1.方案设计
1.1.设计要求
设计一个电子秒表，4位数码管显示时间，显示时间范围00.00秒到99.99秒，共计100秒。利用按键修改时间，按键一按下加一秒，按键二按下减一秒，按键三按下置零，按键四启动或暂停计时。
1.2.方案讨论
本系统用STC89C51RC为主控，利用4位共阴数码管显示，避免了用4个独立的数码管造成单片机IO口不够用和资源的浪费。单片机驱动4位共阴数码管用两块74HC573芯片，当使能端为高电平时，输出将随数据输入而变。当使能为低电平时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，原来的数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。74HC573可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。利用4个独立按键就可以满足时间的设置。
2.硬件设计
2.1.主控制器
主 CPU 电路选用 STC89C51RC 系列单片机，STC89C51RC 是采用 8051 核的 ISP（In System Programming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为 80MHz，片内含4KB的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash 存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。
STC89C52RC 系列单片机是单时钟/ 机器周期(1T)的兼容 8051 内核单片机，是高速/低功耗的新一代 8051 单片机，全新的流水线/ 精简指令集结构,内部集成 MAX810 专用复位电路。
STC89C51 系列单片机的特点：
(1) 增强型 1T 流水线/ 精简指令集结构 8051 CPU
(2) 工作电压：3.4V-5.5V（5V 单片机/2.0V-3.8V（3V 单片机）
(3) 工作频率范围：0 - 35 MHz，相当于普通 8051 的 0～420MHz.实际工作频率可达48MHz.
(4)用户应用程序空间 12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字节
(5) 片上集成 512 字节 RAM
(6) 通用 I/O 口（27/23 个），复位后为： 准双向口/ 弱上拉（普通 8051 传统 I/O 口）可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不得超过 55mA
(7) ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
(8) EEPROM 功能
(9) 看门狗
(10)内部集成 MAX810 专用复位电路（外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路）
(11)时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部 R/C 振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟。常温下内部 R/C 振荡器频率为：5.2MHz ～ 6.8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选 4MHz ～ 8MHz
(12)有 2 个 16 位定时器/ 计数器
(13)外部中断 2 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
(14)PWM ( 4 路）/ P C A（可编程计数器阵列），也可用来再实现 4 个定时器或 4 个外部中断(上升沿中断/ 下降沿中断均可支持)
(15) STC89Cc516AD 具有 ADC 功能。 10 位精度 ADC，共 8 路
(16) 通用异步串行口(UART)
(17) SPI 同步通信口， 主模式/ 从模式
(18)工作温度范围： 0 - 75℃ / -40 - +85℃
(19)封装： PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，STC89C52RC系列单片机为真正的看门狗，缺省为关闭（冷启动），启PLCC-32,TSSOP-20(超小封状，定货)动后无法关闭，可省去外部看门狗。此系列单片机P4口地址为E8H，并有2个附加外部中断，P4.2/INT3,P4.3/INT2。
2.2.晶振及复位模块
晶振电路部分，使用12MHz 晶振，和两个30PF电容。在复位电路中，采用按键电平复位，电容为 10uF，电阻为10k。当系统处于正常状态时，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期，CPU响应并将系统复位。晶振及复位电路如右图。
2.3.按键模块
系统设计有四路独立的输入按键，按键直接接入到单片机的 P3 口，当按键未按下时，单片机检测到引脚为高电平；当按键被按下时，单片机检测到引脚为低电平，执行相应的程序。所以只要通过检测相应端口的状态的变化，就可以检测到是否有按键按下。键盘电路如下图所示。
数码管采用四段的共阴数码管，通过两块74HC573分别控制数码管的段选和位选。
当第一块74HC573的LE端为高电平时，第二块74HC573的LE端为低电平时，P0口控制段选，数码管可以显示内容。显示数字可以给0到9十个数字编码，再把要显示的数字通过这个编码送到P0口即可。当第二块74HC573的LE端为高电平时，第一块74HC573的LE端为低电平时，P0口控制位选，可以控制数码管第几位显示。由于P0口作为I/O口使用时，P0口内部的场效应管截止，输出为漏极开路，必须要接上拉电阻才能有高电平输出。在本系统中，P0口接了10K的排阻作为上拉电阻。显示电路如下图所示。
3.系统仿真图
利用Proteus仿真软件绘制的系统仿真图如下：
4.软件设计
在Keil软件中，利用C51编程实现电子秒表的功能。程序包括主函数、延时函数、定时器初始化、数码管显示、键盘扫描和中断服务程序。程序从主函数执行，先初始化定时器，然后一直循环调用数码管显示和键盘扫描函数。
4.1.软件流程图
4.2.参考程序
#include <reg52.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
sbit duan=P2^6; //控制数码管段选
sbit wei=P2^7; //控制数码管位选
sbit K1=P3^4; //按键1加1秒
sbit K2=P3^5; //按键1减1秒
sbit K3=P3^6; //按键3清零
sbit K4=P3^7; //按键4暂停/启动
uchar code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
//0~9的共阴数码管编码（不带小数点）
uchar code table2[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef};
//0~9的共阴数码管编码（带小数点）
uint num,sec1=0,sec2=0; //sec1为小数部分，sec2为整数部分
void delay(uint z) //延时函数
{
uint i,j;
for(i=z;i>0;i--)
for(j=110;j>0;j--);
}
void begin() //初始化函数
{
TMOD=0x01; //设置定时器0工作方式1
TH0=(65536-1000)/256; //中断一次1毫秒
TL0=(65536-1000)%256;
EA=1; //开总中断
ET0=1; //开定时器中断0
TR0=1; //启动定时器0
}
void display(uchar sec1,uchar sec2)//数码管显示
{
wei=1; //打开位选锁存器
P0=0xf7; //数码管第1位
wei=0; //关闭位选锁存器
duan=1; //打开段选锁存器
P0=table[sec1%10]; //送入数据百分位
duan=0; //关闭段选锁存器
P0=0xff; //消影
delay(2); //延时2毫秒，用于数码管动态显示
wei=1;
P0=0xfb; //数码管第2位
wei=0;
duan=1;
P0=table[sec1/10]; //送入数据十分位
duan=0;
P0=0xff;
delay(2);
wei=1;
P0=0xfd; //数码管第3位
wei=0;
duan=1;
P0=table2[sec2%10]; //送入数据个位
duan=0;
P0=0xff;
delay(2);
wei=1;
P0=0xfe; //数码管第4位
wei=0;
duan=1;
P0=table[sec2/10]; //送入数据十位
duan=0;
P0=0xff;
delay(2);
}
void keyscan()//独立按键函数
{
if(K1==0) //按键1按一次增加1秒
{
delay(5); //去除抖动
if(K1==0) //如果K1确认按下
{
sec2++; //加1秒钟
if(sec2==100) //到99秒清零
sec2=0;
while(!K1); //等待按键松开
}
}
if(K2==0) //按键2按一次减少1秒
{
delay(5); //去除抖动
if(K2==0) //如果K2确认按下
{
sec2--; //减1秒钟
if(sec2==-1) //减到0继续从99秒开始
sec2=99;
while(!K2);
}
}
if(K3==0) //按键3清零
{
delay(5); //去除抖动
if(K3==0) //如果K3确认按下
{
sec1=0; //整数全部清零
sec2=0; //小数全部清零
}
while(!K3);
}
if(K4==0) //按键4暂停/开启计时
{
delay(5); //去除抖动
if(K4==0) //如果K4确认按下
{
TR0=~TR0; //启动或关闭定时器0
while(!K4);
}
}
}
void main()
{
begin(); //调用初始化函数
while(1) //程序一直执行数码管显示和按键函数
{
display(sec1,sec2);
keyscan();
}
}
void time0() interrupt 1 //定时器0中断服务程序
{
TH0=(65536-1000)/256; //重装初值
TL0=(65536-1000)%256;
num++;
if(num==10) //如果计数值等于10，那么1ms到
{
num=0; //把num清零重新计数10次，等待下一次中断
sec1++; //小数加1
if(sec1==100) //小数到99清零
{
sec1=0;
sec2++; //小数加满后向整数进位
if(sec2==100) //整数到99清零
sec2=0;
}
}
}
5.系统验证及分析
下图为仿真效果图。
下图为开始仿真的效果图。当前显示数字表示计时到3.02秒.
下图为即将计时到99.99秒的效果。到达99.99秒后会全部清零。
通过以上Proteus的仿真效果图可以看出，系统实现了所有基本功能，达到了预期的效果。但是在仿真过程中，由于仿真软件运行有一定延时，所以计时的精度不够准确，比正常的秒表慢。此外，小数点后面两位数码管计数时间很快，人眼难以分辨数码管的变化。
6.结论
本设计是基于单片机控制的数字秒表，系统的成本较低，但实用价值很高而且采用的技术较为稳定而且成熟，另外系统的应用要求不是很高。通过这次秒表的设计，我们学到了许多知识，还学到了许多思考问题的方法，同时也提高了分析问题、解决问题的能力。
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