单片机定时器的设计

单片机定时器的设计标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]

摘要

随着时代的进步，电子行业的发展，定时器的应用也越来越广泛，单片机以其强大的功能，成为许多功能电子产品的首选。本次电子定时器电路根据设计要求采用

AT89C51单片机来实现最大99秒倒计时，采用两位数码管显示。文章的核心主要是硬件介绍及连接和软件编程两个大的方面。硬件电路主要包括AT89C51、晶振电路、数码管，发光二级管，按键。软件用汇编语言实现，主要包括主程序、倒计时、重启控制程序等软件模块。采用软硬件配合基本能实现设定定时时间倒计时功能，达到了设计的要求和目的。并在Proteus软件上进行了仿真和调试。

关键词 AT89C51单片机；定时器；倒计时

目录

摘要……………………………………………………………………………………………

本章小结

本章小节

时钟和复位电路

电气原理图………………………………………………………

本章小结

本章小结

结论................................................................ 参考文献............................................................ 致谢 ...........................................................

第一章绪论

定时器的发展

人类最早使用的定时工具是沙漏或水漏，但在钟表诞生发展成熟之后，人们开始尝试使用这种全新的计时工具来改进定时器，达到准确控制时间的目的。传统的定时器都是使用发条驱动式、电机传动式、电钟式等机械定时器。20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的备个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。电子定时器相对传统定时器来说体积小，重量轻，造价低，精度高，寿命长，而且安全可靠适用于频繁使用，在各个领域得到了广泛的应用。使相当多需要人控制时间的工作变得简单了许多。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方而发展，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在己能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

电子定时器的应用

电子定时器大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备甚至各种定时电气的自动启用等。

电子定时器经常用于延时自动关机、定时。延时自动关机可用于电视机、催眠器、路灯及其他电器的延时断电及延时自停电源等。定时可用于照相定时曝光，定时闪光，定时放大，水位定时报警，延时电铃，延时电子锁等，人们甚至将定时器用在了军事方面，制成了定时炸弹，定时雷管。

电子定时器影响着人类的生产和生活，随着电子技术的发展，电子定时器也在不断的进步，将朝着更高精度，更多用途的方向为我们服务。

选题的的目的和意义

定时器与生活联系密切，我们亲身体会到它存在的价值，通过课程设计自己亲自完成电子定时器的简单设计不仅可以将学到的理论知识应用于实践，更提高了我们思考问题，解决问题的能力，同时提高我们的学习兴趣。

本章小结

本章小结：本章主要介绍了定时器的现状，让我们对电子定时器的有了初步的了解，为进一步设计及研究奠定了基础。

第二章单片机的相关知识

单片机简介

单片机全称为单片机微型计算机(Single Chip Microsoftcomputer)。从应用领域来看，单片机主要用来控制，所以又称为微控制器(Micrucontroller Unit)或嵌入式控制器。单片机是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型计算机。

单片机的特点

l. 单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。RAM称为程序存储器，只存放程序，固定常数，及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。

2. 采用面向控制的指令系统。为满足控制需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是单片机具有很强的位处理能力。

3. 单片机的I/O通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。

本章小结

通过对单片机总体的介绍，我们对单片机有了初步的认识，针对单片机的特点对其应用也有了更深的目的性。

第三章功能实现及硬件介绍

设计功能介绍

定时开始，时间调整，重新启动

首先初始状态显示00，按下所连按键进行时间加1操作，设定好后按下所连按键倒计时开始，当所设定时间到达时显示00，二极管发光。

系统总体框图 3.2 C51

单片机引脚介绍 一、89C51的性能及特点 89C51的主要性能包括：

①与MCS-51微控制器产品系列兼容。

②片内有4KB 可在线重复编程的快闪擦写存储器（FLASH MDMORY ）。 ③存储器可循环写入/擦除1000次。 ④存储数据保存时间为10年。 ⑤宽工作电压范围：VCC 可为～6V 。

⑥全静态工作：可从0HZ 到16MHZ 。

⑦程序存储器具有3级加密保护。

⑧128×8位内部RAM 。 ⑨32条可编程I/O 线。 ⑩两个16位定时器/计数器。 中断结构具有5个中断源和2个优先级。

可编程全双工串行通道。 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。

（2）、AT89C51硬件结构及引脚

单片机 按键输入

电路 时钟电路 复位电路

数码管显示电路

发光二级管

显示电路

MCS-51系列单片机采用40引脚双列直插式封装(DIP)，4个并行口共有32根引脚，可分别作为地址线、数据线和I/O 线2根电源线2根时钟震荡电路引脚和4根控制线。

1.电源引脚Vcc 和Vss Vss ：接地端。

Vcc ：芯片+5V 电源端。 2.时钟信号引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1、XTAL2：当使用单片机内部震荡电路时，用来外接石英晶体和微调电容，XTAL1是片内震荡电路反相放大器的输入端，XTAL2是片内震荡电路反相放大器的输出端，震荡电路的频率就是晶体的固有频率。当使用外部时钟时，XTAL1接地，XTAL2接外部时钟信号源。

3.控制信号引脚RST/VPD 、ALE/PROG ————

、PSEN ————

和EA ——

/VPP

RST/VPD ：RST 是复位信号输入端。当输入的复位信号保持两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平时有效，用来完成复位操作第二功能VPD 作为备用电源输入端，当主电源VCC 发生故障，电压降低到低电平规定值时，可通过VPD 为单片机内部RAM 提供电源，以保护片内RAM 中的信息不丢失，使系统在上电后能继续正常运行。

ALE/PROG ————

:ALE 为地址锁存允许输出信号。在访问外部存储器时，ALE 用来锁存P0口扩展低8位地址的控制信号。在不访问外部存储器时，ALE 也以时钟震荡频率的1/6的固定频率输出，因而它又可用作对外输出时钟信号或其他需要，例如可以用示波器查看ALE 是否有脉冲信号输出来确定89C51芯片的好坏第二功能PROG ————

是对内部有EPROM 的单片机的 EPROM 编程时编程脉冲输入端，它和31号引脚的第二功能Vpp 一起使用。

PSEN ————

:外部ROM 的读选通信号输出端。在访问外部ROM 时，PSEN ————

产生负脉冲作为读外部ROM 的选通信号。而在访问外部RAM 或片内ROM 时，不会产生有效PSEN ————

信号。

EA ——

/VPP:EA ——是访问外部ROM 的控制信号。当EA ——

为低电平时，CPU 只执行外部ROM 中的程序。当EA ——

为高电平且PC 值小于0FFF(4K)时，CPU 执行内部ROM 的程序，但当PC 的值超出4K 时将自动转去执行片外ROM 的程序。对

——于无片内ROM的8031或不使用内部ROM的89C51，需外扩EPROM，此时EA

必须接地第二种功能VPP是对8751的片内EPROM的+21V编程电源输入

端。

4．P0~P3口结构及功能

（1）P0口由一个输出锁存器、一个转换开关MUX、两个三态输入缓冲

器、输出驱动电路和一个与门及一个反相器组成，如图2-2所示。

图2-2 P0口位结构图

P0口具有两种功能：第一，P0口可以用作通用I/O接口；第二，P0

口可以用作地址/数据总线。

（2）P1口是由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电

路组成，驱动电路内部设有上拉电阻，如图2-3所示。

图2-3 P1口位结构图

P1口是51单片机唯一的单功能口，是通用的准双向I/O口。

（3）P2口由一个输出锁存器、一个转换开关MUX、两个三态输入缓冲

器、输出驱动电路和一个反相器组成，如图2-4所示。

图2-4 P2口位结构图

P2口共有两个功能：第一个功能与上述两组引脚的第一功能相同，即

可用作通用I/O口；它的第二功能与P0口引脚的第二功能相配合，作为地

址总线用于输出片外存储器的高8位。

（4）P3口由一个输出锁存器、三个三态输入缓冲器、输出驱动电路

和一个与非门组成，如图2-5所示。

图2-5 P3口位结构图

P3口有两个功能：第一个功能与其余三个端口的第一功能相同；第二

功能做控制用，每个引脚的功能不同：

——RXD：串行口接收数据输入端

——TXD：串行口发送数据输出端

——INT0：外部中断申请输入端0

——INT1：外部中断申请输入端1

——T0：外部计数脉冲输入端0

——T1：外部计数脉冲输入端1

——WR：写外设控制信号输出端

——RD：读外设控制信号输出端

时钟电路和复位电路

单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准；复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。

时钟电路：

单片机的时钟信号通常有两种产生方式。一种是内部时钟方式；另一种是外部时钟方式。如图2-6所示。

图2-6 时钟方式图

内部时钟方式只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶振就构成了自激振荡器，并在单片机内部产生时钟脉冲信号。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内，常用于多片单片机同时工作，已使各单片机同步。

单片机的时序单位：晶振周期为时钟脉冲频率的倒数，为最小的时序单位，也称T状态；时钟周期包含两个晶振周期，也称S状态；完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期，由6个时钟周期组成，即12个晶振周期；指令的执行时间称为指令周期，通常含有1~4个机器周期。

单片机的复位状态：

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和手动复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位是当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表（表中符号*为随机状态）。

表2-1 特殊功能寄存器复位后的状态表

数码管显示

LED（light Emiting Diode）是发光管的缩写。LED显示器是由发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。LED显示器在单片机中的应用非常普遍。

1）、LED显示原理

通常所说的LED显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器，其排列形状如图所示。

此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用于显示小数点。通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示数字、字母以及其他符号。

LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法：

共阳极接法

把二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极+5V。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不亮。

共阴极接法

把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。

使用LED显示器时要注意区分这两种不同的接法。为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是为显示字形的，因此称之为字形代码。

七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段。因此提供给LED 显示器的字形代码正好一个字节。各代码的对应关系如下：

此设计使用的是共阳极接法。

键盘

键盘的工作方式应该根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。

1编程扫描方式

编程扫描方式是利用CPU完成其他工作的空余时间，调用键盘扫描子程序来检验按键状态，响应键盘输入。执行键功能程序时，CPU不再享有键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。

2定时扫描方式

定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，她利用单片机内部的定时器产生一定时间（如20ms）的定时，定时时间到产生定时器溢出中断。CPU在中断服务程序中键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键并保存键号，然后在中断服务程序或主程序中执行该键的功能程序。

3中断扫描方式

本设计采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否有键按下，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入。因此，CPU经常处于空扫描状态，浪费CPU大量时间，CPU不扫描键盘，而有键按下时，通过相应电路产生中断请求，CPU相应中断，执行键盘扫描子程序，并识别键号。

本设计采用程序扫描方式。步骤如下：

①首先判断是否有键按下。

②去除键抖动。若有键按下，则延时5～10ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上有一个键处于稳定闭合期。

③若有键闭合，执行相应的子程序。

电气原理图

本章小结

本次课程设计采用软硬件结合的方式，对硬件系统有了详细的认识才能更好的对其编程，是下一章的学习和研究的基础。

第四章软件设计

程序流程图

主程序流程图

重启控制流程图

定时1秒设计

定时方法我们采用软硬件结合的方法，定时器TO工作于方式1定时50毫秒，这样每当T0到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求进入他的中断服务子程序。定时器的最大定时时间为50ms,因此如果想得到1s的定时，需要计20次50ms才能实现。设计中出现低电平时灯亮，所以通过引脚控制，每500ms对取反，因此计数器T1计数十次。

工作方式控制寄存器（TMOD）

TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器／计数器的工作方式。但TMOD寄存器不能寻址，只能用字节传送指令设置其内容。其定义

4位一组的结构使它不能位寻址，一定义就是4位。

从寄存器的位个时钟可以看出，它的低半字节定义定时器／计数器0，高半字节定义定时器／计数器1。

根据设计的要求设置TMOD。T0工作于定时状态，定时50ms，工作方式1，T1工作于计数状态，方式二。

X﹦216－定时时间/振荡周期×12

﹦216－50×103 ×12×106／12

=65536－定时时间

=65536－50000

=3CB0H

所以初值TH0=3CH、TL0=0B0H

重新启动

每次定时完毕以后，需要重新定时时，需要将系统恢复初始状态，按下与相连的按键程序自动返回，执行新的定时邀请。

程序设计

org 0000h

ljmp main

org 000bh

ljmp time

org 0100h

main:mov tmod ,#61h ；设置定时器初值

mov th0,#3ch

mov tl0,#0b0h

setb ea ；开中断

setb et0

mov th1,#0f6h ；设置计数器初值

mov tl1,#0f6h

mov a,#00h

mov b,#00h

mov dptr,#tab ；将表头指针赋给DPTR

mov r0,a ；保存显示结果只寄存器

movc a,@a+dptr ；将调整好的时间传到寄存器

mov p0,a ；将设置好的时间低位经P0口输出 mov a,b ；将高位赋给寄存器a

movc a,@a+dptr ；找到相应的数码管显示段值

mov p2,a ；设置好的高位时间经P2口输出 mov a,r0 ；寄存器a恢复低位

l1: jnb ,l2 ；判断，有按下则跳转到l2

jnb ,l5 ；判断，有按下则跳转到l5

l9: jb ,l1 ；再次判断有无按下

inc a ；按下则低位加一调整时间

mov r0,a ；保存当前设置时间低位

clr c ；进位标志位清零

subb a,#0ah ；当前值与10比较

jnc l4 ；若无借位，说明时间已经到10，跳转到l4

若有借位，说明时间不到十，继续mov a,r0

mov r0,a

movc a,@a+dptr ；查询要显示的段码值

mov p0,a ；低位经p0口输出

mov a,b

movc a,@a+dptr

mov p2,a ；高位经p2口输出

mov a,r0 ；恢复时间低位

l3:jnb ,l3 ；等待按键弹起后再次扫描，是否继续

加一调整定时时间

ljmp l1

l4:mov a,#00h ；地位值到10，则低位清零

inc b ；高位加一

mov r0,a ；保存时间低位

movc a,@a+dptr ；找到相应的显示段码

mov p0,a ；低位经p0口输出

mov a,b

movc a,@a+dptr

mov p2,a ；高位经p2口输出

mov a,r0 ；恢复低位值

ljmp l3 ；跳转到继续扫描按键

l2:mov r7,#40 ；时间延迟10ms

del11:mov r6,#123

nop

del21:djnz r6,del21

djnz r7,del11

ljmp l9 ；10ms后跳转到l9

l5: mov r7,#40 ；10ms延时

del12:mov r6,#123

nop

del22:djnz r6,del22

djnz r7,del12

jnb ,l6 ；继续判断，若有按下跳转到l6

ljmp l1 ；若无按下，继续扫描按键

l6: setb tr0 ；倒计时开始，开定时器T0

setb tr1 ；开计数器T1

loop2: jbc tf1,loop1 ；500ms时间到，跳转到loop1 ajmp loop2 ；不到500ms，等待

loop1:dec a ；时间低位减一

mov r0,a ；保存当前低位值

clr c ；借位标志清零

subb a,#0ffh ；与#ffh比较

jnc l7 ；若没有借位，则说明已经减到了0，

减一后为ff，跳到l7，若有借位，

则还没有减到0，继续减一

mov a,r0

mov r0,a

movc a,@a+dptr

mov p0,a ；输出低位

mov a,b

movc a,@a+dptr

mov p2,a ；输出高位

mov a,r0 ；恢复a低位值

jmp l6 ；跳转到l6继续定时减一

l7: mov a,b

jz l8 ；判断高位是否到0，到0，跳到l8 dec b ；高位没有到0，则继续减一

mov a,#09h ；低位清零

mov r0,a ；恢复a低位值

movc a,@a+dptr

mov p0,a ；低位输出

mov a,b

movc a,@a+dptr

mov p2,a ；高位输出

mov a,r0

ljmp l6

tab: db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h

db 99h,92h,82h,0f8h

db 80h,90h

l8:clr ；使为低电平，使发光二级管接通，显示定时时

间到

l10:jb ,l10 ；判断是否重启

setb

ljmp main

time:push acc

push psw

cpl

mov th0,#3ch ；重装初值

mov tl0,#0b0h

pop psw

pop acc

reti

end

本章小结

结合软硬件，对需要实现的功能进行细致的划分，设计流程图，结合所学单片机原理、指令、语句进行总体编程设计，通过不断地修改调试，最终得到正确的结果。

总结

本次的设计中利用AT89C51，数码管，按键完成电子定时器的设计，用开关来控制各种工作状态，用单片机输出后，通过数码管显示时间。

由于此次是第一次进行课设，有些软件以及芯片以前从未接触过，硬件之间如何配合使用以达到设计要求也不是很熟悉，所以在设计中遇到了很多问题及难点。经过对各种资料的查询。还有比如：proteus软件以及wave6000的使用，这些都是需要自己去查找资料了解并且熟练应用的。

通过此次的课程设计，我进一步了解了单片机定时器定时的原理，在实际设计过程中，使我接触了许多我以前没接触过的元件，提高了自己的动手能力。而且在编程时重新温习了刚学不久的51单片机，不仅让我学习了一些新的知识，而且对以前所学内容进行了巩固，让我懂得理论知识的重要性，没有理论的指导一切实际行动都是盲目的，且实际操作是所学的理论知识得到验证，更能加深对理论知识的理解，让我受益匪浅。

在程序设计中如何实现程序结构的最优化，以达到较高的质量。这是以后设计中要注意的问题。

致谢

在这为期两周的课程设计中，感谢王振臣教授、陈志旺老师的耐心指导，在此，我要对二位老师的帮助真诚的予以致谢，是你们将渊博的知识，科研的头脑，实践的经验传授给我，让我学习到了科研领域应具备的思维和研究的基本方法，提升了我的专业知识水平，助我顺利地完成课程设计。

同时也要感谢身边帮助、指导我的孟唐宇同学，感谢他在百忙之中不厌其烦的和我一起探讨，在仿真阶段，帮助我顺利圆满的完成本此课程设计。指出设计的问题，经过大家的共同讨论、研究，问题得以解决，在此表示感谢。本次设计的系统虽不是那么完善，但也是从知识到实践的转换。我从中学到了怎样独立地思考发现问题、解决问题和进一步完善提高的能力。

参考文献

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[2]毅刚，彭喜元。单片机原理与应用设计。北京：电子工业出版社。

[3]陈志旺，李亮。51单片机快速上手。机械工业出版社。

[4]李恩林，陈斌生。微机接口技术三百例。机械工业出版社。