位使用B码译码，而逻辑低电平则表示改位不译码，如表2所示：

表2 译码方式寄存器
含义
D7——D0
16进制代码
0—7不译码
00000000
00H
0位译成B码，7—1位不译码
00000001
01H
......
......
......
0—3位使用B译码，4—7位不译码
00001111
0FH
......
......

0—7位使用B译码
11111111
FFH

（2） 亮度寄存器
MAX7219的亮度寄存器用于调节LED的显示亮度。实际电路中，在ISET和电源正极之间连接外部电阻R来控制显示亮度。R即可以是固定电阻，也可以是可变电阻，其最小值为9.25KΩ。亮度寄存器中的数值表示了亮度的大小，共有16级亮度。如表3所示：
表3 亮度寄存器
亮度
D7——D0
16进制代码
1/32
××××
×0H
3/32
××××
×1H
5/32
××××
2H
......
......
......
29/32
××××
×EH
31/32
××××
×FH

（3） 扫描范围寄存器
MAX7219的扫描范围寄存器用于设置需要显示的数字位，其取值范围为1—8。数据含义如表4所示：

表4 扫描范围寄存器
显示数字位
D7——D0
16进制代码
第0位显示
×××××000
×0H
第0——1位显示
×××××001
×1H
第0——2位显示
×××××010
×2H
......
......
......
第0——6位显示
×××××110
×6H
第0——7位显示
×××××111
×7H

（4） 停机寄存器
MAX7219的停机寄存器用于停止LED显示。当MAX7219处于停机工作方式时，扫描振荡器停止工作，LED所有的段都截止，此时LED不显示任何时数据。数据格式如表5：

表5 停机寄存器
工作方式
D7——D0
16进制代码
停机工作
×××××××0
×0H
正常工作
×××××××1
×1H

（5） 显示测试寄存器
MAX7219的显示测试寄存器用于测试LED的好坏。其有两种工作方式，即正常工作和显示测试。正常工作模式即一般的扫描显示模式。数据格式含义如表6：
表6 显示测试寄存器
工作方式
D7——D0
16进制代码
正常工作
×××××××0
×0H
显示测试
×××××××1
×1H

3、 数字寄存器
MAX7219的数字寄存器用于设置LED数码管的显示数字。可直接寻址。数字寄存器受译码方式寄存器的控制，可以选择B译码或不译码。如果不译码，则数字寄存器中数据的D0——D6位分别对应7段LED显示器的A—G段，D7位对应LED的小数点DP。某数据为为1，则点亮与改位对应的段，而如果数据为0，则改段熄灭。如果使用B码译码，数字寄存器可将BCD码译成B码（0—9、-、E、H、L、P），如表7所示：

表7 数字0—7寄存器
显示字符
寄存器数据
点亮段
D7——D6 D3 D2 D1 D0
DP A B C D E F G
0
×××× 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 0
1
×××× 0 0 0 1
0 1 1 0 0 0 0
2
×××× 0 0 1 0
1 1 0 1 1 0 1
3
×××× 0 0 1 1
1 1 1 1 0 0 1
4
×××× 0 1 0 0
0 1 1 0 0 1 1
5
×××× 0 1 0 1
1 0 1 1 0 1 1
6
×××× 0 1 1 0
1 0 1 1 1 1 1
7
×××× 0 1 1 1
1 1 1 0 0 0 0
8
×××× 1 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1
9
×××× 1 0 0 1
1 1 1 1 0 1 1
_
×××× 1 0 1 0
0 0 0 0 0 0 1
E
×××× 1 0 1 1
1 0 0 1 1 1 1
H
×××× 1 1 0 0
0 1 1 0 1 1 1
L
×××× 1 1 0 1
0 0 0 1 1 1 0
P
×××× 1 1 1 0
1 1 0 0 1 1 1
暗
×××× 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0

其中，小数点位DP由D7控制，D7=0时，熄灭小数点，D7=1时，点亮小数点。本程序将小数点熄灭。

（二） 向MAX7219芯片写指令函数
本程序中定义了向MAX7219芯片写指令函数，在MAX7219芯片的初始化中要调用向MAX7219芯片写指令函数，该函数有两个形参add和dat，分别代表MAX7219芯片的寄存器地址和数据内容，即16位数据包的高8位和低8位。在控制寄存器中add为控制寄存器的地址，dat为控制寄存器中的数据内容；在数字寄存器中add对应的实参是数组address[],dat对应的实参是数组dat[]，address[]分别取数字寄存器0—7的地址，dat[]分别取数字0—7的16进制编码。

（三） MAX7219初始化函数
MAX7219初始化函数主要是对5种控制寄存器的初始化，即设置5种控制寄存器的状态及数据格式。这里设置译码方式寄存器为使用B码译码方式，所以译码方式寄存器数据为0xff；显示亮度为11/32，所以亮度显示寄存器数据为0xf5；扫描范围为第0—1位数字显示，所以扫描范围寄存器数据为0x01；设置MAX7219为正常工作方式，所以停机寄存器数据为0x01；设置MAX7219为正常工作而不是显示测试工作方式，所以显示测试寄存器数据为0x00。

（四）MAX7219驱动数码管显示函数
该函数将计数值的十位和各位分开分别送人MAX7219数字寄存器的第0位和第1位。

（五）定时器及中断初始化
本实验软使用的是定时器T0作计时器，每10ms发生一次中断，每100次中断为1s，定时器设置为工作方式1，中断时间，其中，所以初值，装入初值TH0=d8H,TL0=efH。

二、 程序流程图

开始
MAX7219芯片初始化
定时器、中断初始化
MAX7219驱动数码显示
循环：按键扫描
结束

三、 程序
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define DECODE 0x09 //译码方式寄存器地址
#define INTENSITY 0x0a //亮度寄存器地址
#define SCANLIMIT 0x0b //扫描范围寄存器地址
#define SHUTDOWN 0x0c //停机寄存器地址
#define DISPLAYTEST 0x0f //显示测试寄存器地址

void delay(uchar); //延时函数定义

uchar count,keycount;
uchar x;

sbit DIN=P3^0; //MAX7219芯片接口定义
sbit LOAD=P3^1;
sbit CLK=P3^2;
sbit key0=P1^0; //按键接口定义
sbit key1=P1^1;

/*MAX7219芯片读写地址、内容*/
uchar address[]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08};
uchar dat[]={0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09};

void writemax7219(uchar add,uchar dat) //向MAX7219写指令函数
{
uchar ADS,i,j;
LOAD=0;
i=0;
while(i<16)
{
if(i<8)
{
ADS=add; //将寄存器地址赋给ADS
}
else
{
ADS=dat; //将寄存器数据赋给ADS
}
for(j=8;j>=1;j--)
{
DIN=ADS&0x80; //取ADS的最高位送入DIN，其余位均为0
ADS=ADS<<1; //ADS左移1位，使ADS的次高位变为最高位
CLK=1; //在每个CLK的上升沿，将这8位数据的最高位
//移入MAX7219的内部寄存器中，移动8次，
//即将此8位数据全部移入16位寄存器中
CLK=0;
}
i=i+8;
}
LOAD=1; //LOAD上升沿将数据锁存到MAX7219片内数字
//或控制寄存器中
}

void max7219_init() //MAX7219芯片初始化函数
{
writemax7219(DECODE,0xff);
writemax7219(INTENSITY,0xf5);
writemax7219(SCANLIMIT,0x01);
writemax7219(SHUTDOWN,0x01);
writemax7219(DISPLAYTEST,0x00);
}

void delay(uchar n) //延时函数
{
uchar i,j;
for(i=0;i<110;i++)
{
for(j=0;j<n;j++);
}
}

void display(uchar x) //MAX7219驱动数码管显示函数
{
uchar i,j;
i=x/10; //计数值的十位
j=x%10; //计数值的个位
writemax7219(address[0],dat[i]); //十位送入数字0寄存器
writemax7219(address[1],dat[j]); //个位送入数字1寄存器
}

void init() //初始化
{
EA=1; //开总中断
ET0=1; //开定时器T0中断
TMOD=0x01; //设置定时器T0工作于方式1
TH0=0xd8; //装初值，每10ms触发一次中断
TL0=0xef;
TR0=0; //关闭定时器T0，按键未按下不计时
x=0; //时间计数初值为0
count=0; //中断计数初值为0
}

void keyscan() //键盘扫描函数
{
if(key0==0) //检测按键0是否被按下
{
delay(10); //10ms延时消抖
if(key0==0)
{
TR0=~TR0; //若定时器计时，则使其停止计时并锁定时间
//若定时器不计时，则使其计时
while(!key0); //检测按键是否释放
}
}

if(key1==0) //检测按键1是否被按下
{
delay(10); //10ms延时消抖
if(key1==0)
{
x=0; //若按键1被按下，则清零
count=0;
TR0=0; //关闭定时器
display(x);
while(!key1); //检测按键是否释放
}
}
}
void main() //主程序
{
max7219_init(); //MAX7219初始化
init(); //初始化
display(x); //显示初始值
while(1)
{
keyscan(); //键盘扫描
}
}
void t0_func() interrupt 1 //定时器T0中断
{
TH0=0xd8; //重新装入初值
TL0=0xef;
if(count==100) //每触发100次中断计数值加1
{
count=0;
x++;
if(x>99) //计数值到99则清零
{
x=0;
}
}
else
{
count++; //未到100次中断中断次数累加
}
display(x); //显示当前计数值
}

第三章 调试结果
一、 初始化及复位
未按下按键时，数码管显示为“00”；按下复位按键时，数码管也显示为“00”。

二、 计时
按下“开始计时/时间计时”键，开始计时。再按一次锁定时间。第三次按继续计时，如此循环下去。

参考文献

[1] 张毅刚. 单片机原理及应用——基于C51编程的Proteus仿真案例[M].
北京：高等教育出版社，2013.6
[2] 赵建领. 精通51单片机开发技术与应用实例[M]. 北京：电子工业出版社，2012.6
[3] 张兰红. 单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2015.1
[4] 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2010
[5] 刘焕平，童一凡. 单片机原理及应用[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2008