基于AT89C51單片機的秒表設計與實現

張翠云

單片機相當于微型計算機。因為它具有體積小、質量輕、價格便宜的特點，所以為應用和開發提供了便利條件。單片機已應用在生活的方方面面，如智能儀表、家用電器等。秒表是一種常用的計時儀器，比如在實驗室、智力對抗比賽、運動場等場合，就會經常用到秒表。高精度數字化秒表的出現，給人們的生活提供了方便，已經取代了傳統的機械秒表[1-3]。本文結合單片機，設計了一種基于AT89C51單片機的精度為0.01 s的數字秒表，并且在仿真軟件Proteus環境下，實現了所設計秒表的各種功能。

1 系統整體設計方案

1.1 系統具體功能要求

（1）秒表計時范圍00.00秒～60.00秒。

（2）顯示部分采用四位七段數碼管，其中前兩位顯示“10秒、秒”，后兩位顯示“0.1秒、0.01秒”。

（3）秒表具有功能：“開始”、“暫停/繼續”、“復位”。

（4）鍵盤設置：鍵1→開始計時；鍵2→暫停/繼續計時；鍵3→復位，清零計時。

1.2 系統總體框圖

本數字秒表設計要對時間實行實時計時，精度達到0.01秒，并且通過功能鍵進行開始計時、暫停/繼續計時、復位計時。系統主要包括時鐘電路、復位電路、鍵盤電路、顯示電路。系統的整體組成框圖如圖1所示。

圖1 系統整體組成框圖

2 硬件設計

圖2 秒表硬件電路

數碼管顯示有靜態顯示和動態顯示，靜態顯示程序結構簡單，顯示穩定，但是占用端口比較多；動態顯示程序復雜，但是所使用的端口比較少，可以節省單片機的I/O口。本系統數碼管顯示采用動態顯示，其中段碼通過470Ω限流電阻與單片機P2口相接，四位位選通過PNP三極管與單片機P1口的P1.3、P1.2、P1.1、P1.0相連接，以增加P1口的驅動能力。三個功能鍵一端接在P3口的P3.2（開始）、P3.1（暫停/繼續）、P3.0（復位），另一端接地，實現系統的開始、暫停/繼續、復位功能。秒表的硬件設計電路如圖2所示。

3 軟件設計

軟件設計分兩部分，一部分是按鍵程序設計；另一部分是0.01秒、0.1秒、秒、10秒程序設計。

圖3 按鍵程序設計流程圖

3.1 按鍵程序設計

按鍵功能有：開始、暫停（繼續）、復位。這三個按鍵一端 分 別 接 在 P3.0、P3.1、P3.2，另外一端接地。單片機上電，數碼管顯示00.00，按下“開始”按鈕，開始以0.01秒為單位計時，按下“暫停（繼續）”按鈕，數碼顯示停在當前計時置，比如“23.57”， 如 果 需 要 從“00.00”開始計時，按下復位鍵；如果需要繼續在“23.57”的基礎上開始計時，再次按下“暫停（繼續）”按鈕，當數碼管時間到“60.00”時，按下“開始”按鈕重新開始計時。按鍵程序設計流程圖如圖3所示。

圖4 0.01秒、0.1秒、秒、十秒程序設計流程圖

3.2 0.01秒、0.1秒、秒、10秒程序設計

該電路的最小計時單位為0.01秒，溢出向高位進位，最大計時值60.00秒。在進行軟件設計時，采用0組寄存器R0、R1、R2、R3中數值來判斷0.01秒、0.1秒、秒、10秒是否向高位進位。初始化R0、R1、R2、R3中數值都為零。每經過0.01秒，R0+1→R0；經過0.1秒，R1+1→R1；經過1秒，R2+1→R2；經過10秒，R3+1→R3。具體0.01秒、0.1秒、秒、10秒程序設計流程圖如圖4所示。

4 仿真

本設計通過軟件prote?us進行仿真，以驗證設計的可靠性。Proteus軟件是由英國Labcenter公司開發的，是目前世界上最先進最完善的電路設計與仿真平臺之一。J．Proteus仿真軟件具有國際通用的虛擬儀器及電子元器件庫，可以仿真模擬電路、數字電路，以及數字、模擬混合電路[4-6]，還能仿真單片機外圍器件[7-8]。

啟動【Proteus】；選擇【System】，進行頁面和其他參數的設置；選擇【Library】—拾取元件來進行元件的選取和布局，元件的初步布局，連線，完成電路整體布局[5-6]。

（1）單片機上電，數碼管顯示“00.00”，按下“開始”按鈕，開始計時，按下“暫停（繼續）”按鈕，數碼管計時停在當前數值，比如“23.59”。仿真結果如圖5所示。

（2）此時，按下“復位”按鈕，數碼管顯示“00.00”，重新開始從零計時，如果按下“暫停（繼續）”按鈕，數碼管從23.59秒開始計時直到59.99秒→60.00秒。仿真結果如圖6所示。

圖5 “暫停”按鈕仿真結果

圖6 “繼續”按鈕仿真結果

5 結束語

本文從硬件設計和軟件編程兩方面詳盡地介紹了基于單片機的智能秒表控制系統的設計。并通過Proteus軟件仿真整體電路系統，仿真結果驗證了該秒表設計原理正確。與普通電子秒表系統相比，本設計除帶有計時開始、暫停（繼續）和復位功能以外，另外實現了0.01 s高精度的計時功能，并且硬件結構緊湊、簡單和軟件設計靈活，宜用電池作為電源，因此具有一定的推廣和使用價值。然而不足的是：單片機AT89C51有32個并行I/O引腳，本設計只用到了15個引腳，所以其功能還有較大的擴展空間。