基于51单片机的电子表设计

基于51单片机的电子表设计

中北大学信息商务学院单片机原理及接口技术课程设计说明书1 绪论 电子表是 20 世纪 50 年代才开始出现的新型计时器。最早的一款电子表被称做“摆轮游丝电子表”，它诞生于 1955 年。这种手表用电磁摆轮代替发条驱动，以摆轮游丝作为振 荡器，微型电池为能源，通过电子线路驱动摆轮工作。它的走时部分与机械手表完全相同，被称为第一代电子手表。1960 年，美国布洛瓦公司最早开始出售“音叉电子手表”。这种手表以金属音叉作为振荡器，用电子线路输出脉冲电流，使机械音叉振动。它比摆轮式电子手表结构简单，走时更精确，被称为第二代电子手表。1969 年，日本精工舍公司推出了世界上最早的石英电子表。石英电子表的出现，立刻成为了钟表界主流产品，它走时精确，结构简单，轻松地将一、二代电子表，甚至机械表淘汰出局。石英表又称“水晶振动式电子表”，因为它是利用水晶片的“发振现象”来计时的。当水晶受到外部的加力电压，就会产生变形和伸缩反应;如果压缩水晶，便会使水晶两端产生电力。这样的性质在很多结晶体上也可见到，称为“压电效果”。石英表就是利用周期性持续“发振”的水晶，为我们带来准确的时间。 单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8为单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。1.1 单片机的介绍 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit)，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计

算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供 第 1 页 共

16 页 中北大学信息商务学院单片机原理及接口技术课程设计说明书了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。1.2 单片机应用的特点 控制功能和可靠性高 单片机是为了满足工业控制而设计的，所以实时控制功能特别强，其 CPU 可以对 I/O 接口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的，另 外，由于 CPU，存储器，以及 I/O 接口集成在同一芯片内，各部件之间的连接 紧凑，数据在传送时受到干扰小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可 靠性非常高。 体积小，价格低，易于产品化 每一片单片机既是一台完整的微型计算机，对于批量的专用场合，一方面 可以在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时还可以专门进行芯片设计，使 芯片功能与应用具有良好和对应关系。对单片机产品的引脚封装方面，有的单 片机引脚已减少到 8 个或更少，从而使应用系统的印刷板减小，按插件减少， 安装简单。

在现代的各种电子器件中，单片机具有良好的性能价格比，这正是单片机 得以广泛应用的重要原因。 1.3 单片机的应用领域 1能仪器仪表 单片机用于各种仪表，一方面提高了仪表仪器的使用功能和精度，使仪器 仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪 表的升级代换。如各种智能化电气测量仪表，智能传感器等。 2机电一体化 机电一体化产品是集机械技术，微电子技术，自动化技术和计算机技术于 一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可 以发挥巨大的作用。典型的产品如:机器

人，数控机床，自动包装机，点钞 机，医疗设备，打印机，传真机，复印机等。 3实时工业控制 第 2 页 共 16 页 中北大学信息商务学院单片机原理及接口技术课程设计说明书 单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流，电压，温度，液位， 流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。

在这类系统中， 利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算 法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电动机 转速控制，温度控制，自动生产线等。 4分布系统的前端模式 在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式控制系统完成大量的分布参数 的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块。系统具 有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列有点。 5家用电器 家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广泛如空调，电冰箱， 洗衣机、电饭煲，高档洗浴设备，高档玩具。另外，交通领域中，汽车，火 车，飞机，航天等均有单片机的广泛应用。1.4 51 系列单片机 51 单片机是对目前所有兼容Intel 8031 指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的 8031 单片机，后来随着Flash

rom技术的发展，8031 单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的 8 位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89 系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有 51 系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是 52 系列的单片机一般不具备自编程能力。当前常用的 51 系列单片机主要产品有:Intel的:80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52

等;ATMEL的:89C51、89C52、89C2051 等;Philips、华邦、Dallas、SiemensInfineon等公司的许多产品。目前，国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内 51 单片机较大市场。1.5 硬件设计 第 3 页 共 16

页 中北大学信息商务学院单片机原理及接口技术课程设计说明书 当编写自己的程序信手拈来、阅读别人的程序能够发现问题的时候，说明你的单片机编程水平相当不错了。接下来就应该研究的硬件了。硬件设计包括电路原理设计和 PCB 板设计。学习做硬件要比学习做软件麻烦，成本更高，周期更长。但是，学习单片机的最终目的是做产品开发----软件和硬件相结合形成完整的控制系统。所以，做硬件

也是学习单片机技术的一个必学内容。 电路原理设计涉及到各种芯片的应用，而这些芯片外围电路的设计、典型应用电路和与单片机的连接等在芯片数据手册(DATASHEET)都能找到答案，前提是要看得懂全英文的数据手册。否则，照搬别人的设计永远落在别人的后面，你做的产品就没有创意。电子技术领域的第一手资料(DATASHEET)都是英文，从第一手资料里你所获得的知识可能是在教科书、网络文档和课外读物等所没有的知识。虽然有些资料也都是在 DATASHEET 的基础上撰写的，但内容不全面，甚至存在翻译上的遗漏和错误。当然，阅读 DATASHEET 需要具备一定的英文阅读能力，这也是阻碍单片机学习者晋级的绊脚石。良好的英文阅读能力能让你在单片机技术知识的海洋里自由遨游。 做 PCB 板就比较简单了。只要懂得使用 Protel 软件或 AltimDesigner 软件就没问题了。但要想做的板子布局美观、布线合理还得费一番功夫了。娴熟的单片机C 语言编程、会使用 Protel

软件或 AltimDesigner 软件设计 PCB 板和具备一定的英文阅读能力，你就是一个遇强则强的单片机高手了。1.6 芯片简介 AT89C51 单片机引脚图如下: 第 4 页

共 16 页 中北大学信息商务学院单片机原理及接口技术课程设计说明书 U3 19 39

XTAL1

P0.0/AD0 38 P0.1/AD1 37 P0.2/AD2 18 36 XTAL2 P0.3/AD3 35 P0.4/AD4 34

P0.5/AD5 33 P0.6/AD6 9 32 RST P0.7/AD7 21 P2.0/A8 22 P2.1/A9 23

P2.2/A10 29 24

PSEN P2.3/A11 30 25 ALE P2.4/A12 31 26 EA P2.5/A13 27 P2.6/A14 28

P2.7/A15 1

10 P1.0 P3.0/RXD 2 11 P1.1 P3.1/TXD 3 12 P1.2 P3.2/INT0 4 13 P1.3

P3.3/INT1 5 14

P1.4 P3.4/T0 6 15 P1.5 P3.5/T1 7 16 P1.6 P3.6/WR 8 17 P1.7 P3.7/RD

AT89C51 图 1.1 AT89C51 引脚图 MCS-51 单片机是标准的 40 引脚双列直插式集

成电路芯片其各引脚功能如下:VCC:5V 电源。VSS:接地。RST:复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用完成单片机的复位初始化操作。 XTAL1 和 XTAL2:外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容;当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。P0

口:P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口，当作输出口使用时，必须接上拉电阻才能有高电平输出;当作输入口使用时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使

FET 截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。 P1 口:P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口它不再需要多路转接电路 MUX;因此它作为输出口使用时，无需再外接上拉电阻，当作为输入口使用时，同样也需先向其锁存器写“1”，

第 5 页 共 16 页 中北大学信息商务学院单片机使输出驱动电路的 FET 截止。

原理及接口技术课程设计说明书 P2 口:P2 口电路比 P1 口电路多了一个多路转接电路 MUX，这又正好与 P0 口一样。P2 口可以作为通用的 I/O 口使用，这时多路转接电路开关倒向锁丰存器 Q端。 P3 口:P3 口特点在于，为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。当作为 I/O 口使用时，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。当输出第二功能信号时，该位应应置“1”，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出，具体第二功能如表 1 所示。2 设计方案2.1 主程序设计思路 通过单片机内部的计数/定时器，采用软件编程来实现时钟计数，一般称为软时钟，这种方法的硬件线路简单，系统的功能一般与软件设计相关，通常用在对时间精度要求不高的场合。采用时钟芯片，它的功能强大，功能部件集成在芯片内部，具有自动产生时钟等相关功能，硬件成本相对较高;软件编程简单，通常用在对时钟精度要求较高的场合。 先对显示单元和定时器/计数器初

始化，然后重复调用数码管显示模块和按键处理模块，当有按键按下时，则转入相应的功能程序。2.2 定时器/计数器 T0 中断服务程序 T0 用于计时，选中方式一，重复定时，定时时间设为 50ms，定时时间到则中断，在中断服务程序中用一个计数器对 50ms 计数，计 20 次则对秒单元加一。秒单元加到 60 则对分单元加一，同时秒单元清 0;分单元加到 60 则对时单元加一，同时分单元清 0;时单元加到 24 则对时单元清 0，标志一天时间计满。在对各单元计数的同时，把他们的值放到存储器单元的指定位置。2.3 示意图 第 6 页 共 16 页中北大学信息商务学院单片机原理及接口技术课程设计说明书 开始 现场保护，重置初值，启动下一个