基于单片机的数字秒表设计

摘要：文中设计了一种以单片机为控制核心的数字秒表。该数字秒表采用C语言开发，通过数码管显示计时结果。对系统硬件电路和软件进行了设计，以Proteus和Keil软件为开发平台，对数字秒表进行了仿真。仿真结果表明该数字秒表精度高、稳定性强。
关键字：单片机；数字秒表；仿真

    当今，计算机技术带来了科研和生产重大飞跃，微型计算机的应用已渗透到生产、生活的各个方面。单片微型计算机具有体积小、价格低、功能强的特点，随着性能不断提高，其适用范围愈来愈宽，在计算机应用领域占有重要的地位。秒表应用于我们生活、工作、运动等需要计时的方面。秒表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大的扩展了秒表原先的功能。它由刚开始的机械式秒表发展到今天所常用的数字式秒表。秒表的计时精度越来越高，功能越来越多，构造也日益复杂。本文结合单片计算机，实现了一种基于AT89C52单片机的数字秒表的设计，并且利用Proteus和Keil软件实现了仿真。

1 系统设计方案
1．1 系统设计要求
    (1)秒表计时最大值为59分59．99秒。
    (2)秒表由六位七段LED数码管显示，其中高两位显示“分”，中间两位显示“秒”，低两位显示“0．01”秒。
    (3)秒表拥有计时、暂停、清零功能。
    (4)设置三个功能键：键1开始计时，键2暂停计时，键3清零计时。
1．2 总体方案设计
    数字秒表系统主要完成对计时实时的显示，精度达到0．01s，以及通过功能键可以使当前计时暂停或清零。系统主要包括时钟电路、复位电路、按键电路以及数码管显示电路。
    系统采用六个共阳极数码管，其中八位数据口与单片机的P0口通过74LS245双向总线收发器相接，以增加P0的驱动能力。6个片选信号连接单片机P2口的低六位。该电路可满足对计时时间的显示，最小显示单位为0．01s，溢出则向前进位，显示时间的范围为0到59分59．99秒。3个功能键连接到P3口的低三位，控制系统的计时、暂停和清零。系统的整体组成框图如图1所示。

2 硬件电路设计
2．1 单片机的选型
    由于本系统只需要单片机完成对计时的显示以及处理定时／计数的中断，对于I／O资源以及处理速度无特殊要求，所以选择Atmel公司生产的AT89C52单片机。AT89C52增加了在线调试功能，程序可以通过JTAG接口下载、调试和固化，可实现实时仿真和在线编程或在系统编程，具有通过网络进行升级、维护的功能。
    采用MSC-51系列的单片机相比有两大优势：(1)片内程序存储器采用快闪存储器，使程序的写入方便，还可任意的擦写1000次，使开发更为方便。(2)提供了更小的芯片，使整个硬件电路的体积更小。本设计采用了MSC-51系列89C52单片机，具有程序加密功能且物美价廉，经济实用。
2．2 时钟电路
    单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。时钟电路如图2所示。电路中，电容器C1和C2对振荡频率有微调作用，通常取(30±10)pF，本设计选用30pF。电路中的品振采用石英晶体震荡器，晶振频率选择12MHz。石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。

2．3 复位电路
    单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)，则CPU就可响应并且将系统复位。复位分为手动复位和上电复位。系统复位电路如图3所示。

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2．4 数码管显示电路
    本系统使用了6个共阳极数码管、设计LED显示驱动是一个非常重要的问题，显示电路由LED显示器、段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口驱动电流太小，不能直接驱动LED显示器，段驱动电路通过74LS245双向总线收发器使P0口与数码管的八段相连，可增加P0的驱动能力。位驱动电路通过六只NPN三极管驱动使P2口的低六位作为位选信号，使之产生足够大的电流，来驱动LED达到足够的亮度，显示器才能正常工作。如果驱动电路能力差，即驱动电流过小，数码管显示亮度不够，而驱动电路驱动电流太大容易损坏数码管。
    LED显示器显示控制方式有两种：静态和动态。本设计方案选择的是动态控制方式。由于一位数据的显示是由段码和位码信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。
2．5 按键电路
    本系统设置3个功能按键分别为KEY1、KEY2和KEY3，其中KEY1是开始按键，与P3．0相连，按下时数码管开始计时；KEY2是停止按键，与P3．1相连，按下时数码管停止计时：KEY3是清零按键，与P3．2相连，按下时数码管全部清零。当数码管计时时，不能直接按清零按键，只能按停止按键才能停止，再按清零按键全部显示初始化0。

3 系统软件设计
    系统软件由主程序模块、延时模块、键盘扫描程序模块以及数码管驱动程序模块组成。
    本设计中，计时采用定时器T0中断完成，其余状态循环调用显示子程序，当功能按键按下时，转入相应功能程序。其主程序流程图如图4所示。

4 仿真结果
    程序在Keil uVision3环境下编写，编译通过后生成．hex文件加载到Proteus下可正常运行。程序刚运行前数码管显示初值为0000．0 0，按下键KEY1系统开始计时，程序中每0．01s进入一次定时中断。在程序运行过程中若按下键KEY2系统暂停计时，数码管显示计时截至状态；若按下键KEY3，数码管清零。图5为键KEY1抬起、键KEY2按下的状态。

5 结束语
    本文利用AT89C52单片机设计了具有计时开始、暂停及清零功能的数字秒表，计时最大值为59分59．99秒，计时精度为0．01秒。利用Proteus和Keil软件进行了仿真，达到了预期的效果。整体电路的计时精度高，电路结构简单，抗干扰能力强，具有广泛的应用前景。