第一章课题综述
1.1 课题背景
速度素质是指人体进行快速运动的能力，即在单位时间内迅速完成某一动作或通过某一距离的能力。反应速度是指人体对刺激发生反应的快慢。从生理机制分析，反应快慢取决于“反射弧”的五个环节：感受器—传入神经—神经中枢—传出神经—效应器。下面以MCS-8051单片机为核心，设计出测试人体反应速度的仪器用以测试人的反应时间。我们学习的是单片机理论知识，而课程设计则是对我们学习的理论知识的实践和巩固。
1.2 设计要求
基于MCS-8051单片机的人体反应速度测试仪设计要求如下：
1.按下“开始”按钮，红灯亮，按钮一直保持按下状态。
2.红灯持续点亮一段随机时间，然后熄灭，灯熄灭时人松开按钮。
3.计算灯熄灭的时间和按钮被松开的时间之差，显示出来。
4.若测试者在红灯熄灭之前松开按钮，则显示出错信息。
1.3 面对的问题
1.对MCS-8051单片机的了解和应用。
2.对八段数码管的特性的了解和使用。
1.4 需解决的关键技术
课题主要通过控制红灯的状态，通过测试按钮的状态来间接计算人体反应速度。要了解每一段数码管与MCS-8051单片机的连接，数码管显示数字的段码，各个芯片的输入输出关系，单片机内部定时器的原理与控制，必须通过查阅资料确定。必须了解数码管显示器的显示原理。
第二章系统分析
2.1 涉及的基础知识
通过学习和查阅资料，本课题需要掌握和了解如下知识：
1.MCS-8051单片机各输入输出端口的功能特性。
2.MCS-8051单片机复位电路工作原理及设计。
3.MCS-8051单片机晶振电路工作原理及设计。
4.测试按钮、测试灯电路设计。
5.驱动器74LS244、反相器74LS04的特性及使用。
6.数码管显示器的特性及使用。
7.MCS-8051单片机引脚。
8.单片机内部定时器原理及使用。
9.单片机C语言及程序设计。
2.2 MCS-8051单片机简介
随着超大规模集成电路技术的发展，在一个集成电路芯片上集成了中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、各种I/O接口等，构成了一个计算机，称为单片机。也就是说，单片机是集成在一块集成电路芯片上的计算机。单片机以其较高的性价比、较高的集成度、较高可靠性、较强控制功能以及低电压、低功耗、偏于携带等优点收到广大用户的青睐。
MCS-51系列单片机以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其他单片机发展奠定了基础。MCS-51系列单片机具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点，因此应用非常广泛，直到现在MCS-51系列单片机仍为单片机中的主流机型，也是高档单片机的基础。
8051是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4KB的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/ 计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。8051中集成了完善的各种中断源，用户可十分方便的控制和使用其功能，使得它的应用范围加大，可以说它可以满足绝大部分的应用场合。
2.3 MCS-8051单片机引脚图
MCS-8051单片机采用40条引脚的双列直插式封装，引脚配置如图2—1所示。
单片机电源引脚接入单片机的工作电源：V CC引脚接+5V电源，V SS引脚接地。
单片机时钟由引脚XTAL1和XTAL2接外部时钟配置电路组成。
单片机复位，当振荡器运行时，在RST引脚加上两个机器周期的高电平使单片机复位。
MCS-8051单片机具有4个8位的输入/输出口，P0、P1、P2和P3口。
P0口是双向8位三态I/O口，此口常作为地址总线低8位及数据总线分时复用口，可带8个LSTTL负载。
P1口是8位准双向I/O口，可带4个LSTTL负载。
P2口是8位准双向I/O口，常作地址总线高8位使用，可驱动4个LSTTL负载。
P3口是8位准双向I/O口，为双功能复用口，可驱动4个LSTTL负载。
2.4 数码管显示器
2.4.1 数码管显示器的特性
1.发光响应快，亮度强，高频特性好；而且随着材料的不同，数码管还能发出红、黄、绿、蓝、橙等多种颜色的光。
图2—1 MCS-8051单片机引脚图
2. 机械性能好，体积小，重量轻，价格低廉；能与COMS和TTL电路配合使用；使用寿命长。
3. 工作电压低，驱动电流适中。每段电流为5~10mA，一只数码管的8段LED全亮
需要电流35~70mA。这样打的电流需要由驱动电路提供，因此，使用时要注意数码管的驱动问题。
在使用中，为了给发光二极管加驱动电压，他们应有一个公共的引脚，公共的引脚有如下两种链接方法：一、共阴极接法。把发光二极管的阴极连接在一起构成阴极公共引脚，使用时公共引脚接地，这样阳极引脚上加高电平的发光二极管就导通点亮，而加低电平的则不亮。二、共阳极接法。把发光二极管的阳极连接在一起作为阳极公共引脚，使用时阳极公共引脚接+5V。这样阴极引脚上加低电平的发光二极管即可导通点亮，而加高电平的则点不亮。本课题采用SR410561K四位一体数码管，为共阳极接法，位选信号位高电平有效，段码信号为低电平有效。
2.4.2 数码管的显示原理
并排使用的多位数码管组成数码管显示器。数码管显示器多采用动态显示方式，全部数码管共用一套段码驱动电路，各位数码管的同段引脚短接后再接到对应段码的驱动线上。显示时通过位控制信号采用扫描的方法逐位地循环点亮各位数码管。动态显示虽然在任一时刻只有一位数码管被点亮，但是由于人眼具有的视觉残留效应，看起来与全部数码管持续点亮的效果完全一样。
数码管显示器的动态显示需要为各位提供段码以及相应的位控制，此即通常所说的段控和位控。把数码管显示器段码表预先存放在存储器中，使用时通过查表就可以得到段码。段码输出后送到公共端码线上，也可称为段控信号。而通过并行口输出的相互独立的位码则是起选通作用的，也称位控活扫描信号，用于选择显示位。
动态显示具有硬件简单，功耗低和显示灵活性强等优点。但动态显示增加了驱动软件的复杂性，且显示亮度较低。
2.4.3 数码管显示器段码
SR410561K四位一体数码管采用共阳极接法，单个数码管如图2—2所示。
图2—2 八段数码管
则数码管段码如表2—1所示。
表2—1 数码管段码
显示数字Dp g f e d c b a段码
011000000c0
111111001f9
210100100a4
310110000b0
41001100199
51001001092
61000001082
711111000f8
81000000080
91001000090
A1000100088
b1000001183
2.5 定时器
2.5.1 定时器工作原理
在MCS-8051单片机内集成了两个16位的定时器/计数器T0和T1，其基本工作原理是加1计数，即对指定的脉冲信号进行加1操作，直到出现溢出为止。当T0和T1作为定时器使用时，其计数脉冲信号取自单片机内部的时钟信号，每个机器周期产生一个计数脉冲，使计数器加1。
T0和T1分别有两个8位的计数器组成，其中T0由特殊功能寄存器TH0与TL0组成，而T1则由特殊功能寄存器TH1与TL1组成。这四个寄存器用来存储定时或计数使用的初值，所以也被称为时间常数存储器。特殊功能寄存器TMOD和TCON完成对定时器/计数器的控制功能。
2.5.2 定时器的控制
MCS-8051单片机的定时功能是由特殊功能寄存器TH0,TL0,TH1,TL1,TMOD和TCON 完成的。
特殊功能寄存器TMOD用于确定定时器的工作方式，格式如下：
其中，前4位用于控制T1的工作方式，后四位用于控制T0的工作方式。本课题仅使用T1作为定时器，选择工作方式为方式1，即为选择T1为16为定时器。则TMOD的值