定时计数器的设计应用.doc
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1、,秒表系秒表系统设计统设计 摘要:详细讨论和分析基于单片机 AT89C51的秒表系统现状以及发展,单片机AT89C51概念,单片机 AT89C51在界面和功能上发生的变化.设计带计时器功能的秒表系统的原理结构各组件功能以及技术路线。关键词: AT89C51;计时器;秒表Key words: AT89C51; timer; stopwatch 引言:了解基于单片机 AT89C51的秒表系统的成因及其影响因素对认识基于单片机AT89C51的秒表系统有重要的意义,带计时器功能的秒表的应用也很重要.通过以下的介绍可以了解带计时器功能的秒表的发展现状和相关技术理论。以下介绍了和基于单片机AT89C51的
2、秒表系统相关的设计用以比较,重点是单片机 AT89C51的秒表。1 .单单片机片机 AT89C51以及秒表概念理解以及秒表概念理解1.1秒表概念秒表概念1.1.1秒表是一种常用的测时仪器。它是利用摆的等时性控制指针转动而计时的。在它的正面是一个大表盘,上方有小表盘.秒针沿大表盘转动,分针沿小表盘转动。分针和秒针所指的时间和就是所测的时间间隔。在表正上方有一表把,上有一按钮。旋动按钮,上紧发条,这是秒表走动的动力。用大拇指控下按钮,秒表开始计时;再按下按钮,秒表停止走动,进行读数;再按一次,秒表回零,准备下一次计时。 (注意:使用这类秒表一定要完成这一程序后才能进行下一次计时。这类表不能在按停后
3、又重新开动秒表连续计时。为了解决这一问题,有的秒表在表把左侧装有一按钮,当表走动时将此按钮向上推,表停走;向下推,即继续累计计时。)秒表的精度一般在0102秒,计时误差主要是开表、停表不准造成的。秒表在使,用前上发条时不宜上得过紧,以免断裂。使用完后应将表开动,使发条完全放开。不同型号的秒表,分针和秒针旋转一周所计的时间可能不同,使用时要注意。 1.1.2使用秒表的注意事使用秒表的注意事项项: 1.使用前先上紧发条,但不要过紧,以免损坏发条; 2.按表时不要用力过猛,以防损坏机件; 3.回表后,如秒针不指零,应记下其数值(零点读书),试验后从测量值中将其减去(注意符号); 4.要特要特别别注意
4、防止摔破秒表,不使用注意防止摔破秒表,不使用时时一定将表放一定将表放在在实验实验后中央的盒中后中央的盒中. 1.2 单单片机概念理解片机概念理解单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如 CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱也是低的,一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器
5、一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影!.它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机,在线式就是现场控制,需要的是有较强的抗干扰能力,较低的成本,这也是和离线式计算机的(比如家用 PC)的主要区别。单片机是靠程序的,并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能,尤其是特殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的,有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列,或者60年代的 CD4000系列这些纯硬件来搞定的话,电路一定是一块大 PCB 板!但是如果要是用美国7
6、0年代成功投放市场的系列单片机,结果就会有天壤之别!只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性!由于单片机对成本是敏感的,所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言,它是除了二进制机器码以上最低级的语言了,既然这么低级为什么还要用呢?很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢?原因很简单,就是单片机没有家用计算机那样的CPU,也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮,也会达到几十 K 的尺寸!对于家用 PC 的硬盘来讲没什么,可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行,所以汇编虽然原始却
7、还是,在大量使用。一样的道理,如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用 PC 上来运行,家用 PC 的也是承受不了的。可以说,二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中,起着有如人类头脑的作用,它出了毛病,整个装置就瘫痪了。现在,这种单片机的使用领域
8、已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词“智能型”,如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功能太简单且极易被仿制。究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。单片机诞生于20世纪70年代末,经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段。1.SCM 即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。 “创新模式”获得成功,奠定了 SCM 与通用计
9、算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel 公司功不可没。2.MCU 即微控制器(Micro Controller Unit)阶段,主要的技术发展方向是:不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展 MCU 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看,Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素。在发展 MCU 方面,最著名的厂家当数 Philips 公司。Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将 MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此
10、,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记 Intel 和 Philips 的历史功绩。3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向 MCU 阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了 SoC 化趋势。随着微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展,基于 SoC 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。2.用硬件描述用硬件描述语语言言设计设计数字秒表和数字秒表和 FIR 滤滤波器波器(1)随着计数的进步,电子产品的更新换代速度可谓日新月异,传统的手工设计过程已经被先进的自动化设计工
11、具(从 CAD 到 EDA 及 ESDA:Electronic System Design Automation)所代替。因而熟悉并掌握这些现代设计工具,已成为电子信息设计人员所必备的一门技术。本本设计侧设计侧重点是用硬件重点是用硬件语语言言 Verilog HDL 来来实现实现数字秒表和数字秒表和 FIR 数字数字滤滤波器功能,偏波器功能,偏重于重于软软件件设计设计,所以本文首先介,所以本文首先介绍绍了了 Verilog HDL 语语言的言的发发展和由来,它的基本展和由来,它的基本结结构,构,规规定定,和其他和其他优优点,接着点,接着简单简单介介绍绍了了 Verilog HDL 的的应应用平
12、台用平台 MAX+PLUS II 软软件,然后通件,然后通过软过软硬件硬件结结合的方法合的方法阐阐述了数字秒表和述了数字秒表和滤滤波器波器结结构化的构化的设计设计思想和大体的思想和大体的设计设计流程,之后,流程,之后,对对可可编编程程逻辑逻辑器件器件进进行行简单简单的的说说明,最后明,最后进进入本入本设计设计的核心的核心设计设计部分,用部分,用 Verilog HDL 语语言言设设计计数字秒表和数字秒表和 FIR 滤滤波器波器电电路,着重路,着重对对有限有限长单长单位冲激响位冲激响应应数字秒表和(数字秒表和(FIR) )滤滤波器波器设计设计过过程程进进行了行了详详尽的介尽的介绍绍。 。用硬件描
13、述语言设计数字秒表和 FIR 滤波器,电子设计自动化(EDA)工程是电子产品开发研制的动力源和加速器,也是现代电子设计的核心。EDA 工程的理论基础是自动化理论,软件工程,编译原理,电路理论,微电子学,半导体工艺学等科学。它的知识利息结构为:现代电子设计理论,硬件描述语言,EDA 设计方法,EDA 工具开发及应用,可编程器件原理,结构及应用和 EDA 工程应用及实践。微电子技术发展的目标是不断提高继承系统的性能及性能价格比,因此便要求提高芯片的集成度,要求将完整的电子系统或子系统集成在单个芯片内。技术的发展使得集成电路的制造能力不断提高,工业的发展需要规模越来越大,性能越来越好的集成电路。因此
14、,EDA 技术就成为电子工程设计的重要手段。 (2)利用利用计计算机算机进进行行辅辅助助设计设计的的优优点:一是点:一是验证电验证电路方案路方案设计设计的正确性。二是的正确性。二是电电路特性路特性的的优优化化设计设计。三是。三是实现电实现电路特性的模路特性的模拟测试拟测试。 。这种技术可以方便的实现电路结构及性能的优化设计,并提供相当完整而详细的数据资料。较之传统的电路设计方法,要优越的多,经济的多。另外,采用另外,采用结结构化的构化的设计设计思想越来越得到人思想越来越得到人们们的重的重视视。数字系。数字系统统可可结结构化地划分构化地划分为为从从顶顶向下的不同向下的不同层层次,次,对对于每个人
15、于每个人设计层设计层次构造的系次构造的系统统模型,向上可以作模型,向上可以作为为更大系更大系统统的子系的子系统统, ,使得更大系使得更大系统统的的设计进设计进程独立于本程独立于本层层次的次的设计过设计过程:向下可以作程:向下可以作为为子系子系统统的的设计规设计规范,使得范,使得各个子系各个子系统统的的设计过设计过程相互独立;采用程相互独立;采用结结构构话话的的设计设计,数字集成系,数字集成系统统的的设计设计就可以重复使用就可以重复使用不同不同层层次的次的 IP( (intellectual property)芯核,完整的少数子集成系)芯核,完整的少数子集成系统统的的设计设计就不在局限在就不在局
16、限在单单一的一的设计设计部部门门;采用;采用结结构化的构化的设计设计技技术术,可以有效地提高,可以有效地提高设计设计方案的可重复行,从而提高人方案的可重复行,从而提高人们们的的设计设计能力。能力。3 基于数字基于数字逻辑逻辑多功能多功能计时计时器的器的设计设计及及实现实现计时器在许多领域中均得到普遍应用,诸如在体育比赛、公共汽车到站时间统计中需进,行计时和统计。现今的计时器通常只能通过启/停按键实现断点计时的功能,即通过启/停按键来记录一段时间。这种计时器查看的时间只能为计时结束时刻。实际的应用中往往需要在不影响正常计时的基础上,能查看记录过程中的某些点的时间,即中途计时,如记录长跑运动员跑每
17、圈所用时间,以便了解其各阶段的情况。本文即针对此问题,设计了一种能通过按键方式查看记录过程中任一时刻值的计时器。这种计时器在查看中间值时不会影响整个记录过程,并且能把相应数据送入存储模块及显示模块,以便查看。整个系整个系统统的的设计设计借助于借助于 VHDL 和数字和数字逻辑电逻辑电路,在路,在 EDA 设计设计工具工具 MaxplusII 下下进进行行仿真,得到了良好的仿真,得到了良好的结结果。由于采用模果。由于采用模块块化的化的设计设计思想,使思想,使设计变设计变得得简单简单、方便、灵活性、方便、灵活性强强。 。 3.1模模块设计块设计 (1)键输入模块 计时计时器的器的输输入控制入控制为
18、为按按键键方式,方式,由于手动按键,会产生开关簧片反弹引起的电平抖动现象,为保证系统能捕捉到输出脉冲,在每一个开关后面安排一个消抖和同步电路,以并保证每按一键,只形成一个宽度为系统时钟周期的脉冲。采用兼具消抖和同步功能的电路,它能产生与系统时钟周期相同宽度的1ms 时钟脉冲。 (2)时钟分频模块 时钟时钟分分频频模模块块的功能的功能是将频率为1000Hz 的外部时钟信号 clk 进行分频,从而产生用来消除抖动的25Hz 的时钟信号 clk1和用于计时器内部定时计数的100Hz 的时钟信号clk0。 由于计时器系统使用的时钟信号 clk1和时钟信号 clk0的有效脉冲宽度均为1ms,则需对分频产
19、生的信号进行处理 。本系统将4分频产生的信号 clk1_tmp 与10分频产生的信号clk0_tmp 相与,来得到有效脉冲宽度为1ms 的25Hz 时钟信号 clk1。(3)控制模块, 控制模控制模块块的功能是用来控制的功能是用来控制计时计时模模块块的工作。的工作。当系统电源复位信号 sysreset 或内部复位信号 reset0有效时,控制模块的输出 enable 信号无效;当 reset0和 sysreset 都无效,且on/off 0有效时,enable 信号有效,直到下一次 on/off 0有效时 enable 才变成无效。 (reseto 、on/off0为去抖后的信号) 在此,采用
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