单片机手动计数器设计

目 录第一章概述11.1单片机计数器的介绍11.2 本课题研究的任务和目的1第二章主要元器件的简介与选用2.1AT89C51的结构和性能22.1.1AT89C51主要性能参数2 2.1.2 AT89C51功能特性概述2 2.1.3 AT89C51管脚配置3 2.1.4 AT89C51时钟振荡器62.2 数码显示器的简介7 2.2.1数码显示器的发展历程7 2.2.2数码显示器的种类7 2.3 数码显示器工作原理简介7 2.3.1 辉光数码管72.3.2荧光数码管82.3.3液晶显示器9 2.3.4发光二极管显示器92.3.5常用显示器的性能比较112.3.6显示器的选用11 2.4CD4511数码管驱动芯片的介绍12第三章单片机软硬件的设计 3.1软件的设计15 3.1.1程序流程图16 3.1.2程序16 3.2硬件的设计18结束语19致谢20参考文献21第一章 概述 1.1单片机计数器的介绍本系统采用单片机AT89C51作为本设计的核心元件，系统由AT89C51、LED 数码管、按键等部分构成，能实现输出等功能利用单片机的接收等功能而设计的一款计数器。由两个共阴极数码管显示，一个独立按键组成键盘部分，由单片机控制，CD4511七段译码器进行驱动，由LED数码管显示来表示数字计时。1.2 本课题研究的任务和目的计数器在工业控制中有着广泛的应用。传统的数字计数器都是用中小规模数字集成电路构成的，不但电路复杂，成本高，功能修改也不易。用单片机制作的计数器可以克服传统数字电路计数器的局限，有着广阔的应用前景。 本文介绍的计数器采用ATMEL公司的AT89C51单片机。本计数器的主程序完成按键开关的读取和数码管扫描。数码管采用静态扫描的方法显示，实现对p2.0脚的检测用这种方法可以实现实时计数。 通过对此课题的学习研究，还可以培养自己独立解决实际问题的能力，为以后的学习打下基础。第二章主要元器件的简介与选用2.1AT89C51的结构和性能AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域。2.1.1 主要性能参数l 与MCS-51产品指令系统完全兼容l 4KB可反复擦写Flash闪存存储器l 1000次擦写周期l 时钟频率范围：0Hz24MHzl 3级加密程序存储器l 1288B内部RAMl 32个可编程I/O接口线l 2个16位定时/计数器l 6个中断源l 可编程串行UART通道l 低功耗空闲和掉电模式2.1.2 功能特性概述AT89C51提供以下标准功能：4KB的Flash闪存存储器，128B内部RAM，32个I/O接口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。2.1.3 管脚配置AT89C51的封装形式和引脚排列如图2.1、图2.2和图2.3所示。图2.1 AT89C51DE PDIP封装形式和引脚排列图2.2 PQFP/TQFP封装形式和引脚排列图2.3 PLCC封装形式和引脚排列l VCC：电源。l GND：地。l P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口些“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。l P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。l P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR，A）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX R1，A）时，P2口线上的内容（特殊功能寄存器SFR区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。l P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的功能是它的第二功能，如表2-1所示。P3口还接收一些用语Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表2-1 AT89C51的P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输入口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）l RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。l ALE/ PROG ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ PROG ）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元中的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活，此外，该引脚还会微弱被拉高。单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。l PSEN ：程序存储允许（ PSEN ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号不出现。l EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为000011-FFFF11），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端）CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V的编程电压VPP。l XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。l XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.1.4 时钟振荡器AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图2.4（a）所示。（a） 内部振荡器 （b） 外部振荡器图2.4 时钟振荡电路外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF10pF。用户也可以使用外部时钟，采用外部时钟电路如图1.5（b）所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟脉冲的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的要求2.2 数码显示器的简介2.2.1 数码显示器的发展历程 1923年，罗塞夫（Lossen.o.w）在研究半导体SIC时有杂质的P-N结中有光发射，研究出了发光二极管（LED：Light Emitting Diode），一直不受重视。随着电子工业的快速发展，在60年代，显示技术得到迅速发展，人们研究出PDP激光显示等离子显示板、LCD液晶显示器、发光二极管LED、电致变色显示ECD、电泳显示EPID等多种技术。由于半导体的制作和加工工艺逐步成熟和完善，发光二极管已日趋在固体显示器中占主导地位。LED之所以受到广泛重视并得到迅速发展，是因为它本身有活动、很多优点。例如：亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、寿命长、耐冲击且性能稳定，其发展前景极为广阔。目前正朝着更高亮度、更高耐气候性和发光密度、发光均匀性、全色化发展。2.2.2 数码显示器的种类 数码显示器是数码显示电路的末级电路，它用来将输入的数码还原成数字。数码显示器有许多类型，适用于场所也不相同，具体如表2-3所示。2.3 数码显示器工作原理简介2.3.1 辉光数码管图2-4辉光数码管是利用辉光放电原理制成的，在充有氖气的玻璃管内设有0、1、29字样的10个阴极和一个公用阳极，如图2-1所示。各阴极的表面积相差不多，而每个阳极与阳极之间的距离，则根据数字的笔画确定。这样在同一阳极电压作用下，控制每个阴极的电压，便可使需要的数字发光。 图2-4 辉光数码管结构示意图辉光数码管需在强电场作用下才能启辉，因此，在译码器与辉光数码管之间必须配有电子开关，如图2-5中的VT1VT10便是半导体三极管组成的开关电路。 图2-5 辉光数码管驱动电路图2-62.3.2 荧光数码管 荧光数码管的结构如图2-3所示。当灯丝在电源电压作用下加热到700左右时，灯丝便发射电子，发射的电子在栅极的作用下将加速运动，最后在笔画电极的作用下打到笔画电极上。由于笔画电极上涂有荧光粉，当运动速度很高的电子打到它上面时，笔画电极便发出绿色的光。笔画电极采用8段电极，在逻辑电路输出电压的作用下，某些笔画被加上电压，电子就会轰击这些电极上的荧光粉，从而显示出某一确定的数字。当笔画电极上的电压为零时，则发光的相应电极熄灭。荧光数码管有单位的和多位的，单位的多为电子管型，多位的为长条形。 图2-6 荧光数码管的结构示意图2.3.3 液晶显示器 液晶显示器又叫LCD显示器，她的结构如图2-4所示。液晶显示器的主要材料是液晶晶体（简称晶体），它是一种有机材料，在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光及温度等外界条件的变化而变化。因此，在逻辑电路的输出信号作用下，可现实出某一确定的数字。液晶显示器是一种被动式显示器件，液晶本身不会发光，而是借助自然光和外来光显示数字。外部光线愈强，它的显示效果愈好。 由于液晶显示器所需的功耗很小，因此它可由集成电路译码器直接驱动。图2-71-玻璃；2-液晶；3-7段正面电极；4-8字形背电极；5-插头引出脚图2-7 LCD数码显示器结构示意图2.3.4 发光二极管显示器 发光二极管显示器又叫做LED数码显示器，也称作七段译码器。它是利用发光二极管在正向电压作用下，通过一定的电流就发光的特点，把7个发光二极管分段封装，就成了LED数码显示器。它的外形如图2-8所示。 图2-8用于数码显示的发光二极管多为红色，它们分单位的和多位的两种。单位LED数码显示器的内部电路如图2-6所示，它分为共阳极连接式和共阴极连接式两种，代表各笔画的a g 发光二极管的正极或负极均由引脚引出，其中DP引脚代表小数点。 对于共阴极的数码管（如图2-10所示）只有当其输入端输入高电平时二极管才会发光；而共阳极的数码管只有当输入端输入低电平时二极管才会发光。共阴极内部每个发光二极管的阴极被接在一起，成为该各段的公共选通线；发光二极管的阳极则成为段选线。如果要显示某个数字只需相应选中对应的段选线。对于共阳极数码管（如图2-11所示），则正好相反，内部发光二极管的阳极接在一起，阴极成为段选线。这两种数码管的驱动方式是不同的。当需要点亮共阳极数码管的一段时，公共段需接高电平、该段的段选线接低电平，从而该段被点亮。当需要点亮共阴极数码管的一段时，公共段需接低电平,该段的段选线接高电平，该段被点亮。图2-11 共阴极数码管内部结构图2-10共阳极数码管内部结构LED数码显示器的数字显示方式如图2-12所示。其中7个发光二极管制成条形，分别用a、b、c、d、e、f、g表示，代表数码的笔画，有选择地使用其中若干笔画发光，这样就可以组成09十个数码。比如在一个共阴极数码管上要显示“7”，则a、b、c段需被点亮。如果对于共阴极的则a、b、c对应于高电平；如果对于共阳极的则a、b、c对应于低电平。 图2-12 LED数码管显示器显示方式2.3.5 常用显示器的性能比较如表2-13所示。2.3.6 显示器的选用因为LED显示器能在低电压、小电流的条件上工作，具有显示亮度高、色彩艳丽，发光响应速度快、低功耗、耐振动、寿命长等优点。所以，在本次课题中选用了LED显示器，并采用了它的共阴极形式。2.4CD4511数码管驱动芯片的介绍显示译码器CD4511CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。用CD4511实现LED与单片机的并行接口方法如下图： （略）CD4511 引 脚 图 其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。1. CD4511的引脚 CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。其引脚图如3-2所示。 各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。 2. CD4511的工作原理 1. CD4511的工作真值表如表3-2 2. 锁存功能 译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。如图3-3（3）译码 CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数 据B、C进行组合，得出、四项，然后将输入的数据A、D一起用或 非门译码。 （4）消隐 BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐控制电路如图3-4所示。 消隐输出J的电平为 J= =（C+B）D+BI如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D据上式，当输入BCD代码从1010-1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。 输 入 输 出 LEBILIDCBAabcdefg显示 XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐 01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐 01110110000000消隐 01111000000000消隐 01111010000000消隐 01111100000000消隐 0111111000000消隐 111XXXX锁 存 锁存 表3-2 CD 4511的真值表 8421 BCD 码对应的显示见下图 ：选用共阴极数码管，对于 CD4511 ，它与数码管的基本连接方式如下图 ：第三章单片机软硬件的设计3.1软件的设计利用AT89S51单片机来制作一个手动计数器，在AT89S51单片机的P2.0管脚接一个轻触开关，作为手动计数的按钮，用单片机的P0的高位接一个数码管驱动芯片，作为0099计数的个位数显示，用单片机的P0的低位接一个数码管驱动芯片通过驱动芯片来驱动两个共阴数码，作为0099计数的十位数显示。 程序设计内容（1 单片机对按键的识别的过程处理 （2 单片机对正确识别的按键进行计数，计数满时，又从零开始计数； （3 单片机对计的数值要进行数码显示，计得的数是十进数，含有十位和个位，我们要把十位和个位拆开分别送出这样的十位和个位数值到对应的数码管上显示。如何拆开十位和个位我们可以把所计得的数值对10求余，即可个位数字，对10整除，即可得到十位数字了。 （4 通过查表方式，分别显示出个位和十位数字。 3.1.1程序流程图3.1.2程序 ORG 0000HST2:MOV R1,#00HST1:MOV A,R1 MOV B,#0AH DIV AB XCH A,B SWAP A ORL A,B MOV P0,AST3:ACALL DELAY JB P2.0,ST3 NOP NOP JNB P2.0,$-2 INC R1 CJNE R1,#64H,ST1 SJMP ST2DELAY:MOV R7,#014H DE1:NOP NOP DJNZ R7,DE1 RET END3.2硬件的设计3.2.1硬件焊接原理图结束语经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。到现在，这篇单片机手动计数器的论文已经完成了，虽然文章中还有许多不成熟的地方，还有许多值得商榷的地方，不过，我还是希望，我的这篇单片机论文能够在以后的工作和学习中起到一定作用。致谢在此要感谢我们的指导老师殷老师对我们悉心的指导，感谢殷老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的不算很好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。再次深深地感谢他们。参考文献1赫建国 郑燕 薛延侠 单片机在电子电路设计中的应用 清华大学出版社2蒋力培 单片微机系统 机械工业出版社3徐煜明 韩雁 单片机原理与接口技术 电子工业出版社4陈孝杰 计算机操作指导 北京科学出版社5江思敏 姚朋翼，胡朋 protel电路设计教程 北京 清华大学出版社硬件图第 21 页 共 26 页