基于單片機(jī)的電子計(jì)時(shí)秒表的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

嚴(yán) 敏

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 揚(yáng)州商務(wù)分院， 江蘇 揚(yáng)州 225127）

在日常生活中，計(jì)時(shí)秒表的應(yīng)用隨處可見，比如：運(yùn)動(dòng)會(huì)的比賽場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室等等。此外，我們使用的手機(jī)、電子表也都具備秒表的功能。秒表以其獨(dú)有的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，為人們提供了很大的方便，因而得到廣泛的應(yīng)用。[1-2]本文設(shè)計(jì)了以AT89C51單片機(jī)為核心的電子計(jì)時(shí)秒表。在Proteus仿真平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，在Medwin3.0開發(fā)環(huán)境中采用C語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，聯(lián)合調(diào)試直至成功。再使用全國技能大賽單片機(jī)項(xiàng)目的指定設(shè)備亞龍YL-236構(gòu)建電子秒表，進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

一、總體設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)秒表能夠?qū)崿F(xiàn)從0.1秒到59分59.9秒的循環(huán)計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)精度要求為0.1 s。當(dāng)秒計(jì)到60，秒清零，同時(shí)分加1；當(dāng)分計(jì)到60，分清零，重新開始計(jì)時(shí)。該設(shè)計(jì)使用6個(gè)共陽型LED數(shù)碼管進(jìn)行計(jì)時(shí)數(shù)值的顯示。LED數(shù)碼管左起第2、3兩位顯示分，第4、5兩位顯示秒的整數(shù)部分，第6位顯示秒的小數(shù)部分，第1位不顯示。有三個(gè)獨(dú)立式按鍵，分別為啟動(dòng)鍵、停止鍵、清零鍵?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子計(jì)時(shí)秒表總體結(jié)構(gòu)

二、硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)使用AT89C51單片機(jī)，它的主要任務(wù)是對(duì)按鍵的狀態(tài)進(jìn)行掃描，然后控制其內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行工作，通過LED數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)數(shù)值。AT89C51單片機(jī)的P0口接LED數(shù)碼管的段碼（a、b、c、d、e、f、g、dp），P2 口接 LED 數(shù)碼管的位碼，P3口的P3.0、P3.1、P3.2分別接啟動(dòng)鍵、停止鍵、清零鍵這三個(gè)獨(dú)立按鍵。按鍵的一端接地，另一端通過電阻接電源。當(dāng)按鍵按下時(shí)，輸入到單片機(jī)I/O口的是低電平；當(dāng)按鍵沒有按下時(shí)，輸入到單片機(jī)I/O口的是高電平。采用Proteus軟件繪制系統(tǒng)硬件電路圖，表1列出了繪制電路原理圖所需的元器件清單。

三、軟件設(shè)計(jì)

硬件接好后，啟動(dòng)MedWin3.0單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，采用C51語言編寫系統(tǒng)程序，編譯并排除錯(cuò)誤，直至無誤。生產(chǎn).hex十六進(jìn)制文件，加載到51單片機(jī)芯片中，就可以看到電子計(jì)時(shí)秒表的仿真運(yùn)行效果。軟件編程主要完成按鍵的掃描、計(jì)時(shí)、數(shù)碼管的顯示等功能。采用模塊化設(shè)計(jì)思路，包括系統(tǒng)初始化程序、LED數(shù)碼管顯示子程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)、獨(dú)立按鍵掃描子程序設(shè)計(jì)、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)、延時(shí)子程序設(shè)計(jì)等等。程序流程如圖2-4所示。

表1 元器件清單

圖2 主程序流程圖

圖3 T0中斷子程序流程圖

圖4 LED顯示子程序流程圖

（一）定時(shí)器中斷服務(wù)子程序

本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)定時(shí)器的中斷方式計(jì)時(shí)，定時(shí)器T0、T1有4種工作方式，通過定時(shí)器方式控制寄存器TMOD的M1、M0兩位進(jìn)行設(shè)置。[3]如表2所示。由于T0、T1都是增量計(jì)數(shù)器，因此在計(jì)算初值時(shí)，需要將計(jì)數(shù)的最大值減去實(shí)際計(jì)數(shù)值，公式：計(jì)數(shù)初值=2n-實(shí)際計(jì)數(shù)值，其中n為定時(shí)器位數(shù)。[4]比如：在工作方式1下，要定時(shí)20 ms，初值=65536-20000（晶振頻率為12 MHz時(shí)機(jī)器周期為1 us）。在工作方式1下最大定時(shí)約為65 ms，超過此值，需要增加中斷次數(shù)。本次設(shè)計(jì)電子計(jì)時(shí)秒表的精度為0.1 s，即100 ms，因此定時(shí)器定時(shí)50 ms，中斷兩次便可實(shí)現(xiàn)。其部分代碼設(shè)計(jì)如下所示：

表2 定時(shí)器工作方式

（二）LED數(shù)碼管顯示子程序設(shè)計(jì)

在編程時(shí)，LED數(shù)碼管要顯示哪個(gè)數(shù)字或字符，只需寫入相應(yīng)的字段碼，利用動(dòng)態(tài)掃描的方式，分時(shí)輪流選通各個(gè)LED數(shù)碼管。當(dāng)掃描速度達(dá)到一定程度時(shí)，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)就分辨不出來了，感覺是所有LED數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮。其部分代碼設(shè)計(jì)如下所示：

（三）獨(dú)立按鍵掃描子程序設(shè)計(jì)

由于按鍵為機(jī)械彈性開關(guān)，機(jī)械觸點(diǎn)在斷開、閉合時(shí)會(huì)出現(xiàn)一連串的抖動(dòng)，鍵抖動(dòng)會(huì)使得單片機(jī)把一次按鍵誤當(dāng)成多次。為了確保對(duì)按鍵的一次閉合只做一次處理，必須先要進(jìn)行按鍵去抖處理，在按鍵閉合穩(wěn)定后再做出相應(yīng)處理。按鍵的抖動(dòng)，可以使用硬件或軟件兩種方法消除，這里使用軟件消抖。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到有鍵閉合，先調(diào)用一個(gè)5～10 ms的延時(shí)程序，等前沿抖動(dòng)消失后再一次檢測(cè)鍵的狀態(tài)，如果仍然為低電平，才確定真正有鍵按下，其部分代碼設(shè)計(jì)如下所示：

四、仿真與實(shí)驗(yàn)

圖5 電子計(jì)時(shí)秒表的仿真

圖6 電子計(jì)時(shí)秒表的實(shí)驗(yàn)

從圖5、圖6仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：本設(shè)計(jì)秒表能夠?qū)崿F(xiàn)從0.1秒到59分59.9秒的循環(huán)計(jì)數(shù)，符合設(shè)計(jì)要求。

五、結(jié)束語

電子計(jì)時(shí)秒表在人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的電子計(jì)時(shí)秒表，該設(shè)計(jì)具有電路簡單、計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、系統(tǒng)穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)運(yùn)用Proteus虛擬仿真技術(shù)和基于單片機(jī)技能大賽設(shè)備的實(shí)際操作，能夠很好地幫助學(xué)生理解定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及中斷的應(yīng)用功能，對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)的教學(xué)演示和實(shí)際設(shè)計(jì)也具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

［1］黃華飛.基于Proteus的數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) ，2014（28）：101-102.

［2］李瓊.基于Proteus仿真的數(shù)字電子鐘設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)管理與科技，2011（12）：216-217.

［3］張杰.基于Proteus軟件的單片機(jī)數(shù)字時(shí)鐘系統(tǒng)開發(fā)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（13）：40-41.

［4］郭海麗.基于單片機(jī)的數(shù)字秒表設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2014（20）：27-29.