電子秒表設計與仿真
（機電一體化專業）王斐
［摘要］隨著電子技術的發展，電子技術在各個領域的運用也越來越廣泛，人們對它的認識也逐步加深。秒表計時器常常用於體育競賽及各種其他要求有較精確時間的各領域中。時間是日常生活、工業、醫學、環境保護，尤其化工、石油等領域最常遇到的一個物理量。測量時間的基本方法是使用秒表直接測量。其中秒表的精度是人們最關心的，這就要求它的計時最小單位足夠小，顯示模塊的靈敏度足夠高。其中采用單片機進行控製的計時係統就是一個典型的例子，它為現代人工作、科研、生活提供更好的更方便的測量手法。單片機使得一切向著數字化控製，智能化控製方向發展。本篇論文討論了簡單的數字秒表的設計與製作，采用LCD數碼管進行顯示。其中單片機通過定時器中斷的方式產生了10ms的最小計時單位，通過加一後判斷的方式依次對毫秒、秒、分進行處理，將每個單位進行十進製處理後進行顯示。此設計定時器中斷計時的方法計時準確，而且單片機的處理器利用率高。
［關鍵詞］電子秒表設計仿真
1緒論
1.1課題背景
電子秒表在生活中廣泛應用,它可應用於對運動物體的速度、加速度的測量實驗,還可用來驗證牛頓第二定律、機械能守恒等物理實驗,同時也適用於對時間測量精度要求較高的場合，測定短時間間隔的儀表。有機械秒表和電子秒表兩類。機械秒表與機械手表相仿，但具有製動裝置，可精確至百分之一秒；電子秒表用微型電池作能源，電子元件測量顯示，可精確至千分之一秒。廣泛應用於科學研究、體育運動及國防等方麵。
秒表計時器是電器製造、工業自動化控製、國防、實驗室及科研單位理想的計時儀器，它廣泛應用於各種繼電器、電磁開關、控製器、延時器、定時器等的時間測試。
奧運男子百米飛人大戰中，牙買加飛人博爾特以9秒69的成績奪得冠軍。而博爾特衝過終點的瞬間，熒屏顯示其成績為9秒68。相差的這個0.01秒，係由電子計時係統確認。
奧運會男子100米蝶泳決賽上，美國選手菲爾普斯以50秒58的成績驚險奪冠，距離“八金夢想”僅一步之遙。塞爾維亞選手查維奇以50.59秒獲得銀牌，隻比菲爾普斯慢0.01秒。這種細微的差距，即使是現場大屏幕用經典超慢鏡頭回放，也無法分辨。
2004年8月28日15時15分，中國選手孟關良/楊文軍在雅典奧運會男子500米劃艇決賽中，以1分40秒278的成績獲得中國在雅典奧運會的第28金。這是中國皮劃艇項目的第一枚奧運金牌，也是中國水上項目在曆屆奧運會上所獲得的第一枚金牌。孟關良/楊文軍的成績比獲得銀牌的古巴選手隻快了0.072秒，以至於兩人在奪冠之後還不敢相信。
自首屆現代奧運會在希臘雅典舉辦以來，奧運計時技術一直在不斷地向前發展。一百多年過去了，首屆現代奧運會上計時所用的跑表如今換成了一係列高科技計時裝置，如高速數碼攝像機、電子觸摸墊、紅外光束、無線應答器等。鑒於當今計時技術的快速發展，即便千分之一秒(為眨眼的四十分之一)的毫微差距，也決定著冠軍的歸屬。
數字電子秒表是利用數字電子技術把模擬信號轉換成數字信號來完成的，具有直觀、準確性高的特點。
本文采用以AT89C51單片機為核心、LED數碼管為顯示設計的簡易電子秒表。
1.2設計總說明
1.2.1秒表及其發展現狀
時間是日常生活、工業、醫學、環境保護，尤其化工、石油等領域最常遇到的一個物理量。測量時間的基本方法是使用秒表直接測量。其中秒表的精度是人們最關心的，這就要求它的計時最小單位足夠小，顯示模塊的靈敏度足夠高。目前人們所能測量的最小計時單位是毫秒級。
1.2.2課程設計任務
小組任務：完成電子秒表電路的設計與仿真，與其相關的電路原理圖的設計與繪製、PCB板的設計及仿真電路的調試等。具體任務如下：
（1）元器件的選型；
（2）完成電子秒表相關的原理圖設計；
（3）完成上述相關的PCB板設計；
（4）完成相關的仿真電路設計；
（5）完成相關電路圖的繪製；
（6）完成整個項目係列文本的編寫。
個人的任務：（1）（4）（5）（6）。
1.2.3課題設計要求
（1）具有分、秒的十進製數字顯示。
（2）具有手動清零的功能。
（3）電路圖繪製規範。
（4）要有仿真結果。
1.2.4方案設計
時間測量係統主要有兩個共同的組成部分：計時最小單位的產生和數據處理及顯示。所以時間測量係統設計的關鍵在於兩部分：顯示單元的選擇和主控單元的設計。
係統方案，綜上所述：
顯示單元采用第一方案。主控製部分采用第一方案。
按鍵控製采用第二方案。
2元器件及其選擇
2.1單片機的選擇
2.1.1AT89C51單片機性能介紹
AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除隻讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器製造技術製造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由於將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控製器，為很多嵌入式控製係統提供了一種靈活性高且價廉的方案。
（1）主要特性
·與MCS-51兼容。
·4K字節可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環。
·數據保留時間：10年。
·全靜態工作：0Hz-24Hz。
·三級程序存儲器鎖定。
·32可編程I/O線。
·兩個16位定時器/計數器。
·5個中斷源。
·可編程·低功耗的閑置和掉電模式串行通道。
·片內振蕩器和時鍾電路。
（2）管腳說明
管腳說明。
（3）振蕩器特性
XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鍾源驅動器件，XTAL2應不接。有餘輸入至內部時鍾信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鍾信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈衝的高低電平要求的寬度。
（4）芯片擦除
整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控製信號組合，並保持ALE管腳處於低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重複編程以前，該操作必須被執行。
此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷係統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容並且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件複位為止。
（5）特殊功能寄存器
MCS-51單片機內的鎖存器、定時器、串行口數據緩衝器以及各種控製寄存和狀態寄存器都是以特殊功能寄存器的形式出現的，它們分散地分布在內部RAM地址空間範圍。
1）累加器A：
最常用的特殊功能寄存器，大部分單操作數指令的操作取自累加器，很多雙操作數指令的一個操作數取自累加器。加、減、乘、除算術運算指令的運算結果都存放在累加器A或A、B寄存器對中。指令係統中用A作為累加器的助記符。
2）B寄存器：
B寄存器是乘除法指令中常用的寄存器。乘法指令的兩個操作數分別取自A和B，其結果存放AB寄存器對中。除法指令中，被除數取自A，除數取自B，商數存放於A，餘數存放於B。在其他指令中，B寄存器可作為RAM中的一個單元來使用。
3）程序狀態字PSW：
程序狀態字是一個8位寄存器，它包含了程序狀態信息。狀態字PSW。
a.CY（PSW·7）進位標誌：
在執行某些算術和邏輯指令時，可以被硬件或軟件置位或清零。在布爾處理機中它被認為是位累加器，其重要性相當於一般中央處理機中的累加器A。
b.AC（PSW·6）輔助進位標誌：
當進行加法或減法操作而產生由低4位數（BCD碼一位）向高4位數進位或借位時，AC將被硬件置位，否則就被清零。AC被用於BCD碼調整。詳見DAA指令。
c.F0（PSW·5）用戶標誌位：
F0是用戶定義的一個狀態標記，用軟件來使它置位或清零。該標誌位狀態一經設定，可由軟件測試F0，以控製程序的流向。
d.RS1，RS0（PSW·4，PSW·3）寄存器區選擇控製位：
可以用軟件來置位或清零以確定工作寄存器區。RS1，RS0與寄存器區的對應關係。
e.OV（PSW·2）溢出標誌：
當執行算術指令時，由硬件置位或清零，以指示溢出狀態。
當執行加法指令ADD時，位6向位7有進位而位7不向CY進位時，或位6不向位7進位而位7向CY進位時，溢出標誌OV置位，否則清零。
溢出標誌常用於ADD和SUBB指令對帶符號數作加減運算時，OV=1表示加減運算的結果超出了目的寄存器A所能表示的帶符號數（2的補碼）的範圍（-128-+127），在MCS-51中，無符號數乘法指令MUL的執行結果也會影響溢出標誌。若置於累加器A和寄存器B的兩個數的乘積超過255時，OV=1，否則OV=0。此積的高8位放在B內，低8位放在A內。因此，OV=0意味著隻要從A中取得乘積即可，否則要從BA寄存器對中取得乘積。