本科毕业设计--基于单片机的四位计数显示系统设计.doc

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1、井冈山大学学士学位论文 密级： JINGGANGSHAN UNIVERSITY本科毕业论文（设计）题目基于单片机的四位计数显示系统设计学 院 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 09电气本（1）班 学 号 90614011 姓 名 徐 祥 平 指导教师 吴 文 通 起讫时间 2013.012013.05 教 务 处 印 制III基于单片机的四位计数显示系统设计作者：徐祥平（井冈山大学机电工程学院，江西吉安343009）指导老师：吴文通摘要在工业自动化控制和常见的显示中，需要计数显示的场合非常多,目前大多采用可编程序控制器（PLC）或单片机单独控制。用PLC控制，输出点数较多；用单

2、片机控制，可靠性较差；且这两种方案在安装或维修时不方便。本文根据模块化设计思想采用STC-89C52单片机、555电路和5寸数码管，制作四位计数显示系统，计数信号由PLC输出，电路实用可靠，性能稳定，稍作调整还可适合其它计数显示装置。具有加1与减1计数并显示和复位功能。各方面应用广泛，电路简单实用。适用于工厂中袋装等形状大小基本相同并有可能紧挨相连的产品计数显示，实用性强，推广性强。单片机的应用给广大的人民生产生活带来了便利，是各种计数显示系统的基本。关键词 单片机；计数；显示；555电路；数码管 Four count display system design based on single

3、 chip microcomputerCandidate：Xiangping XuSupervisor：Wentong WuAbstract In the industrial automation control and common display, need to count according to circumstance very much, now mostly adopts the programmable controller (PLC) and single chip microcomputer control alone. With PLC control, the ou

4、tput points more; Using single-chip microcomputer control, poor reliability; And these two kinds of solutions is not convenient during installation or maintenance. Based on modular design idea the on STC - 89 c52, 5 inch digital tube circuit and 555, making four count display system, counting signal

5、 is output by PLC, the circuit is practical and reliable, stable performance, with a little tweaking can also suitable for other counter display unit.Add 1 and 1 count and display, and reset functions. Widely used in all aspects, circuit is simple and practical. Apply to factory packaged so basicall

6、y the shape size and is likely to close to connected to the product count, according to the practical strong, powerful generalization. MCU application to the peoples production and life brought the convenience, the counting display system is various basic.Keywords SCM; count; display; 555 circuit; d

7、igital tube 目录中文摘要.英文摘要.目录.第一章 毕业设计任务要求与原理方框图.1 1.1本毕业设计目的.1 1.2设计任务.1 1.3设计要求.1 1.4四位计数显示系统原理图.2 1.5设计原理.2第二章 单片机相关知识.3 2.1单片机发展史.3 2.2单片机的应用领域.4 2.3单片机的发展方向.5 2.4单片机内部介绍及选型.5 2.4.2单片机内部介绍及选型.5 2.4.2 STC89C52单片机选型及参数.10第三章 LED数码管的基本原理.12第四章 四位计数显示系统硬件方面设计.14 4.1 555单稳态触发电路.14 4.2 各个电路模块设计.15 4.3 输入

8、电路设计及基本原理.19 4.4 输出电路设计及基本原理.20 4.5 系统总电路.21第五章 系统软件编程设计.23 5.1 单片机语言基础.23 5.2 C51函数.26 5.3 程序设计.28第六章 系统总图与仿真.32毕业设计总结与体会.34致谢.35参考文献.36 第一章 毕业设计任务要求目的与原理方框图1.1 本毕业设计目的 1、通过对单片机软件和硬件方面的设计安装和调试，从而加强书本所学单片机知识，并学会使用以单片机系统为基础，软件编程为辅助来实现四位计数系统的设计，为以后工作中出现的各种应用系统的设计打下基础。2、通过本毕业设计，加强自学的能力。可以拓展学生获取知识的能力，并且

9、可以通过上网查询相关单片机设计的论文，图书馆相关书籍和文献，进行删选为自己所用。这样可以提高学生独立分析能力和理解能力，拓宽知识面。3、加强对单片机的接口电路的认识，并且应用到了数电，模电知识，还有电路的专业基础课，全方位的学习了本专业，是对学生综合能力的一个提高。4. 通过软件仿真，对PROTUES电路模拟软件进行全方位的学习。学会设计，画图，模拟等各个环节，真正的掌握这个软件。5. 加强的单片机编程知识的掌握，能够通过各个小的程序块链接，最后设计出完整的，统一的程序。1.2 设计任务 根据技术要求和已知条件，利用STC-89C52单片机、555电路和5寸数码管，制作四位计数显示系统。1.3

10、 设计要求要求所设计的电路具有加1与减1计数并显示和复位功能，且电路要求简洁，利用单片机知识软件编程独立完成。利用C51语言编程，对相关的语句指令要相当熟练，并且能够独立修改。1.4 四位计数显示系统原理图图1-1 四位计数系统数码显示示意图1.5 实验原理基于单片机的四位计数系统的数码显示如图1所示，显示部分由四块5寸红色数码管组成，电源为交流220V。当减1计数信号有效，光字牌减1计数并显示；计数信号有效，加1计数并显示；复位信号有效，光字牌清零。减1计数和复位控制也可根据实际情况由按钮直接输出。在实践中，经过测量，在工厂中某整袋产品通过某点时间为0.884秒，另考虑可能连包，PLC输出的

11、每个计数信号已设计保持为0.5秒。从而提高的该单片机系统的应用性。1第二章 单片机相关知识2. 1 单片机发展史单片机单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称 ，1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功。 单片机内部集成如下部件：中央处理器（Central Processing Unit，CPU）只读存储器（Read Only Memory，ROM）随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）定时器/计数器及I/O（Input/Output）接口等部件。单片机成为最重要的可编程硬件控制单元。 发展历史：

12、1970年1974年：诞生了第一代4位的单片机。这类单片机已经具有了并行I/O接口，以及一些常用的A/D和D/A等资源。这在当时来说是非常强大的，通过灵活的控制能力，使其应用于电视机、收音机和电子玩具中。 1974年1978年：单片机进入8位时代。这个时期以Intel公司的MCS-48系列单片机最具代表性。此时的单片机内部集成了更为强大的8位CPU内核、多个并行I/O接口、同时增加了定时器/计数器以及小容量的RAM和ROM等。 1978年1983年：Intel公司的MCS-51系列为代表，标志着进入高档8位单片机时代。这个时期的单片机工作频率、硬件资源和RAM/ROM容量等都有极大的突破，创新

13、地加入了串口通信接口以及多级中断处理系统。我们现在所广泛使用的单片机都仍以该内核为基础，因此，也常成为51系列单片机 随后，单片机市场便进入百花齐放、百家争鸣时代。各个厂商不仅在增强单片机的性能，同时还推出了不同类型的单片机。22.2 单片机的应用领域家电产品，例如在电视、电话、冰箱、空调、洗衣机、家用防盗报警器等。在这里设备中，单片机主要用于功能控制。随身影音设备，例如MP3、MP4、录音笔等。在这里设备中，单片机用于系统控制和功能管理。 电子玩具，例如各种电动玩具、发声玩具、玩具机器人、遥控电动车、遥控航模等。在这里设备中，单片机实现了核心功能的控制和智能人机接口。机电一体化设备，例如车床

14、、铣床、数控机床等。在这类设备中，单片机作为机电一体化设备的控制器，可以简化机械产品的结构设计，实现智能的生产和操作控制，并扩展原有设备的功能。 数据通信，例如无线数传、大容量存储设备等。在这类设备中，单片机依靠串口、并口或者高速USB接口等，实现计算机之间、计算机与外围设备之间的控制和数据传输等。测控设备，例如数据采集系统、示波器、智能仪表等。在这里设备中，依靠单片机强大控制和通信能力，实现测试、测量和控制等功能。 2.3 单片机的发展方向早期的51内核只有几MHz的运行频率，现在各个公司推出的51单片机产品均能够达到几十MHz的运行频率，例如Atmel公司的AT89S系列的单片机最大运行于

15、33MHz，还有其他一些公司的产品也都具有很高的速度。2缩短指令执行周期。早期的51内核指令一般需要14个指令周期来完成，最快的单周期指令也需要6个时钟周期，相当于12个时钟振荡周期。新的增强型51内核大大缩短了指令的执行周期，例如MAXIM的高速单片机每机器周期使用一个时钟，速度是标准8051的33倍。还有其他一些公司也相应提高了指令的执行时间。低功耗。单片机主要应用于各种嵌入式设备中，这类设备最大的共性便是采用电池供电，需要具有出色的功耗控制。否则，一个产品很快没电了，便毫无使用价值了。现在的单片机功耗都在逐步下降，同时还提供了丰富的低功耗模式可供选择，大大延长了电池的使用时间。高度集成性

16、。现在的单片机集成了越来越多的功能，例如A/D转换、D/A转换、SPI接口、I2C接口、USART接口、USB接口、CAN接口等等。在有些设计项目中，甚至仅靠一个单片机便可以完成所有的工作，真正实现“单片”的含义。减小封装尺寸。单片机在提高强度的接口功能的同时，其封装体积也在逐步减少。这样，可以减少电路板的使用面积，使最终产品小型化。目前的手机、笔记本等的日益小型化便是很好的体现。2.4 单片机内部介绍及选型2.4.1 单片机内部结构及电路图2-1 STC-89C52 结构图图2-2 P0引脚内部电路图2电源引脚：VCC（Pin40）：正电源引脚。正电源接4.05.0V电压，正常工作电压为+5

17、V。GND（Pin20）：接地引脚。时钟引脚：XTAL1（Pin19）：用作片内振荡电路的输入端。XTAL2（Pin18）：用作片内振荡电路的输出端或者外部时钟源的输入引脚。 P0端口即P0.0P0.7，占据Pin39Pin32共8个引脚。P0端口具有两个功能，既可以用作双向数据总线口，也可以分时复用输出低8位地址总线。图2-3 P1引脚内部电路图P1端口即P1.0P1.7，占据Pin1Pin8共8个引脚。P1端口一般用做通用I/O端口，是8位准并行的，具备4个TTL负载的驱动能力。P1端口可以用做位处理，既各位都可以单独输出或输入数据图2-4 P2引脚内部电路图P2端口即P2.0P2.7，占

18、据Pin21Pin28共8个引脚。P2端口可以用作通用I/O端口，或者在扩展外部存储器时用作高8位地址线。图2-5 P3引脚内部电路图P3端口即P3.0P3.7，占据Pin10Pin17共8个引脚。P3端口可以用作通用I/O端口，可进行位操作，同时还具有特定的第二功能。 表2-1 P3端口第二功能表 I/0引脚 第二功能引脚名称 说明 P3.0 RXD串行通信的数据接收端口 P3.1 TXD串行通信的数据发送端口 P3.2外部中断0的请求端口 P3.3外部中断1的请求端口 P3.4 T0定时/计数0的外部事件计数输入端 P3.5 T1定时/计数1的外部事件计数输入端 P3.6外部数据存储单元的

19、写选通信号 P3.7外部数据存储单元的读选通信号单片机的复位引脚为RST（Pin9），单片机内部CPU的复位信号便从这里输入。 单片机复位完全通过RST引脚来完成，其基本原理是在单片机的时钟振荡电路启动后，如果RST引脚外加两个机器周期（即24个时钟振荡脉冲）以上的高电平，单片机便实现了复位。 ALE引脚（Pin30）具有两种功能，可以作为地址锁存使能端和编程脉冲输入端。下面分别进行介绍。当作为地址锁存使能端时为ALE。当单片机访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存）的负跳变将低8位地址打入锁存。而当访问外部数据存储器时，例如执行MOVX类指令，ALE引脚会跳过一个脉冲。当单片机在非访问内部程

20、序存储器时，ALE引脚将有一个1/6振荡频率的正脉冲信号输出，该信号可以用于外部计数或电路其他部分的时钟信号。当作为编程脉冲输入端时为，在进行程序下载时使用。EA /Vpp引脚（Pin31）具有两种功能，访问内部或外部程序存储器选择信号和提供编程电压。下面分别进行介绍。当单片机访问内部或者外部程序存储器时，作为选择信号。如果保持为低电平，则单片机从外部程序存储器（0000HFFFFH单元）开始执行；如果保持高电平，则单片机先从片内0000H单元开始，执行内部程序存储器程序，如果外部还有扩展程序存储器，则在执行完内部程序存储器程序后，自动转向外部程序存储器执行程序。当需要对单片机编程时，该引脚用

21、于输入编程允许电压。 PSEN（Pin29）引脚是单片机访问外部程序存储器的读选通信号。当单片机访问外部程序存储器，读取指令码时，该引脚在每个机器周期产生两次有效信号，即该引脚输出两个负脉冲选通信号；在执行片内程序存储器读取指令码以及读写外部数据时，该引脚不产生脉冲信号。单片机内部结构：中央处理器（CPU）；程序存储器（ROM）；数据存储器（RAM）指令寄存器；定时器/计数器；并行输入输出（I/O）口；中断系统；时钟振荡电路；单片机的结构类型,哈佛（Harvard）结构。2图2-6 单片机内部结构简图 2.4.2 STC89C52单片机选型及参数根据设计要求选择了STC89C52单片机，STC

22、89C52是STC公司生产的一种低功耗，高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8K 字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串

23、行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。相关参数：1. 增强型8051 单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051.2. 工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）。3. 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051 的080MHz，实际工作 频率可

24、达48MHz4. 片上集成512 字节RAM5. 通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。6. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片7. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T28. 外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒9. 工作温度范围：-40

25、+85（工业级）/075（商业级）10. PDIP 封装11. 用户应用程序空间为8K 字节12. 具有EEPROM 功能13. 具有看门狗功能14.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART3图2-7 STC89C52图 第三章 LED数码管的基本原理LED数码管基本结构LED数码管是最基本的显示器件，其相当于多个发光二极管的阵列.7段共阳极LED数码管: 图3.1 7段共阳极LED管引脚配置图图3-2 7段共阳极LED管内部结构图图3.3 LED数码管的字节对应关系图2 根据设计需要，选用LG50011BU型的7段共阳极数码管，其中7个发光的二极管构成字形“8”，可以用来

26、显示数字，另一个发光二极管构成小数点。在7段共阳极数码管中，发光二极管的阳极为公共端，接高电平+5V，当某个发光二极管的阴极为低电平的时候，发光二极管导通，该字段发光；反之，则该字段不发光。 数码管相关参数及注意事项：一. 使用电压段根据发光颜色决定；二. 段加限流电阻；三 使用动态平均电流 4-5mA,峰值电流100mA四. 数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引脚；五. 焊接温度：260度；焊接时间：5S；六. 表面有保护膜的产品，可以在使用前撕下来；第四章 四位计数显示系统硬件方面设计4.1 555单稳态触发电路555电路定义：它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，

27、比较器的参考电压由三只5K电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入和低电平比较器A2的反相器、输入端的参考电平为2/3VCC和1/3VCC。 图4.1 555单稳态触发电路构成单稳态触发器工作原理：当输入Vi保持高电平时，Ci相当于断开。输入Vi由于Ri的存在而为高电平Vcc。此时，若定时器原始状态为0，则集电极输出（7脚）导通接地，使电容C放电、Vc=0，即输入6脚的信号低于2/3Vcc，此时定时器维持0不变。 若定时器原始状态为1，则集电极输出（7脚）对地断开，Vcc经R向C充电，使Vc电位升高，待Vc值高于2/3Vcc时，定时器翻转为0态。7 结论：单稳态触发器正常工

28、作时，若未加输入负脉冲，即Vi保持高电平，则单稳态触发器的输出Vo一定是低电平。4.2 各个电路模块的设计稳态电路：设计稳态电路，得到稳定+5V电源电压图4.2 稳压电路图晶振电路：网络有两个谐振点的电工技术,高频率较低的频率是串联谐振低,高频是并联谐振。由于晶体的性质关系密切的两个频率之间的距离,在这个非常狭窄的频率范围内,晶振等效电感,所以只要晶体它正确的两端并联电容将组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路可以构成一个正弦振荡电路,这是一个晶振电路。晶振电路原理：晶体是短的晶体振荡器,它可以在电相当于一个电容和一个电阻并联和串联一个电容的两端口网络,这个网络有两个谐振点在电工

29、学、高频率低频率低的串联谐振,高频率是并联谐振。由于晶体的性质关系密切的两个频率之间的距离,在这个非常狭窄的频率范围内,晶振等效电感,所以只要晶体它正确的两端并联电容将组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路可以构成一个正弦振荡电路,相当于电感由于晶体振动频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶体有一个重要的参数,那就是负载电容值,选择与负载电容的并联电容的值相等,你可以得到共振频率振动的名义。一般振动晶体振荡电路是在一个反相放大器(注意放大器不是逆变器)的两端晶体,又有两个电容,分别收到了水晶振动两端,每个电容器接收,另一边的两个电容器

30、的容量在系列值应该等于负载电容,请注意通用IC针有等效输入电容,这是不能忽视的。一般的晶振负载电容是15P或12.5P,如果考虑销的等效输入电容,两个22 P电容构成晶体振荡电路是更好的选择。晶振电路作用：电容器的大小不是一个固定值。一般和30 p。晶体是提供工作到单片机信号脉冲。脉冲是单片机的工作速度。如水晶12 m振动。单片机的工作速度是12米每秒。和计算机的CPU的概念。当然。单片机的工作频率是一个范围。不是太大。通常24 m不起来。否则是不稳定的。接地会得到数字电路是无所谓。检查是否有一个模拟电路板。接地方法不固定。一般接地在串联型。从小型到大型信号依次信号。然后小信号连接到接地降低k

31、ai波影响电路的稳定性,因此晶体的电容可以在10到50 pf,没有计算公式pf。但是,主流是连接到两个33 pf陶瓷电容器,因此是主流。图4.3 晶振电路模块图图4.4 加1计数电路模块图 图4.5 减1计数电路模块图 图4.6 复位清零电路模块图图4.7 四位数码管显示电路模块图4.3 输入电路设计及基本原理输入电路如下图所示，共有3个输入触点，分别是计数（即加1计数）、复位与减1计数，接地有效。图4.8 输入电路图计数触点通过一个555单稳态触发器和STC-89C52单片机的P3.2/INT0引脚相连，单稳态触发器起防抖作用。该触点断开时，触发器输出为低电平；当触点闭合触发时，其输出一个脉

32、冲。单稳态触发器的工作波形如下图所示，脉冲宽度为4： tpR5C2ln31.1 R5C2 （1）脉冲的下降沿向单片机申请中断，进而加1计数并显示。这里要求脉冲宽度适当大于0.5秒且小于0.884秒，否则会出现多计或漏计，所以选择R5为4.7M、C2为10*104pF ，这样可得到tp0.517秒，符合计数触点通过一个555单稳态触发器和STC-89C52单片机的P3.2/INT0引脚相连，单稳态触发器起防抖作用。该触点断开时，触发器输出为低电平；当触点闭合触发时，其输出一个脉冲。单稳态触发器的工作波形如下图所示，脉冲宽度为2：tpR5C2ln31.1 R5C2 （2）脉冲的下降沿向单片机申请中

33、断，进而加1计数并显示。这里要求脉冲宽度适当大于0.5秒且小于0.884秒，否则会出现多计或漏计，所以选择R5为4.7M、C2为10*104pF ，这样可得到tp0.517秒，符合系统要求。图4.9 单稳态触发器的工作波形5复位触点通过一个三极管VT1和单片机的RST(复位)引脚相连。该触点断开时，VT1截止，RST引脚为低电平；该触点闭合时，VT1饱和导通，RST引脚为高电平，此电平如维持2个机器周期（约2S），单片机复位清零6。减1计数触点和单片机的P1.7引脚相连，它是便于某些场合作为小范围调整用。4.4 输出电路设计及基本原理 输出电路如下图所示。这里采取动态显示方式，即利用人眼的视觉

34、暂留效果，快速轮流点亮相应的数码管一小段时间。4块共阳极数码管LG50011BU的段选线（ag）并联在一起，由单片机的P0口通过芯片ULN2003控制。ULN2003是七路达林顿驱动器阵列，是个集电极开路(OC)输出的反向器5。数码管的位选线由P2口通过芯片ULN2003和4个三极管8550控制。8550是是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管。当P2口某引脚（如P2.7）输出高平，ULN2003的16脚输出低电平，三极管VT2饱和导通，15V电压经过VT2和R10加到第一块数码管的公共端bit1，依次类推。图4.10 输出电路图4.5 系统总电路经过反复设计，不断修改，将各个模块联系

35、在一块，并且有一定的改进。并且在相关软件测试有用的情况下，设计了一个总的基于单片机的四位计数显示系统的电路图。各个功能均可以实现，显示计数，复位等，效果良好。图4.11 系统总的电路图第五章 系统软件编程设计5.1 单片机C51语言的基础C51语言的特点很多，现在就不必多说，但要想编写一个完美的程序，尤其是遇到较长的程序时，良好的编程规范特别重要。完备和详尽的程序注释：用“/”符号开头来注释一行，如“/变量声明”。用“/*”符号开头，并以“*/”符号结束。采用这种方法，可以对C51源程序中的任何部分进行注释，如“/*声明整型变量count */”。 整齐的代码书写格式 if、do、while等

36、块结构语句中的“”和“”要配对对齐，这样便于理解该结构的起始点和结束点。为了程序理解的方便，最好将每个语句单独写在一行，并加以注释。如果相连的语句具有相近的功能，则可以放置在一行。代码书写时，可以通过适当的空格以及Tab键来实现代码对齐，这样代码整齐美观，便于阅读。对于源程序文件不同结构部分之间要留有空行来区分。例如，头文件声明、自定义函数声明、main()函数以及自定义函数之间均要空一行。简洁清晰的命名 基础组成：标识符和关键字 ；数据类型 ；分隔符 ；const修饰符 ；变量作用域 ；运算符 ；表达式。具体说一下各个部分比较中的部分：标识符： 是用来表示源程序中自定义对象名称的符号。其中的自定义对象可以是常量、变量、数组、结构、语句标号以及函数等。 在C51语言中，标识符可以由字母（az，AZ）、数字（09）和下划线“_”组成，最多可支持32个字符。C51标识符的定义不是随意的，需要符合一定的