项目 2 秒表的设计、仿真与制作

项目 2 秒表的设计、仿真与制作

• 2. 1 工作任务• 2 .2 理论基础• 2 .3 工作过程• 2.4 能力拓展

2. 1 工作任务

• 本项目的工作任务是设计一种我们生活、工作、运动常用的秒表。利用单片机和 LED数码管设计制作完成，具体要求如下 :

• 精确到 1s，最大计时为 59s;用一按键控制开始 /停止 ;开始时，显示“ 00 "，按下开始 /停止键后开始计时，再按一次开始 /停止键后计时停止 ; 用 RESET按键控制秒位的归零。

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2. 2 理论基础

• 2. 2. 1 LED数码管简介• LE D数码管，也叫 LED数码显示器，由于它具有性价比高、显示清晰、亮度高、使用方便、电路简单、寿命长等诸多优点，长期以来一直在各类电子产品和工程控制中广泛的应用。在单片机控制系统中， LED数码管更是经常被用作单片机的输出设备。

• 1. LED数码管结构• LED ( Light Emitting Diode)为发光二极管的显示器件，可以用来显示温度、压力、日期、时间等数字或字符，具有显示直观、醒目等优点， LED数码管的实物图如图2一1所示。

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2. 2 理论基础• LE D数码管实际上是由 7个字符段和一个小数点段组成，每一段对应一个发光二极管。当发光二极管点亮时，相应的字符段点亮。根据我们的需要，可以通过点亮不同的字段显示不同的字符或数字。其内部结构图如图2 -2所示， a 、 b 、 c 、 d 、 e 、 f 、 g 、 dp是相应字符段名称，分别与相应的外部引脚相对应。

• LE D数码管有两种类型，即共阴极 LED与共阳极 LED。共阴极LED 如图2一3(a)所示，每个发光二极管的阴极连接在一起作为公共端 COM，接负极，当相应字符段输出为“ 1"时，可以点亮该字段 ;反之，当相应字符段输出为“ 0”时，该字段熄灭。共阳极 LE D如图 2 -3(b)所示，每个发光二极管的阳极连接在一起作为公共端 COM，接正极，当相应字符段输出为“ 0”时，可以点亮该字段 ;反之，当相应字符段输出为“ 1”时，该字段熄灭。

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2. 2 理论基础• 2. LED数码管显示原理• 按照当发光二极管点亮时，相应的字符段被点亮的原理，将共阴极

LED显示器的公共端 COM接地，将八字符段端 a ,b,e,d,e,f,g,dp依次与一个 8 位 I/ 0口的最低位到最高位相连。表2一1给出了在上述连接时的共阴极段码和共阳极段码。

• 3. LED数码管的显示方式• LE D数码管的显示方式有静态显示和动态显示两种。图2一4(a)为静态显示方式 n 位 LE D显示器与 I/ 0的连接示意图，图 2 一 4(b)为动态显示方式 n 位 LED显示器与 I/0的连接示意图。


2. 2 理论基础

• 2. 2. 2 LED数码管应用• (I)在介绍 LED数码管的原理时，没有考虑 I/0口的驱动能力，在实际使用时，如果 I/ 0端口的驱动电流不够时，要外加驱动器。

• (2)静态 LE D显示中，每一位都对应一个具有锁存功能的 8 位 I/0端口。 CPU只要实现对 I/0口锁存器的送段码操作，就可以显示。 LED显示时不占用 CPU，但静态显示占用 I/0口线较多。

• (3)动态 LE D显示时， CPU要给段极 I/0端口轮流送数，并要相应地控制位极。 LE D显示过程中， CPU要不断地对其操作，占用CPU时间，但动态显示占用 I/ 0口线较少。


2. 2 理论基础• (4)为了解决静态显示占用 I/0口线过多、动态显示占用 CPU时间过多的矛盾，在实际应用系统中常在外部扩展专用 LE D显示器。这种LE D显示驱动器往往为动态显示方式，驱动器本身承担起动态操作控制任务，并且具有足够的驱动能力，不必外加驱动器。

• 2. 2. 3 LED显示器接口电路示例• 1.静态显示• 图2 -5所示是 2 位 LE D数码管静态显示电路。由 PO口输出段选码，驱动 LE D静态显示，共阳极 LE D公共端接电源。要求两个数码管循环显示 0~99。


2. 2 理论基础• 2.动态显示• 图2 -6所示为 6位共阴极 LED数码管的显示电路。单片机的 PO f-l

作段选码 u，经 7407驱动与 LE D的段相连 ;单片机的 P1. 0~P1. 5作位选码 u，经 7406驱动与 LE D的位相连。显然这是动态显示的接口电路。

• 2. 2. 4与本项目相关的指令• 1. 伪指令• (1) 定义字节 DB• 一般格式 : 标号 :DB 字节数据项表• 其中，标号区段可有可无，项表是指中间用逗号分开的字节、数、字

节串或用引号括起来的 ASC II码字符串 (一个字符用 ASC II码表示，就相当于一个字节 )。该指令的功能是把项表的数据存入从标号开始的连续单元中。


2. 2 理论基础• (2) 定义字 DW• 一般格式 : 标号 :DW字节数据项表• DW的基本含义与 DB相同，不同的是 DW 定义 16位数据，常用来

建立地址表。存放时一个字需两个地址单元。• (3)给标号赋值 EQU• 一般格式 : 标号 EQU数字或表达式• 其功能是将语句操作数的值赋予本语句的标号，故又称等值语句。• 注意 :在同一程序中，用 EQU 伪指令对标号赋值后，该标号的值在

整个程序中不能再改变。• (4)给位地址命名伪指令 BIT• 一般格式 :名字 BIT位地址


2. 2 理论基础• 其功能是给一个可位寻址的位单元起一个名字。用 BIT 定义过的位单

元可用名字使用。• 注意 :名字必须是以字母开头的字母数字串，而且是事先未定义过的。• 2. 查表指令

• 这两条指令都是单字节指令，均为变址寻址方式， A中的偏移量为无符号数。第一条指令以 DPTR为基址寄存器，功能是将 A的内容与DPTR的内容相加后形成一个 16位地址，把该地址指出的程序存储器单元的内容送给累加器 A。第二条指令以 PC作为基址寄存器，指令首先将 PC 值加 1 指向下一条指令地址，然后将 A的内容与 PC的内容相加形成 16位地址，把该地址指出的程序存储器单元的内容送给累加器 A。


2. 2 理论基础• 这两条指令常用于查表。采用 PC作为基址寄存器时，常数表与

MOVC 指令离得较近，称为近程查表 ; 而采用 DPTR作基址寄存器时，表首地址可在 64 K 范围任意处，故称远程查表。

• 3. 传送指令• (1)对外部数据存储器• (2)数据交换指令• (3) 累加器清“ 0”与取反指令• 4. 算术及逻辑运算指令• 算术运算指令主要完成加、减、乘、除四则运算，以及加 1、减

1 ,BCD码的运算和调整等。除加 1、减 1运算外，这类指令大多数要影响状态字寄存器 PSW 。


2. 2 理论基础• 这类指令可分为 4 组 :• (1)加法指令• (2) 带进位加法指令• (3) 十讲制调整指令• (4) 逻辑与运算指令• 5. 跳转指令• (1)比较条件转移指令• (2) 减 1 条件转移指令• (3)子程序调用及返回指令• 在程序设计中，常常把具有一定功能的公用程序段编写成子程序。从

主程序转向子程序的指令称为子程序调用指令，从子程序返回主程序的指令称为返回指令。


2. 2 理论基础• ①子程序调用指令• 子程序调用指令具有以下两个功能 :• a.将断点地址〔断点地址 =(PC)+ 调用指令本身字节数〕送入堆栈进

行保护，以确保正确返回 ;• b.将子程序的入口地址送给 PC，转去执行子程序。• ② 返回指令• (4)位控制转移指令

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2. 3 工作过程

• 2. 3. 1构思• 学生查阅该项目相关资料，如教材、参考书目、图书、网络资源等，

收集秒表信息，包括秒表的应用场合、秒表的发展现状、秒表的应用技术要求等 ; 教师采用多媒体课件讲授该项目理论知识相关内容，为学生制作秒表奠定理论基础 ; 教师带领学生走访、参观单片机工作现场，通过观看、提问获取单片机实际应用的知识，通过与指导教师和单片机工作人员交谈，解决该项目设计和制作的疑难问题。最终完成学生工作页（表2-2）的填写。

• 2. 3. 2设计• 1.单片机选型• 2.电源、时钟电路和复位电路

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2. 3 工作过程• 3.数码管显示模块设计• 秒表的硬件电路图如图2 -7所示。• 4. 软件程序设计• 该项目的程序流程图如图2 -8所示。• 5.秒表的系统仿真• 系统仿真电路图如图2一9所示。

• 2.3.3项目实施• 1.制作秒表的电路板• 在确保设备、人身安全的前提下，学生按计划分工进行单片机系统的制作和生产工作。首先进行 PCB制板，如学过制板课程，可自行制板 ;如没有学过，可向教师索要提前准备好的板或采用万能板制作均可。列出所需元件清单，如表2一3所示。


2. 3 工作过程• 准备好所需元件及焊接工具 (电烙铁，焊锡丝，镊子，斜口钳，万用表等 )，开始制作硬件电路板。

• 焊接完成后，要进行硬件电路的测试• ① 测试单片机的电源和地是否正确连接 ;• ②测试单片机的时钟电路和复位电路是否正常 ;• ③测试 EA引脚是否与电源相连 ;• ④测试 LED数码管动态显示电路是否正确 ;• ⑤测试下载口界限是否正确。• 2. 联机调试


2. 3 工作过程

• 2. 3. 4 项目评价• 以教师为主，通过教师评价、学生自评、学生互评、成果评定等四个方面对学生的项目完成情况进行综合评价 ;同时对项目报告进行评价 ;按项目的技术指标进行评价 ;对实施记录和实训报告进行评价 ;以及对学生的学习态度、工作态度、团结协作精神、出勤率、敬业爱岗和职业道德进行评价。以专兼教师为主，按以下几个方面对学生完成项目的整个过程进行评价，项目考核具体内容见表2 -4所示。

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2. 4 能力拓展• 在上述秒表设计的基础上，大家可以考虑如果秒表精确到 is，最大计时为 59 分 59 秒 ;用一按键控制开始 /停止 ;开始时，显示“ 00 分00秒”，按下开始 /停止键后开始计时，再按一次开始 /停止键后计时停止 ;用秒和分按键分别控制秒位和分位的归零，实物如图2一10

所示。• 4 位 LE D数码管显示的秒表参考硬件原理图如图2一11所示。

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图 2 一 1 八段字符型 LED数码管实物图

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图 2 一 2 八段字符型 LED显示器

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图 2 -3 八段字符型 LED显示器

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(a)共阴极 LED;(b)共阳极 LED

表 2 一 1 LED显示器的段码表

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图 2 -4 n 位 LED 界示器静、动态方式的连接示意

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（ a）静态方式的连接示意；（ b）动态方式的连接示意

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