秒倒计时器单片机专业课程设计.doc

目 录

一、设计要求 3
二、设计作用目标 3
三、具体设计 4
1.问题分析 4
2.总体设计思想 5
3.具体实现方法 7
四、Proteus调试过程及现象 14
五、调试问题及处理方法 15
六、设计优缺点分析 16
七、总结 16
八、参考文件 17

一、设计要求
由单片机接收小键盘阵列设定倒计时时间，倒计时范围最大为60分钟，由LED 显示模块显示剩下时间，显示格式为 XX（分）：XX（秒）.X，正确到0.1s整数倍。倒计时到，由蜂鸣器发出报警。绘制系统硬件接线图，并进行系统仿真和试验。画出程序步骤图并编写程序实现系统功效。

二、设计作用目标
此次设计是我们更深入了解基础电路设计步骤，提升自己设计理念，丰富自己理论知识，巩固所学知识，使自己动手动脑能力有更深入提升，为自己以后学习和工作打好基础，为自己专业技能打好基础。经过处理实际问题，巩固和加深“单片机原理和应用”课程中所学理论知识和试验能力，基础掌握单片机应用电路通常设计方法，提升电子电路设计和试验能力，加深对单片机软硬知识了解，取得初步应用经验，为以后从事生产和科研工作打下一定基础。此次设计重视对单片机工作原理和键盘控制及显示原理了解，方便以后自己在单片机领域学习和开发打下基础，提升自己动手能力和设计能力，培养创新能力，丰富自己理论知识，做到理论和实践相结合。此次设计关键意义还在于对单片机内部结构和工作状态做更深入了解，同时还对单片机接口技术，中止技术，存放方法和控制方法作更深层次了解。

三、具体设计
1.问题分析：
在电子技术飞速发展今天，电子产品人性化和智能化已经很成熟，其发展前景仍然不可估量。现在大家需求是一个能给自己带来方便电子产品，当然最好是人性化和智能化，怎样能做到智能化呢？单片机引入就是一个很好例子。单片机又称单片微型计算机，也称为微控制器，是微型计算机一个关键分支，单片机是20世纪70年代中期发展起来一个大规模集成电路芯片，是集CPU，RAM，ROM，I/O接口和中止系统于同一硅片上器件。单片机诞生标志着计算机正式形成了经过计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。现在单片机已渗透到我们生活各个领域，几乎极难找到哪个领域没有单片机踪迹。单片机已在宽广计算机应用领域中表现得淋漓尽致电器所以，单片机已成为电子类工作者必需掌握专业技术之一。单片机就是一个微型中央处理器，经过编程即能完成很多智能化工作 ，所以它出现给电子技术智能化和微型化起到了很大推进作用。
本设计将采取89C51单片机，89C51单片机是一个带4K字节闪烁可编程可擦除只读存放器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机自带5个中止，两个16位定时器32个I/O口，可擦除只读存放器能够反复擦除数次，功效相当强大。该器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技术制造，和工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功效8位CPU和闪烁存放器组合在单个芯片中，ATMEL89C51是一个高效微控制器。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价廉方案。
面对如此功效强大单片机，结合此次设计要求，应该要用到单片机内部时钟电路和外围显示接口电路和报警电路。
对和时钟，它有两方面含义：一是指为保障系统正常工作基准振荡定时信号，关键由晶振和外围电路组成，晶振频率大小决定了单片机系统工作快慢；二是指系统标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：一是用软件实现，即用单片机内部可编程定时/计数器来实现，但误差很大，关键用在对时间精度要求不高场所；二是用专门时钟芯片实现，在对时间精度要求很高情况下，通常采取这种方法。
在显示方面，有着多个选择，不过8段LED数码管足以满足此次设计要求了。LED数码显示器是一个有LED发光二极管组合显示字符显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，一个用于显示小数点，故通常称之为8段发光二极管数码器。
其内部结构以下图（a）所表示：

LED数码显示器有以下两种连接方法：
共阳极接法：把发光二极管阳极连在一起组成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管阴极经过电阻和输入端相连。
共阴极接法：把发光二极管阴极连在一起组成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管阳极经过电阻和输入端相连。

蜂鸣器是一个一体化结构电子讯响器，采取直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。在单片机应用设计上，很多方案全部会用到蜂鸣器，大部分全部是使用蜂鸣器来做提醒或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。因为蜂鸣器工作电流通常比较大，以致于单片机I/O 口无法直接驱动，所以要利用放大电路来驱动，通常使用三极管来放大电流。本设计采取p3.0口和三极管组成电路来驱动蜂鸣器。

2.总体设计思想：

本设计是基于AT89C51单片机键盘控制及显示电路设计，从系统设计功效上看，系统可分为两大部分，即键盘输入控制部分和显示部分，对于每一个部分全部有不一样设计方案，起初我对键盘和显示每个全部拟订了下面两种方案：

键盘部分：
第一个方案：采取扫描键盘，能够用一般按键组成4×4矩阵键盘，直接接到AT89C51单片机P1口，高四位作为行，低四位作为列，经过软件完成键盘扫描和定位。这种方法相对下面独立式键盘节省了很多I/O口。
第二种方案：键盘控制采取独立式按键，每个按键一端均接地，另一端直接和P1口相连，在按键和P1口之间经过10K电阻和+5V电源相连。键盘经过检测输入线电平状态就能够很轻易地判定哪个键被按下了，这种方法操作速度高而且软件结构很简单，比较适合按键较少或操作速度较高场所，这种独立式接口应用很普遍。

显示部分：
第一个方案：显示部分采取静态显示方法，所谓静态显示，就是每一个显示器全部要占用一个独立含有锁存功效接口用于存放字形码。这么单片机只要把要显示字形代码发送到接口电路，从而输送至各数码管显示。被显示数据只要输出一次，直到要显示新数据时，再发送新字形码。静态驱动优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用I/O端口才32个），实际应用时必需增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路复杂性。
第二种方案：显示部分采取动态显示。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛一个显示方法之一，动态驱动是将全部数码管8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"同名端连在一起，另外为每个数码管公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立I/O线控制，当单片机输出字形码时，全部数码管全部接收到相同字形码，但到底是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路控制，所以我们只要将需要显示数码管选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通数码管就不会亮。经过分时轮番控制各个数码管COM端，就使各个数码管轮番受控显示，这就是动态驱动。动态显示是利用人眼视觉暂留特征来实现显示。实际上，显示器上任何时刻只有一个数码管有显示。因为各数码管轮番显示时间间隔短、节奏快，人眼睛反应不过来，所以看到是连续显示现象。为预防闪烁延时时间在1ms左右，不能太长，也不能太短。本设计可采取P0口直接驱动七段数码管显示。此方案成本低，而且单片机I/O口占用较少，能够节省单片机接口资源，而且功耗更低。
因为本设计要求按键较少，且此次设计只是对所学知识一次实践，设计要求简单，轻易实现，成本低廉。比较以上多种设计方案，采取独立式键盘和动态显示两种方案配合，成本低，占用单片机资源少，且轻易实现，这么设计比较适合此次设计，故最终决定选择这么一个搭配设计方案。对于蜂鸣器，将采取p3.0口和三极管组成外围电路驱动，依据定时时间报警。

3.具体实现方法：
依据设计任务和要求，可初步将系统分为五大功效模块：主电路、按键电路、显示电路、报警电路。深入细说，主电路选择AT89C51作为中央处理器，系统采取12MHZ晶振；按键停控制电路由四个按键（复位键、开启/暂停键、设置键、+1调时键）组成，键盘采取软件扫描方法设计，低电平有效；显示电路由六位七段共阴极数码管和一个9位200欧姆上拉电阻组成,显示内容有倒计时器0.1秒位和分秒个、十位,数码管经过P0口直接输出数据；报警电路关键由蜂鸣器组成，经过电路和P3.0口相连。当P3.0口输出高电平时，蜂鸣器响。
对于此次单片机课程设计，依据设计要求能够将功效分成以下4部分：
（1） 因为单片机内部振荡方法电路简单，时钟信号比较稳定，是独立单片机应用系统首选，故本设计采取内部振荡方法，采取12MHZ晶振。

图（1）晶振电路图
（2） 本设计电路采取定时器T0产生定时中止，因为本设计需要0.1s基础时间，故选择其工作在定时方法1下。这时定时器T0是一个16位计时器，由它产生50ms基础定时中止，两次中止后将得到0.1s时间。
（3） 键盘电路有独立式键盘和矩阵式两种。独立式键盘占用I/O口线较多，适适用于按键较少情况。矩阵式键盘占用I/O口相对较少，适适用于按键很多情况。

图（2）键盘电路图
（4） 报警电路将采取p3.0口驱动，当数码管显示00.00.0时p3.0口输出高电平，驱动蜂鸣器达成报警目标，只有当复位键按下后，蜂鸣器才会停止报警。

图（3）蜂鸣器报警电路图

（5） 对于显示电路，本设计采取6位8段共阴极LED数码管显示。上电显示最大倒计时时间60.00.00-。其中“-”位为系统状态标志位，当显示“-”时，表示系统处于等候状态，按下开始键后将开始计数，开始计数后此数码管将关闭显示，以达成省电目标 ，当显示“E”时，表示系统正处于调时状态，此时只用两个调时键有用，按下开始键或复位键将没有用。

图（4）显示电路图

系统原理框图以下图：

单片机

控制器

晶振电路

键盘电路

显示电路

报警电路

图（5）系统原理框图

N

N

等候按键释放
调时设置键按下？
图（6）硬件连线图
硬件连接说明：本系统以AT89C51单片机为关键。单片机采取内部振荡方法。经过200欧姆电阻和一个6位8段LED数码显示管相连。从P0口输出LED数码管字形码，从P2口输出LED数码管位选码，高电平有效。4个功效按键和P1口相连，中间经过10K电阻和+5V电源相连，按键另一端接地，P1口低电平时表示按键被按下。报警电路则和P3.0口相连，当P3.0口输出高电平时，蜂鸣器响。
在程序设计方面:将键盘扫描程序置于主程序中，采取扫描方法检测键盘按键情况，主程序步骤图见图（7）。显示部分做成一个子程序，方便调用。各个调时子程序由设置键引倒进入，调时子程序步骤图见图（8）。计时方面，利用定时器T0产生0.5ms基按时间形成0.1s最小倒计时时间单位并产生“-1”动作，T0中止子程序步骤图见图（9）。
图（7）
主程序步骤图
Y

N

Y

N
N

Y

N
Y
N

N

N

Y

Y

Y

Y

开始
关闭定时器、蜂鸣器
复位键按下？
标志位、显示管查表码初始化
定时器设置初始化
开中止
调用显示子程序
调时设置键按下？
调用消抖延时子程序
开始/暂停键按下？
开始/暂停键按下？
调用消抖延时子程序
开始/暂停标志位取反
等候按键释放
等候按键释放
调用调时子程序
等候按键释放
20H.0=1？
置位状态显示管标志位
P3.0=0？
置位P2.5
复位键按下？
调用消抖延时子程序
调时设置键按下？
开启定时器T0
N
N
图（8）
Y
N
R0为#39H?
Y
Y
Y
N
N
N
N
N
N
N
N
N
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
调用显示子程序
P1.3=0?
开始
调用消抖延时子程序
P1.3=0?
等候按键释放
R0=#44H?
@R0为#06H?
MOV @R0,#00H
R0=#43H?3
@R0为#05H?
@R0为#09H?
MOV @R0,#00H
MOV @R0,#00H
INC @R0
INC @R0
INC @R0
P1.2=0?
P1.2=0?
调用消抖延时子程序
等候按键释放
DEC R0
44H=#06H?
R0=#42H?3
子程序返回
调时子程序步骤图
N
图（9）
T0中止子程序步骤图
N
N
Y
Y
Y
Y
N
N
开始

40H=0？
41H=0？
42H=0？
43H=0？
44H=0？
DEC 40H
SETB P3.0
DEC 40H
开启T0

中止返回

N
N
N
N
N
Y
Y
Y
Y
将40H置9
40H=0？
41H=0？
42H=0？
43H=0？
44H=0？
DEC 42H
DEC 40H
DEC 40H
DEC 41H
将40H置9
将41H置9

将40H、41H、43H置9，42H置5
将40H、41H置9，42H置5

N

四、Proteus调试过程及现象
上电后LED数码管显示最大倒计时值60.00.0-，程序处于等候状态。

图（10）上电或复位键被按下时

此时，主程序不停调用显示子程序和扫描键盘按键情况，当检测到有键按下后，转到对应程序实施。
1. 开始/暂停键按下后程序开始减1计数直到0，同时状态显示管熄灭，计数值到0后报警器响。若中途碰到开始/暂停键按下则，暂停倒计时。若中途碰到复位键按下则将倒计时器倒计时值设置为最大值，并处于等候状态。

图（11）计数值到0时

图（12）开始/暂停键按下后

1. 复位键按下后，程序复位，系统处于等候状态，状态显示管显示“-”。
2. 当设置键被按下后，程序进入调时设置状态，同时状态显示管显示“E”。设置状态初始值位00.00.0E，按下+1调整键，能够将目前计数单位值加1，再次按下设置键后，即进入了下个计数单位调时状态，当按下5次设置键后将退出调时状态，若分钟十位被设置为6并再次按下设置键后程序直接退出调时状态。设置状态时开始/暂停键和复位键无效，等退出调时状态后，设置状态时开始/暂停键和复位键恢复功效。

图（13）调时状态时
五、调试问题及处理方法
开始在主程序循环中没有添加调用显示子程序语句，造成在没有按键按下情况下LED数码管没有显示。当在主程序循环检测按键过程中添加了调用显示子程序语句后就处理了这一问题。因为键盘需要消抖延时和等候按键释放，所以相同情况又出现了——按下按键后有一段时间LED数码管断续显示或按下按键后不释放按键时LED数码管没有显示。仔细分析后发觉，问题出现原因还是一样，因为本设计LED数码管采取了动态显示，故需要不停调用显示子程序，不然会造成LED数码管没有显示。所以最终做了以下改善：1.按键消抖延时选择调用两次显示子程序（每次显示子程序大约用时5ms，两次即为10ms左右）来替换原来10ms软件延时。2.在等候按键释放时，使用循环调用显示子程序来替换原来循环等候。经过上述两点改善后，LED数码管无显示或断续显示问题就得到了根本处理。

六、设计优缺点分析
本设计是一个采取了由内部振荡时钟方法、程控扫描方法独立式键盘、动态显示LED数码管和蜂鸣器式报警器组成系统。所以该系统使用电子器件少、外围电路简单，定时正确，使用I/O少，系统消耗功耗小，剩下I/O口多便于扩展其它功效。不过其次，本系统因为使用了程控式键盘和动态显示LED数码管，所以对CPU使用率相对较高。
七、总结
首次看到此次课程设计题目时，感觉设计难度不大，不过因为是第一次利用单片机设计，在设计过程中又碰到了种种困难，又感觉到要完成此次设计还需要花费很大时间和精力。不过经过本组同学共同努力，利用科学分析方法，最终顺利完成了此次单片机课程设计。
从开始时满富盛激情到最终汗水背后复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。生活也是这么，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变话题。经过实习，我才真正领会到“艰苦奋斗”这一词真正含义，我才意识到老一辈设计员为我们社会付出。我想说，设计确实有些辛劳，但苦中也有乐，在现在物欲很流世界，极少有机会能和大自然亲密接触，但我们能够，而且设计也是一个团体任务，一起工作能够让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里十二个月相处还赶不上这十来天实习，我感觉我和同学们之间距离愈加近了；我想说，设计确实很累，但当我们设计出现结果时，心中也不免产生兴奋，正所谓“三百六十行，行行出状元”我认为不管干什么，只要人生活有意义就能够。
同时我认为我们工作是一个团体工作，团体需要个人，个人也离不开团体，必需发扬团结协作精神。某个人离群全部可能造成造成整项工作失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够，必需让每个人全部知道，不然一个人错误，就有可能造成整个工作失败。团结协作是我们实习成功一项很关键确保。而这次实习也恰好锻炼我们这一点，这也是很宝贵。
另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作此次课程设计第二大收获。整个设计我基础上还满意，因为水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。
八、 参考文件
[1] 曾屹.单片机原理和应用.湖南：中南大学出版社，
[2] 丁元杰.单片微机原理及应用.3版.北京：机械工业出版社，
[3] 严天峰.单片机应用系统设计和仿真调试.北京：北京航空航天大学出版社，
[4] 杨振江.流行单片实用子程序及应用实例.西安：电子科技大学出版社，