摘要
近年来随着科学技术的发展，单片机的应用正在不断走下面还深
入。本文简单阐述了基于单片机的数字秒表的的设计。本设计的主要特点是计时精度达到0.01秒，是各种体育竞赛的必要设备之一。 本设计的数字秒表采用ATS52单片机为主要器件，利用其定时器的原理，结合显示电路、LED数码管以及外部外部中断电路来设计计时器。将软硬件结合起来，使得系统能实现0~99.99秒的计时，计时精度位0.01秒。硬件系统利用proteus仿真，在仿真中就能观察到系统的实际运行情况。
关键字：单片机 数字秒表 仿真
一 硬件设计
1、1
总体方案的设计
数字秒表具有显示直观、读取方便、精度高等优点，在计时中广泛应用。本设计中用单片机和数码管组成数字秒，表力求结构简单。
设计中包括硬件电路的设计和系统程序的设计。硬件电路主要有主控制器、控制按钮与显示电路组成。主控制器采用单片机ATS52，显示电路采用四位共阴极数码管显示计时时间。
本设计利用ATS52单片机的定时器，使其能精确计时。利用中断系统使其实现启动和暂停的功能，P0口输出段码数据，P2.0~P2.2连上译码器作为位选，P3.2和P3.3接口的两个按钮分别实现启动和暂停功能。设计的基本要求是正确性。硬件电路按下图进行设计。
四位数码管 ATS52 单片机 控制开关 位控制
计时器采用
T0中断实现，定时溢出中断周期为1ms，当溢出中
断后向CPU发出溢出中断请求，每发出10次中断请求就对10ms位（即最后一位）加一，达到100次就对100ms位加一，以此类推，直到99.99s为止。
再看按键的处理。两个按键采用中断的方法，设置外部中断0和外部中断1位脉冲边沿触发方式，这样一来每当按键按下时便会触发中断，从而实现启动和暂停。 1.2 单片机的选择
本设计在选取单片机时，充分借鉴了许多成型产品使用单片机的经验。并根据自己的实际情况，选用了ATMEL公司的ATS52。 ATMEL公司的系列单片机以其卓越的性能、完善的兼容性、快捷便利的电擦写操作、低廉的价格完全替代了87C51/62和8751/52，低电压、低功耗，有DIP、PLCC、QFP封装，是目前性能最好、价格最低、最受欢迎的单片机之一。
ATS52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52相同，其主要用于汇聚调整时的功能控制。功能包括对汇聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，汇聚调整控制，汇聚测试图控制等。 单片机外部结构
ATS52单片机采用40脚的DIP封装，如下所示。
P1.0 VCC P1.1 P0.0 P1.2 P0.1 P1.3 P0.2 P1.4 P0.3 P1.5 P0.4 P1.6 P0.5 P1.7 P0.6 RST/VPD P0.7 P3.0 VPP P3.1 ALE P3.2 PSEN P3.3 P2.7 P3.4 P2.6 P3.5 P2.5 P3.6 P2.4 P3.7 P2.3 P2.2 XTAL2 XTAL1 P2.1 VSS P2.0
（1）主电源引脚Vss和Vcc a、 b、
Vss接地
Vcc正常操作时为+5V接地
外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
a、XTAL1内部振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡时，此引脚接地。
b、XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的的另一端。当采用外部振荡时，此引脚接外部振荡源。 （2）控制或与其他电源复用引脚
a、RST/VPD 当振荡器运行是，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源， 以保持内部RAM中的数据。
b、ALE/PROG 正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部存储器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性的发出正脉冲信号。因此，它可以用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
c、PSEN 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，PSEN在每个机器周期内两次有效。 d、EA/Vpp 内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA/Vpp位高电平时，访问内部程序存储器，当EA/Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM编程期间，此引脚上加21VEPROM编程电源（Vpp）。
（3）输入/输出引脚P0.0~P0.7，P1.0~P1.7，P2.0~P2.7，P3.0~P3.7。 a、P0口（P0.0~P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外
部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。
b、P1口（P1.0~P1.7）是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口。能驱动四个LSTTL负载。
c、P2口（P2.0~P2.7）是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P2口可以驱动四个LSTTL负载。
d、P3口（P3.0~P3.7）是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口。能驱动四个LSTTL负载。 1.3 显示电路的选择与设计
对于数字显示电路，通常采用液晶显示或数码管显示。对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且液晶显示作为一种被动显示，可视性差，不适合远距离观看；对于具有驱动电路和单片机接口的液晶显示模块，一般多采用并行接口，对单片机的接口要求较高，占用资源多；另外，ATS52单片机本身没有专门的液晶驱动接口。而数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、响应速度快、价格便宜、易于购买等优点，而且有远距离视觉效果，很适合夜间或者远距离操作。因此在本设计中，我们采用7段数码管作为显示介质。
数码管显示可以分为静态显示和动态显示两种。由于本设计需要采用四位数码管显示时间，如果静态显示则占用的口线多，硬件电路复杂，所以采用动态显示。
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示
器的方式称为位扫描。通常各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的公共阴极位选线由另外的I/O口线控制。动态方式显示时，各数码管轮流选通，要使其稳定显示必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管并送出相应的段码，在另一时刻选通另一数码管，并送出相应的段码，依次规律循环，即可以使各位数码管显示将要显示的字符，虽然这些字符是在不同时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。
ATS52 段 驱 动 四位数码管 位驱动
1.4系统总体电路的设计 系统总体电路如下图所示
ATS52单片机为主电路的核心部分，各个电路均与单片机相连，由单片机统筹协调各个电路的运行工作。
开始键和暂停键使用了外部中断，所以需要连到单片机的P3.2和P3.3引脚上，这两个I/O口的第二功能是单片机的外部中断0端
口和外部中断1端口。
显示电路由四位数码管组成，采用动态显示方式，因此有8位段控制和4位位控制，8位段接控制接P0口，P0.0~P0.7分别控制数码管的a b c d e f g dp显示，位控制接在P2.0和P2.1两个口，在通过一个2—4译码器实现位控制。
RP1U119XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD393837363534333221222324252627281011121314151617123456718XTAL29RSTU2:A231ABE74LS139Y0Y1Y2Y34567RESPACK-8293031PSENALEEA12345678P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATS52
二 软件设计
2.1主程序设计
本系统程序主要模块由主程序、定时中断服务程序、外部中断0服务程序和外部中断1服务程序组成。其中主程序是整个程序的主体。可以对各个中断程序进行调用。协调各个子程序之间的关系。
主程序主要是设置定时器大的工作模式，对定时器赋初值，开总中断、两个外部中断以及定时器溢出中断。并设置外部中断为脉冲边沿触发方式。 2.2中断程序设计
本方案中用到了三个中断:外部中断0、外部中断1和定时器T0溢出中断。CPU在响应中断时，先处理高级中断，后处理低级中断，若有多个同级中断时，则应按自然优先顺序处理。例如当CPU正在处理一个中断申请时，又出现了另一个优先级比它高的中断请求，这时，CPU就暂停对当前优先级较低的中断源的服务，转去响应优先级比它高的中断请求，并为其服务。待服务结束，再继续执行原来较低级的中断服务程序。而当CPU为级别高的中断服务程序服务时，如果级别低的中断发出中断请求，此时CPU是不会响应的，所以为了避免开始和暂停两个按键中的一个出现没有响应的情况，在进行编程是要注意中断的使用，避免出现中断的嵌套。合理分配中断对本设计是很重要的。
（1）外部中断0服务程序
外部中断0服务程序结合外部P3.2键实现数字秒表的启动功能。流程如下图所示。
外部中断0入口 启动定时器T0 TR0=1 中断返回
（2）外部中断1服务程序
外部中断1服务程序结合外部P3.3键实现数字秒表的停止功能。 流程图如下所示。
外部中断1入口 停止计时 TR1=0 中断返回
（3）定时器T0中断服务程序
当T0一处后，向CPU发出中断请求信号。CPU跳转到定时中断程序执行，具体流程如下。
定时器中断入口 重装计数初值 中断次数加1 中断次数到10吗 中断次数清零，0.01秒位加一 0.01秒位到10吗 0.01秒位清零，0.1秒位加一 0.1秒位到10吗 0.1秒位清零，1秒位加一 1秒位到10吗 1秒位清零，10秒位加一 10秒位到10吗 10秒位清零 中断返回
2.3程序清单
#includeunsigned int data table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //显示码值 unsigned int i,j,k,l,count;
void delay(unsigned int z) //延时程序 { unsigned int x,y; for(x=z;x!=0;x--) for(y=110;y!=0;y--); }
void main() { TMOD=0x01; TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256; EA=1; EX0=1; EX1=1; ET0=1;
IT0=1; IT1=1； while(1) { P2=0x03; P0=table[i]; delay(1); P2=0x02; P0=table[j]; delay(1); P2=0x01;
P0=(table[k]+0x80); delay(1); P2=0x00; P0=table[l];
delay(1);
//设置定时器为模式1 //给定时器赋定时初值
//开中断 //设置外部中断位脉冲边沿触发方式
// 数码显示 }
};
void ex0() interrupt 0 //外部中断0 {
TR0=1;
//开定时器，开始计数
}
void ex1() interrupt 2 { TR0=0; }
void timer0() interrupt 1 { TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256;
count++;
if(count==10) { count=0; i++; if(i==10) { i=0; j++; if(j==10) { j=0; k++; if(k==10) { k=0;
l++;
//外部中断0 //停止计数 //定时器T0溢出中断 //重装计数初值 //溢出中断次数加一
//溢出10次，0.01s位加一
//0.01s位到10了，清零，0.1s位加一 //0.1s位到10了，清零，1s位加一 //1s位到10了，清零，10s位加一 }
}
}
}
}
三 系统调试
Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，它可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路。该软件的主要特点为：实现了单片机仿真和SPICE电路仿结合的功能，支持目前主流单片机系统的仿真，提供了软件调试的功能，具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。在电子领域中起到了很大的作用，它的出现仿真不需要先焊接电路板，可以先仿真调试通过之后再焊接电路，节省了不少在硬件调试上花费的时间。
打开已经画好的Proteus DSN文件，双击图中的ATS52芯片，就弹出一个窗口，在program file项中通过路径选择在keil中生成
hex文件，双击选中后确定，这样仿真图中的ATS52芯片就已经读取了本设计中的hex文件。然后进行仿真，仿真图如下所示。
系统运行时的情况：
RP1U119XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD393837363534333221222324252627281011121314151617123456718XTAL29RSTU2:A231ABE74LS139Y0Y1Y2Y34567RESPACK-8293031PSENALEEA12345678P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATS52
RP1U1U2:A
四 结束语
本设计的数字秒表是由ATS52单片机、共阴极数码管和控制按键等器件组成的，设有四位计时显示。计时精度能达到0.01s。系统设计合理，线路简单，性能稳定、程序简单。给出了较为详尽的电路设计方法。本系统以单片机为核心，但仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软硬件结合，以作完善。
本系统主要由三章完成，第一章中，主要是硬件电路和其实现的功能，在本次设计中各部分都实现了其功能。在第二章中，主要介绍的是软件实现过程的框图。在第三章中，粗略地介绍了硬件和软件的
调试，最终保证系能够正常运行。
通过本次课程设计，我们复习巩固了以前所学的数字电路、单片机原理及接口技术等知识，加深了对各门课程间相互关系的理解，并成功使用了keil、Proteus两款软件，使理论知识系统化、实用化。
同时在课程设计的过程中，我们也发现了本系统的许多不足和可以改进的地方。但由于时间紧迫以及技术水平等原因没能改进。虽然存在不足，但本设计开发的数字秒表仍有一定的使用价值。
参考文献
1 李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）。北京：北京航空航天大学出版社，2006
2 赵建领.51系列单片机开发宝典。北京：电子工业出版社，2007 3 朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，王志奎.Proteus教程——电子线路
设计、制版与仿真。北京：清华大学出版社，2008
